La caractérisation de la variabilité naturelle du climat est importante pour comprendre la réponse de celui-ci aux forçages naturels et pour identifier les influences anthropiques. L'objectif de cette thèse est de reconstituer les changements climatiques dans le sud-ouest de la France, une région qui se caractérise par des périodes de sécheresse récurrentes, où les reconstitutions millénaires basées sur des « proxies » à haute résolution font défaut.La reconstruction est basée sur plusieurs proxies dans deux archives continentales : les spéléothèmes et les cernes d'arbre. Leur combinaison permet de tirer avantage de leurs points forts tout en compensant leurs faiblesses. Il y a deux objectifs principaux : d’une part de mieux comprendre les influences climatiques et non climatiques qui s’exercent sur chaque proxy ; et, d'autre part, de reconstituer les périodes de sécheresse dans le passé.La composition isotopique en oxygène (δ18O) des inclusions fluides des spéléothèmes et de la cellulose des cernes d’arbre est contrôlée dans une large mesure par le δ18O des précipitations, qui peut servir de traceur de la circulation atmosphérique. Pour interpréter ces proxies en termes de climat, il est nécessaire de comprendre comment le signal climatique est enregistré dans le proxy, et quels processus modifient ce signal lors de la formation de l'archive.Les mesures de δ18O dans les précipitations, l'eau d’infiltration, et les inclusions fluides dans des échantillons de spéléothèmes modernes de la Grotte de Villars démontrent que la composition isotopique de l'eau d’infiltration dans la grotte correspond à une moyenne pluriannuelle des précipitations, et que les inclusions fluides des spéléothèmes préservent la composition isotopique de cette eau d’infiltration. Sur la base de cette calibration, il est possible de reconstituer les variations de la composition isotopique de l'eau d’infiltration à partir de celles des inclusions fluides d’une stalagmite vieille de plus de 2000 ans, datée par comptage de lamines, et par des mesures U-Th et 14C. Des changements dans l'environnement de la grotte, par exemple du couvert végétal, sont indiqués par d'autres proxies de la même stalagmite (les isotopes stables dans la calcite et les concentrations d'éléments traces), mais ces changements n'ont pas d'incidence significative sur le δ18O des inclusions fluides.La composition isotopique de la cellulose des cernes d'arbre de Quercus spp. dans la zone d'étude est fortement influencée par les conditions climatiques estivales. Cependant, des influences non-climatiques sur la composition isotopique de la cellulose sont identifiées ; elles sont liées à l'âge de l'arbre et à l'hydrologie du site, et doivent être prises en compte dans l'échantillonnage et dans les procédures analytiques. Grace à l’inter-datation de carottes d’arbres vivants et de poutre de bâtiments historiques des environs d'Angoulême, une chronologie de δ18O dans la cellulose à résolution annuelle a été établie. Des corrélations significatives avec les données météorologiques permettent une calibration des données isotopiques et une reconstruction des périodes de sécheresse depuis 1360 AD.Enfin, cette thèse explore une nouvelle approche intégrant les enregistrements isotopiques de l'oxygène dans les inclusions fluides des spéléothèmes et dans la cellulose des cernes d’arbre de sites proches pour reconstruire la variabilité à la fois haute et basse fréquence des sécheresses dans le passé. / The characterization of natural climate variability is important in order to understand the climate response to natural forcings and to identify anthropogenic influences. The aim of this thesis is to reconstruct climate changes in the southwest of France, a region which is characterised by recurrent drought periods, where high resolution proxy records of the last millennia were lacking.The reconstruction is based on multiple proxies from two continental archives: speleothems and tree rings. Their combination can make use of the strengths of each archive while compensating their weaknesses. There are two principal objectives: first, to gain a better understanding of the climatic and non-climatic influences on each proxy; and second, to reconstruct drought periods in the past.The oxygen isotopic composition (δ18O) of speleothem fluid inclusions and tree ring cellulose is controlled