The climate and vegetation history of the Middle Pleistocene transition in the interior of British Columbia (BC) is poorly understood due largely to the lack of records. Sediments from the overburden of the Teck Highland Valley Copper mine (HVC) of British Columbia straddle the Brunhes-Matuyama paleomagnetic transition, providing a opportunity to study this critical Pleistocene interval. The stratigraphy was described and sampled for paleomagnetic and pollen/spore analysis at reconnaissance scale. The HVC sediments consist mainly of (from bottom to top) a lower glacial drift, >50 m of lakebed sediments, ~50 m of gravel fan deposits, and a >60 m thick drift of mostly glacial till. These units were deposited by a valley glacier, lake, fluvial/debris flow events, and an ice sheet, respectively. Pollen and spore analyses, reveal at least 11 climate-vegetation intervals (9 zones, 2 more possible ones). These are broadly classified as either warm Pinus-Picea parkland and forest, cold Selaginella-rich steppe or arid Artemisia-Poaceae steppe. These intervals suggest a long paleo-environmental record at HVC and indicate fluctuations between glacial and interglacial climates which can tentatively be placed with Marine Isotope Stages 23 through 16 and younger. The HVC record is a unique sequence with the potential to reveal a much more detailed history of this critical time in Earth’s past. Implications of these findings are discussed. / Graduate / 2018-12-06

Quantifier les variations de température océanique du passé est nécessaire pour comprendre les mécanismes qui régissent l’évolution climatique. Les méthodes de paléo-thermométrie classiques peuvent souffrir de limitation inhérente à l’écologie des organismes et/ou à cause de l’influence d'effets physico-chimiques (salinité, acidité de l’eau de mer…). Ce travail se focalise sur la technique de paléothermométrie Δ47, qui repose sur la mesure du « clumping isotopique » dans les carbonates. Il vise d’abord à établir une calibration appliquée aux foraminifères et ensuite à mettre en œuvre cette calibration pour l’étude des variations climatiques au cours de la transition du Pléistocène moyen (MPT). Notre calibration Δ47-température des foraminifères planctoniques et benthiques, prélevés dans des sédiments modernes, couvre une gamme de température de -2 à 25°C. Les valeurs de Δ47 sur 9 espèces de foraminifères présentent une excellente corrélation avec la température de calcification des organismes, estimée à partir des mesures isotopiques de l’oxygène. Les résultats obtenus confirment l’absence d’effets liés à l’écologie des foraminifères (effets vitaux et de taille des organismes) et démontrent que la salinité n’affecte pas les mesures de Δ47. Cette étude constitue une avancée méthodologique importante pour les futures études paléocéanographiques sur les foraminifères. La MPT correspond à une transition climatique marquée par un changement de fréquence des cycles glaciaires-interglaciaires (de 41 000 à 100 000 ans). La compréhension de cette période est un enjeu scientifique majeur pour appréhender la mise en place du climat actuel. Notre calibration Δ47-température a permis de quantifier les variations de températures au cours de la MPT en mer méditerranée (Section de Montalbano Jonico, sud de l’Italie) et particulièrement des stades isotopiques marins 31 et 19, considérés comme des analogues à l’Holocène. Les résultats indiquent que (i) les températures (Δ47) obtenues sont en adéquation avec les températures obtenues par d’autres paléothermomètres, (2) les températures permettent de retracer les changements de régime océanographique et hydrologique, et (3) la mesure du Δ47 est complément prometteur pour les études multi-méthodes en paléocéanographie. / The quantification of past oceanic temperature changes is a critical requirement for understanding the mechanisms which regulate climate variations. Classical methods of paleothermometry could suffer from well-known limitations related to ecology and/or to physico-chemical biases (sea water salinity, acidity…). This work focuses on clumped-isotope carbonate thermometry (Δ47). It aims to establish a calibration of Δ47 foraminifera and use it to study past climatic variations through the Mid-Pleistocene Transition (MPT). Our Δ47 calibration in planktonic and benthic foraminifera collected from modern marine sediment covers a temperature range of -2 to 25 °C. The clumped-isotope compositions of 9 species of foraminifera show a robust correlation with the calcification temperature, estimated from the measurements of oxygen-18. These results confirm the absence of bias linked to foraminifer ecology (species-specific and foraminifer size effects) and provide evidence that salinity does not affect the Δ47 thermometer. This study constitutes significant methodological progress for future paleoceanographic applications in foraminifera.The MPT is a climatic transition characterized by a shift in the frequencies of glacial-interglacial cycles (from 41 000 to 100 000 years). Understanding the MPT is a major scientific objective, which underlies our effort to study the establishment of our present climate. Our Δ47 calibration was used to quantify temperature changes through the MPT in the Mediterranea Sea (Montalbano Jonico section, south of Italy), and in particular the marine isotopic stages 31 and 19, which may be described as Holocene analogues. We find that (1) Δ47 temperatures are in good agreement with temperatures reconstructed from other paleothermometers, (2) these results allow reconstructing changes in past oceanographic and hydrologic regime, and (3) Δ47 measurement are a promising component of multi-proxy paleoceanographic studies.

