Les tourbières sont communément utilisées comme archives de dépôts de mercure (Hg). De nombreuses études ces dernières décennies ont montré que les taux d’accumulation de Hg (HgARs) ont augmenté en réponse à l’industrialisation. Les signatures isotopiques en Hg se révèlent très utiles pour mieux caractériser les dépôts de Hg. Elles ont permis de montrer que les dépôts secs de Hg élémentaire gazeux (GEM) dominent les dépôts de Hg sur la tourbière du Pinet. L’analyse d’échantillons de tourbe provenant de plusieurs tourbières en hémisphère nord montre que les dépôts secs de GEM dominent globalement les dépôts de Hg. Les tourbières pourraient donc être utilisées comme archives à la fois des dépôts humides et des concentrations en GEM pendant l’Holocène. On présente la première reconstruction quantitative des concentrations passées en GEM à partir de carottes de tourbe. L’impact de l’Homme sur le cycle du Hg a eu pour conséquence une augmentation graduelle des concentrations en GEM de 0,2 (10 000 – 4000 BP) à 3,5 ng m-3 (20ème siècle), accompagnée par des modifications de signatures isotopiques du Hg atmosphérique. Cette première utilisation de tourbières comme archives de concentration et d’isotopie du GEM est prometteuse, et devrait être étendue à la période pré-anthropique pour étudier les variations naturelles du cycle du Hg pendant l’Holocène. / During the past few decades, peatlands were successfully used to investigate historical mercury (Hg) deposition. The chronology of Hg accumulation rates (HgARs) to peatlands is well constrained, with recent increases in HgAR associated with anthropogenic Hg emissions and deposition. The use of Hg stable isotopes in peatland ecosystems provides new opportunities to better characterize and understand historical Hg deposition. In an extensive study conducted at the Pinet peat bog (French Pyrenees) we identify gaseous elemental Hg (GEM) dry deposition, via foliar uptake, as the dominant Hg transfer pathway from the atmosphere to peat vegetation. Based on the Hg isotope analysis of multiple northern hemispheric peat records, we find that GEM dry deposition dominates Hg deposition globally. We suggest that peatlands can be used as archives of both past Hg wet deposition, Hg dry deposition and GEM concentration. We present the first quantitative reconstruction of historical atmospheric GEM concentrations using peat archives from the Pyrenees. The Human impact on Hg cycling caused a gradual increase in GEM concentrations from 0.2 (10,000 – 4000 BP) to 3.5 ng m-3 (20th Century) and was accompanied by a change in atmospheric Hg isotope signatures. This first comprehensive study on Hg isotope deposition to peatlands is promising and should be extended to pre-anthropogenic times to investigate natural variations in atmospheric Hg dynamics during the Holocene.

Des études pionnières ont montré que la composition isotopique de l’azote de matières organiques terrestres (δ15Norg) est corrélée à des paramètres climatiques tels que les précipitations et la température. Appliqué à la matière organique ancienne, ce concept a permis récemment de reconstituer des cycles humides/secs à la transition Paléocène-Eocène (56 Ma). Dans la continuité de ces travaux, cette thèse vise à tester le δ15Norg comme marqueur paléoclimatique sur des coupes couvrant d’autres périodes géologiques, marquées par des changements climatiques importants : la coupe de Taskomirsay (Pliensbachien-Toarcien, ~183 Ma), la coupe de Faddeevsky (Paléogène, probablement Eocène inférieur, 53-50 Ma) et une carotte du Bassin de Rennes (Eocène-Oligocène, ~34 Ma). Parallèlement une expérience de diagenèse sur des bois actuels a été menée en laboratoire pour mieux comprendre les effets de la diagenèse sur le δ15Norg. L’expérience de diagenèse suggère que la diagenèse précoce homogénéise les valeurs de δ15N pour conduire finalement à une valeur moyenne, intégrant les différentes composantes d’un environnement. Les résultats indiquent un changement non-linéaire et rapide qui suggère qu’il s’effectue quasiment de manière instantanée à l’échelle géologique. Néanmoins, les grands changements environnementaux affectant toutes les composantes d’un écosystème pourraient être potentiellement enregistrés par le δ15Norg. Les données paléoclimatiques inférées des isotopes de l’azote organiques sur les coupes étudiées ont été confrontées à d’autres caractéristiques géochimiques des sédiments étudiés (analyses élémentaires du carbone et de l’azote, Rock-Eval, biomarqueurs moléculaires, rapport des isotopes stables du carbone et la composition isotopique en hydrogène de certains biomarqueurs moléculaires), afin (i) de déterminer les sources de la matière organique et son état de préservation, et (ii) d’obtenir un éventail informations paléoenvironnementales/paléoclimatiques sur les coupes. Le réchauffement climatique documenté au Toarcien inférieur (Taskomirsay) par d’autres méthodes n’a pas eu d’impact sur le δ15Norg, qui suggère plutôt une humidité importante et quasiment constante, en accord avec la palynologie et la géochimie moléculaire. Les résultats obtenus sur la coupe principale du Paléogène (Faddeevsky) sont plus contrastés d’un point de vue paléoclimatique avec une réponse du δ15Norg différentielle entre la base et le sommet de la coupe. A la transition Eocène-Oligocène (Bassin de Rennes), le δ15Norg enregistre une baisse importante de l’humidité, en accord avec l’analyse des minéraux argileux. La baisse concomitante des températures à cette transition n’a probablement pas eu d’effet sur le δ15Norg. Le δ15Norg semble donc être principalement influencée par la disponibilité en eau. Les limites méthodologiques et analytiques du δ15Norg sont également discutées. Il apparaît notamment que les échantillons très riches en matière organique (>40%) ne sont pas adaptés au protocole préparation des échantillons qui est actuellement utilisé. Pour les matières organiques pré-quaternaires, l’analyse directe du δ15Norg sur les kérogènes pourrait