La composition isotopique du Néodyme dans les sédiments marins est un outil potentiel pour étudier la circulation océanique dans le passé. Le temps de résidence du Nd dans l'océan étant court (200-1000 ans), la valeur du Nd de l'océan global est hétérogène. La composition isotopique en Nd de l'eau de mer varie ainsi en fonction de la paléocirculation, de la provenance des sources, de l'intensité de l'érosion continentale et volcanique. Nous avons mis en place une nouvelle technique afin de reconstruire l'évolution du signal de l'eau de mer profonde et de la fraction détritique dans l'Océan Indien. Notre technique chimique a été validée par comparaison avec les méthodes de Bayon et al., (2002) et Burton et Vance (2001). Avec celle-ci, nous avons étudié deux thématiques: la circulation équatorial Indienne et l'érosion continentale Himalayenne. Pour reconstruire l'évolution de la masse d'eau équatoriale allant de l'océan Pacifique à l'Océan Indien depuis le Miocène, quatre sites ODP de ces deux océans ont été étudiés. La coïncidence en Nd de l'eau de mer entre deux sites distants de 3000 km a permis d'établir, après une réorganisation de la circulation océanique dans l'Océan Indien, l'existence d'un fort courant océanique d'ouest (MIOJet) entre 13 et 3 Ma. La fermeture du passage indonésien se produit en 2 Ma, il y a 3-4 Ma. Nous avons de même analysé, sur les périodes glaciaires-interglaciaires, les compositions isotopiques en Nd de l'eau de mer et de la fraction détritique de sédiments marins provenant d'un site proche de la Baie du Bengale. Les résultats ont montré que les signaux en Nd et 18O variaient conjointement au cours de ces cycles et que les fluctuations en Nd n'étaient pas liées aux variations de l'intensité de la circulation thermohaline mais au régime d'érosion du système Himalaya-Tibet. Ces variations sont très probablement le reflet d'un stockage important de glace sur le système Himalaya-Tibet durant les périodes glaciaires.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences naturelles. Géologie : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 478. Textes en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 45-51. Liste des publications et communications.

Le climat asiatique est aujourd'hui caractérisé par une forte dualité entre un climat de moussons au Sud-Est et un climat aride en Asie centrale. Ces climats sont tous les deux définis par une saisonnalité marquée, que ce soit en terme de précipitations pour le premier ou de températures pour le second. Si l'intensification des moussons asiatiques au Néogène, liée à l'influence du soulèvement final du plateau tibétain sur les climats asiatiques, semble faire consensus dans la communauté scientifique, la caractérisation des climats paléogènes est encore peu établie. Ainsi la question de savoir quand cette dualité climatique s'est installée en Asie reste encore ouverte. Au Paléogène, les reliefs liés à la collision entre les plaques indienne et eurasiatique étaient encore naissant et la distribution entre les terres et les mers très différente de l'actuelle. Notablement, une vaste mer épicontinentale et peu profonde (la Proto-Paratethys) s'étendait à travers l'Europe et l'Asie Centrale. À la fin du Paléogène, la Proto-Parathetys se retire de l'Asie Centrale, et les hautes topographies asiatiques se mettent en place. Dans ce contexte géodynamique, cette thèse cherche à caractériser les fluctuations à haute fréquence du climat en Asie Centrale afin de comprendre l'évolution de la saisonnalité au cours du Paléogène, et plus précisément pendant la période de l'Éocène (-55 à -34 Ma). Pour cela une approche originale utilisant une méthode géochimique multi- proxy sur des coquilles d'huîtres a été établie. Grâce à l'apport de l'analyse incrémentielle de marqueurs élémentaires et isotopiques sur les coquilles nous accédons aux variations saisonnières de la température et de la salinité de l'eau de mer. Ceci nous permet de mieux cerner les bilans hydriques et thermiques à l'échelle de l'année et ainsi de caractériser le climat d'Asie Centrale à très haute résolution. Combinant cette approche géochimique avec une étude sédimentologique et une étude numérique à plus grande échelle, cette thèse cherche à mieux établir les causes de l'évolution du climat régional au cours du Paléogène. / The modern Asian climate is mainly characterized by a monsoonal duality between humid summers in southern and eastern Asia and arid winters in Central Asia resulting in a strong seasonality in terms of precipitation and temperature in these respective regions. Although Neogene monsoonal intensification - mainly attributed to Tibetan plateau uplift - is well established, Paleogene Asian climate is still poorly understood such that the question of how and when this climate duality was established remains open. During Paleogene times, paleoreliefs due to the ongoing Indo-Asia collision and the land-sea distribution were very different compared to modern. Notably, a shallow epicontinental sea (the Proto-Paratethys) covered part of Europe and Central Asia. During the Eocene (-55 to -34 Ma), the Proto-Paratethys retreated westward while high Asian topographies formed. In this peculiar context, this PhD thesis aims to characterize the evolution of high-frequency climatic fluctuations in Central Asia in order to better constrain the seasonality changes associated with sea retreat, topographic uplift or nascent monsoons. We develop a novel approach using a geochemical multi-proxy methodology on oyster shells. Thanks to incremental analyses of elements and isotopes on bivalve shells, we estimate seasonal variations of temperature and salinity in seawater at high resolution. This enables to constrain precisely the annual-scale water and thermal balances and, by applying this technique to successive oyster bearing deposits widely distributed over Central Asia, aims to characterize Central Asian climate evolution. Combining this geochemical approach with a sedimentological and a numerical studies at larger time- and geographic- scale, this PhD thesis is aiming at better understanding the causes of the Eocene regional climate evolution.

