Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires dans la phase glace pour la température et dans la phase gaz (bulles d’air piégées) pour la concentration en GES. Ce déphasage est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace près de la surface de la calotte (centaine de mètres supérieurs, le névé). En l'absence de fusion, la transformation de la neige (matériau à porosité ouverte en contact avec l'atmosphère) en glace (matériau contenant des bulles d'air isolées) s'effectue progressivement sous l'action des gradients de température près de la surface, puis sous l'action du poids des couches de neige situées au-dessus. Selon les conditions de température et précipitation, ce processus peut prendre quelques décennies à plusieurs millénaires et s'étend sur une centaine de mètres de profondeur. Il contrôle la différence d'âge entre la glace et les gaz qu'elle renferme. La prédiction de la profondeur de piégeage des gaz représente un enjeu majeur pour la paléoclimatologie en particulier sur la séquence des changements relatifs de température et de concentration en gaz à effet de serre.Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à des études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, …). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d’isotopes des gaz inertes d15N et d40Ar) dans l’air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d’obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de la zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paleoclimatologie actuelle.Dans le cadre de cette thèse, nous avons pris en compte les influences de la dépendance à la température des énergies d'activation et des impuretés (poussières) sur la vitesse de densification. Cela a permis de concilier les données et le modèle. Les résultats du modèle modifié sont globalement cohérents avec les profils de densité mesurés pour des névés actuels et les données d'isotopes de gaz inertes pour les déglaciations (aussi appelées terminaisons). Nous avons également présenté de nouvelles mesures à haute résolution de d15N et d40Ar pour les terminaisons 2 (129-138ka) et 3 (243-251ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de d15N entre les différents sites et différentes déglaciations s’expliquaient largement par les différences de taux d’accumulation qui contrôlent la profondeur de transition neige-glace. Nous avons aussi montré que l’utilisation des isotopes de l’air était un complément important à l’utilisation des isotopes de l’eau pour contraindre la dynamique climatique locale en Antarctique de l’Est lors des déglaciations. / The phasing between increases in temperature and greenhouse gas concentrations during large climatic variations in the past is classically estimated using analyses in polar ice cores, in the ice phase for the temperature and in the gas phase (trapped air bubbles) for the concentration of greenhouse gases. This phasing is still insufficiently constrained and solving this problem requires a better understanding of the mechanical process of snow to ice metamorphism near to the top of the ice sheet (i.e. the firn, about 100 m deep). In the absence of melting, the transformation of snow (a material with open porosity in contact with the atmosphere) into ice (a material containing isolated bubbles) occurs progressively as a response to temperature gradients near the surface, and the weight of overlying snow in deeper layers. Depending on temperature and precipitation conditions, this process occurs in a few decades to several millennia and a ~100 meters depth range. It controls the age difference between the ice and the entrapped gases. Predicting the gas trapping depth is a major issue in paleoclimatology, especially in order to understand the phasing between temperature changes and changes in greenhouse gas concentrations.A thermo-mechanical model of snow densification has been developed at LGGE, it includes the main mechanical processes, the thermal properties of ice, and gas trapping criteria. The model performances can be tested and improved using experimental studies of modern firns (density, open/closed porosity ratio, etc). For firnification under ancient climates, measurements of isotopes of inert gases (d15N et d40Ar) in the air trapped in ice cores provide direct informations about past variations of firn structure (e.g. diffusive zone thickness). Large differences between firn densification model outputs and gas isotopic data are obtained in Antarctica, and imply a large uncertainty on past climatic reconstructions. Understanding this discrepancy is a major issue in paleoclimatology.As part of this thesis work, we took into account the effects of the temperature dependence of activation energies and impurities (dust) on the firn densification speed. It allowed to reconcile the model results with available data. The modified model results show an overall consistency with measured density profiles of present-day polar firns and isotopes of inert gases over deglaciations (also called terminations). We also analyze new high resolution measurements of d15N and d40Ar over Terminations 2 (129-138ka) and 3 (243-251ka) on the Dome C and Vostok ice cores. We have shown that the different evolutions of d15N between different sites and different deglaciations are largely explained by differences in accumulation rates that control the snow/ice transition depth. We also showed that the use of air isotopes was an important complement to the use of water isotopes to constrain local climatic dynamics in eastern Antarctica during deglaciations.