constituer une alternative intéressante. A terme, le δ15Norg, associé à d’autres outils de reconstruction paléoenvironnementale, pourrait servir à préciser les modifications du cycle de l’azote – principalement via la disponibilité en eau et en nutriments – dans les paléoécosystèmes terrestres. / Nitrogen isotopes of modern and terrettrial organic matter (δ15Norg) has been related to precipitations and temperatures. These observations were recently applied to reconstruct humid/dry cycles at the Paleocene-Eocene transition (56 Ma). Following this work, this thesis aims to test the δ15Norg as a paleoclimatic marker on field sections encompassing other geological periods, characterized by contrasted climates: the Taskomirsay section (Pliensbachian-Toarcian, ~183 My), the Faddeevsky section (Paleogene, probably Early Eocene in age, 53-50 My) and a drill core from the Rennes Basin (Eocene-Oligocene, ~34 My). In addition, modern wood were incubated to evaluate the effects of early diagenesis on δ15Norg with a paleoenvironmental perspective. The incubation of modern wood suggests that early diagenesis homogenizes δ15N values leading to an average value integrating the different components of an environment. Results showed fast and non-linear effects of early diagenesis on organic matter, suggesting almost instantaneous changes at the geological scale. Thus, major environmental changes affecting all components of an ecosystem may be potentially recorded by the δ15Norg. Paleoclimatic data inferred from the organic nitrogen isotopes of the study sediments were compared to other geochemical features of the latter (carbon and nitrogen elemental analyses, Rock-Eval, molecular biomarkers, carbon and nitrogen isotopes, hydrogen isotopes measured on specific-compound), in order to (i) characterize sources of the organic matter and its preservation state, and (ii) get other paleoenvironmental markers. Global warming recorded in the Early Toarcian (Taskomirsay) had no impact on the δ15Norg that suggests high and almost constant humidity. This is consistent with palynological and molecular data. Results in Faddeevsky (Paleogene) are more difficult to interpret in terms of climate changes, with a contrasted response of the δ15Norg between the base and the top of the section. At the Eocene-Oligocene transition, δ15Norg values, in agreement with clay minerals changes, recorded a significant drop in humidity. In addition, the concomitant drop in temperatures, associated with this transition, probably had no effect on the δ15Norg values. All those results highlight water availability as a first climatic control on δ15Norg values. Methodological and analytical limitations of the δ15Norg are also discussed. It is concluded that OM-rich samples (> 40%) are most probably not suitable for the protocol of preparation, which is currently used. Alternatively, direct measurements of δ15Norg values for organic pre-quaternary sediments are suggested, by analyzing kerogens of the samples. Eventually, the δ15Norg, combined with other paleoenvironmental markers, could be used to evaluate the modifications of the nitrogen cycle – mainly via water and nutrients availability – in terrestrial paleoecosystems.

Stable isotope analysis is a powerful tool that can be used to describe a population’s foraging niche by identifying basal resource use, trophic feeding levels, environmental stability, seasonal ecological variation, important shifts in life history, ontogenetic shifts, intraspecific habitat use, and population dynamics. Describing these relationships in endangered marine turtle populations and their critical foraging grounds is essential for determining informed management decisions. This study systematically describes the foraging niche of hawksbills Eretmochelys imbricata, and green turtles, Chelonia mydas in Buck Island Reef National Monument, U.S. Virgin Islands, a critical habitat for nesting and foraging. It assesses the relationships within and between the species in terms of overlap, annual and seasonal variation, and life history and feeding strategies within the community. Most importantly it describes these relationships with metrics that can be used in global comparisons or to measure change in local conditions. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2020. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

The Antarctic continent has traditionally been a successful searching ground for meteoritic material due to its cold and dry climate. Meteorites, and their microscopic analogues micrometeorites, were originally sampled from Antarctic ice and snow. Recently, however, a large collection of micrometeorites was discovered in sedimentary traps and moraine deposits from the Transantarctic Mountains, where extraterrestrial dust particles have accumulated for a prolonged time span (ca. 3–4 Ma). Micrometeorites (or ‘cosmic dust’) show unique chemical and isotopic signatures, which originate from a large and diverse amount of asteroidal and cometary bodies within the Solar System. In addition, they document major events such as the origin and evolution of the Solar System, and provide insight into the source region of their precursor bodies. These sedimentary deposits consequently represent a valuable archive that documents the flux of extraterrestrial material to Earth and ancient meteoritic events over Antarctica.Yet, much of this information is lost during the atmospheric entry stage, where cosmic dust is subjected to frictional heating and is partially or completely molten down. This may significantly alter the original physicochemical and isotopic properties of extraterrestrial dust particles. A thorough understanding of these physicochemical processes is thus required to reconstruct the atmospheric entry of cosmic dust (but also larger objects) and interpret their chemical and isotopic data. During the course of this PhD research, multiple sedimentary deposits from the Sør Rondane Mountains (Dronning Maud Land, East Antarctica) were