Study of the isotopic response of coccolithophorids to changes in pCO2 in culture for Pliocene paleoclimatic applications

Étude de la réponse isotopique des coccolithophoridés à des changements de pCO2 en culture pour des applications paléoclimatiques au Pliocène L'étude du climat et des relations entre les enveloppes impliquées dans son fonctionnement (hydrosphère, atmosphère, lithosphère et biosphère) représente un enjeu majeur. La reconstitution des paléoenvironnements permet en outre d'étayer les modélisations numériques du climat futur. Plusieurs proxies biogéochimiques permettent de reconstruire des paléo-températures de surface océaniques (SSTs) et des paléo-pCO2 (UK'37, δ18O, εp alk et δ11B par exemple). Afin de compléter et préciser les reconstitutions effectuées à partir de ces marqueurs, un nouveau proxy de pCO2 est développé et est utilisé depuis quelques années : il s'agit de la différence entre les rapports isotopiques en carbone (Δδ13C) de coccolithes - des plaques calcaires produites par les coccolithophoridés - de différentes tailles. L'écart isotopique entre des coccolithes de différentes tailles est dicté par les flux de carbone à travers la membrane des cellules et par le rapport photosynthèse versus calcification. Quand la pCO2 diminue et le pH augmente, c'est-à-dire lorsque la biodisponibilité ambiante du carbone diminue, le δ13Ccoccolithe des grosses cellules diminue alors que celui des petites cellules n'est pas modifié. Ainsi, le Δδ13C est d'autant plus grand que la pCO2 est faible : cela constitue le fondement du nouveau paléo-baromètre que nous développons. Ce travail de thèse est basé sur une double approche biogéochimique en culture et sur des analyses de sédiments avec pour objectif d'améliorer la précision de la calibration entre le Δδ13C et la pCO2 en vue d'applications paléoclimatiques , en particulier au Pliocène.Pour ce faire, nous avons réalisé une campagne de cultures de coccolithophoridés sous des pCO2 comprises entre 200 et 1400 ppmv et des pH compris entre 8,3 et 7,6 (spectres de pCO2 et de pH caractéristiques du Cénozoïque). Les quatre souches étudiées (RCC1256 Emiliania huxleyi, RCC1314 Gephyrocapsa oceanica, RCC1323 Helicosphaera carteri et RCC1200 Coccolithus braarudii) présentent une diversité de tailles et appartiennent à une diversité de taxons qui sont représentatifs de ceux dont les coccolithes sont retrouvés dans les archives carbonatées du Cénozoïque. Ces travaux de culture nous ont permis de proposer de nouvelles équations de transfert entre le Δδ13C et la pCO2 (δ13C des petits coccolithes - Noelaerhabdaceae - qui reste stable et δ13C des gros coccolithes - C. braarudii - qui augmente avec l'augmentation de la pCO2 et la diminution du pH). De plus, l'étude combinée du δ13C de la matière organique et du δ13C des coccolithes a permis de montrer que les variations de δ13Ccoccolithe de C. braarudii, qui sont à l'origine des variations de Δδ13C, sont la conséquence d'un changement d'intensité du fractionnement entre le CO2 du milieu et la matière organique produite par les algues entre 200 et 500 ppmv.Nous avons utilisé les équations de transfert issues des travaux de cultures sur des sédiments du Pliocène (5,3 - 2,6 Ma, période analogue au scénario SSP2-4.5 du GIEC) provenant de l'Atlantique sud (site 516) et équatorial (site 999A). Les équations de transfert Δδ13C-pCO2 issues de nos travaux de cultures permettent de reconstruire des pCO2 de l'ordre de grandeur de celles publiées par d'autres proxies, avec notamment une diminution des concentrations en CO2 entre le milieu et la fin du Pliocène. De plus, l'étude du δ18O des coccolithes dans les sédiments nous a permis de réévaluer à la baisse les SST précédemment reconstruites pour le site 516 jusqu'à des valeurs cohérentes avec celles proposées par les modélisations numériques du climat, et de discuter de la paléocéanographie du Pliocène dans l'océan Atlantique au regard des données des sites 516 et 999A. L'augmentation des SST entre 4,8 et 3,8 Ma au site 999A marque la fin de la fermeture du CAS alors que la diminution des pCO2 à partir de 3,3 Ma est en lien avec l'intensification de la mise en glace dans l'hémisphère nord.