Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail a pour objectif de développer un nouvel indicateur quantitatif des conditions hydrologiques passées fondé sur la composition isotopique en hydrogène (δD) d’un biomarqueur sédimentaire spécifique du millet commun (Panicum miliaceum), la miliacine. L’étude de la pertinence spatio-temporelle de cet indicateur révèle que le δD miliacine de plants de millet dans un champ, bien que dispersé, suit une loi gaussienne. Le δD miliacine du sol correspond au δD miliacine des plantes cultivées l’année précédente. L’évolution interannuelle du δD miliacine est globallement parallèle à celle du δD des eaux météoriques, les différences pouvant être attribuées à des différences d’humidité. La comparaison des valeurs de δD miliacine dans des sédiments du même âge prélevés sur deux archives distinctes dans le Lac du Bourget témoigne que l’archivage de cet indicateur est intègre de manière homogène les conditions climatiques ayant régné dans le bassin versant. La culture de millet en chambre climatique démontre que, si le δD de l’eau de source est le principal facteur controlant le δD miliacine, ce dernier est très étroitement corrélé au δD de l’eau de la feuille. De légères différences de fractionnement biosynthétique net entre n-alcanes et miliacine sous deux conditions d’humidité laissent supposer que l’analyse combinée de biomarqueurs sédimentaires issus de voies synthétiques distinctes permettrait d’accéder à la fois aux variables paléoenvironnementales clé que sont le δD de l’eau de source et l’humidité. / This work aims at developing a new proxy of past hydrological conditions based on the hydrogen isotopic composition (δD) of a sedimentary biomarker that is specific for broomcorn millet (Panicum miliaceum), miliacin. Analysing the spatio-temporal relevancy of this proxy reveals that miliacin δD values of plants cultivated in the field, although dispersed, follow a Gaussian law. Soil miliacin δD values are the same as those found for plants grown the year before. Interannual variations in plant miliacin δD values roughly parallel those of precipitation δD values, slight differences being attributed to differences in relative humidity. The comparison of miliacin δD values in sediments deposited in two distinct settings at the same time in Lake le Bourget attests that this proxy homogeneously integrates climatic conditions over the whole catchment. Cultivation of millet plants in climatic chambers allowed demonstrating that, although source water δD is the principal controlling miliacin δD values, this later is closely correlated to leaf water δD. Slight differences in net biosynthetic fractionation between n-alcanes and miliacin under two relative humidity levels imply that the combined analysis of sedimentary biomarkers produced through distinct biosynthetic pathways could help discriminating between source water δD and relative humidity in paleoenvironmental studies.

La paléohydrologie permet l'estimation des paramètres hydrologiques allant de la géométrie du chenal à celle du bassin versant, en passant par la dynamique des écoulements et le climat. Bien que les systèmes fluviatiles soient connus pour évoluer sous contrôle de paramètres allo- et auto-cycliques, leur influence n'a que peu été prise en compte dans les études antérieures. Nos travaux exposent une méthode originale de restitution paléohydrologique, basée sur la hauteur des barres de méandre (hauteur d'eau) et contrainte par le climat. Des équations originales exprimant les différents paramètres hydrologiques en fonction de la hauteur d'eau sont développées à partir de données hydrologiques actuelles appartenant à deux domaines climatiques différents. Ces lois sont validées à travers une application à deux cas d'étude géologiques bien contraints : les systèmes méandriformes Oligo-Miocène subtropical semi-humide d'avant-pays alpin (SE France) et subtropical à saisons sèches d'avant-pays ibérique (Centre Espagne). Les restitutions paléohydrologiques sont en parfait accord avec les zones source et les vitesses d'écoulement fournies par les données de terrain. Les influences respectives du climat, de la tectonique et du niveau de base sont quantifiées et discutées à travers les résultats paléohydrologiques. Les restitutions paléo-hydro-climatiques montrent la mise en place à l'Aquitanien inférieur d'un gradient climatique entre l'Espagne et la France et l'enregistrement de l'épisode froid du Mi1. L'analyse des changements de tailles des systèmes met en évidence le passage de régime méandriforme à anabranché en réponse à des déformations tectoniques liées à la création des Alpes.

