Cette thèse suggère que l’on peut retracer les évènements climatiques terrestres en étudiant l’histoire humaine. L’archéologie de l’Amérique du Nord permet de constater les liens existants entre les évènements climatiques et les changements environnementaux qu’ils induisent et les dynamiques dans les changements de mode de vie et de subsistance et les migrations. De plus, à partir de données archéologiques, datées au 14C et attribuées à des cultures en Amérique du Nord durant les derniers 15 000 ans en utilisant le test du χ² d’indépendance, 10 dates de discontinuités culturelles ont été identifiées, soit 13 840, 11 950, 10 410, 8480, 6410, 4810, 3270, 2470, 1190 et 720 cal BP. Toutes ces dates peuvent être corroborées avec des évènements climatiques trouvés en utilisant des proxys climatiques et des méthodes plus conventionnelles. De plus, les résultats permettent de voir que ces discontinuités culturelles répondent aux variations climatiques aux échelles millénaire et centenaire durant l’Holocène dont la principale cause serait les variations dans l’intensité solaire.

Une carotte sédimentaire, couvrant les derniers 2500 ans, a été échantillonnée sur la marge continentale Ouest du Spitzberg dans le détroit de Fram (78,92°N 6,77°E, profondeur d'eau: 1497 m) avec pour objectif de reconstituer les variations hydroclimatiques à partir de l'analyse des assemblages de dinokystes. L'abondance relative des taxons de dinokystes ainsi qu'une analyse en composantes principales permet de distinguer une période de transition majeure à 300 ans cal. BP. Celle-ci est marquée par la disparition simultanée des taxons thermophiles Spiniferites mirabilis-hyperacanthus et Impagidinium sphaericum ainsi qu'une augmentation des taxons polaires-subpolaires Impagidinium pallidum et Pentapharsodinium dalei. Les températures de surface estimées suggèrent des conditions plus chaudes que celles de l'actuel (moyenne de 7°C en Été, soit une anomalie d'environ +2°C) jusqu'à 300 ans cal. BP malgré plusieurs phases de refroidissement vers 1700, 1500, 1200 et 800 ans cal. BP. Les derniers 300 ans se caractérisent par une tendance au refroidissement, avec des températures d'Été chutant de 7,6 à 3,5°C et un couvert de glace de mer atteignant 7 mois/an. Les résultats obtenus montrent que le couvert de glace de mer et la température de surface océanique dans la région du détroit de Fram sont sensibles aux variations hydroclimatiques, principalement liées au débit relatif des eaux chaudes et salées du courant Nord Atlantique pénétrant à l'Est et des eaux froides et déssalées sortant de l'Arctique, à l'Ouest. Nos données mettent également en évidence un optimum thermique vers 1320 ans cal. BP qui représenterait le seul intervalle des derniers 2500 ans pouvant être un analogue des conditions modernes post-AD 2000 et se singularisant par une absence du couvert de glace de mer. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Holocène, Mers nordiques, Détroit de Fram, Conditions océaniques de surface, Dinokyste.