to a large extent by the δ18O of precipitation, which can serve as a tracer of the atmospheric circulation. In order to interpret these proxies in terms of climate, it is necessary to understand how the climate signal becomes recorded in the proxy, and which processes modify the original signal during the formation of the archive.Measurements of δ18O in precipitation, cave drip water, and fluid inclusions in modern speleothem samples from Villars Cave demonstrated that the isotopic composition of cave drip water corresponds to the pluri-annual average precipitation. The speleothem fluid inclusions, in turn, preserve the isotopic composition of the drip water. Based on this calibration, it is possible to reconstruct drip water isotope variability using fluid inclusions in a more than 2000 year old stalagmite, which has been dated by laminae counting, as well as U-Th and 14C measurements. Changes in the cave environment, e.g. the vegetation cover, are indicated by other proxies from the same stalagmite (stable isotopes in calcite and trace element concentrations), but these changes do not seem to impact the fluid inclusion δ18O significantly.The isotopic composition of tree ring cellulose from Quercus spp. in the study area is strongly influenced by climate conditions during the summer. However, non-climatic influences on the isotopic composition of cellulose are identified. They are linked to the age of the trees and to site hydrology, and must be accounted for in the sampling and analytical procedures. Crossdated cores from living trees and timber wood in historic buildings near Angoulême are used to build an annually resolved chronology of cellulose δ18O. Significant correlations with meteorological data enable a calibration and a reconstruction of drought periods since 1360 AD.Lastly, this thesis explores a novel approach of integrating oxygen isotope records from speleothem fluid inclusions and tree ring cellulose from closely located sites to reconstruct both high- and low-frequency variability of droughts in the past.

Les spéléothèmes (concrétions carbonatées se formant dans les zones karstiques) sont des archives paleo-climatiques reconnues, dont l'intérêt majeur est de pouvoir être datées précisément par la méthode Uranium-Thorium. En revanche, les traceurs traditionnellement utilisés pour reconstruire les climats passés à partir de ces objets géologiques ne sont pas directement quantifiables en termes de paramètres climatiques comme la température moyenne, ou la quantité de précipitation. Les variations des concentrations en éléments traces contenus dans les spéléothèmes ont pu être relié dans certains sites aux changements climatiques passés, mais des doutes existent sur la robustesse de leur signal au sein d'une même grotte et entre différents sites.Nous nous sommes appliqués à déterminer les variations au cours des 50 000 dernières années de plusieurs catégories d'éléments (alcalino-terreux, uranium, et terres rares) dans des stalagmites de deux grottes situées dans le sud de la France (les grottes de Villars en Dordogne et de Chauvet en Ardèche), par spectrométrie ICP-MS. Les spéléothèmes sélectionnés ont déjà été datés et ont enregistré les variations paleo-environnementales à travers les isotopes stables de la calcite. Trois périodes d'étude caractérisées par des changements particuliers sont étudiées: le stade isotopique 3 de la dernière période glaciaire (~50-30 ka), la dernière déglaciation (~20-10 ka) et la fin de l'Holocène (~2-0 ka).Le signal des variations des alcalino-terreux à Villars pendant le stade isotopique 3 est significatif et robuste. La variabilité du strontium notamment, qui provient de processus hydrologiques intra-karst, suit les événements climatiques rapides enregistrés dans l'hémisphère Nord. D'autre part, le comportement de nombreux éléments traces pendant la déglaciation est similaire entre les grottes de Villars et de Chauvet. Enfin, des changements du couvert végétal sont probablement à l'origine des changements synchrones enregistrés par les éléments traces et les isotopes stables de la calcite au cours des deux derniers millénaires à Villars.Par ailleurs, l'étude des coefficients de partition des alcalino-terreux, de l'uranium et des terres rares dans des conditions variées montre l'importante de la variabilité inter-site de leur partitionnement.