Les changements climatiques en cours affectent particulièrement les écosystèmes des régions nordiques, dont les tourbières situées dans les secteurs à pergélisol continu et discontinu. Dans ce contexte, les modifications des conditions climatiques régionales peuvent perturber l'évolution des écosystèmes tourbeux et indirectement affecter leur bilan en carbone. Comme les changements climatiques actuels sont grandement attribuables aux contenus de l'atmosphère en gaz à effet de serre (GES) tel que le CO2 et le CH4, il devient important de mieux connaître l'influence du climat sur la dynamique des tourbières à pergélisol et sur le bilan de carbone dans ces milieux. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer les effets des changements climatiques sur l'évolution des tourbières des régions à pergélisol discontinu par la reconstitution de la paléohydrologie d'une tourbière à palses du secteur de Kuujjuarapik sur la côte est de la baie d'Hudson. La relation entre les thécamoebiens et les niveaux de nappe phréatique des tourbières a été bien démontrée au cours des dernières années. La première étape pour réaliser ce projet a été de développer une fonction de transfert adaptée aux contextes de développement des tourbières du Québec au moyen de ces organismes afin d'inférer des valeurs d'élévation de la nappe phréatique (NP). Cette fonction de transfert a été construite à partir de thécamoebiens provenant d'échantillons de surface (modernes) de six tourbières ombrotrophes et six rninérotrophes réparties sur l'ensemble du territoire québécois. Ensuite, cet outil a été utilisé pour reconstituer les changements de conditions hydrologiques holocènes, à partir du contenu en thécamoebiens fossiles de deux profils tourbeux provenant d'une tourbière à palses dans la zone de pergélisol discontinu du secteur de Kuujjuarapik. Les résultats des échantillons modernes de thécamoebiens et des tests statistiques ont permis de développer une fonction de transfert pour la reconstitution des niveaux passés de NP des tourbières ombrotrophes et minérotrophes bien adaptée aux différents contextes québécois (Nb.: 86; RMSEP: 4,73 cm ; R2: 0,77). La comparaison des valeurs de NP inférées par cette fonction de transfert à celles d'une autre fonction de transfert nord-américaine déjà existante (Booth, 2008), confirme le potentiel de cet outil pour les recherches portant sur la paléohydrologie des tourbières. Les résultats des analyses stratigraphiques et de thécamoebiens de deux profils de tourbe indiquent un développement et des conditions d'accumulation du carbone distincts entre la zone à palses au centre de la tourbière et la bordure forestière en marge du bassin. Ces différences sont attribuées en partie à l'influence des processus autogènes variables entre ces deux secteurs de la tourbière. Les résultats des conditions hydrologiques du centre de la tourbière présentent plusieurs évènements synchrones avec des épisodes de changement de niveau d'eau de lacs du Québec nordique. Deux phases de développement du pergélisol ont été identifiées entre 1420 - 600 ans étal. BP et entre 440 ans étal. BP et l'actuel. Les résultats montrent aussi l'influence du pergélisol sur les taux d'accumulation en carbone avec des baisses de 11,12 g.m-2.an-1 et 9,23 g.m-2.an-1 lors des épisodes froids. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : tourbière, pergélisol, thécamoebiens, fonction de transfert, Holocène, carbone

Afin d’étudier les changements hydrologiques passés du « lac Noir » (dernière phase lacustre de la mer Noire) et l’expression de la Dernière Déglaciation en Europe centrale, des techniques analytiques variées ont été mises en œuvre sur la carotte MD04-2790 : modélisation, développement de méthodes statistiques, géochimie élémentaire et isotopique. La reconstitution de l’évolution des âges réservoir du « lac Noir » au cours des 30 derniers millénaires a permis de mieux comprendre les réponses hydrologiques du bassin aux changements climatiques (variations du niveau du plan d’eau, phases de stratification, possible déstabilisation d’hydrates de gaz). L’âge de la dernière reconnexion du « lac Noir » avec la mer Méditerranée a été révisé à 9 000 ans BP. L’interprétation des isotopes du Nd en termes de provenance des sédiments a permis de mettre en évidence que les pulses d’eaux de fonte arrivant dans le « lac Noir » au cours de l’événement de Heinrich 1 provenaient de la désintégration de la calotte fennoscandinave. Un mécanisme régional d’interactions climatiques entre lacs proglaciaires et atmosphère a été proposé pour expliquer l’organisation temporelle particulière des pulses d’eaux de fonte. Nos résultats renforcent le paradigme de Denton qui suggère que des stades prolongés sont nécessaires au passage du mode climatique glaciaire au mode interglaciaire. / In order to study the past hydrologic changes of the Black Sea “Lake”, various analytical techniques were applied to study the core MD04-2790: modelling, development of statistical approaches, elemental and isotopic geochemistry. The reconstructed reservoir age changes of the Black Sea “Lake” were interpreted in terms of the hydrologic responses of the lake to glacial/deglacial climate changes (water level change, water column stratification, possible chlatrate dissociation). Calendar age of the Black Sea “Lake” last reconnection to global ocean was also revised to 9,000 yr BP. Finally, drastic changes in εNd values strongly suggest that sediments deposited in response to Deglacial Water Pulses (DWP) during Heinrich Event 1 (HE1) originated from the Fennoscandian Ice Sheet (FIS), providing the first direct evidence that the Black Sea “Lake” recorded the collapse of the FIS. The peculiar temporal organisation of DWPs suggests outbursts of proglacial lakes into Dniepr catchment as well as regional climatic interactions between proglacial lakes and atmosphere. The HE1-timing of the DWPs occurrence would indicate that FIS was involved in the N-Atlantic circulation reduction that shifted Earth climatic machine towards interglacial conditions in accordance with Denton’s paradigm.