La méthode de reconstitution de l'histoire de la température à la surface du sol (HTSS) à partir de profils de température mesurés dans des forages est présentée et mise en application afin d'apporter quelques éléments de réponse à des questions portant sur les changements climatiques passés. La thèse est divisée en trois chapitres dont le premier porte principalement sur des aspects méthodologiques et les deux autres sur des problèmes de détermination des changements de températures de surface auxquels la méthode fournit des solutions. Le premier chapitre porte sur la sélection de profils de température lors de reconstitutions régionales de l'HTSS. Différents procédés de reconstitutions d'HTSS régionales à partir d'ensembles de profils de température sont comparés afin de déterminer quels avantages peut présenter une sélection de profils de température non contaminés par des perturbations non climatiques par rapport à une analyse globale de tous les profils mesurés. Les résultats montrent que la résolution ainsi que la stabilité des résultats sont grandement améliorées par une sélection minutieuse des profils de température. Non seulement l'inversion simultanée de profils très bruités n'améliore pas la résolution de la solution, mais l'inclusion de ces profils cause de fortes instabilités et peut fausser les résultats. Même si le nombre de profils non contaminés est généralement faible (par exemple, seuls 13 des 73 forages mesurés au Manitoba et en Saskatchewan sont considérés non contaminés), il est toujours préférable de sélectionner les profils afin d'obtenir une HTSS stable, fiable et ayant une bonne résolution. Si les profils contaminés par des perturbations non climatiques ne peuvent être éliminés, le meilleur moyen d'obtenir une HTSS stable est de faire la moyenne des inversions individuelles de chacun des profils, cependant la résolution de la solution sera très faible. Le deuxième chapitre présente une HTSS des 400 dernières années au site minier Raglan, situé dans le nord de la péninsule d'Ungava, déterminée à l'aide de profils de température mesurés dans des forages creusés dans le pergélisol. Des écarts très prononcées par rapport à l'état stationnaire sont observés dans les 200 premiers mètres des profils de température mesurés et sont interprétés comme ayant été causés par les variations récentes de la température à la surface du sol. Seul un des profils de température n'est pas affecté par des perturbations non climatiques et est donc analysé en détail à l'aide de trois méthodes indépendantes, soit deux méthodes d'inversion et une méthode directe. Les résultats montrent un réchauffement de 1.4 K entre le milieu du 18e siècle et 1940. Ce réchauffement est suivi d'une période de refroidissement caractérisée par une chute des températures de surface d'environ 0.4 K dura entre 40 et 50 ans. Depuis les 15 dernières années, les températures de surface ont bondi de plus de 1.7 K dans la région. Le troisième chapitre présente des HTSS de plus de 30000 ans déterminés par l'inversion de profils de température très profonds (2000 mètres) situés à divers endroits au Canada. Ces HTSS permettent entre autre de déterminer les températures à la base du glacier Laurentidien (températures basales) au dernier maximum glaciaire. Pour ce faire, quatre nouveaux profils très profonds mesurés à Sudbury et Manitouwadge sont analysés et interprétés conjointement avec quatre profils profonds déjà publiés (Flin Flon, Thompson, Balmertown et Sept-Îles). Une ré-analyse complète de tous les profils déjà publiés est effectuée afin de permettre une comparaison objective de tous les résultats. Les résultats montrent que sous la portion sud du glacier Laurentidien, les températures basales avaient des valeurs entre 0 et -2 °C au dernier maximum glaciaire. Ces résultats sont en accord avec les prédictions des modèles isostatiques et des observations de surface qui suggèrent que les températures basales devaient être près du point de fusion de la glace afin de permettre un écoulement rapide de la glace basale. Les reconstitutions de l'HTSS permettent également d'étudier l'amplitude et la chronologie de l'optimum climatique de l'Holocène pour chacun des sites étudiés. Les valeurs obtenues sont en accord avec les résultats de multiples études utilisant différents proxies. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Paléoclimatologie, Géophysique, Inversions, Reconstitutions climatiques, Températures de surface, Forages, Anomalies de température, Flux de chaleur.

