Ce travail de thèse est basé sur la mesure du dioxyde de carbone, CO2, et de son isotopologue stable δ13CO2 dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace polaire (carotte EPICA Dome C en Antarctique, EDC). On s'intéresse aux transitions rapides entre périodes glaciaires et interglaciaires. Le δ13CO2 permet de départager l'origine du CO2 entre les sources océaniques ou terrestres.<br />Cette étude documente à haute résolution temporelle l'évolution du CO2 et du δ13CO2 pendant les deux dernières déglaciations. La dernière déglaciation est caractérisée par une augmentation en CO2 de 80 ppmv, accompagnée par une diminution en δ13CO2 de 0.6 ‰. Des amplitudes plus importantes sont observées durant la pénultième déglaciation (+110 ppmv CO2, accompagnés pas une diminution en δ13CO2 de 0.9 ‰). <br />Les mesures, interprétées avec deux modèles du cycle du carbone (BOXKIT et BICYCLE) sont cohérentes avec le scénario suivant. Dans un premier temps, un réchauffement de l'hémisphère sud initie une augmentation du CO2 atmosphérique. Ceci entraîne une réorganisation biologique et physique de l'océan austral qui diminue le δ13CO2. Enfin, cette réorganisation se propage vers le nord avec un impact retardé de la biosphère continentale, pendant le Bølling/Allerød (B/A).<br />Ces résultats obtenus pour la première fois dans la carotte EDC, ont permis de proposer un scénario sur les causes des déglaciations. Une série de tests, basée sur des glaces de différentes propriétés a fourni une validation de notre méthode d'extraction.

Les formations herbacées actuellement dominantes en zone intertropicale sont mal discriminées par les marqueurs de végétation courants. Ainsi, la modélisation de la végétation et les reconstitutions des climats passés dans ces zones sont limitées. Les phytolithes sont des particules d'opale formées par précipitation de silice amorphe entre et/ou dans les cellules de nombreuses plantes vivantes, couramment utilisés pour tracer la dynamique des formations herbacées. Cependant, les calibrations entre assemblages phytolithiques, végétation et climat sont rares. Cette thèse établit des fonctions de transfert entre indices phytolithiques, caractéristiques des formations herbacées intertropicales actuelles, et contraintes bio-climatiques, en vue de pouvoir intégrer les données phytolithiques à la méthode de biomisation pollinique permettant des reconstitutions de végétation. Ceci permettra d'améliorer et de valider certains modèles prédictifs de végétation. En Afrique de l'Ouest, l'indice Iph permet de différencier les savanes à graminées basses des savanes à graminées hautes. Une fonction de transfert, établie pour estimer l'évapotranspiration (AET/PET), offre de bons résultats, comparables et complémentaires aux estimations fournies par la biomisation pollinique. L'indice Ic étudié sur un gradient altitudinal en Afrique de l'Est estime correctement la proportion des sous-familles graminéennes Pooideae et Panicoideae en zone intertropicale soit, potentiellement, la domination des Poaceae en C4/C3, jusqu'alors difficilement enregistrée. Pour la première fois un marqueur de végétation, l'indice D/P, est calibré de façon quantitative en terme de LAI le long d'un transect forêt-savane. Finalement, une analyse discriminante utilisant la totalité des assemblages permet de définir six biomes phytolithiques. Ces biomes intégrés à la méthode de biomisation pollinique, offriront des reconstructions paléo-environnementales plus précises, notamment les transitions désert/savane/forêt.