petrographically examined and chemically-isotopically characterized using state-of-the-art instruments. Furthermore, various experiments and numerical models were constructed to replicate the atmospheric entry stage of both small- and large-sized meteoritic material. This study has demonstrated that the Sør Rondane Mountains sedimentary deposits contain a rich and pristine variety of extraterrestrial- and impact-related materials, including micrometeorites, microtektites and meteoritic condensation spherules. Statistical analysis suggests that the Sør Rondane Mountains micrometeorite collection is representative of the contemporary flux of cosmic dust to Earth. Extraterrestrial material is subjected to a complex interplay of redox and volatilization processes during atmospheric entry heating, which allow to explain the chemical trends observed in cosmic dust. Isotopic studies also suggest that at least a minor fraction of the micrometeorite population has sampled new, unknown types of asteroidal and/or cometary bodies. Microtektites and meteoritic condensation spherules have been linked to major meteoritic events on Earth ca. 790 ka and ca. 430 ka ago, respectively, and underline the importance of the Earth’s atmosphere during their formation. The results of this PhD research emphasize the scientific value of Antarctic sedimentary deposits and provide more insight into the processes taking place during the atmospheric entry of extraterrestrial material. / Le continent antarctique a traditionnellement été un terrain de recherche fructueux pour le matériel extraterrestre en raison de son climat froid et sec. Les météorites et leurs analogues microscopiques, les micrométéorites, ont été à l'origine échantillonnés dans la glace et la neige de l'Antarctique. Plus récemment, une grande collection de micrométéorites a été découverte dans des pièges sédimentaires et des dépôts de moraine des montagnes transantarctiques, où des particules de poussière extraterrestres se sont accumulées pendant une période prolongée (environ 3-4 Ma). Les micrométéorites (ou « poussière cosmique ») présentent des signatures chimiques et isotopiques uniques, qui proviennent d'une quantité importante et diversifiée de corps astéroïdes et cométaires au sein du système solaire. En outre, elles documentent des événements majeurs tels que l'origine et l'évolution du système solaire et donnent un aperçu de la région source de leurs corps parents. Ces dépôts sédimentaires représentent par conséquent une archive précieuse qui documente le flux de matière extraterrestre vers la Terre et les événements météoritiques anciens au-dessus de l'Antarctique.Pourtant, une grande partie de cette information est perdue au cours de l'étape d'entrée dans l'atmosphère, où la poussière cosmique est soumise à un chauffage par friction et est partiellement ou complètement fondue. Cela peut altérer considérablement les propriétés physico-chimiques et isotopiques d'origine des particules de poussière extraterrestres. Une compréhension approfondie de ces processus physico-chimiques est donc nécessaire pour reconstituer l'entrée atmosphérique des poussières cosmiques (mais aussi des objets plus gros) et interpréter leurs données chimiques et isotopiques. Au cours de cette recherche de doctorat, plusieurs dépôts sédimentaires des montagnes Sør Rondane (Dronning Maud Land, Antarctique de l'Est) ont été examinés pétrographiquement et caractérisés chimiquement et isotopiquement. En outre, diverses expériences et modèles numériques ont été construits pour reproduire l'étape d'entrée dans l'atmosphère de matériaux météoritiques de petite et de grande taille.Cette étude a démontré que les dépôts sédimentaires des montagnes Sør Rondane contiennent une variété riche et peu altérée de matériaux extraterrestres et de cratères d’impacts, notamment des micrométéorites, des microtektites et des sphérules de condensation météoritique. L'analyse statistique suggère que la collection de micrométéorites des montagnes Sør Rondane est représentative du flux contemporain de poussière cosmique vers la Terre. La matière extraterrestre est soumise à une interaction complexe de processus d'oxydo-réduction et de volatilisation lors de l'entrée dans l'atmosphère, ce qui permet d'expliquer les tendances chimiques observées dans la poussière cosmique. Des études isotopiques suggèrent également qu'au moins une fraction mineure de la population de micrométéorites a échantillonné de nouveaux types inconnus d’astéroïdes et/ou de comètes. Les microtektites et les sphérules de condensation météoritiques ont été liées à des événements météoritiques majeurs sur Terre il y a ~790 ka et ~430 ka, respectivement, et soulignent l'importance de l'atmosphère terrestre lors de leur formation. Les résultats de cette recherche doctorale soulignent la valeur scientifique des dépôts sédimentaires de l'Antarctique et donnent un meilleur aperçu des processus qui se déroulent lors de l'entrée dans l'atmosphère de matière extraterrestre / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente une étude du cycle du carbone dans la Loire et ses principaux affluents dans le but (1) de décrire, en s’appuyant sur la composition isotopique (14C et 13C), les sources, la nature et l’âge du Carbone Inorganique et Organique Dissous (CID, COD) et du Carbone Organique Particulaire (COP) prélevés lors de quatre missions en 2013-2014 et (2) d’utiliser le carbone 14 anthropique, présent dans les rejets liquides des 5 Centres Nucléaires de Production d’Electricité (CNPE) en service sur le bassin, comme traceur de transfert de carbone entre les différentes phases.Les archéologues ont mis en évidence que les âges radiocarbone déterminés sur des échantillons d’os ou de matériels non-humains (poteries, céramiques, sédiments…) ne sont pas à l’équilibre avec l’atmosphère de l’époque et nécessitent une correction. Ce biais provient de l’âge de l’eau ingérée ou utilisée et plus précisément de l’âge du CID appelé âge réservoir. Dans la