L’accroissement des dépôts de nitrate atmosphérique (NO3-atm) sur les bassins versants d’altitude, limités en ressources, entraîne des changements nets de disponibilité d’azote. Ces apports modifient la diversité biologique (végétation, plantes), les processus des sols liés à l’azote et conduisent à l’eutrophisation des cours d’eau. A terme, l’impact sur les populations humaines se traduira par la perte d’importants services fournis par ces écosystèmes (alimentation en eau, qualité du fourrage, contrôle de l’érosion, biodiversité). Si les effets des dépôts de NO3-atm sur les bassins versants pauvres en azote sont maintenant bien documentés, il n’en reste pas moins à comprendre les processus régissant la rétention de NO3-atm dans les écosystèmes de montagne. Pour ce faire, la variabilité spatio-temporelle de la répartition du NO3-atm dans tous les compartiments subalpins est ici étudiée en utilisant un traceur multi-isotopique (17O, 18O, 15N) du NO3-. L’importante proportion de NO3-atm dans les cours d’eau de montagne, tout au long de l’année et plus particulièrement à la fonte des neiges, laisse à penser que les bassins versants sont cinétiquement saturés en azote. La composition isotopique du NO3- dans les eaux de surface illustre la transformation rapide de l’ammonium de la neige et confirme que la fonte des neiges est une période cruciale du cycle de l’azote dans les montagnes enneigées. La proportion de NO3-atm dans les sols varie, quant à elle, en fonction du type d’occupation des sols et des propriétés biotiques et abiotiques afférentes. Le suivi de la végétation a montré une forte teneur en NO3-atm dans les tissus, par assimilation racinaire et foliaire. Ces avancées scientifiques permettront, à terme, de mieux comprendre comment les dépôts de NO3-atm affectent l’environnement. / Increasing rates of atmospheric nitrate (NO3-atm) deposition in nutrients poor mountainous regions have led to critical changes in nitrogen (N) availability, with consequences on biodiversity (plants, microbes), soils N turnover, and water nutrients status. This will ultimately affect human populations through the loss of critical ecosystem services (e.g., provision of clean freshwater, erosion control, biodiversity). If the impacts of NO3-atm deposition to N-limited basins are now well documented, little is known about the processes driving NO3-atm retention in subalpine ecosystems. In this context, new tools are necessary to better understand the fate of NO3-atm in mountains and to predict the mid and long-term ecological consequences of increasing NO3-atm deposition. This work uses a high-resolution multi-isotopic technique combining 17O, 18O and 15N signatures of NO3- in the different subalpine compartments to understand the temporal and spatial evolution of NO3-atm partitioning in a subalpine watershed of the French Alps. Subalpine streams elevated year-round exports of NO3-atm suggest that the watersheds are kinetically N saturated, especially after snowmelt. The isotopic composition of NO3- in freshwaters also points at the rapid processing of snow ammonium, confirming that snowmelt is “hot moment” for the N cycle in seasonally snow-covered catchments. The monitoring of soils reveals varying NO3-atm proportions depending on the land management treatments and implied biotic and abiotic characteristics. Two dominant subalpine plants showed high proportions of NO3-atm in organs acquired by both root and foliar uptake. These scientific breakthroughs will ultimately lead to a better understanding of how NO3-atm deposition affects the environment.

