Au cours des derniers 40 ka, le Groenland et l'Atlantique Nord ont enregistré des oscillations de température rapides et de grande amplitude (8 à 15°C en à peine 300 ans) associées à de profondes modifications de la circulation océanique et atmosphérique. Les mécanismes à l’origine de ces changements climatiques rapides ne sont encore que partiellement élucidés. L’objectif de cette thèse est de quantifier les changements de circulation océanique qui ont accompagné ces changements climatiques abrupts. La première partie de cette thèse a consisté à combiner les informations paleocéanographiques de trois traceurs géochimiques, de manière à s'affranchir des limitations de chaque traceur pris séparément. Les rapports isotopiques du carbone des foraminifères benthiques (δ13C et Δ14C) et le Pa/Th sédimentaire ont été mesurés sur la carotte sédimentaire de l'Atlantique Nord SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). Les proxies semblent dépeindre une situation contradictoire au cours du dernier maximum glaciaire: les isotopes du carbone indiquent une faible ventilation des masses d'eau profondes alors que le Pa/Th sédimentaire atteste d'une circulation active. Ce résultat interroge sur la nature exacte du signal enregistré par chaque proxy. Par ailleurs, le recours à la modélisation est nécessaire afin de quantifier les variations de la circulation océanique passée. La seconde partie de cette thèse a donc consisté à ajouter le calcul du Pa/Th sédimentaire dans le modèle de climat de complexité intermédiaire iLOVECLIM. Ce modèle, capable de simuler l'évolution simultanée des trois proxies, a été utilisé pour analyser la réponse de chaque proxy à des changements abrupts de circulation. Les résultats montrent que la réponse des proxies est différente dans les trois principales masses d'eau de l'Atlantique. Dans l'Atlantique Nord-Ouest profond (> 2000 m), la réponse du Pa/Th précède celle des isotopes du carbone de quelques centaines d'années, constituant un exemple de découplage entre les différents proxies. / The last 40 ky, have been characterized by abrupt and high amplitude temperature changes (8 to 15 °C in less than 300 years) in Greenland and in the North Atlantic region, associated with drastic ocean and atmospheric circulation changes. The mechanisms behind these abrupt climate changes are still debated. The objective of this thesis is to quantify the ocean circulation changes associated with these abrupt climate changes. In the first part of this thesis, I combined the information of three geochemical proxies in order to overcome the limitations of each proxy taken separately. The carbon isotopic ratios of the benthic foraminifers (δ13C and Δ14C), as well as the sedimentary Pa/Th ratio, have been measured in the North Atlantic sediment core SU90-08 (43°N, 30°W, 3080m). The proxies depict an apparently inconsistent situation over the last glacial maximum: the carbon isotopes indicate that the deep water mass was poorly ventilated while the Pa/Th evidence an active overturning cell. These observations question the type of signal recorded by each proxy. Besides, in order to quantify the circulation changes, a modeling approach is required. In the second part of this thesis, I have implemented the calculation of the Pa/Th in the climate model of intermediate complexity iLOVECLIM. The model is able to simulate the simultaneous evolution of the three proxies and has been used to decipher the multi-proxy response to abrupt circulation changes. The results show that the proxy response varies in the three main Atlantic water masses. In the deep (>2000m) western North Atlantic, the carbon isotopes response lags the Pa/Th response by a few hundreds of years, exemplifying/illustrating a possible decoupling between the different proxies.