Loire et ses affluents, le CID est principalement issu de l’érosion et de la dissolution du substrat géologique. Les concentrations en CID sont plus élevées en terrain sédimentaire carbonaté localisé en Loire moyenne. Les âges réservoirs étant directement corrélés à la teneur en CID, ils présentent une grande variabilité spatiale (de 135 à 2251 années 14C) du fait de la traversée de zones géologiques plus ou moins carbonatées par la Loire et ses affluents.Par ailleurs, ce CID est principalement consommé lors des processus photosynthétiques pour produire le COP algal. Ce COP algal est l’une des deux composantes de la matière organique (MO) particulaire avec le COP détritique. Les concentrations en COP suivent un cycle temporel très marqué avec des teneurs plus élevées au printemps. Le marquage du carbone algal dépend de la signature isotopique du CID utilisé lors de la synthèse chlorophyllienne. Les âges réservoirs déterminés dans le COP varient alors entre 124 et 1597 années 14C avec une variation spatio-temporelle identique à celle observée dans le CID. La proportion de carbone algal, variant entre 2 et 100%, dépend de la rivière et des conditions climatiques et hydrologiques sans qu’il soit possible d’énoncer une règle générale. La composante détritique du COP possède un marquage proche du COP et du COP algal impliquant que ce carbone détritique n’est pas d’origine géologique et donc qu’il n’est pas réfractaire.La décomposition de cette MO particulaire est une source de COD au même titre que l’activité métabolique des organismes (lyse et exsudation) et l’apport de vieille MO par la rivière, le lessivage des sols ou les nappes souterraines. Les concentrations en COD suivent donc les mêmes cycles saisonniers que le COP. Cependant, les teneurs sont plus élevées que celles du COP et augmentent peu le long des rivières (±1mg/L). Il peut être âgé si le COP et/ou la MO exportée sont anciens. Ainsi, les âges réservoirs dans le COD sont compris entre 101 et 2494 années 14C en avril 2013 avec des âges plus vieux en zone agricole.L’utilisation du radiocarbone anthropique a permis, outre la visualisation des transferts entre les différentes phases, de confirmer l’émission de 14C enrichi (ou actif) sous la forme CID par les CNPE et infirmer celle d’une composante 14C anthropique actif dans le COP et le COD. Cependant, l’activité 14C du CID ne représente pas l’activité totale du rejet en raison des échanges eau-atmosphère induisant un flux sortant de 14C. Le COP marqué enregistre l’activité initiale du rejet liquide en utilisant le CID émis par les CNPE. Le COP étant isolé de l’atmosphère, l’activité mesurée dans le COP est proche de son activité d’origine dans le rejet.L’acquisition de toutes ces données et la compréhension des processus de transferts entre CID, COP et COD permettra d’améliorer le modèle de prédiction existant et à terme, d’anticiper le comportement de ce radionucléide dans le milieu récepteur de son émission à son arrivée dans l’estuaire puis dans l’Océan Atlantique. / This thesis focuses on carbon cycle in the Loire River and its major tributaries. It aims to (1) use isotopic composition (14C and 13C) to describe the sources, the nature and the age of the Dissolved Inorganic and Organic Carbon (DIC, DOC) and of the Particular Organic Carbon (POC) sampled during four campaigns in 2013 and 2014; and (2) to use anthropogenic 14C found in the liquid releases of the 5 Nuclear Power Plants (NPP) operating in the basin as a tool to track carbon transfer between the different phases.Archaeologists demonstrated that 14C ages of samples coming from bones or non-human material (potteries, ceramics, sediments,…) are not in balanced with the atmosphere of the time they were created and thus need to be corrected. This bias stems from the age of water (as beverage or raw material), and more precisely the DIC age, also known as reservoir age. In the Loire River and its tributaries, DIC mainly comes from erosion and dissolution of the geological substratum. DIC concentrations are higher in the carbonated areas located in the middle Loire. As the reservoir ages are directly related to the DIC content, their values present a wide spatial variability (from 135 to 2251 yr 14C BP) because the Loire River and its tributaries cross areas with variable content of carbonates among their geological formations.Also, DIC is mainly absorbed during photosynthetic processes that produce algal POC. Algal POC and detrital POC form the particulate organic matter (OM). POC concentrations follow a temporal cycle with higher values during Spring time. Algal carbon marking depends on the DIC isotopic signature used by the chlorophyll synthesis. Reservoir ages calculated from POC values range from 306 to 1597 14C years, with the same spatial and temporal variation as the DIC. Algal carbon ratio, ranging from 2 to 100%, depends on the river, and climatic and hydrologic conditions. However, no systematic pattern can be found. The detrital fraction of POC has an activity close to the activity of POC and algal POC involving that the component is not of geological origin and thus, it is not refractory.The decomposition of this particular OM, the metabolic activity of organisms (lysis and exudation) and the input of old OM from the river, the soil or the groundwater are all sources for DOC production. Thus, DOC concentrations follow the same seasonal pattern as the POC. However, DOC contents are higher than the POC ones, and increase a bit from upstream to downstream (±1mg/L). It can be aged if POC and/or exported OM are old. Thus reservoir ages in the DOC range from 101 to 2494 14C years in April 2013, with older ages in agricultural areas.Not only did the use of anthropogenic 14C made it possible to visualize transfers between different phases, but also it confirmed the emission of enriched 14CDIC and unconfirmed the emission of 14CPOC and 14CDOC by the NPP. However, the 14CDIC activity does not represent the complete activity of the release because of water-atmosphere exchange involving 14C outflow. The marked POC records the initial NPP liquid release activity using the DIC from the NPP. The POC being isolated from the atmosphere, the POC measured activity is close to the originate activity in the release.All these data combined to the understanding of the transfers processes between DIC, POC and DOC will make it possible to improve the existing prediction model and, eventually, to anticipate the behavior of this radionuclide in the river from its emission to its arrival in the estuary and then in the Atlantic Ocean.