Cette étude concerne la région du Kordofan, au centre-Sud du Soudan. La région étudiée est comprise entre les méridiens 28° 00' et 31° 00' E, et les latitudes 11° 30' et 15°00' N, et couvre une surface d’environ 125 835 km2. Le Kordofan est situé en bordure Sud du Sahara actuel. Les dépôts du Pléistocène supérieur-Holocène du Kordofan, ont enregistré des discontinuités sédimentaires qui reflètent des fluctuations climatiques au cours du Quaternaire terminal. Des datations au 14C et des collectes archéologiques ont permis de dater la série étudiée. Quatre unités stratigraphiques ont été identifiées, qui comprennent huit faciès sédimentaires.La première unité est antérieure à ≈ 10 ka BP et est formée de grès ou siltstone marmorisés d’origine éolienne. La deuxième unité (≈ 10 à 6 ka BP) comprend des faciès palustres et lacustres au Nord et au centre, et des faciès fluviatiles au Sud. La troisième unité, d’âge ≈ 6 à 3 ka BP, n’est présente qu’au Sud; elle est faite de dépôts éoliens intercalés de faciès fluviatiles ou de plaine d’inondation. La quatrième unité est plus jeune que 1000 ans BP, et est dominée par des grès rouges éoliens au Nord, et par des dépôts de plaine d’inondation au Sud. Entre ≈ 6 et 1 ka BP au Nord et entre ≈ 3 et 1 ka BP au Sud, un hiatus est marqué par une surface de déflation au North, et est interprété comme une période de forte activité éolienne, qui a empêché le dépôt et a même érodé une partie des sédiments déposés entre 6 et 3 ka BP.Plusieurs proxys (sédimentologie, gastéropodes, pollens, isotopes stables, géochimie des majeurs, minéralogie des argiles et paléo-hydrologie) ont servi à reconstituer l’évolution climatique de la région depuis 13000 ans, qui est cohérente avec l’évolution paléo-climatique de l’Afrique nord-orientale à la même époque. Nos résultats montrent que la région a connu un climat aride avant 10 ka BP, matérialisé par d’épais dépôts éoliens. Entre 10 et 6 ka BP, un climat humide est démontré par le développement de nodules calcaires pédogénétiques, le dépôt local de calcaires palustres et lacustres, l’abondance de gastéropodes aquatiques et semi-aquatiques, le haut niveau de lacs, et les valeurs très négatives du δ18O des coquilles d’escargots et des nodules calcaires. Après ≈ 6 ka BP, le climat s’assèche dans le Nord de la région étudiée comme le suggèrent la forte activité éolienne enregistrée par un hiatus sédimentaire, des érosions et surfaces de déflation, alors que le Sud reste plus humide, comme le montrent des dépôts fluviatiles (chenaux et plaine d’inondation), et les pollens tropicaux et aquatiques. Après 1000 ans BP, et plus probablement après 3 ka BP, la région devient aride comme en témoignent les dépôts éoliens, la prédominance de pollens de milieu aride et l’enrichissement en 18O des coquilles d’escargots terrestres. / This study is conducted in the Kordofan region, central-southern Sudan. The study area is bounded by longitudes 28° 00' and 31° 00' E, and latitudes 11° 30' and 15°00' N and covers an area of about 125835 km2. The Kordofan region is located at the southern end of the present-day Sahara. Late Pleistocene-Holocene deposits in Kordofan, recorded sedimentary discontinuities that probably reflect climatic fluctuations during the latest Quaternary. 14C dating and some archeological findings have been used to date the latest Pleistocene-Holocene succession. In the investigated sections, four stratigraphic units have been recognized, which exhibit eight sedimentological facies.The first unit is older that ≈ 10 ky BP and is formed of mottled sandstone or siltstone facies of aeolian origin. The second unit (≈ 10 to 6 ky BP) comprises palustrine and lacustrine facies in the central and northern parts, and fluviatile facies in the South. The third unit ranges from ≈ 6 to 3 ky BP and is restricted to the southern part; it is made of aoelian deposits intercalated with fluviatile or flood plain facies. The fourth unit is younger than 1000 y BP, and is dominated by aeolian red sandstone in the North, and by flood plain facies to the South. Between ≈ 6 and 1 ky BP in the North and between ≈ 3 and 1 ky BP in the South, no deposits are recorded. This hiatus is marked by deflation surfaces in the North, and is interpreted as a period of strong aeolian activity, which prevented deposition, or even eroded part of the sediments deposited between 6 and 3 ky BP.Several proxies (sedimentology, gastropod sub-fossil shells, pollens, stable isotopes, major element chemistry, clay mineralogy and paleohydrology) have been used to reconstruct the climatic evolution of the region for the past 13 ky, which can be correlated to the well-known evolution of Eastern Sahara during this time-span. Our results indicate that the region has been subjected to arid climate prior to 10 ky BP as evidenced by thick aeolian deposits. Between 10 and 6 ky BP, the region experienced a wet climate as evidenced by the development of pedogenetic calcareous nodules, local deposition of palustrine and lacustrine limestone, abundance of aquatic and semi-aquatic gastropods, high lake levels, and depleted δ18O values from gastropod shells and calcareous nodules. After ≈ 6 ky BP, climate evolved to dry conditions in the northern part of the region as indicated by an strong aeolian activity recorded by erosion features, sedimentary hiatus and deflation surfaces, while its southern part remained more humid, as shown by channel and flood plain deposits, and tropical and aquatic pollen taxa. From 1000 yr BP to Present, and probably after 3 ka BP, the region became arid as evidenced by aeolian deposits, the predominance of arid indicator pollens and the enrichment in 18O of land snail shells.