Les hétérogénéités de répartition de la matière organique (MO) du Crétacé de l'océan Atlantique central sont souvent liées à des facteurs d'ordre géodynamique et paléocéanographique. Or, la forte proportion de MO terrestre questionne l'hégémonie de ces mécanismes et appelle à mieux contraindre la dynamique sédimentaire des dépôts associés à cette MO. Par une approche source to sink couplant une étude géochimique de provenance à une étude de bassin à partir de données de subsurface, nous montrons une réorganisation du drainage sur les cratons ouest-africain et guyanais, caractérisée par une extension progressive des bassins versants vers les domaines internes pendant le Crétacé supérieur. En Afrique, ce processus s'accompagne d'un arrêt de la dynamique turbiditique dès le Turonien, et d'une diminution de celle-ci au Guyana Suriname. Dans les deux cas, ces changements ont été défavorables à l'accumulation de matière organique en domaine océanique profond. / The distribution heterogeneities of Cretaceous organic matter (OM) in the Central Atlantic Ocean are often related to geodynamic and paleoceanographic factors. However, the high proportion of terrestrial OM questions the hegemony of these mechanisms and shows the need to better constrain the sedimentary dynamics of organic-rich sediments. Using a source-to-sink approach coupling a geochemical provenance study with a basin study from subsurface data, we show a reorganization of drainage on the West African Craton and the Guyana Shield, characterized by a gradual extension of watersheds to the inner areas during the Upper Cretaceous. In the African deep basin, this process is coeval to a break of the turbiditic sedimentation from the Turonian and to its decrease in the Guyana-Suriname deep basin. In both cases, these changes were unfavorable to the enrichment of OM in the deep oceanic domain of the Central Atlantic.

Les explorations scientifiques menées depuis une quarantaine d’années ont permis d'identifier la diversité et la complexité des processus géologiques et géochimiques conduisant à la concentration des métaux dans les grands fonds océaniques. Les dépôts métallifères riches en hydroxydes de Fer et de Manganèse, tels que les encroûtements hydrogénétiques et hydrothermaux et les nodules polymétalliques, présentent des enrichissements variés en éléments d'intérêts économiques tels que le Ni, Cu, Co, Te, Pt et les Terres Rares. Bien que la minéralogie et la géochimie de ces dépôts aient été largement étudiées dans la littérature, les sources de métaux restent encore mal déterminées. Par conséquent, comprendre la géochimie de ces dépôts implique d’une part, de connaître les processus participant à leur genèse, et d’autre part d’avoir de meilleures connaissances sur les sources impliquées (par ex. flux continental et hydrothermal) et leur importance dans les grands cycles biogéochimiques des métaux dans les océans. Afin d’apporter de nouveaux éléments de réponse, notre approche a consisté à utiliser les compositions isotopiques des métaux comme traceurs biogéochimiques. Ce projet est structuré autour de deux hypothèses, (1) le développement et l’utilisation d’un nouveau outil géochimique que sont les isotopes du Ni pour tracer les sources et les processus d’enrichissements en métaux dans les dépôts métallifères océaniques ; (2) la combinaison de plusieurs systèmes isotopiques tels que Fe, Pb, Cu et Zn (et Ni) dans les encroûtements de fer-manganèse comme proxy de la composition isotopique de l’eau de mer profonde. Après avoir développé une méthode d’analyse des isotopes du Ni par MC-ICP-MS et estimé la variabilité isotopique du Ni dans les systèmes naturels par la caractérisation des grands réservoirs terrestres, nous avons évalué expérimentalement le fractionnementisotopique du Ni lors de son adsorption sur les oxyhydroxydes de Fe et Mn comme analogue à ce qui pourrait se produire dans les dépôts de Fe-Mn naturels. Les résultats indiquent que lors de l’adsorption du Ni, la phase solide est enrichie en isotopes légers par rapport à la solution avec des facteurs de fractionnement (Δ60/58Nimin/sol) variant de -1 ‰ pour la