Le lac de Van (1648 m) est une référence paléoclimatique et paléoenvironnementale pour le Moyen-Orient. D΄après les études précédentes fondées sur l΄interprétation des séquences sous-lacustres, son histoire récente (depuis 20000 ans) apparaît intimement liée aux changements climatiques post-Glaciaire. Notre thèse propose une reconstitution des anciens niveaux du lac depuis la fin du Pléistocène supérieur (>100000 ans). L΄approche géomorphologique a été privilégiée, incluant des relevés sédimentologiques, stratigraphiques et altimétriques de terrain ; couplée avec des datations, elle a permis d΄interpréter des archives sédimentaires et morphologiques préservées dans trois vallées (Bendimahi, Karasu et Engil) situées dans la partie orientale du bassin versant. Nos résultats montrent que le lac de Van a connu des variations de sa masse d΄eau de fortes amplitudes, avec trois grandes transgressions suivies de régressions majeures. Le plus haut niveau lacustre (≥1750 m, soit plus de 100 m au-dessus du niveau du lac actuel) semble appartenir à la fin de l΄Interglaciaire précédent, âge confirmé par une datation OSL (>117 ka) et post-daté par une retombée ponceuse et un travertin. Cette transgression (cycle I) ne répond pas à un forçage climatique mais à des bouleversements paléohydrographiques liés à l΄activité volcanique au sud-ouest du lac. Entre cette transgression et le Dernier Maximum Glaciaire, le lac de Van connaît deux grandes transgressions (cycles II et III) entrecoupées d΄une régression majeure qui a entrainé l΄incision des sédiments lacustres et l΄élaboration de terrasses d΄érosion. Ces transgressions répondent à un forçage climatique. La transgression du cycle II (âge estimé 40-30 ka), a atteint l΄altitude maximale possible liée au seuil à 1735 m. Le cycle III se compose d΄une double transgression datée du DMG (26-25 ka cal. BP et 21-20 ka cal. BP) dont le premier pic a été ≥1700 m et le second ≥1706 m. Après le cycle III, un bas niveau de régression (15ka, <1648 m) précède la transgression du cycle IV qui a atteint des niveaux proches du niveau d΄eau actuel.

Le but de cette étude est de retracer l’évolution de l’hydrologie dans la partie occidentale de l’Océan Pacifique subtropical en utilisant le proxy εNd analysé sur les foraminifères et sur les oxydes de ferromanganèse authigéniques dans les sédiments. Ceux-ci proviennent de carottes sédimentaires prélevées au nord de la Mer de Chine du Sud (MCS). Avant d’utiliser l’εNd dans les sédiments profonds de la MCS, 16 profils d’eau de mer, collectés au nord de la MCS et dans le Mer des Philippines, ont été analysés afin d’établir la distribution d’εNd des masses d’eau dans l’ouest du Pacifique tropical et dans la MCS, qui jusqu’à aujourd’hui n’était pas documentée. Les valeurs d’εNd des masses d’eau profondes et intermédiaires varient de -2,7 à -4,4 et augmentent légèrement avec la profondeur. Dans la mer des Philippines, les valeurs d’εNd de l’eau intermédiaire du Pacifique Nord (North Pacific Intermediate Water, NPIW) atteint -2.7±0.4 à moyenne profondeur (500 à 1400m). En-dessous de de 1800m, l’eau profonde Pacifique (Pacific Deep Water, PDW) est caractérisée par du Nd moins radiogénique (-4.1±0.5), indiquant l’intrusion de masses d’eau australes. Pour la plupart des stations du nord de la MCS, les masses d’eau en-dessous de 1500m (PDW) affichent des valeurs d’εNd homogènes (~ -4.1), similaires à celles de la PDW dans la Mer des Philippines. Les valeurs d'εNd pour l'eau intermédiaire de la mer de Chine du Sud (South China Sea Intermediate Water, SCSIW, 500-1500m) varient entre -3.0 et -3.9 dû au mélange vertical de la NPIW avec la PDW. Les valeurs d'εNd de l'eau de mer dans la MCS (-5.3 à -7.0) affichent des modifications locales dans des zones où l'eau s'écoule au-dessus de systèmes de dépôt sédimentaire. Ceci implique que "l'échange à la marge" avec des sédiments non radiogéniques (autour de -11) peut se produire dans le temps et dans l'espace sans modifier la composition isotopique du Nd de la PDW dans le Nord de la MCS. Dans un second temps, l’εNd extrait des foraminifères planctoniques G. ruber a été étudié sur la carotte MD05-2904, collectée à 2000m de profondeur sur la marge nord-ouest de la MCS. Cette étude a été conduite dans le but de retracer les variations hydrologiques depuis le Dernier Maximum Glaciaire (DMG) dans la partie occidentale du Pacifique Nord subtropical. Les enregistrements d'εNd ainsi obtenus couvrent les derniers 25 000 ans. Ils