Comparer de manière approfondie la réponse des différents outils isotopiques choisis (Li, B et U) durant l’altération chimique dans un profil déjà connu (e.g. le profil du Sommet sur le Bassin versant du Strengbach ; Ackerer, 2017) afin de dégager les mécanismes moteurs des fractionnements isotopiques de chacun de ces éléments pour faire le lien entre la réponse de ces outils lors de l’altération chimique et remonter ainsi au régime d’altération des roches. Développer les observations réalisées sur le profil du Sommet et les appliquer sur cinq autres profils d’altération répartis sur l’ensemble du bassin versant en se concentrant sur la fraction <2µm. Cela permettra de voir si les observations faites dans le premier profil se retrouvent dans les autres profils et si nous sommes capables de remonter au régime d’altération. Étudier de manière préliminaire comment évolue le signal isotopique de l’altération chimique acquis dans les profils d’altération au cours du transport sédimentaire et s’il est possible de déterminer le régime d’altération d’un bassin versant à partir des sédiments de ce même bassin. / In-depth comparison of the response of various selected isotopic tools (Li, B and U) during chemical weathering in an already known profile (eg the Summit profile in the Strengbach watershed, Ackerer, 2017) to identify the driving mechanisms of isotopic fractionations of these elements to link the response of these tools compared to the chemical alteration to go back to the alteration regime. Develop the observations made on the Summit profile and apply them to five other weathering profiles distributed over the entire watershed focusing on the <2μm fraction. This will make it possible to see if the observations made in the first profile are found in the other profiles and if we are able to go back to the alteration regime. Preliminarily investigate how the isotopic signal of chemical alteration acquired in alteration profiles evolves during the sediment transportation and if it is possible to determine the alteration regime of a watershed from it sediments.

L’objectif de cette thèse est de déterminer une reconstruction de l’altération continentale dans le bassin du Nil depuis 100.000 ans, afin de mieux comprendre l’impact des variations climatiques sur les sols, les apports à la Méditerranée et le cycle du carbone. Ce travail repose sur une étude géochimique fine des argiles extraites d’archives sédimentaires du delta du Nil sur une échelle de temps de 100.000 ans. Il repose sur une approche inédite du couplage d’un traceur de source (isotopes du néodyme) et de traceurs d’altérations (isotopes du lithium). Les résultats de cette étude mettent en évidence une réponse rapide de l’altération continentale aux variations hydro-climatique en Afrique du Nord. De plus, les changements climatiques en Atlantique Nord et du ralentissement de l’AMOC ont eu une influence importante sur la diminution de l’intensité d’altération continentale dans le bassin du Nil. A l’actuel, les taux d’altération, et la consommation de CO2 associée, des trapps d’Ethiopie sont relativement faibles par rapport aux autres régions basaltiques. Nos résultats montrent cependant que durant l’African Humid Period, la consommation de CO2 dans cette région était 2 à 3 fois plus importante qu’aujourd’hui. Cela indique que les trapps d’Ethiopie ont pu jouer un rôle non négligeable dans le cycle du CO2, et en particulier lors des périodes de fort runoff. Enfin, des développements analytiques ont été réalisés afin de pouvoir exploiter les compositions isotopiques en lithium des carbonates biogéniques marins, comme nouveaux traceurs des apports en eau douce du Nil. Les résultats obtenus suggèrent une influence des effets dits « vitaux » et des processus de diagénèse. / This thesis presents a reconstruction of the chemical weathering in the Nile basin since 100.000 years. His objective is to better understand the impact of climatic variations on chemical weathering, to better. This work is based on the geochemistry study on marine core recorded in the Nile delta, on a time scale of 100.000 years. It use a novel approach with the coupling of à source tracer (εNd) and chemical weathering tracers (δ7Li and elementary ratios) on the fine fraction (< 2µm). In addition, it was analyzed samples of each actual Nil sources and a core sample from Tana Lack (Ethiopie). The results of this studies have enabled to reconstruct the chemical weathering variations in the Nile basin since 100.000 years. It show a rapid respond of chemical weathering to climate variations. This was also observed by important impact of North Atlantic climate variations on the decrease of chemical weathering in the Nile basin. At present, the chemical weathering flux and the CO2 consumption of the Ethiopian traps are low comparted to the other basaltic regions, as the Deccan. However, our results show that during the most humid periods (African Humid Period) the CO2 consumption was 2 to 3 time higher than today. This indicates that the Ethiopian traps could be have played a non-negligible role in the global CO2 cycle during the Cenozoic, and principally during the most humid periods in North Africa. Finally, analytical developments have been realized to be able to exploit the lithium isotopes on biogenic carbonates as a new tracer of Nile water flood. The results suggest an influence of “vital” effect and diagenetic process.