L'objectif principal de cette thèse est de restituer l'évolution passée des moussons asiatiques au cours du Quaternaire et d’en évaluer leurs impacts sur l’érosion continentale et les transferts sédimentaires terre-mer, à partir de l’étude de carottes marines collectées dans la Baie du Bengale, l'ouest de la mer des Philippines et la mer d'Arabie. La stratégie scientifique mise en œuvre implique des analyses minéralogiques (argiles), sédimentologiques (granulométrie laser) et géochimiques (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et εNd) afin de restituer les zones sources sédimentaires, les conditions d’érosion et de transfert sédimentaires à l’océan. Les analyses de la concentration en élément des terres rares et des valeurs de l’εNd ont également été faites sur des échantillons d’eau de mer et de foraminifères collectés dans la Baie du Bengale afin de contraindre l’utilisation de ce traceur dans un contexte de très forts changements saisonniers de débit des fleuves Himalayens. Cette stratégie nous a permis, entre autre, de restituer les précipitations de mousson du domaine ouest tropical Pacific au cours du Quaternaire et d’établir un lien avec l’évolution à long terme de la dynamique de circulation méridienne de type ENSO. Nous avons également apporté de nouvelles contraintes sur l’utilisation du traceur εNd dans les foraminifères de la Baie du Bengale en vue d’en restituer la dynamique passée de l’érosion himalayenne. / The main objective of this PhD study is to reconstruct the evolution of the Asian monsoons during the Quaternary and their impacts on the continental erosion and sedimentary transfers from land to sea by the investigation of sediments cores collected in the Northern Bay of Bengal, the western Philippines Sea and the Arabian Sea. The implemented scientific strategy involves mineralogical (clay size fraction), sedimentological (grain-size laser) and geochemical (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and εNd) analyses in order to establish sedimentary sources, conditions of erosion and transfer of sediments to the Ocean. The analyses of the concentration of Rare Earth Elements (REE) and εNd were also made on seawater and foraminifera samples to better constrain the εNd as a proxy of weathering in a context of strong seasonal variations of sediment discharges by Himalayan rivers. Clay mineralogy and laser grain-size analyses have been conducted on sediments from core MD06-3050 collected on the Benham Rise (Philippines Sea). Siliciclastic grain-size results indicate variations of the relative proportion of three grain-size sub-populations corresponding to eolian dusts (EM2 about 9-11 μm) and Luzon rivers inputs (EM1 about 2-5 μm and EM3 about 19-25 μm). The long-term evolutions of the EM1/EM2 and smectite/(illite+chlorite) ratios permit to reconstruct variations of the contribution of detrital material deriving from the volcanic arc of Luzon and rainfall intensity of this tropical region. At long time scale, periods of intensification of monsoon rainfall on Luzon are associated to a reduction of precipitation on central China. These periods are also associated to an increase of the zonal gradient of sea surface temperatures on the equatorial Pacific Ocean suggesting a strengthening of El Niña conditions. These results highlight for the first time a strong role of the dynamics of the meridian circulation of ENSO on the long-term changes of rainfall of the tropical western Pacific during the Quaternary. In the Arabian Sea, clay mineralogy, siliciclastic grain-size, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio and εNd were analysed on Quaternary sediments of the IODP site U1457. Our results suggest a change in the relative proportions of sediments from the Deccan Trapps (smectite) and the Indus river (mainly illite and chlorite). Variability of sedimentary sources and sediment transport (turbidites activity) to the Indus Fan have been reconstructed and attributed to monsoon rainfall and the sea level variations. The concentrations of REE combined with εNd were analysed on seawater samples collected in June 2012 along a North-South cross section in the Bay of Bengal. We highlighted from normalized REE patterns that the contributions of dissolved REE from the Ganges-Brahmaputra river system was the main source of the dissolved REE of surface waters of the Bay of Bengal, whereas the desorption of lithogenic particles dominate the dissolved REE of the intermediate and deep waters masses. We then revalued the residence time of the dissolved REE in the Bay of Bengal. A comparison of εNd, obtained just before the increase of the Ganges-Brahmaputra river discharge inferred by Indian monsoon rainfall, with the results obtained by Singh and al. (2012) for seawater samples collected after the peak of river discharge, allowed us to highlight for the first time a seasonal variability of seawater εNd of the Bay of Bengal. εNd have been analysed on planktonic foraminiferas of core MD77-176 located at 1375 m water depth to reconstruct for the first time the seawater εNd record of the intermediate waters masses of northern Bay of Bengal for the last 27 kyr. This new seawater εNd record of the Northern Bay of Bengal give us new constrain for this proxy already used to reconstruct past changes of the Himalayan weathering.