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’interaction cryosphère-climat depuis le milieu du Pliocène jusqu’au quaternaire pendant l’installation pérenne de la calotte groenlandaise. Nous étudions d’abord les causes du développement et de la disparition de l’importante mais courte glaciation qui a eu lieu pendant le stade isotopique marin M2 (MIS M23.264-¬3.312 Ma). Ensuite, dans le cadre du programme international sur la modélisation du Pliocène (PLIOMIP2), nous étudions le climat de la période chaude du Plaisancien moyen(MPWP, 3.3-3.0Ma). Enfin, la troisième période étudiée est la transition Plio-Pléistocène transition (PPT, 3.0-2.5Ma), que nous avons étudiée grâce à un couplage asynchrone entre un modèle de climat et un modèle de calotte. A travers ces différentes périodes, nous avons amélioré la connaissance des relations entrepCO2, tectonique et climat pendant la transition d’un monde chaud et riche en CO2 vers le monde bien plus froid et à faible pCO2 des glaciations quaternaires. Ce résultat montre l’importance de mieux comprendre les relations entre dynamique océanique, pCO2 et climat. / This thesis is devoted tounderstanding the interaction betweencryosphere and climate from the mid Plioceneto the early Quaternary during the onset ofNorthern Hemisphere Glaciation (NHG).Firstly, we investigate the causes for thedevelopment and decay of the large but shortliving glaciation that occurred during MarineIsotope Stage 2 (M2, 3.264-¬3.312 Ma);Secondly, in the framework of the internationalPliocene Model Intercomparison Project(PLIOMIP2), we study the climate of Mid-Piacenzian Warm Period (MPWP, 3.3-3.0Ma).Thirdly, we explore the Plio-PleistoceneTransition (PPT, 3.0-2.5Ma) with anappropriate asynchronously coupled climatecryosphere model. Through these differentperiods, we provide a better understanding ofthe relationship between pCO2, tectonics andclimat during the transition from a warm andhigh-CO2 world to the cold and low-CO2Quaternary glaciations. This work also pointsout the necessity to further study the linkbetween ocean dynamics, carbon cycle andclimate.

L’océan Indien est le lieu de processus atmosphériques et océaniques majeurs dont les répercussions en terme climatique peuvent être de grandes importances. Cette thèse se propose de documenter les forçages, les variabilités, les impacts et les interactions de la mousson Indo-asiatique et du courant des Aiguilles à l’échelle orbitale (incluant les conditions glaciaires-interglaciaires) au cours de la période Quaternaire.Si le maximum d’insolation (minimum de précession et maximum d’obliquité) initie les fortes moussons Indo-asiatiques, des forçages internes au système climatique jouent également un rôle majeur pour expliquer leur dynamique (fort vents et précipitations), en particulier le changement de volume de glace de l’hémisphère Nord et l’export de chaleur latente de l’océan Indien Sud. La prédominance de ces forçages internes est propre à la mousson Indo-asiatique et la distingue des moussons boréales Africaines. Ceci indique que le concept de mousson globale n’est pas valable à l’échelle orbitale.Concernant l’hémisphère Sud, les variations de température de surface du courant des Aiguilles exercent un contrôle important sur le climat Sud Africain (la végétation et les précipitations). Ce courant permet également le transfert plus ou moins important de chaleur et de sel vers l’océan Atlantique Sud par l’intermédiaire de la migration de la convergence subtropicale et des vents d’ouest associés. Ce mécanisme, contrôlé fortement par la dynamique des hautes latitudes Sud, affecte la circulation thermo-haline globale et constitue un acteur important des transitions glaciaires-interglaciaires et des changements de mode de variabilité climatique au cours du Quaternaire (Transition Mid-Pleistocène et évènement du Mid-Brunhes). Les changements induits dans le climat de l’Hémisphère Nord, et notamment le volume de glace, pourraient ensuite se répercuter sur la dynamique de la mousson. En revanche, l’effet des moussons sur le courant des Aiguilles parait mineur. Toutefois, les interactions entre la mousson Indo-asiatique, l’ENSO et les éventuels IOD (dipôles climatiques de l’océan Indien) pourraient affecter la dynamique du courant. / The Indian Ocean is the place of major atmospheric and oceanic processes with large potential repercussions on the global climatic system. This thesis investigates forcing, variations, impacts and interactions of the Indo-Asian monsoon and of the Agulhas current at the orbital scale (including glacial-interglacial conditions) over the Quaternary period.Insolation maximum (precession minimum and obliquity maximum) initiates strong Indo-Asian monsoons, but processes internal to the climate system, in particular Northern Hemisphere (NH) ice volume changes and the latent heat export of the south Indian Ocean, play a major role to explain their dynamics (strongest winds and precipitation). The predominance of these internal forcings is a specificity of the Indo-Asian monsoon and distinguishes it from African boreal monsoons. This indicates that the concept of a global monsoon at the orbital scale is a misnomer.Concerning the Southern hemisphere, sea surface temperature variations of the Agulhas current exert an important control upon the South African climate (vegetation and precipitation). This current also participates to the transfer of heat and salt towards the South Atlantic Ocean whose intensity is mainly related to the migration of the subtropical convergence and associated westerlies winds. This mechanism, strongly controlled by high southern latitudes dynamics, affects the global overturning circulation and plays an important role for glacial-interglacial transitions and changes in modes of climate variability during the Quaternary (Mid-Pleistocene Transition and Mid-Brunhes event). Induced Northern hemisphere climate changes, in particular ice volume, could in turn influence monsoon dynamics. On the other hand, the effect of monsoons on the Agulhas current seems to be of minor importance. However, interactions between the Indo-Asian monsoon, ENSO and the possible IOD (Indian Ocean climatic Dipole) could affect the dynamic of the current.