birnessite, -0.9 ‰ pour la goethite et -0.4 ‰ pour la ferrihydrite. A partir de ces résultats et d’autres études récentes, nous avons pu appuyer l’hypothèse selon laquelle d’un point de vue global la variabilité isotopique du Ni dans les dépôts métallifères océaniques riches en Fe et Mn s’explique par des processus d’enrichissement et de formation lors de l’incorporation des métaux dans les phases minérales de Fe et Mn plutôt que par des variations des compositions isotopiques des sources. Ainsi les encroûtements hydrogénétiques formés lentement à partir de l’eau de mer ne montrent pas de fractionnement isotopique du Ni, tandis que les dépôts hydrothermaux formés par des processus rapides liés aux apports hydrothermaux montrent des fractionnements du Ni plus importants. Puis, afin d’évaluer la possibilité d’utiliser les signatures isotopiques du Ni comme nouveaux traceurs paléocéanographiques, nous avons mené une étude comparative sur des encroûtements collectés dans le Pacifique Nord (proche de Hawaii) et le Pacifique Sud (proche de Tahiti). Dans ce contexte, les ncroûtements de fer-manganèse formés par précipitation très lente de l’ordre de quelques mm/Ma entre 1500 et 3000 m de profondeur, fournissent un enregistrement de plusieurs millions d’années des métaux dissous dans l’eau de mer. Après avoir réalisé une étude minéralogique et géochimique (éléments majeurs et traces) et calibré les taux de croissance des encroûtements, nous avons mesuré pour la première fois les compositions isotopiques du Ni, Fe, Zn, Cu et Pb sur la même série temporelle. / Scientific explorations implemented for around forty years allow to identifying the diversity and the complexity of geological and geochemical processes conducting to metals concentration on the deep seafloor. Fe- and Mn-rich metalliferous deposits such as hydrogenetic and hydrothermal ferromanganese (Fe-Mn) crusts and polymetallic nodules, present various enrichment in elements of economic interests like Ni, Cu, Co, Te, Pt and Rare Earth Elements. Although the mineralogy and geochemistry of these deposits have been largely studied in the literature, metal sources remain poorly determined. Accordingly, understanding the geochemistry of these deposits implies to know which processes are involved in their formation but also to have a better knowledge of the sources (e.g. the continental and hydrothermal fluxes) and their importance in the global oceanic metal biogeochemical cycles. In order to fill this gap, our approach consisted in using metal stable isotope compositions as biogeochemical tracers. This project is organized around two hypotheses, (1) development and utilization of a new geochemical tool, namely Ni isotopes, for tracing metal enrichment sources and processes in oceanic metalliferous deposits; (2) combination of several isotope systematics such as Fe, Pb, Cu, Zn (and Ni) in Fe-Mn crusts as proxies of the deep seawater isotope composition. Upon developing an analytical method for measuring Ni isotopes by MC-ICP-MS and estimating the Ni isotopes variability in natural systems through the characterization of terrestrial reservoirs, we experimentally evaluated Ni isotope fractionation during adsorption on Fe- and Mn-oxyhydroxides since similar processes may potentially occur in natural Fe-Mn deposits. Results indicate that after Ni adsorption, the solid phase is enriched in light Ni isotopes relatively to the solution with fractionation factors (Δ60/58Nimin/sol) varying from -1 ‰ for birnessite, -0.9 ‰ for goethite and -0.4 ‰ for ferrihydrite. These results, and other recent studies, strengthen our hypothesis according to which Ni isotopes variability in Fe- and Mn-rich metalliferous deposits can be explained by enrichment and formation processes during metal incorporation in Fe and Mn mineral phases rather than variations in the isotopic composition of the sources. Thus, hydrogenetic Fe-Mn crusts formed slowly from seawater dissolved metals do not show significant Ni isotope fractionation, whereas hydrothermal deposits formed by relatively rapid processes as a result of hydrothermal inputs exhibit important Ni isotope fractionation.