No description available.

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A model system to calculate single-path coupling constant was devised to see if the couplings are additive in a system which has a dual-pathway. The system chosen was o-methyl-13C-benzoic acid. Because of anomalies in the data, the series was extended. Hybridization of the label appeared to have relatively little effect, and the conformation of the substituents very important.

In 2001, 3269 unidentified individuals were found in a mass grave on the Northern part of Vilnius, Lithuania. Artifactual context indicates that these individuals were likely soldiers that were a part of Napoleon’s Grand Army. Stable oxygen isotope analysis was performed on bone apatite from 9 femoral bone samples to determine whether or not these individuals were Lithuanian locals and to test ratio variation. If individuals were foreigners, then geographical origins were approximated utilizing percentages of C4 plants from Holder (2013) and δ18O values that were extracted from bone apatite. The carbonate oxygen isotope compositions (δ18Ocarbonate) of bone apatite from the femoral samples (-4.4‰ to -6.2‰) indicate that these individuals were from central and western Europe (-4.0‰ to -6.9‰). It is significant that none of the individuals have values consistent with the area around Lithuania (-10.0‰ to -11.9‰), because it means that they all were non-local. It is also indicative that the Lithuanians were not burying their citizens in the grave and therefore strongly support that these individuals were Napoleonic soldiers. Additionally, although C4 percentages in the diet ranged from 17.8% to 31.7%, which overlaps with eastern European consumption patterns (approximately 15% to 25% of C4 plants) (Reitsema et al., 2010), the slight shift towards a higher C4 percentage is more representative of a central and western European diet. These results are significant because they provide stable isotopic evidence that these individuals were Napoleon’s soldiers whom participated in the Russian campaign of 1812.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The Ordovician (485-444 Ma) was a highly dynamic period, characterized by significant evolutionary and climatic change. Paleozoic fauna which evolved during the Great Ordovician Biodiversification Event (GOBE) populated extensive epicontinental seaways. Major sea level fluctuations during The Hirnantian glaciation are believed to have led to a mass extinction event at the End Ordovician. However, a reassessment of Early Paleozoic fossil assemblages suggests the onset of extinctions began in the mid-Katian, ~3 million years before the Hirnantian. The Kope formation, within the North American succession of the Katian, was deposited during the peak biodiversification of the GOBE at the point which a biological crisis begins. The well-studied series of interbedded shale and fossiliferous limestone beds, deposited within a shallow epeiric sea, provide ideal sedimentological and paleontological context to interpret sediment geochemistry recorded at the onset of a global mass extinction. For a high-resolution section of the Kope, δ34Spyrite show an extraordinary range of variability, up to 64.5‰, with systematic oscillations throughout the core. The isotope signal represents a mix of pyrite formed at the time of deposition and during diagenesis. As sea levels fluctuated, the amount of sediment delivery influenced the connection of sediment porewaters to overlying seawater sulfate and the location of the sulfate reduction zone, which in turn, masked the primary signal. Reactive iron data suggest low oxygen concentrations in the water column, however fossil assemblages found throughout the Kope suggest otherwise. Changes in sedimentation can mask the water column signal, so these data also capture an aggregate signal. δ15Nbulk show an upsection decrease of 4.4‰, followed by a 3.4‰ increase. Though this excursion can be interpreted as a switch to increased denitrification in a low oxygen environment, the fossil record suggests the data capture localized diagenetic reactions that occur below an oxic water column. Perturbations in the ocean-climate system is often based on the interpretation of stable isotope excursions, and although excursions are diagnostic of changes to biogeochemical cycles, they may not fully account for diagenetic reactions that mask primary signals. The results from the Kope demonstrate strong localized, not global, controls on the sediment geochemistry.