Le rapport isotopique de l'hélium atmosphérique (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) est lié aux flux naturels et anthropiques de 3He et de 4He en provenance de la Terre (et de l'espace pour 3He). Les activités industrielles ont émis des gaz riches en 4He radiogénique (exploitation des combustibles fossiles) et en 3He (activités nucléaires). Du fait de ces flux d'hélium, il a été proposé que le rapport 3He/4He dans l'air a varié dans le temps et dans l'espace. De telles variations pourraient permettre l'utilisation de ce rapport comme nouveau traceur des émissions atmosphériques de polluants anthropiques et/ou naturelles. Pour vérifier ces possibilités, nous avons entrepris la mesure haute-précision (2-6‰, 2σ) de la composition isotopique de l'hélium atmosphérique au Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (Université de Lorraine et Centre National de la Recherche Scientifique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). Nous avons effectué des analyses d'intercalation avec un spectromètre de masse double collecteur (Helix Split Flight Tube de la société Thermo Instruments). Au cours de ces analyses, plusieurs analyses individuelles d'un échantillon d'air sont effectuées en alternance avec un standard d'air. Nous n’avons détecté aucune évidence de variation temporelle du rapport 3He/4He dans l’air de France piégé dans des boules de pétanque (1965, 1990, 2010, 2013), dans des réservoirs métalliques (2010, 2016) et dans un carburateur de voiture (1910). Nous avons également re-analysé des échantillons d'air ancien prélevés dans des réservoirs métalliques depuis 1978 à Cape Grim (Tasmanie, Australie). En incluant les mesures de Mabry et al. (2015) pour certains de ces réservoirs, nous obtenons une tendance commune de -0.05 ± 2.46 ‰, montrant l'absence de variation statistiquement significative sur une période de 106 ans. Au niveau mondial, nous avons seulement détecté deux échantillons d’air sur seize (Dôme C, Antarctique; Tokyo, Japon) dont les compositions sont statistiquement distinctes, marquées par des excès en 3He de 2.0 ± 1.4 ‰, et 1.7 ± 1.5 ‰, respectivement (intervalle de confiance de 95%). Ces excès pourraient être liés aux flux d’hélium locaux par : (i) les précipitations aurorales en Antarctique ; (ii) les volcans et/ou les déchets nucléaires (Fukushima Daï-Ichi) au Japon. Dans la région de l’Afar (Éthiopie), nous avons détecté des excès en 3He de ~1 % au-dessus du lac de lave du volcan Erta Ale, pouvant être utilisés pour tracer des gaz réactifs (e.g. CO2) simultanément émis. Ces excès sont toutefois rapidement dilués dans les masses d’air régionales. L'isolation des gaz libérés par le sol du cratère de l'Erta Ale à l'aide d'un contenant inversé placé à sa surface a permis d'évaluer les flux diffusifs en 3He (via l'augmentation du rapport 3He/4He dans l'air isolé) et en CO2. Globalement, cette thèse conforte l’utilisation de RA comme standard inter-laboratoire. Dans certaines régions (Dôme C, Japon), une investigation plus poussée dans le temps devrait être effectuée pour contraindre les sources d’hélium atmosphérique pouvant engendrer de faibles variations locales / The helium isotopic composition of air (RA = 3He/4He = 1.39 × 10-6) is related to the natural and anthropogenic fluxes of 3He and 4He from the Earth (and from space for 3He). Industrial activities emit gases enriched in radiogenic 4He (exploitation of fossil fuels) and in 3He (nuclear activities). It has been proposed that the 3He/4He ratio in air has varied over time and also spatially because of these helium fluxes. Such variations could allow the use of this ratio as a new tracer of anthropogenic and/or natural pollutants. To verify these possibilities, we undertook high-precision measurements of the composition of atmospheric helium (2-6‰, 2σ) at the Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques (University of Lorraine, Centre National de Recherche Scientique, Vandoeuvre-lès-Nancy, France). We performed sample-standard bracketing analyses with a double collector Helix SFT Mass Spectrometer. During each of these analyses, several individual analyses of an air sample are conducted in alternation with an air standard. We found no evidence of temporal variation of the 3He/4He