Les changements climatiques soulèvent d'importants questionnements sur la vulnérabilité et la résilience des écosystèmes nordiques et des populations humaines du Nunatsiavut, lesquelles occupent la région depuis près de 7000 ans. Dans le cadre d'une initiative de recherche interdisciplinaire dans l'archipel de Nain sur la côte subarctique du Labrador, ce projet visait à reconstituer la variabilité paléoenvironnementale et paléoclimatique postglaciaire de Dog Island et à documenter leurs impacts sur l'évolution des lacs situés à proximité de sites archéologiques (Oakes Bay 1). Misant sur une approche paléolimnologique, les indicateurs biologiques (diatomées), physiques et géochimiques préservés dans les carottes sédimentaires de deux lacs ont été analysés. Les résultats du lac Oakes Bay West révèlent la sensibilité du bassin lacustre aux perturbations qui ont lieu dans son bassin versant, possiblement attribuables à des modifications dans le couvert végétal, les régimes hydrologiques et les processus géophysiques depuis 4900 ans cal. BP. Deux événements majeurs, caractérisés par des apports sédimentaires importants, ont été identifiés entre 4650-4150 ans cal. BP puis à partir de 1520 ans cal. BP. Autrement, les assemblages de diatomées suggèrent une légère diminution du pH, potentiellement liée au développement de la végétation et des sols du bassin versant, au refroidissement progressif du Néoglaciaire ou, plus récemment (depuis 1050 ans cal. BP), au processus de paludification préalablement identifié dans la région. La succession des assemblages biostratigraphiques et les profils physico-chimiques du lac Evilik ont permis de retracer l'isolation postglaciaire du lac provoquée par le relèvement glacio-isostatique et la régression marine. On observe une transition en trois étapes distinctes: 1) un milieu littoral marin peu profond et instable entre 3350-2700 ans cal. BP; 2) une période transitoire saumâtre marquée par la perte de contact régulier avec la mer entre 2700-1840 ans cal. BP; et 3) l'établissement des conditions lacustres vers 1840 ans cal. BP. / Climate change raises important questions about the vulnerability and resilience of both the northern ecosystems and the human populations in Nunatsiavut that have inhabited the region for nearly 7000 years. As part of an interdisciplinary research initiative within the Nain Archipelago on the subarctic coast of Labrador, this project sought to reconstruct the postglacial paleoenvironmental and paleoclimatic variability of Dog Island and to document their impacts on the evolution of lakes located in the vicinity of significant archaeological sites (e.g., Oakes Bay 1). Using a paleolimnological approach, biological (diatoms), physical and geochemical indicators preserved in sediment cores from two lakes were analyzed. Results from Oakes Bay West reveal the sensitivity of the lake basin with respect to watershed disturbances, possibly due to changes in vegetation cover, hydrological regimes, and geophysical processes since 4900 cal. BP. Two major events, characterized by significant sedimentary inputs, were identified between 4650-4150 cal BP and then from 1520 cal BP onward. Otherwise, the diatom assemblages suggest a slight decrease in pH, potentially related to the development of vegetation and soils in the watershed, to the progressive cooling of the Neoglacial period or, more recently (since 1050 years cal. BP), to the paludification process previously identified in the region. The succession of biostratigraphic assemblages and the physico-chemical profiles of Evilik lake have allowed us to reconstruct the postglacial isolation of the lake caused by the processes of glacio-isostatic rebound and marine regression. A three-stage transition is observed: 1) a shallow and unstable littoral marine environment between 3350-2700 cal. years BP; 2) a brackish transitional period marked by the loss of regular contact with the sea between 2700-1840 cal. years BP; 3) the establishment of lacustrine conditions around 1840 years cal. BP.

Le corpus de cette thèse est une contribution au projet de recherche multidisciplinaire sur le paléoclimat de la Béringie orientale de la fin du Pléistocène à nos jours. L'objectif principal était de reconstituer, le plus précisément possible, les paléotempératures de l'air en été et les conditions d'humidité de la fin du Pléistocène et de l'Holocène pour différents sites en Alaska. Des méthodes d'inférences basées sur l'étalonnage des relations entre la distribution des diatomées de plusieurs lacs et certains gradients climatiques ont été développées, perfectionnées et utilisées en vue de rencontrer notre objectif principal. Une méthode sophistiquée, permettant de sélectionner seulement les espèces de diatomées dont la distribution était fortement influencée par les variables climatiques d'intérêt, a été employée en vue de développer des modèles robustes et spécifiques. Un logiciel spécialement destiné à l'application de cette méthode a également été conçu. Les modèles développés ont été utilisés sur deux séquences sédimentaircs situées en Alaska. Les températures inférées suggèrent que la région du pont terrestre de Bering a connu des étés relativement doux et secs entre 30 000 et 15 000 ans BP (¹⁴C). Nos reconstitutions climatiques pour la période couvrant le tardi-glaciaire (15 000 à 10 000 ans BP), indiquent que les étés ont été plus chauds qu'aujourd'hui. Quoique légèrement plus humide qu'au pléniglaciaire, le tardi-glaciaire semble avoir été marqué par des conditions sèches. Bien que nos reconstitutions de températures diffèrent de certaines interprétations proposées à ce jour dans la littérature pour la fin du Pléistocène, elles concordent avec d'autres inférences quantitatives récemment proposées. Pour la région du centre de l'Alaska, nos résultats suggèrent que la transition à l'Holocène a été marquée par d'importants changements climatiques, notamment d'humidité relative. Toutefois, nos reconstitutions ne supportent aucune évidence d'une période chaude au début de l'Holocène comme l'avait suggéré d'autres études.