Yes / Sampling of dentine for stable carbon (δ13 C) and nitrogen (δ15 N) isotope ratios in the direction of tooth growth allows the study of temporal changes to the diet and physiological stress of an individual during tooth formation. Current methods of sampling permanent teeth using 1mm increments provide temporal resolution of six - nine months at best depending on the tooth chosen. While this gives sufficient sample sizes for reliable analysis by mass spectrometry, sectioning the dentine across the incremental structures results in a rolling average of the isotope ratios. A novel method of incremental dentine collagen sampling has been developed to decrease the collagen increment size to 0.35mm along the incremental structures thus reducing averaging and improving the temporal resolution of short-term changes within the δ13 C and δ15 N values. This study presents data for a MicroMill-assisted sampling method that allows for sampling at 0.35mm width x 1mm depth increments following the incremental growth pattern of dentine. A NewWave MicroMill was used to sample the demineralised dentine section of modern donated human third molars from Sudan and compared to data from the same teeth using the 1mm incremental sectioning method 2 from Beaumont et al. (2013). The δ13 C and δ15 N isotopic data showed an increased temporal resolution, with each increment providing data for two-four months of dentine formation. The data show the potential of this method for studying dietary reconstruction, nutritional stress, and physiological change with greater temporal resolution potentially to seasonal level and with less attenuation of the δ13 C and δ15 N values than was previously possible from human dentine.

La caractérisation des transferts hydrologiques entre le domaine continental souterrain et la zone côtière est essentielle afin de mieux contraindre les bilans hydrologiques et de matière dans ces zones. Ce travail porte sur l'étude du fonctionnement hydrologique de la zone côtière sud de la lagune de Venise, et plus précisément sur les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines des aquifères superficiels côtiers, où la charge hydraulique et le niveau du sol sont en dessous du niveau marin. <br />Les éléments majeurs et les isotopes stables de l'eau sont utilisés pour caractériser les processus de mélange au sein de l'aquifère de surface (0-30m). Nos résultats mettent en évidence la restriction de la salinisation de l'aquifère à une étroite bande côtière (<1km), en bon accord avec les résultats des travaux de modélisation hydrodynamique. En amont, le système de canaux constitue une barrière efficace de l'intrusion saline, malgré la subsidence de la zone, et le système d'irrigation/drainage permet un rafraîchissement permanent.<br />Les apports d'eau souterraine dans la lagune sont quantifiés en utilisant les traceurs des isotopes du radium et du radon. Leurs activités mesurées dans la lagune sont en excès par rapport à la mer et nécessitent un apport d'eau souterraine enrichie en ces traceurs, ce qui est confirmé par une approche de modélisation géochimique. Un bilan de masse à l'état stationnaire permet de calculer un flux variant entre 8.1x10^5 et 1.5x10^7 m3.j-1, dépendant fortement de la composition du pôle d'eau souterraine choisi. Ce flux, principalement dû à la recirculation d'eau lagunaire au sein des sédiments, est 2 à 10 fois plus élevé que le flux de surface, et représente potentiellement une source significative d'éléments dans les eaux côtières.