La compétition entre la tectonique et le climat s'exprime à travers la sédimentation. Or, du fait des fortes rétroactions existant entre ces paramètres, il est souvent difficile de discriminer leur influence relative. Ainsi, le Cénozoïque est une période présentant à la fois un refroidissement global et une phase orogénique majeure avec la collision alpine au sens large (depuis les Pyrénées à l'Ouest à la chaîne himalayenne à l'Est). Le but de cette thèse a été de comprendre comment s'expriment les rétroactions entre le climat, la tectonique et la sédimentation, dans une chaîne de montagne ancienne - les Pyrénées - dont les cadres sédimentologique, stratigraphique et tectonique, sont bien contraints. Trois questions principales ont été abordées : (1) est-ce que la croissance de cette seule chaîne de montagnes est susceptible d'influencer significativement le climat, localement ou à plus large échelle ? (2) de quelle manière le climat et la tectonique influencent la sédimentation ? (3) est-ce qu'un changement climatique est susceptible d'influencer l'évolution tectonique de cette chaîne de montagnes et de quelle manière ? La première partie a été abordée à travers à l'analyse géochimique de biominéralisations carbonatées provenant du bassin sud-pyrénéen (huîtres), comparée à celles de fossiles provenant du bassin de Paris (mollusques, dasycladales et characées), bassin intracratonique situé à proximité des Pyrénées. Les résultats montrent que les fossiles des deux bassins ont bien enregistré les événements climatiques globaux connus au Paléogène (Optimum climatique de l'Eocène inférieur, refroidissement du Lutétien, Optimum climatique de l'Eocène moyen et glaciation de la limite Eocène - Oligocène), signifiant que la croissance des Pyrénées n'a pas eu de conséquences directes sur le climat local. En revanche, ces résultats montrent que le δ18O des huîtres provenant des Pyrénées est plus négatif que celles du bassin de Paris. Le gradient latitudinal étant très réduit à cette période, ceci semble indiquer que le δ18O des huîtres pyrénéennes a été influencé par un apport d'eau ayant un δ18O négatif, signifiant une influence de la topographie pyrénéenne sur le δ18O des eaux de pluie et des rivières. La seconde partie a été abordée à partir d'une étude de terrain, caractérisant précisément les dépôts à l'Eocène moyen. Ceci a montré que les dernières plates-formes carbonatées ont définitivement disparues dans le bassin sud-pyrénéen à la limite Lutétien - Bartonien. Il semble qu'un stress environnemental dû à une intensification de l'érosion soit responsable de la disparition des producteurs carbonatés et ce, non pas uniquement à cause d'un forçage tectonique, mais également à cause de l'apparition d'un glacioeustatisme, c'est-à-dire d'un facteur climatique. Enfin, dans le but de mettre en évidence un éventuel forçage climatique sur le soulèvement des Pyrénées, nous avons établi un modèle cinématique reconstituant la séquence de déformation entre le Lutétien et le Miocène dans la partie ouest du bassin sud-pyrénéen. Trois phases de déformation successives ont été mises en évidence. La comparaison des flux entrant dans le prisme au cours du temps avec les flux d'érosion déduits de données de thermochronologie provenant de la bibliographie a révélé qu'il existait un important découplage entre les taux d'érosion et la quantité de matière entrant dans le prisme à la limite Eocène - Oligocène. Or, cette période est caractérisée par un changement climatique majeur dont l'impact sur les processus d'érosion a déjà été mis en évidence dans de nombreux travaux.

De leur source continentale à leur lieu de stockage ultime, les particules sédimentaires détritiques vont être produites en fonction de la nature et de l'intensité des processus continentaux : climat, contexte géodynamique. Sur les plates-formes, elles vont subir l'action des agents hydrodynamiques, vont se déplacer, constituer des corps sédimentaires qui seront préservés ou non selon la nature et l'intensité des processus : agitation s.l., apports sédimentaires, création d'espace par subsidence et variation du niveau marin... Enfin, dans les domaines océaniques profonds, elles vont se déposer.<br />L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est, par une approche sédimentologique, de reconstituer les conditions environnementales, tant sur les continents que sur les plates-formes, ayant conduit aux dépôts étudiés. Sur cette base, nous avons entrepris des études sur des dépôts du Pléistocène en mer du Nord ainsi que dans les mers de Chine de l'Est et du Sud. Cette époque, par sa proximité, permet des études à très haute résolution temporelle tandis qu'elle est caractérisée par des oscillations climatiques et eustatiques importantes et rapides. De plus, les dépôts les plus récents portent la trace de l'Homme.<br />Sur la plate-forme, l'étude des grands corps sableux, bancs et très grandes dunes, a permis de préciser les mécanismes de leur mise en place. A court terme, même dans les environnements dominés par la marée, l'importance de phénomènes sporadiques tels que les houles de tempêtes, a été démontrée. Ils impriment aux formes et à la structure des fonds marins leur marque tandis que les agents tidaux sont les pourvoyeurs du matériel sédimentaire. A plus long terme, ce ne sont plus les agents dynamiques qui conditionnent la préservation des corps sédimentaires mais la création d'espace disponible et l'importance des apports sédimentaires. Au niveau de l'estuaire de l'Authie, des séries de carottages nous ont aidé à mesurer les conséquences du mouvement vers le nord des divers ensembles sédimentaires sur le type de sédiment rencontré ainsi que sur les modifications d'un espace naturel convoité par l'Homme.<br />Dans les bassins profonds, en mer de Chine du Sud, nos études ont permis de préciser les sources du matériel sédimentaire et son transport en faisant la part des contributions éolienne, fluviatile et marine. L'étude des caractères sédimentologiques de la fraction détritique a permis également d'étudier la balance ntre l'érosion et l'altération sur les zones émergées ainsi que de voir quelle est la réponse des marqueurs détritiques aux changements climatiques globaux depuis 2 millions d'années.