affichent une large gamme de valeurs de -4±0.2 à -6.7±0.3, suggérant d'importants changements dans la contribution de la NPDW (εNd=-4) et de la UCDW (Upper circumpolar Deep Water, εNd -6 to -8) dans la zone étudiée. Durant la déglaciation, les enregistrements d'εNd indiquent une diminution des excursions négatives de l'εNd impliquant une plus forte proportion de SSW (Southern-sourced Water) entre 17 et 15 ka BP ainsi qu'entre 10 et 8 ka BP. Ces intervalles de temps sont contemporains de l’évènement Heinrich 1 (HS1) et de l’Holocène inférieur. Les shifts négatifs centrés sur le HS1 coïncident avec un phénomène d'upwelling renforcé dans l'océan austral, associé à un déplacement vers le pôle des vents d'ouest. Ceci implique une augmentation de la formation de la SSW qui se propage dans l'Ouest du Pacifique subtropical. L'excursion négative de l'εNd durant l’Holocène inferieur (~10-8 cal ka BP) indique une plus grande proportion de SSW qui pourrait être associée avec une plus forte production de SSW, comme observé récemment dans l'atlantique Sud, et/ou avec une possible réduction de la NPIW. Nos données suggèrent que le schéma de circulation actuel dans la partie occidental du Pacifique subtropical s'est mis en place il y a 4600 ans. / The aim of this study is to reconstruct the evolution of the hydrology of the western subtropical North Pacific Ocean by using εNd proxy analysed on foraminifera and dispersed authigenic ferromanganese oxide precipitates in sediments from deep-sea cores collected in the northern SCS. Before using the εNd proxy on deep sea sediments of the SCS, Nd of 16 seawater profiles collected in the northern South China Sea (SCS) and the Philippine Sea were investigated to establish the εNd distribution of water masses along the tropical western Pacific and the SCS that, until now have not been documented. εNd values for mid- and deep-water masses of the Philippine Sea and the SCS range from -2.7 to -4.4 and generally increase slightly with water depth. In the Philippine Sea, εNd values for the North Pacific Intermediate Water (NPIW) reach- 2.7±0.4 at mid-depths (500 to 1400 m). Below ~1800 m, the Pacific Deep Water (PDW) is characterized by less radiogenic Nd (-4.1±0.5) indicating the instrusion of southern sourced water masses. For most of the stations in the Northern SCS, water masses below 1500m (PDW) display homogenous εNd values (~ -4.1) similar to those of the PDW in the Philippine Sea. εNd values for the South China Sea Intermediate Water (SCSIW, 500-1500m) vary from -3.0 to -3.9 as a result of the vertical mixing of the NPIW with the PDW in the SCS. Seawater εNd values for the SCS (~5.3 to -7.0) display local modification in areas where the water lies above sediment drift deposit systems. This implies that “boundary exchange” with unradiogenic sediments (around~11) may occur temporally and spatially and does not modify he Nd isotopic composition of the PDW in the Northern SCS. In a second step, seawater εNd extracted from cleaned planktonic foraminifera G. ruber has been investigated on core MD05-2904, collected at a deph of 2000m on the north-western margin of the SCS. This study was undertaken in order to reconstruct hydrological variations since the LGM in the western subtropical North Pacific. The εNd records obtained from foraminifera spanning the past 25kyr. Display a wide range of values, ranging from -4±0.2 to -6.7±0.3, suggesting important changes in the contribution of the NPDW (εNd=-4) and the UCDW (εNd -6 to -8) in the subtropical western Pacific. During the period of deglaciation, εNd records indicate a relative decrease in the negative excursions of the εNd implying a higher proportion of SSW during the time intervals 17-15 cal kyr BP and 10-8 cal kyr BP; these intervals are coeval with the HS1 and early Holocene. The negative shifts centered on the HS1coincide with an enhanced upwelling in the Southern Ocean, associated with a polewards shift of the southern westerlies, inducing an enhanced formation of the SSW that propagates to the subtropical western Pacific. The negative excursion of the εNd during the Early Holocene (~10-8 cal kyr BP) indicates a higher relative proportion of SSW that could be associate with higher production of the SSW, as has been recently observed in the South Atlantic, and/or with a possible reduction of the NPIW. Our data suggest that the present modern circulation pattern in the western subtropical Pacific Ocean was fully established after 4.6 cal kyr BP.