L'analyse des propriétés magnétiques et géochimiques de quatre carottes de sédiments marins provenant de la marge Nord-Ouest Américaine a permis de reconstituer les dynamiques de la sédimentation terrigène et des processus post-dépôt, liés aux changements climatiques et océanologiques au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire (0-120 000 ans). Les carottes proviennent de trois sites localisés sur les côtes Californienne et Mexicaine : le Bassin de Santa Barbara (35°N), la marge de Basse Californie (23°N) et le Golfe de Tehuantepec (15°N). Les composantes terrigènes et biogènes des sédiments sont apportées suivant une dynamique saisonnière marquée et s'accumulent rapidement (35 à 150 cm/ka). La dégradation de la matière organique et la faible ventilation des eaux engendrent une réduction des taux d'oxygène dissous des eaux entre 300 et 800 m de profondeur, qualifiée de zone de minimum d'oxygène du Pacifique Est. <br />Les paramètres magnétiques permettent de tracer les variations de concentration, nature et taille des grains magnétiques. Deux types de minéraux ferromagnétiques peuvent être détectés : les oxydes de fer terrigènes (magnétite, hématite, goethite) et les sulfures de fer authigènes (greigite, Fe3S4 et pyrrhotite, Fe7S8). Des mesures d'éléments majeurs et traces par fluorescence X (XRF) sur des intervalles-clés des carottes ont permis de préciser ces interprétations. Les rapports isotopiques de l'oxygène et du carbone mesurés sur des foraminifères planctoniques et benthiques dans la carotte du Golfe de Tehuantepec ont permis de reconstituer les variations des caractéristiques physico-chimiques et la structure de la colonne d'eau. <br />Les séquences sédimentaires, datées par corrélation de profils de susceptibilité magnétique, âges 14C sur des foraminifères et identification d'excursions paléomagnétiques, couvrent la transition glaciaire-interglaciaire (0-40 ka) et l'une d'elles couvre le dernier cycle climatique (0-120 ka). <br />Les fortes concentrations en oxydes de fer dans les sédiments glaciaires des trois sites suggèrent de forts apports terrigènes sur la marge NO américaine et notamment de forts apports éoliens (hématite et goethite) lors du dernier maximum glaciaire (20-16 ka BP). Des sulfures de fer de différents degrés de réduction détectés dans les sédiments du Bassin de Santa Barbara ont été interprétés en termes de conditions d'oxygénation des eaux de fond. La succession de phases anoxiques (pyrite, FeS2) et dysoxiques (moins anoxiques, sulfures ferrimagnétiques) est en accord avec l'indice de bioturbation de Behl et Kennett (1996) pour les derniers 15 ka et révèle l'existence de périodes dysoxiques lors des refroidissements abrupts de l'Atlantique Nord. Dans le Golfe de Tehuantepec, la thermocline était moins profonde pendant la déglaciation (16-10 ka BP) que pendant l'Holocène (10-0 ka BP) et la présence de gypse (CaSO4) authigène, formé par réoxydation de pyrite, dans les sédiments suggère une meilleure oxygénation des eaux de fond pendant les stades glaciaires.

Les foraminifères planctoniques (FP) sont des organismes hétérotrophes appartenant au mésozooplancton, abondants dans tous les domaines marins et communément utilisés dans les reconstitutions paléoenvironnementales. Pour quantifier la position des FP dans le cycle du carbone au sein du plancton à des échelles régionales et globales, il est nécessaire de connaitre leur production en biomasse (Corg), jusque là très peu connue car très difficilement mesurable. Dans ce travail, nous avons développé une nouvelle méthode analytique non destructive développée à partir de la méthode bicinchoninic acid (BCA), et mesuré la biomasse individuelle de 952 spécimens de 26 espèces de FP provenant de régions tempérées à subtropicales. Nos résultats indiquent que la biomasse moyenne d'un FP s'élève à 0,845 μg. Le protocole a été calibré sur l'espèce benthique Ammonia tepida, et au cours d'expériences en culture. L'analyse statistique des données ne fait ressortir aucune différence interspécifique, ni des conditions écologiques (niveau trophique, profondeur ou température). En revanche, nous avons démontré que la biomasse des FP est fortement corrélée avec la masse et la taille de leur test calcitique. Grâce à cette corrélation, les biomasses des populations de FP ont été calculées pour 1128 sites et profondeurs d'échantillonnage de l'Atlantique Nord, la mer d'Arabie, la mer Rouge, les Caraïbes, le Japon et l'Oregon. La production actuelle de biomasse par les FP a pu être estimée entre 25 et 100 Tg.C.an−1, en incluant les individus juvéniles. Le ratio carbone organique sur inorganique (Corg : Cinorg) des populations de FP entre la surface et 2500 m de profondeur semble rester constant à ~2/3, tel que montré dans la zone des Açores. Ces résultats prouvent qu'il y a un export de carbone à la fois organique et inorganique, et que les FP contribuent incontestablement à la pompe biologique de carbone. Les résultats obtenus au cours de cette thèse font des FP de potentiels outils pour quantifier la biomasse initiale de paléo-assemblages, et améliorer notre compréhension du cycle du carbone et de la pompe biologique de carbone dans le passé.