Déchiffrer le climat de l’Holocène est la base d’une meilleure compréhension du climat moderne. En effet, à cette époque le climat en Europe est très complexe est montre de fortes variations spatiales et il reste beaucoup à faire pour améliorer la couverture géographique d’enregistrements bien datés et de haute résolution. En tant qu’archives paléoclimatiques, les spéléothèmes ont de larges avantages concernant leur chronologie et leur résolution temporelle et peuvent aider à combler cette lacune. Dans cette thèse, des stalagmites holocènes ont été sélectionnées selon un transect N-S entre les latitudes 35° et 65°N à l’ouest de l’Europe et du bassin méditerranéen (de la Suède à l’Algérie). Elles ont été datées densément par U-Th et échantillonnées à haute résolution pour analyser leur composition isotopique et géochimique. Le climat de l’Holocène a été déduit des analyses isotopiques de la calcite (δ¹³C, δ¹⁸O) et du rapport Mg/Ca. Combinées avec les données existantes et avec les simulations numériques des modèles, ces nouvelles données ont permis d’émettre des hypothèses sur les processus dynamiques contrôlant les changement climatiques régionaux comme les divers modes impliqués dans la circulation océanique et atmosphérique. Sur un site archéologique particulier, le lien climat/activités humaines a aussi pu être étudié. Les principaux résultats de cette thèse sont : 1) les enregistrements en δ¹⁸O, δ¹³C et Mg/Ca d’une stalagmite de la grotte de Villars (sud-ouest de la France), ont révélé une variabilité décennale à multimillénaire du climat au cours des derniers 14200 ans ainsi que les preuves d’une déforestation il y a environ 1000 ans ; 2) deux stalagmites provenant de la grotte de Villars au sud-ouest de la France et de la grotte Korallgrottan au nord-ouest de la Suède ont enregistré de façon remarquable l’événement climatique du 8.2 ka et les différentes étapes qui le composent montrant des différences régionales de température et d’humidité entre les deux sites. Celles-ci sont associées avec une interruption suivie d’une réorganisation de la circulation océanique et atmosphérique ; 3) les enregistrements en δ¹⁸O et en δ¹³C de deux stalagmites de la grotte de Villars suggèrent aussi l’existence d’une période humide multi-centennale il y a ~7200-7600 liée éventuellement à la fonte de la dernière portion de la calotte de la Laurentide ; 4) les isotopes stables (δ¹⁸O, δ¹³C) d’une stalagmite de la grotte du Père-Noël située au sud-est de la Belgique, révèle de larges variations hydro climatiques entre 10500 et 4200 ans. En particulier, une période sèche multi-centennale est mise en évidence il y a ~5600-6000 ans probablement liée à un changement des vents d’ouest ; 5) au nord de l’Algérie, dans la grotte de Gueldaman, plusieurs stalagmites ont montré, par leur δ¹³C et leur δ¹⁸O, l’impact d’une période sèche sur l’occupation humaine et finalement l’abandon du site par les hommes préhistoriques il y a ~4200 ans. / Deciphering Holocene climate is the basis to understand modern climate change. The Holocene climate of Europe is highly complex and shows large spatial differences; much is to be done to improve the spatial coverage of well-dated, high resolution climate records. Stalagmite as paleoclimate archive has large advantages in its chronology and their temporal resolution and thus can help in answering this question. In this thesis, stalagmites were collected, broadly along a meridional transect from 35 to 65°N, in the west of Europe and Mediterranean basin (from Sweden to Algeria). They were densely dated by the U-Th method and their isotopic and geochemical compositions were analyzed at high spatial resolutions. The Holocene climate was inferred from the stalagmite δ¹³C, δ¹⁸ and Mg/Ca time series. Combining with existent data and model simulations the collected new data was used to understand dynamic processes involved in driving regional change, such as varying modes of ocean and atmospheric circulation. Uniquely, the possible links between the changes of past climate conditions and human activities at an archeological site were examined, too. The main results of this thesis are summarized as: (1) The δ¹⁸O, δ¹³C and Mg/Ca records of a stalagmite from Villars Cave, Southwestern France document a series of decadal to multi-millennial climatic variations over the last 14200 years as well as deforestation ~1000 years ago; (2) The precisely-dated, sub-decadal δ¹⁸O, δ¹³C and Mg/Ca records of stalagmites from Villars Cave, SW-France, and Korallgrottan Cave, NW-Sweden, reveal multiple stage climatic variations in relation to the 8200 year event. Reconstructed variations in both temperature and humidity exhibit different patterns at the two sites, respectively, in the south and north of Europe, which can be associated with the interruption and reorganization of ocean-atmospheric circulation; (3) The δ¹⁸O and δ¹³C records of two stalagmites from Villars Cave suggest multi-century wetness ~7200-7600 years ago which possibly linked to the demise of last portion of Laurentide Ice Sheet; (4) The δ¹⁸O and δ¹³C records of a stalagmite from Pere Noël Cave, Southeastern Belgium reveal large decadal to millennial hydroclimate variations between 10500 and 4200 years ago. Particularly, multi-century enhanced aridity occurred ~5600-6000 years ago which probably had attributed to the changes in regional atmospheric circulation and the westerly jet; (5) The δ¹³C and δ¹⁸O records of two Mid-Holocene stalagmites from Gueldaman GLD1 Cave, Northern Algeria provide evidence of a prolonged drought ~4200 years ago in Western Mediterranean basin. The drought coincides with, and therefore may have contributed to, an abandonment of ancient human occupation of the cave.