L’Ordovicien (485–444 Ma) est une période géologique caractérisée par laconcomitance d’une glaciation majeure et de l’une des 5 plus grandes extinctions de masse del’histoire de la Terre. Cette thèse avait pour objectif d’améliorer la compréhension de l’évolutiondu climat à cette époque à l’aide de la modélisation numérique, ain de fournir une imagecohérente de la glaciation. Nous avons d’abord démontré que la coniguration continentaleordovicienne induit une dynamique océanique particulière, à l’origine d’une instabilité climatiquepermettant un refroidissement brutal du climat global sans variation importante de laconcentration atmosphérique en CO2 (pCO2). Dans un deuxième temps, un modèle innovantcouplé climat-calotte a permis de produire la première simulation de la mise en place de la glaciationsupportée par les données géologiques, sous un scénario cohérent de baisse de la pCO2.Les résultats indiquent que les premières glaces continentales se seraient mises en place dèsl’Ordovicien Moyen (465 Ma), quelque 20 millions d’années plus tôt qu’initialement envisagé.Dans ce scénario, le franchissement de l’instabilité climatique ordovicienne marque la miseen place du maximum glaciaire au cours de l’Ordovicien terminal Hirnantien (445–444 Ma).Des expériences réalisées avec un modèle de végétation primitive montrent que le développementdes plantes non-vasculaires a pu constituer le mécanisme à l’origine de la chute de lapCO2, via une intensiication de l’altération des surfaces continentales. Enin, les interactionsentre climat et biosphère marine ont été envisagées selon 2 axes complémentaires. (i) De nouvellescontraintes ont été fournies pour comprendre la paléobiogéographie des communautésmarines, par la publication de cartes de la circulation océanique de surface modélisée sousdiférentes pCO2 au cours de l’Ordovicien Inférieur, Moyen et Supérieur. (ii) Les relationsentre variations climatiques et état redox de l’océan ont été étudiées avec un modèle d’océanrécent bénéiciant d’un module de biogéochimie marine (MITgcm). Les simulations suggèrentdes anoxies partielles (durant le Katien) ou globales (durant le Silurien inférieur) au cours dela transition Ordovicien–Silurien. Elles démontrent également que l’extinction de l’Ordovicienterminal ne serait pas liée à un évènement d’anoxie. / The Ordovician (485–444 Ma) is a geological period characterized by theconcomitance of a major glaciation and one of the “Big Five” mass extinction events thatpunctuated the Earth’s history. This dissertation aimed at developing a better understandingof the climatic evolution at that time through numerical modeling, in order to providea consistent picture of the glaciation. First, it was shown that the Ordovician continentalconiguration leads to a particular ocean dynamics, which induces in turn the development ofa climatic instability that allows global climate to cool suddenly in response to subtle changesin the atmospheric partial pressure of CO2 (pCO2). Secondly, an innovative climate-ice sheetcoupled model produced the irst simulation of the glaciation that is supported by geologicaldata, in the context of a decrease in pCO2. Results show that glacial onset may have occurredas early as the Mid Ordovician (465 Ma), i.e., some 20 million years earlier than thoughtinitially. In this scenario, the climatic instability is reached during the latest Ordovician andaccounts for the onset of the Hirnantian glacial maximum (445–444 Ma). Experiments conductedwith a non-vascular vegetation model reveal that the origination and expansion of theirst land plants signiicantly intensiied continental weathering during the Ordovician andpotentially drove the drop in atmospheric CO2. Finally, the interactions between climate andthe marine biosphere were investigated based on 2 complementary axes. (i) News constraintson the paleobiogeography of marine living communities were brought through the publicationof maps showing the ocean surface circulation modeled at various pCO2 levels during theEarly, Middle and Late Ordovician. (ii) The relationships between climatic variations andthe redox state of the ocean were studied using a recent ocean model with biogeochemical capabilities(MITgcm). The simulations suggest partial and global oceanic anoxic events duringthe Katian and the early Silurian respectively. They also show that anoxia is probably notresponsible for the latest Ordovician mass extinction event.