Les zones à oxygène minimum (OMZs) sont des régions océaniques pratiquement dépourvues d'oxygène. Au cours des derniers milliers d'années, des changements climatiques globaux ont influencé l'intensité et l'extension spatiale de ces zones. Cette thèse propose de reconstruire les concentrations en oxygène dissous des eaux de fond au large de la marge Nord Est du Pacifique pour le Quaternaire supérieur à travers trois méthodes indépendantes, ayant pour dénominateur commun l'enregistrement fossile des foraminifères benthiques. Une première méthode dite micropaléontologique, basée sur l’abondance relative de trois assemblages, est développée dans un premier article. Un second article établit une relation entre l’oxygénation et la porosité de l'espèce Bolivina seminuda, caractérisée par une variation de couverture de pores de la [O$_2$]. Un troisième article est consacré à une méthode morphométrique, basée sur un indice prenant en compte la taille et la circularité des spécimens de chaque échantillon. Chacune de ces méthodes a pu être calibrée grâce aux foraminifères benthiques prélevés dans des sommets de carottes dont la teneur actuelle en oxygène dissous est connue. Ainsi, les estimations quantitatives montrent des valeurs d'oxygène faibles ($\sim$ 0.05 mL.L$^{-1}$) durant les évènements climatiques chauds (évènements de Dansgaard-Oeschger) et plus élevées ($\sim$ 0.5 mL.L$^{-1}$) pendant les évènements froids, pouvant atteindre $\sim$ 1 mL.L$^{-1}$ durant les stades associés aux évènements de Heinrich. Dans un dernier chapitre, ces trois méthodes sont appliquées à l'OMZ de la Mer d'Arabie, et un lien entre oxygénation, mousson indienne, et régime des vents est discuté. / Oxygen minimum zones (OMZs) are areas in the ocean that are almost completely devoid of dissolved oxygen. For several decades, global climate changes are known to be responsible for fluctuations in the intensity and spatial extent of these OMZs. In this thesis, three independent methods were developed for reconstructing the oxygen concentration of OMZ bottom waters during the late Quaternary. All these methods are based on benthic foraminifera preserved in the fossil record. A micropaleontological method is described in a first publication. This approach is based on the relative abundance of three benthic foraminiferal assemblages. A second publication explores the connection between oxygenation and porosity of the benthic foraminiferal species Bolivina seminuda, characterised by a pore surface area that depends on the [O$_2$]. A third article describes a morphometric approach to past oxygen reconstruction based on a semi-automatic method used to calculate an averaged size and roundness index for each sample. Recent benthic foraminifera, recovered from core-top sediments for which the modern bottom water dissolved oxygen content is known, are used to calibrate the three methods. It is found that warm interstadials (corresponding to Dansgaard-Oeschger events) exhibit conditions almost depleted in [O$_2$] ($\sim$ 0.05 mL.L$^{-1}$) while cold stadials show higher values ($\sim$ 0.5 mL.L$^{-1}$) reaching $\sim$ 1 mL.L$^{-1}$ during stadials associated with Heinrich events. In the final chapter, all three methods are successfully applied to the Arabian Sea OMZ, and a link between oxygenation, the indian monsoon, and the local wind regime is discussed.