Les spéléothèmes (concrétions carbonatées se formant dans les zones karstiques) sont des archives paleo-climatiques reconnues, dont l’intérêt majeur est de pouvoir être datées précisément par la méthode Uranium-Thorium. En revanche, les traceurs traditionnellement utilisés pour reconstruire les climats passés à partir de ces objets géologiques ne sont pas directement quantifiables en termes de paramètres climatiques comme la température moyenne, ou la quantité de précipitation. Les variations des concentrations en éléments traces contenus dans les spéléothèmes ont pu être relié dans certains sites aux changements climatiques passés, mais des doutes existent sur la robustesse de leur signal au sein d’une même grotte et entre différents sites.Nous nous sommes appliqués à déterminer les variations au cours des 50 000 dernières années de plusieurs catégories d’éléments (alcalino-terreux, uranium, et terres rares) dans des stalagmites de deux grottes situées dans le sud de la France (les grottes de Villars en Dordogne et de Chauvet en Ardèche), par spectrométrie ICP-MS. Les spéléothèmes sélectionnés ont déjà été datés et ont enregistré les variations paleo-environnementales à travers les isotopes stables de la calcite. Trois périodes d’étude caractérisées par des changements particuliers sont étudiées: le stade isotopique 3 de la dernière période glaciaire (~50-30 ka), la dernière déglaciation (~20-10 ka) et la fin de l’Holocène (~2-0 ka).Le signal des variations des alcalino-terreux à Villars pendant le stade isotopique 3 est significatif et robuste. La variabilité du strontium notamment, qui provient de processus hydrologiques intra-karst, suit les événements climatiques rapides enregistrés dans l’hémisphère Nord. D’autre part, le comportement de nombreux éléments traces pendant la déglaciation est similaire entre les grottes de Villars et de Chauvet. Enfin, des changements du couvert végétal sont probablement à l’origine des changements synchrones enregistrés par les éléments traces et les isotopes stables de la calcite au cours des deux derniers millénaires à Villars.Par ailleurs, l’étude des coefficients de partition des alcalino-terreux, de l’uranium et des terres rares dans des conditions variées montre l’importante de la variabilité inter-site de leur partitionnement. / Calcareous deposits forming within caves, also known as speleothems, have become acknowledged paleoclimatic archives. One of their main interests is that they can be absolutely dated by Uranium-Thorium methods. However, traditionally used speleothem climatic proxies cannot be directly translated into environmental variables such as the mean annual temperature or the amount of annual rainfall. In some contexts, the variations of trace element concentrations in speleothem calcite could be linked to past climatic changes, but the robustness of trace element signals between speleothems of the same or nearby caves is still questionable.We determined by ICP-MS the concentrations of several families of chemical elements (alkaline-earth metals, uranium, rare-earth elements) in stalagmites from two caves located in Southern France (Villars cave in Dordogne and Chauvet Cave in Ardèche) spanning the last 50,000 years. The selected speleothems had already been dated and their stable isotope profiles had proven to record paleoenvironmental fluctuations occurring during three separate periods: the Marine Isotopic Stage 3 or MIS 3 (~50-30 ka), the Last Deglaciation (~20-10 ka), and the end of the Holocene (~2-0 ka).Variations of alkaline-earth metals recorded in two stalagmites from Villars Cave during MIS 3 are significant and robust. Notably, Sr concentrations follow the rapid climatic changes recorded in the Northern Hemisphere. Furthermore, several trace elements behave similarly during the Last Deglaciation in the Villars and the Chauvet Cave. Finally, changes of the vegetation cover above the cave are likely to have caused the synchronous fluctuations of the trace element and stable isotope contents that happened during the last two thousand years in Villars speleothems.Lastly, the partition coefficients of alkaline-earth metals, uranium and rare-earth elements were measured in different sites and conditions and proved to be very site-dependent.