ratio in French air trapped in petanque balls (1965, 1990, 2010, 2013), metallic tanks (2010, 2016) and in a carburettor (1910). Including the measurements of Mabry et al. (2015) for the Cape Grim air archive (Tasmania, Australia), we obtained a trend of -0.05 ± 2.46‰ over 106 years. At the global level, we only detected two air samples out of sixteen (Dôme C-Antarctica, Tokyo-Japan) whose compositions are statistically distinct, marked by 3He excesses of 2.0 ± 1.4‰, and 1.7 ± 1.5‰, respectively (95% confidence interval). These excesses could be related to local and regional helium fluxes input such as: (i) auroral precipitation in Antarctica; (ii) volcanoes and/or nuclear releases (Fukushima Daï-Ichi) in Japan. In the Afar region (Ethiopia), we detected 3He excesses of ~1% above the lava lake of the Erta Ale volcano, which can be used to trace reactive gases (e.g. CO2) released simultaneously. These excesses are quickly affected by air mixing with the regional air of Afar. The diffusive soil fluxes of 3He (via increase of the 3He/4He ratio) and CO2 have been estimated from the accumulation of gases released from the soil of the Erta Ale crater in an inverted chamber placed on its surface. Overall, this thesis supports the use of RA as an inter-laboratory standard. In some areas (Dôme C, Japon), a more thorough investigation should be carried out over time to constrain the sources that may cause small helium isotopic variations in air

L’Hémisphère Sud, et plus précisément le sud de l’Amérique du Sud, sont très sous-représentés dans les reconstitutions climatiques globales du fait d’un manque de données paléoclimatiques robustes. Mes travaux de thèse ont donc porté sur l’évaluation de l’archive naturelle cernes d’arbre, abondante le long de la Cordillère des Andes, comme traceur paléoclimatique. Je me suis ainsi appliquée à étudier la réponse régionale de deux espèces d’arbre (Fitzroya cupressoides et Nothofagus pumilio) natives du nord de la Patagonie (41°S, Argentine) aux forçages climatiques externes en analysant leurs différents paramètres physiques. Pour cela, j’ai commencé par déterminer l’influence du climat local et de grande échelle sur leur croissance en étudiant les variations temporelles de leurs largeurs de cerne, puis j’ai essayé d’extraire le signal climatique enregistré dans la composition isotopique de l’oxygène et du carbone de la cellulose de ces cernes. Deux résultats majeurs de ma thèse ont émergé: j’ai mis en évidence (1) des réponses non-linéaires de la croissance au cours du temps liées aux changements de régimes climatiques et, (2) le fort potentiel du delta18O et delta13C de la cellulose pour enregistrer les variations de température d’été-automne sur une large région aux latitudes moyennes de l’Amérique du Sud (35°-55°S). Du fait des relations fortes qui les lient aux températures, les outils isotopiques peuvent être utilisés pour reconstituer des chronologies de température mais aussi des modes climatiques tels que l’Oscillation Antarctique. / The Southern Hemisphere, and particularly southern South America, are very under-represented in global climate reconstructions due to a lack of robust paleoclimatic data. My thesis was therefore focused on the evaluation of the tree-ring archive, which is widespread along the Andes, as a paleoclimatic tracer. I studied the regional response to external climate forcing of two native species (Fitzroya cupressoides and Nothofagus pumilio) in northern Patagonia (41°S, Argentina), by analysing their different physical tree-ring parameters. In this perspective, I analysed the temporal variations of the width and of the oxygen and carbon isotopic compositions of the cellulose of their rings and related them to local and large-scale climate variations. Two major results of my thesis have emerged: I highlighted (1) non-linear growth responses over time related to shifts in climate regimes and, (2) the potential of cellulose delta18O and delta13C to record summer-autumn temperature variations over a large area in the mid latitudes of South America (35°-55°S). As their variations are strongly linked to temperature the isotopic tools can be used to reconstruct chronologies of temperature but also of climate modes such as the Southern Annular Mode.