L’objectif de cette thèse est d’étudier les caractéristiques physiques et biogéochimiques de l’habitat épipélagique (0-200 m), ses variabilités spatio-temporelles et les processus qui les gouvernent dans le Golfe de Tadjourah (Djibouti). L’analyse spectrale singulière (SSA) et la fonction empirique orthogonale (EOF) sont appliquées à deux jeux des données satellitales dérivées du radiomètre AVHRR_MetopA et des capteurs de la couleur de l’océan (Modis et Meris). Cette analyse statistique montre que les variabilités de la température de la surface de la mer (SST) et de la concentration de la chlorophylle a (CHLa) sont essentiellement expliquées par les cycles annuels et semi-annuels. Le cycle annuel de la SST montre l’alternance des eaux chaudes d’avril à octobre et des eaux froides de novembre à mars. Le cycle semi-annuel indique une légère baisse de la SST entre juillet et aout, particulièrement à l’ouest du golfe. Pour la CHLa, la variabilité est entièrement représentée par le cycle annuel. Celui-ci indique l’enrichissement des eaux du large avec un fort gradient côte-large de juillet à novembre et une tendance inverse de décembre à juin. En outre, l’analyse spectrale singulière multi-canal (M-SSA) et la fonction de corrélation croisée avec fenêtre de 120 jours, appliquées à l’ensemble des paramètres océanique (SST et CHLa) et atmosphériques (Vent, Température et humidité spécifique de l’air) révèlent que le cycle annuel de la SST est relié aux flux de chaleur à l’interface air-mer. En revanche, le refroidissement des eaux durant juillet-aout associé au pic de la CHLa, a été attribué au phénomène d’upwelling. Dans la seconde partie, afin d’élucider l’influence océanique sur la SST et la CHLa, les structures thermohalines and biogéochemiques de la couche supérieure (0-200 m) sont étudiées à l’aide des données collectées durant juillet-aout 2013, septembre 2013 et Février 2014. Les résultats montrent qu’en juillet-aout, la couche superficielle se composait d’une couche de mélange (CM) s’étendant sur environ 20-30 m de profondeur, suivie d’une thermocline localisée entre 30 and 50 m. La CM était réduite à l’ouest et au sud-est du golfe où le gradient thermique et la CHLa étaient plus élevées proche de la surface. En septembre, cette stratification persistait mais la CM était plus chaude et salée. En Février, la CM s’étendait sur environ 120 m de profondeur et la thermocline était moins prononcée. La comparaison des courants mesurés avec les courants de dérive d’ekman et les courants géostrophiques ont révélé que les structures thermohalines et biogéochimiques sont influencées par les vents de moussons du Sud-Ouest (MSO) et du Nord-Est (MNE). Les MSO qui soufflent de juin à aout, déplacent les eaux de surface du Golfe de Tadjourah vers le Golfe d’Aden et induisent la remontée des eaux profondes à l’ouest et l’intrusion par le nord-est des eaux salée de la thermocline. Celle-ci se rapproche de la surface particulièrement à l’ouest où elle se mélange avec les eaux de surface. En revanche, les vents de moussons du nord-est (MNE) prédominants de novembre à mai, emmènent les eaux froides vers le Golfe de Tadjourah. Le mélange convectif profond épaissit la CM. Cette thèse montre que les vents de moussons et leur renverse saisonnière jouent un rôle crucial dans la stratification de la colonne d’eau et que la topographie du bassin influence et module leurs effets. Durant l’été, la forme en cuvette du bassin et la pente continentale plus allongée à l’ouest favorise l’upwelling à l’ouest du golfe où les anomalies de la SST et de fortes concentrations de la CHLa ont été observées. / The objective of this thesis is to study the physical and biogeochemical characteristics of the pelagic habitat (0-200m), its spatio-temporal variability and the processes that govern them in the Gulf of Tadjourah (Djibouti).Singular spectrum analysis (SSA) and empirical orthogonal function (EOF) were applied to two data sets derived from AVHRR_MetopA radiometry and sea colour sensors (Modis and Meris). These statistical analysis shows that the variability of sea surface temperature (SST) and chlorophyll a concentration (CHLa) are mainly explained by annual and semi-annual cycles. The annual cycle of SST consists of an alternation between warmer (April to October) and cooler (November to March) surface water. The semi-annual cycle shows a slight drop of SST between July and August, particularly in the west of the gulf. For the CHLa, the variability is fully dominated by the annual cycle indicating summer enrichment of seashore water (July-November) with a strong seaward gradient which is reversed from October to May. Multichannel spectrum analysis (M-SSA) and cross correlation function analysis applied to the oceanic (SST, CHL-a) and atmospheric parameters (wind speed, air temperature and humidity) showed that the annual cycle of SST is connected to heat flux at the air-sea interface, while the summer drop of SST and its associated CHL-a increase were attributed to upwelling. In the second part, in order to elucidate this oceanic influence on SST and CHL-a, the vertical thermohaline and biogeochemical structures of the upper layer (0-200 m) were studied using high-resolution hydrographic data collected in July-August 2013, September 2013 and February 2014. During summer, the superficial layer consisted of the mixed layer (ML) extending to a depth of about 20-30 m, followed by the thermocline located between 30 and 50 m depth. The ML was thicker in the west and the southeast where the thermal gradient and chlorophyll a concentrations were particularly high. During September, this stratification persisted but the ML became warmer and saltier and the thermocline moved slightly deeper. In February, the ML extended to about 120 m, and the thermocline was less pronounced. A comparison of the directly measured currents to the wind induced Ekman currents and to geostrophic current profiles revealed that the thermohaline and the biogeochemical features were related to the southeast and northeast monsoon winds (SWM & NEM). Between June and August, the SWM drives surface water from the Gulf of Tadjourah to the Gulf of Aden and thus induces the westward intrusion of high salinity thermocline water from the Gulf of Aden. This near surface flow mixes surface waters in the extreme west of the Gulf of Tadjourah. In contrast, the NEM which blow from September to May, bring cold water toward the Gulf of Tadjourah and thickens the ML through convective mixing. Our thesis shows that the monsoon winds and their seasonal reversal play a crucial role in the stratification of the water column, but that their effects are additionally influenced by basin topography. During summer the bowl-shape of the basin and its elongated slope in the west enhance the upwelling in this area where negative sea surface temperature anomalies and high chlorophyll a concentrations were observed.

Ce travail de thèse est consacré à la problématique de l'extraction de signaux dans le domaine des sciences de l'atmosphère. Le point commun des problèmes considérés est la notion de détection et d'estimation de signaux cachés. L'approche par la modélisation probabiliste s'est avérée y être bien adaptée. Nous nous sommes attachés à répondre à différentes questions telles que : quel type d'information s'attend-on à trouver dans un jeu de données ? Le signal supposé caché se trouve-t-il réellement dans les données d'étude ? Comment détecter l'instant d'occurrence d'un phénomène, comment le caractériser (timing, amplitude ...) ? Si un tel signal est détecté, quelle (in)certitude est associée à cette détection ? Nous répondons à ces différentes questions au travers du développement de différents modèles probabilistes de détection d'évènements cachés. Nous nous sommes intéressés à différents modèles non stationnaires, dont deux sont notamment présentés dans un cadre multivarié. Au travers de trois modèles probabilistes décrivant des signaux cachés divers (rupture de variance, signaux éruptifs et changement de moyenne), nous avons aussi développé des méthodes associées de détection. Le premier modèle est appliqué à la détection de nuages stratosphériques polaires dans des profils lidar, le deuxième à des éruptions volcaniques dans des séries chronologiques de sulfate et enfin le troisième est appliqué à la détection de la date de l'onset de la mousson Africaine dans des données géophysiques liées à la dynamique atmosphérique et aux précipitations. Les différentes méthodes mises en place font appel à une variété de techniques de modélisation probabiliste allant de la maximisation de rapport de vraisemblance associée à des tests d'hypothèses à la résolution de filtres de Kalman dans un cadre non stationnaire et non linéaire pour la décomposition de séries multivariées couplée à la détection des signaux cachés. Les difficultés techniques liées à l'extraction de signaux cachés sont analysées et les performances des différents algorithmes sont évaluées. Les résultats obtenus confirment l'intérêt des méthodes probabilistes appliquées à ces problématiques de signaux cachés en sciences de l'atmosphère.