L’objectif de cette thèse est d’utiliser la géochimie des spéléothèmes à travers une étude multi-proxy afin de reconstituer des changements environnementaux et climatiques dans le Sud-Ouest de l’Europe au cours de l’Holocène. Ce travail basé sur trois sites répartis entre l’Espagne et la France couvre les 14 000 dernières années. Cette région du sud-ouest de l’Europe, située à la confluence des hautes et des basses latitudes en fait une région particulièrement sensible à la fois à l’influence climatique de la région Nord-Atlantique mais également des régions Méditerranéenne et subtropicales Africaines et Asiatiques. Ce contexte particulier permet d’étudier idéalement l’impact des différents mécanismes climatiques agissant sur les modifications de son environnement. La répartition des sites d’étude a pour but de comparer les sites sous influence majeure Atlantique (Candamo, Nord Espagne), Méditerranéenne (Salamandre, SE France) ou sous influence mixte (Nerjà, sud Espagne). La compréhension des comportements géochimiques d’éléments clés, a constitué la première partie de cette étude. Après avoir établi un cadre temporel bien contraint (14C, U/Th), la géochimie élémentaire (éléments traces et terres rares) a été couplée à l’étude isotopique (87Sr/86Sr, d18O, d13C). Le rapport 87Sr/86Sr traditionnellement utilisé comme traceur de sources du Sr a été couplé à l’étude des variations élémentaires des éléments alcalins (Li, Rb, Cs) afin de déterminer des changements de sources des éléments (roche-mère ou de sol) dans les spéléothèmes. Le comportement de ces alcalins s’est également révélé lié à des modes de transports différents (particulaire, dissous ou liés à des complexes organiques) et l’utilisation du d13C et des terres rares (fractionnement terres rares légères et terres rares lourdes et anomalie en cerium) a permis de confirmer ou non ces hypothèses. La deuxième partie de ce travail a été d’appliquer ces mécanismes géochimiques à la détermination des processus hydrologiques et environnementaux et de les replacer dans le cadre climatique propre à chaque site d’étude. Ainsi, les éléments alcalins (Li, Rb, Cs) se sont révélés de bons indicateurs de phénomènes d'altération pouvant être liés à des changements climatiques (comme la transition entre le Bölling-Alleröd et le Younger-Dryas dans le site de la Salamandre), et/ou environnementaux (période de déforestation ou de mise en place de végétation à l’Holocène moyen dans le cas du site de Nerjà ou de Candamo). Ces événements pouvant donc se dérouler en contexte très différents (climat sec, déforestation, apports détritiques en climat humide par lessivage), le couplage à d’autres proxis est alors nécessaire pour préciser les conditions d'enrichissement de ces éléments alcalins. / The purpose of this thesis is to use speleothem geochemistry through a multi-proxy study to reconstruct environmental and climatic variations in southwestern Europe during the Holocene. This work, based on three sites distributed between Spain and France, covers the last 14,000 years. Due to its location at the confluence of the high and low latitudes, this region of south-western Europe is especially sensitive to both the influence of the North Atlantic climate but also the Mediterranean and subtropical African and Asian climate. This particular context allows to study ideally the impact of the different climatic mechanisms driving the modifications of its environment. The choice of the study sites’ distribution aims to compare sites with main Atlantic influence (Candamo, N Spain), Mediterranean (Salamandre cave, SE France) and mixt one (Nerjà, S Spain). The understanding of geochemical behavior was the first part of this study. After the establishment of a chronological frame (14C, U/Th), elemental geochemistry (trace elements and rare earth elements) and isotopic (87Sr/86Sr, d18O, d13C) was coupled. The 87Sr/86Sr isotope ratio, traditionally used as a source tracer for Sr, has been coupled to the study of elementary variations of alkali elements (Li, Rb, Cs) in order to determine changes in the contribution of bedrock and soil in speleothems. The behavior of these alkalis has also been shown to be related to different modes of transport (particulate dissolved or bound to organic complexes) and the use of d13C and rare earths (light rare earth and heavy rare earth fractionation and cerium anomaly) made it possible to confirm or not these hypotheses. The second part of this work was to apply these geochemical mechanisms to the determination of the hydrological and environmental processes and to place them in the specific climatic context of each study site. Thus, the alkali elements (Li, Rb, Cs) have proved to be good indicators of weathering phenomena that may be related to climate change (such as the transition between Bölling-Alleröd and Younger-Dryas in the Salamandre site), and/or environmental changes (period of deforestation or establishment of vegetation in the Middle Holocene in the case of the sites of Nerjà or Candamo). These events can thus take place in very different contexts (dry climate, deforestation, detrital inputs during wet climate by leaching) the coupling to other proxis is then necessary to specify the conditions of enrichment of these alkali elements.