SYRACO est un SYstème de Reconnaissance Automatisée des COccolithes, développé à son origine par Luc Beaufort et Denis Dollfus à partir de 1995 et plus récemment avec Yves Gally. L'utilité d'un tel système est de permettre aux spécialistes un gain de temps majeur dans l'acquisition et le traitement des données. Dans ce travail, le système a été amélioré techniquement et sa reconnaissance a été étendue aux nannofossiles calcaires du Cénozoïque. Ce système fait le tri entre les nannofossiles et les non-nannofossiles avec une efficacité respectivement estimée à 75% et 90 %. Il s'appuie sur une nouvelle base d'images de référence d'espèces datant de l'Eocène Supérieur aux espèces vivantes, ce qui représente des centaines d'espèces avec une forte variabilité morphologique. Il permet de réaliser une classification en 39 morphogroupes par la combinaison de réseaux de neurones artificiels avec des modèles statistiques. Les résultats sont présentés sous forme de comptages automatisés, de données morphométriques (taille, masse...) et de mosaïques d'images. Il peut ainsi être utilisé pour des analyses biostratigraphiques et paléocéanographiques. / SYRACO is an automated recognition system of coccoliths, originally developed since 1995 by Luc Beaufort and Denis Dollfus, and more recently with the help of Yves Gally. The main purpose of this system is for specialists to save time in the acquisition and treatment of data. By this recent work, the system has been technically improved and its ability of recognition has been extended to calcareous nannofossils of the Cenozoic Era. It sorts nannofossils and non-nannofossils with a reliability respectively estimated to 75% and 90%. It is based on a new reference images database of species from the Upper Eocene up to living species. This represents hundreds of species with a high morphological variability. It leads to the establishment of a classification arranged in 39 morphogroups, combining artificial neural networks to statistical models. The results are presented as automated counting, morphometrical data (size, mass...) and mosaics of images. Those results can be valuable in biostratigraphical and paleoceanographical analyses.

Ce travail avait pour but de reconstituer l'évolution de la température et du δ¹⁸O des eaux de surface et des eaux de la thermocline dans la Warmpool indo-pacifique (IPWP) en combinant la thermométrie Mg / Ca et la mesure des isotopes stables de l'oxygène sur des foraminifères planctoniques de surface et de sub-surface prélevés dans des carottes de sédiments situées dans l'océan Indien tropical oriental. Ce travail a permis de ré-évaluer les effets des différentes méthodes de nettoyage et de la dissolution in situ sur la thermométrie Mg/Ca des foraminifères planctoniques, mettant en évidence la nécessité de corrections différentes suivant les espèces. L’évolution de l’IPWP au cours des 270 000 dernières années a été reconstituée. Les résultats indiquent que le δ¹⁸O des eaux de surface reflètent principalement l'advection latérale plutôt que l'historique des précipitations régionales, et suggèrent que l'hydrologie de surface IPWP est contrôlée par la migration latitudinale de la zone de convergence intertropicale aux échelles de temps orbitales mais aussi en réponse aux événements climatiques abrupts de l'hémisphère nord (eg. événements de Heinrich). Les variations de salinité de surface sont étroitement corrélées aux changements d’export vers l’Atlantique au niveau du Courant des Aiguilles (Sud de l’Afrique). Puis, les changements dans le transport des eaux de la thermocline issues de l’ITF vers l'océan Indien ont été étudiés. Les résultats montrent que le transport était plus faible pendant les glaciations (ie. MIS 6 et 4-2) que pendant les périodes interglaciaires (ie. MIS 7, MIS 5 et Holocène) et exerçaient une influence significative sur les changements de la température de la thermocline dans l'Océan Indien. / This work aimed at reconstructing the late Quaternary evolution of surface and thermocline temperature and ocean surface water δ¹⁸O in the Indo-Pacific Warm Pool by combining Mg/Ca-thermometry and stable oxygen isotope analyses on surface and thermocline-dwelling planktonic foraminifers retrieved from sediment cores in the eastern tropical Indian Ocean. This study allowed to re-evaluate the effects of different cleaning methods and in-situ dissolution on the Mg-thermometry of planktonic foraminifers, evidencing the need for species-dependent corrections. Then, the IPWP evolution over the last 270,000 years has been explored. Results indicate that surface water δ¹⁸O chiefly reflects lateral advection rather than local precipitation history, and suggest that surface IPWP hydrology is controlled by the latitudinal migration of the Intertropical Convergence Zone at orbital timescale as well as during abrupt northern hemisphere climatic events (i.e. Heinrich events). Ocean surface salinity in the IPWP and Agulhas leakage region varied synchronously, implying their teleconnection through oceanic and atmospheric circulation. Moreover, changes in the transport of thermocline water to the Indian Ocean by the Indonesian Throughflow (ITF) have been reconstructed. Results show that thermocline water transport was weaker during glacials (i.e. MIS 6 and 4-2) than during interglacials (MIS 7, MIS 5 and Holocene), and exerted significant influence on Indian Ocean TWT change.