L’Holocène a été marqué par une variabilité plurimillénaire, ponctuée par une variabilité millénaire rapide. L’étude d’enregistrements à forts taux de sédimentation couplée à une approche multi-proxy s’avère indispensable pour comprendre la dynamique de la machine climatique au cours de l’Holocène à travers tous ses compartiments climatiques: cryosphère, océan, banquise, atmosphère et biosphère. Nous avons appliqué ce type d’approche multi-échelle et multi-proxy à deux enregistrements marins de la marge continentale Est Antarctique afin d’appréhender les variations climatiques d’une échelle plurimillénaire à séculaire au cours de l’Holocène dans l’environnent singulier de la zone marginale des glaces. Cette étude a permis de caractériser la réponse des différents compartiments climatiques en Antarctique aux variations d’ordre plurimillénaire à millénaire et de documenter la cohérence spatiale de ces changements à l’échelle de l’Antarctique grâce à une comparaison modèle-donnée. Cette approche a permis de souligner les forçages climatiques intervenant à l’échelle du forçage orbital et de documenter les connections inter sous-systèmes climatiques, mettant en lumière le rôle clé de la banquise. A l’échelle sub-Milankovitch, les compartiments climatiques affichent aussi des réponses synchrones mais les facteurs forçant restent à éclaircir. / The present Holocene interglacial period was affected by long-term and rapid millennial short-term climatic changes. Multi-proxy high-resolution studies are crucial to better understand the climatic system via all the sub-systems involved: crysophere, ocean, sea ice, atmosphere, and biosphere. A multi-scale and multi-proxy approach on two high resolution marine sediment cores off East Antarctica allowed us to provide accurate reconstructions of Milankovitch and sub-Milankovitch climatic variability of the sea ice zone. We characterized the response of climatic sub-systems to long- and short-term climatic changes and documented the spatial coherence of these changes over Antarctic thanks to coupled model-data comparison. This study highlights the forcing factors involved at Milankovitch timescales, the relationships linking the different climatic components and particularly the key role played by sea ice in the Earth climate. Forcing factors acting at the sub-Milankovitch timescales are less clear although sub-systems components display synchronous response.

La composition isotopique de l'oxygène dans la cellulose des sphaignes est étudiée depuis quelques années dans les sédiments tourbeux pour son potentiel paléoclimatique. Si le lien entre la composition isotopique de l'eau de source utilisée par la plante et celle de la cellulose est bien établi, la provenance de l'eau utilisée et l'effet de la microtopographie le sont moins. De plus, la relation entre la composition isotopique de l'oxygène de l'eau dans les tourbières et le climat est toujours incertaine. Le but de la présente recherche est de déterminer la provenance de l'eau utilisée par les bryophytes de différents biotopes de tourbières ombrotrophes et minérotrophes du Québec et de tenter de comprendre l'effet du climat (température et précipitation) sur la composition isotopique de l'oxygène de ces bryophytes. A celle fin, des échantillons d'eau et de mousses de surface ont été récoltés dans 16 tourbières du Québec méridional et boréal et analysés pour la composition en δ18O. Un volet paléoclimatique a aussi été réalisé afin d'étudier la variabilité de cet indicateur dans le temps et parallèlement à d'autres indicateurs. Deux carottes ont été récoltées dans une tourbière à palses de la région de Kuujjuarapik, dans le Nord du Québec, sur lesquelles des analyses polliniques, isotopiques (18O), de la densité sèche et du contenu en carbone ont été effectuées. Les résultats des échantillons de surface ont permis de constater que la provenance de l'eau alimentant les bryophytes n'est pas la même selon le biotope (butte vs dépression). Les mousses de buttes sont alimentées en eau par les précipitations récentes lors de la saison de croissance, alors que