Le but de cette thèse est de caractériser les variations climatiques des derniers 200 ka à travers l'étude de quatre spéléothèmes du sud de la France, datés par U-Th. Nous nous sommes focalisés sur l'étude des stades isotopiques marins MIS 6, 5 et 3. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : - mise en évidence d'oscillations milléniales au MIS6 entre 175 et 165 ka. L'enregistrement isotopique haute résolution (10 à 300 ans) de la base du plancher stalagmitique de la grotte de Villars indique pour la première fois dans la région ces oscillations climatiques rapides qui peuvent être mises en relation avec des figures similaires récemment mises à jour par les concrétions chinoises. - estimation de l'amplitude du réchauffement associée à l'avant-dernière déglaciation. La confrontation du δ18Oc de la calcite, du δ18O des inclusions fluides et du ∆47 de la calcite suggère que (1) si l'équilibre isotopique a été satisfait, le réchauffement associé à la Terminaison II serait de 20°C, (2) si on considère un effet cinétique alors le réchauffement corrigé de cet effet serait de 14°C. La constance de la composition de l'eau de l'infiltration pendant cette déglaciation s'explique par le jeu des différents facteurs influant sur ce paramètre. - amélioration de la chronologie et de la caractérisation dans le SW de la France des événements climatiques milléniaux de la dernière glaciation (MIS3). L'enregistrement de la stalagmite Vil14 daté par MC-ICP-MS constitue désormais la meilleure chronologie de cette période dans la grotte de Villars et permet d'attribuer un âge précis aux limites des interstades (13, 12 et fin du 14). La fin des interstades identifiés était manifestement associée à un refroidissement abrupt et à l'installation d'un permafrost de courte durée. La cessation de croissance définitive de cet échantillon simultanément aux deux autres confirme le durcissement du refroidissement du MIS3 vers 30ka. En multipliant ce type de données quantifiées et datées de façon absolue, on contribue à la meilleure compréhension des mécanismes climatiques.

Cette thèse est consacrée aux grottes et aux dépôts souterrains du grand bassin karstique charentais de la Touvre, la deuxième source de France qui alimente Angoulême. Le premier objectif est de montrer que la série calcaire jurassique est affectée dans sa masse par le processus de fantômisation (altération isovolume) qui s'est produit pendant le Crétacé inférieur durant 45 millions d'années. Les preuves ont été apportées dans les carrières, les grottes et à partir des forages. La fantômisation de la roche explique la genèse des grottes labyrinthiques et permet d'expliquer que les grandes réserves aquifères sont contenues principalement dans la roche devenue poreuse (circulation très lente) et secondairement dans des conduits karstiques (circulation rapide). Cette conclusion est confirmée par l'analyse des courbes de tarissement de la résurgence qui suggère une mauvaise karstification. Le deuxième objectif est l'étude de deux grands remplissages détritiques situés dans les grottes de la Fuie et du Bois du Clos. L'étude géochimique, sédimentologique et minéralogique des dépôts a permis de caractériser les dynamiques hydro-sédimentaires et les conditions aléoenvironnementales, notamment entre les stades isotopiques marins 6 et 3, obtenus à partir des datations 14C et U/Th sur les stalagmites de la grotte du Bois du Clos. L'imagerie chimique par fluorescence X met en évidence des niveaux carbonatés, apportant une preuve supplémentaire de la spéléogenèse par fantômisation. Enfin l'étude comparée des séquences spéléologiques et archéologiques régionales rend compte du rôle des paramètres locaux et régionaux, mais aussi des facteurs globaux au niveau paléoclimatique.