Les carottes de glace permettent de reconstruire le climat du passé, à partir entre autre de la composition isotopique de l’eau (δ18O, δ17O et δD). Sur le plateau Est Antarctique, les températures très froides et les faibles accumulations permettent de remonter le plus loin dans le passé (jusqu’à 800 000 ans) mais compliquent l’interprétation du signal isotopique. Premièrement, les reconstructions des variations de température dans les carottes de glace à partir des isotopes de l’eau se basent sur des modèles pour décrire l'évolution de la composition isotopique de la vapeur et de la phase condensée le long du cycle de l’eau. Ces modèles, qui ont été développés au cours des dernières décennies, reposent sur la connaissance de coefficients du fractionnement isotopique associé à chaque transition de phase et sur des hypothèses pour représenter la micro-physique des nuages.Lors de la formation de flocons de neige à basse température, 2 types de fractionnements isotopiques doivent être pris en compte : le fractionnement isotopique à l'équilibre, associé à la transition de phase vapeur-glace et le fractionnement isotopique cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes. A basse température, les déterminations des coefficients du fractionnement du fractionnement à l’équilibre présentent d’importantes différences et n’ont jamais pu être mesurées à des températures inférieures à -40°C. Or la température moyenne annuelle à Dome C est de -54°C atteignant jusqu’à -85°C l’hiver. Les diffusivités des différents isotopes quant à elles n’ont jamais été mesurées à des températures inférieures à 10°C. Toutes ces lacunes résultent dans des incertitudes importantes sur le lien entre la composition isotopique et la température dans des conditions comme celles du Plateau Est Antarctique.De plus, dans ces conditions froides et arides, les processus physiques qui affectent la composition isotopique de la neige après la déposition des flocons deviennent importants compte tenu du faible apport annuel de précipitation. Pour estimer l’impact de ces processus de post-déposition sur la composition isotopique, il est nécessaire de bien caractériser le fractionnement isotopique à l’interface neige/atmosphère pour des températures allant jusqu’à -90°C.Afin d’améliorer les reconstructions quantitatives de température l’étude des processus affectant la composition isotopique de la glace à très basse température est donc primordiale. Dans cette optique, ma thèse a été à l’interface entre les études de processus au laboratoire et en Antarctique et le développement instrumental afin de pouvoir réaliser des mesures isotopiques encore inédites, en particulier à très basse humidité. D’un côté, j'ai développé d’un nouveau spectromètre infrarouge aux performances bien au-delà des instruments commerciaux. En effet, la fréquence du laser est stabilisée par rétroaction optique par une cavité ultra-stable jusqu’à un niveau de stabilité de l’ordre du hertz. La lumière est ensuite injectée dans une cavité CRDS hautes performances avec une sensibilité de 10-13 cm-1.Hz-1/2. Ceci permet de mesurer la composition isotopique avec une précision inférieure au ppm.En parallèle, des expériences au laboratoire ont permis de renforcer les connaissances sur les processus affectant les isotopes de l’eau, en particulier le fractionnement lié à la transition de phase vapeur - glace et le fractionnement cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes en modélisant le fractionnement lié à la diffusion près d’un point froid. Enfin, durant une campagne en Antarctique, j’ai pu réaliser parmi les premières mesures de la composition isotopique de la vapeur et de la glace en Antarctique et appliquer les modèles physiques des processus à des données de terrain. Ces mesures montrent que le cycle de sublimation/condensation contribue de manière importante à la composition isotopique de la neige sur le plateau Est Antarctique. / Ice cores enable reconstruction of past climates, from among others water stable isotopic composition (δ18O, δ17O et δD). On the East Antarctic Plateau, very cold temperature and low accumulation provide the longest ice core records (up to 800 000 years) but embrangle the interpretation of isotopic composition. First, reconstructions of temperature variations from ice core water isotopic composition are based on models used to describe the evolution of the isotopic composition of the vapour and of the condensed phase over the entire water cycle. These models have been developed during the last decades and depend upon precise determinations of isotopic fractionation coefficients associated to each phase transition and upon hypotheses to describe cloud microphysics.During the formation of snowflakes at low temperature, two types of isotopic fractionations need to be taken into account: equilibrium fractionation, associated to the vapour to ice phase transition and kinetic fractionation associated to the difference of diffusivity of the different isotopes. At low temperature, determinations of equilibrium fractionation coefficients present important discrepancies and have never been realised for temperature below -40°C. However, mean annual temperature at Dome C is around -54°C reaching -85°C in winter. For the diffusivities of the different isotopes, they have never been measured at temperature below 10°C. All these gaps result in important uncertainties on the link between isotopic composition and temperature, especially for cold and dry conditions such as encountered on the East Antarctic Plateau.Furthermore, because of the very low amount of precipitation, physical processes affecting the isotopic composition of the snow after the deposition of snowflakes can results in an important contribution to the isotopic budget. In order to estimate the impact of the post-deposition processes on the water vapour isotopic composition, it is necessary to characterise the isotopic fractionation at the snow/atmosphere interface for temperature down to -90°C.In order to improve isotopic paleothermometer performances, it is primordial to study processes affecting snow isotopic composition. Toward this goal, my Ph-D has been at the interface between monitoring of processes affecting isotopes, both in laboratory experiments and field studies, and instrumental development to push the limits of water vapour isotopic composition trace detection. On one hand, new developments in optical feedback frequency stabilisation applied for the first time to water isotopic composition monitoring provide performances beyond any commercial instrument and can be used for thorough processes studies. The laser frequency is stabilised by optical feedback from an ultra-stable cavity to the hertz level. Then, the light is injected in high performances cavity with a sensibility of 10-13 cm-1.Hz-1/2. This enables measuring isotopic composition with a precision below the ppm level.On the other hand, laboratory experiments have supported theories about isotopic fractionation associated to the vapour to ice phase transition and to kinetic fractionation linked to the difference of diffusivities of the different isotopes. Finally, these physical models have been collated to field measurements realised at Dome C in Antarctica, which are among the first water vapour and snow isotopic composition measurements realised inland Antarctica. These measurements show how important is the contribution of the sublimation condensation cycles to the snow isotopic composition budget on the East Antarctic Plateau.