Une carotte de tourbe de 182 cm prélevée d'un complexe tourbeux dans la région de Salluit, Nunavik, a été étudiée par l'entremise d'analyses macrofossile et pollinique dans le but de retracer les fluctuations climatiques survenues durant l'Holocène récent. L'accumulation de la tourbe s'est amorcée vers 2340 ans cal. BP. Quatre périodes climatiques distinctes sont survenues durant l'Holocène supérieur dans la région de Salluit. Entre 1910 et 1100 ans cal. BP, les conditions climatiques étaient clémentes (relativement un peu plus chaudes et humides qu'actuellement) favorisant l'établissement de plusieurs espèces de Sphagnum de tourbières minérotrophes pauvres à ombrotrophes. À partir de 1100 ans cal. BP, le climat est devenu plus froid et sec induisant la disparition de Sphagnum. Un retour à des conditions clémentes s'est produit vers 870 ans cal. BP et a duré jusqu'à 670 ans cal. BP. Par la suite, le climat est redevenu froid et sec favorisant l'activité éolienne.

Afin de documenter des changements paléoenvironnementaux survenus dans la région de Whapmagoostui-Kuujjuarapik, des analyses paléoécologiques et sédimentologiques ont été effectuées sur des carottes sédimentaires et sur des coupes stratigraphiques d'un système de trois lacs interreliés. Les analyses sporopolliniques ont révélé que la densification maximale du couvert forestier a eu lieu entre 4200 et 2100 ans étal. AA. Une reconstitution paléoclimatique basée sur une fonction de transfert pollen-climat suggère que les températures de juillet ont augmenté durant cette période. Les températures de juillet tendent vers un réchauffement à l'Holocène supérieur, alors que celles de janvier montrent la tendance inverse. Des hausses des niveaux lacustres ont eu lieu vers 5915, 2760 et 2025 ans étal. AA, tandis que des baisses se sont produites peu avant 2025, vers 1360 et 580 ans étal. AA. De fortes tempêtes auraient permis l'édification d'une levée littorale peu avant 240 ans étal. AA.

Par leur effet radiatif, les poussières atmosphériques et les nuages de glace d'eau jouent un rôle essentiel dans le climat de la planète Mars. Un module améliorant le calcul de l'extinction par les aérosols est implémenté dans le Modèle de Climat Global (GCM) martien du LMD, et permet de prendre en compte au cours de la simulation les variations 3D des propriétés radiatives des particules en fonction de leur évolution en taille. Le modèle est d'abord utilisé pour revisiter l'impact radiatif de la poussière atmosphérique. De nouvelles propriétés des poussières sont utilisées et couplées à un schéma de transport guidé par les opacités observées. Pour la première fois, les températures simulées sont en accord avec les observations sans que l'on ait besoin d'ajuster artificiellement l'opacité des poussières. Ce cycle des poussières est ensuite couplé au cycle de l'eau, et l'effet radiatif des nuages est ajouté. Pour mieux contraindre ces travaux, l'évolution diurne des nuages est d'abord cartographiée grâce au spectromètre imageur OMEGA, puis la taille des cristaux et l'opacité des nuages sont mesurées. Le cycle de l'eau du GCM est ensuite ajusté à ces observations, et l'effet radiatif des nuages est analysé. Un assèchement global du cycle de l'eau est observé, tandis que les derniers biais de température significatifs disparaissent. Le grand rôle joué par les poussières lors des changements climatiques récents est enfin mis en évidence dans un scénario expliquant l'origine des glaciations des moyennes latitudes Nord. La répartition longitudinale des dépôts est expliquée, et la sensibilité de la glaciation aux paramètres orbitaux et à l'inertie thermique de la glace est étudiée.

La valeur paléoclimatique des altérites fossilisées par des coulées de lave est approchée par le biais d'analyses minéralogiques, géochimiques et micromorphologiques. Le thermométamorphisme syneffusif et l'évolution posteffusive ont des effets facilement isolables et ne dénaturent pas les profils fossilisés. La comparaison des différents profils permet de distinguer trois générations d'altérites dont l'âge est déterminé par l'âge des coulées fossilisantes. Les profils miocènes sont caractérisés par une altération de type fersiallitique à ferrugineux. Les profils plio-pléistocènes sont de type bisiallitiques (s. l.), et le Pléistocène supérieur ne livre que des arènes ménagées sans transformations notables. La présence, sur un même plan topographique, d'altérites diversement évoluées évoque une évolution ralentie du Massif Central du Miocène à nos jours.