les mousses de dépressions sont alimentées par l'eau de la nappe phréatique qui représente une valeur moyenne annuelle. Il s'ensuit une différence moyenne significative entre le δ18O de la cellulose des mousses croissant sur les bulles et celles dans les dépressions (2,61 %0). Les relations établies avec les paramètres climatiques suggèrent également une différence de la composition du δ18O selon le biotope, alors que les mousses de buttes semblent influencées par la quantité de précipitations de la saison de croissance et les mousses de dépressions, par la température moyenne annuelle et la quantité de précipitations moyenne annuelle. Les résultats des analyses paléoclimatiques (pollen et stratigraphie) démontrent aussi que la composition isotopique de l'oxygène de la cellulose des bryophytes correspond principalement à des changements d'ordre topographique dans la tourbière. L'étroite relation du δ18O avec la position de la nappe phréatique inférée de même qu'avec l'évènement de sécheresse identifié vers 4,2 ka BP suggère également une influence importante de la nappe phréatique sur la composition isotopique de l'eau en surface. Le δ18O des bryophytes dans les tourbières est donc un indicateur qui peut s'avérer utile dans les études paléoclimatiques, mais qui doit être interprété avec prudence. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : isotope, tourbière, Holocène, paléoclimatologie, pollen, cellulose, bryophyte

Le rôle de l'océan Arctique dans le climat global est important. Les apports d'eau douce sont essentiels au maintien de la couche de faible salinité à la surface de l'océan qui permet la formation de la glace de mer. Les variations du budget d'eau douce influencent donc l'étendue du couvert de glace. Les variations du couvert de glace modifient l'albédo, le budget énergétique et les conditions de salinité et de température des masses d'eaux superficielles qui, à leur tour, influencent le climat global. Dans le contexte des changements climatiques actuels, il est indispensable de reconstituer l'histoire climatique de l'océan Arctique, en particulier au cours des cycles glaciaires-interglaciaires récents, afin de comprendre sa variabilité naturelle. L'étude paléoclimatique de l'océan Arctique a été entreprise dès les années 60 sur la base d'analyses des enregistrements sédimentaires livrés par des carottes de forage. Les sédiments situés sur les plateaux continentaux (30% de la surface de l'océan Arctique) sont caractérisés par des hauts taux de sédimentation qui permettent des études paléoclimatiques de haute résolution. Les bassins profonds et les rides connaissent des taux de sédimentation beaucoup plus faibles autorisant des études sur une plus grande échelle de temps. Ce sont de tels enregistrements qui ont été utilisés dans la présente thèse dont l'objectif principal consistait à établir des éléments de chronologie de la sédimentation grâce à l'étude des actinides. Le premier chapitre concerne le comportement des isotopes à courte période dans les sédiments de sub-surface de l'océan Arctique en relation avec les larges gradients de vitesse de sédimentation. L'étude a été focalisée sur le 210Pb, analysé dans neuf carottages courts (multicores) représentant des environnements différents (plateau, ride, etc.) afin de déterminer les conditions de son utilisation éventuelle aux fins de détermination des vitesses de sédimentation récentes. Deux multicores provenant de la ride de Mendeleiv ont été étudiés en détail et ont permis de mettre en évidence les particularités du comportement des actinides ascendants dans les environnements caractérisés par de très faibles taux de sédimentation. On a pu démontrer que sous de telles conditions, le profil de 210Pb était rapidement contrôlé par son ascendant, le 226Ra, lui même contrôlé par le 230Th ascendant. De plus, les budgets de 210Pb estimés dans ces deux mu1ticores indiquent que le 210Pb du sédiment correspond à la somme des sources atmosphériques et de la colonne d'eau, à une profondeur de ~1600 m. Par contre, un déficit s'observe dans la colonne sédimentaire, plus bas, à ~2500 m de profondeur. Il permet de conclure à un transport latéral du 210Pb ou à une capacité limitée d'adsorption particulaire, au delà de 1600 m de profondeur. Le deuxième chapitre présente une étude sédimentologique, minéralogique et géochimique détaillée des deux multicores utilisés dans le chapitre I. Les outils stratigraphiques courants (14C, 18O) s'avèrent peu concluants dans un tel contexte sédimentologique. Nous avons donc utilisé le 230Th et le 231Pa pour établir des éléments de chronostratigraphie. Deux régimes distincts ont été observés, l'un correspondant aux périodes glaciaires où la sédimentation est caractérisée exclusivement par les apports sédimentaires des glaces flottantes (Ice Rafted Debris, IRD), l'autre correspondant aux périodes interglaciaires et déglaciations, marquées par des flux sédimentaires plus élevés et des apports plus fins issus de l'archipel de l'Arctique Canadien, et un contenu micro-faunistique (foraminifères) peu abondant. En se basant sur les caractéristiques géochimiques et sédimentaires des deux régimes et les éléments de chronologie issus des données 230Th et 231Pa, on a mis en évidence la présence d'un transport latéral en 230Th et 231Pa dans les sédiments glaciaires. Le troisième chapitre présente des données géochimiques et sédimentologiques provenant de la ride Lomonossov. Cette ride, au centre de l'océan Arctique, est marquée par des vitesses de sédimentation plus élevées. La séquence sédimentaire examinée correspond ainsi aux derniers 25 000 ans. Un événement sédimentaire ponctuel, daté à ~12 000 ans (chronologie 14C calibrée), rend compte d'une source sédimentaire de l'Arctique Canadien. Cet événement correspondrait au Dryas récent (Younger Dryas-YD). Cette observation est l'une des premières observations d'origine marine de la débâcle du Lac Agassiz vers le nord, proposée par divers auteurs. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Océan Arctique, Paléocéanographie, Quaternaire, Actinides

Un profil pollinique provenant d'un lac possédant des sédiments laminés (varves), le lac Brûlé (45°43'09" N, 75°26'32"O 270m), a servi à étudier l'histoire de la végétation et du climat dans l'Outaouais au cours de l'Holocène tardif. Au cours des 1400 dernières années, la végétation de l'Outaouais a été dominée par des espèces arboréennes telles que Tsuga, Fagus, Betula, Acer, Pinus et Picea. Des modifications majeures s'opèrent dans les spectres polliniques vers 1375 AD. Les analyses des micro-charbons et les évidences d'une succession écologique secondaire indiquent que ces changements sont attribuables à un incendie forestier. Une diminution abrupte de l’influx pollinique entre 1600 et 1700 AD suggère qu’une dégradation du climat sous un certain seuil a entraîné une réponse rapide du milieu forestier. Les changements observés lors du Petit-Âge glaciaire suggèrent que les variations climatiques de courte durée affectent la production pollinique et que ces changements sont enregistrés par les diagrammes polliniques à haute résolution temporelle.

Un profil pollinique provenant d'un lac possédant des sédiments laminés (varves), le lac Brûlé (45°43'09" N, 75°26'32"O 270m), a servi à étudier l'histoire de la végétation et du climat dans l'Outaouais au cours de l'Holocène tardif. Au cours des 1400 dernières années, la végétation de l'Outaouais a été dominée par des espèces arboréennes telles que Tsuga, Fagus, Betula, Acer, Pinus et Picea. Des modifications majeures s'opèrent dans les spectres polliniques vers 1375 AD. Les analyses des micro-charbons et les évidences d'une succession écologique secondaire indiquent que ces changements sont attribuables à un incendie forestier. Une diminution abrupte de l’influx pollinique entre 1600 et 1700 AD suggère qu’une dégradation du climat sous un certain seuil a entraîné une réponse rapide du milieu forestier. Les changements observés lors du Petit-Âge glaciaire suggèrent que les variations climatiques de courte durée affectent la production pollinique et que ces changements sont enregistrés par les diagrammes polliniques à haute résolution temporelle.