Soutenance de thèse - Goulwen LE GUEVEL

Goulwen LE GUEVEL a soutenu sa thèse mardi 21 mai.

La soutenance a lieu à 14h00, en salle de conférence de l'UFR TEB.

Etude de la réponse isotopique des coccolithophoridés à des changements de pCO2 en culture pour des applications paléoclimatiques au Pliocène.

Le jury est composé de :
Stéphanie DUCHAMP-ALPHONSE, (GEOPS, Université Paris-Saclay), Rapporteure
Guillaume PARIS, (CRPG, CNRS), Rapporteur
Marc DE RAFELIS, (GET, Université Paul Sabatier - Toulouse 3), Examinateur
Damien CARDINAL, (LOCEAN, Sorbonne Université), Examinateur
Clara BOLTON (CEREGE, CNRS), Membre invitée
Fabrice MINOLETTI, (ISTeP, Sorbonne Université), Directeur
Michaël HERMOSO, (LOG, Université du Littoral Côte d'Opale), Directeur

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Voir l'annonce de la soutenance sur ADUM

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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.

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The study of climate and the interactions among the Earth system components involved in its operation (hydrosphere, atmosphere, lithosphere, and biosphere) represents a major challenge. Additionally, reconstructing paleoenvironments supports numerical modelling of future climate. Several biogeochemical proxies enable the reconstruction of paleo-sea surface temperatures (SSTs) and paleo-pCO2 levels (e.g., UK'37, δ18O, εp alk, and δ11B). In order to complement and refine the reconstructions based on these markers, a new pCO2 proxy has been developed and utilized in recent years: the difference between carbon isotopic ratios (Δδ13C) of coccoliths –

calcareous plates produced by coccolithophores – of different sizes. The isotopic difference between coccoliths of different sizes is governed by carbon fluxes across cell membranes and the photosynthesis versus calcification ratio. When pCO2 decreases and pH increases, indicating reduced ambient carbon availability, the δ13Ccoccolith of larger cells decreases while that of smaller cells remains constant. Thus, Δδ13C is greater with lower pCO2 levels, forming the basis of the new paleo-barometer being developed. This thesis work employs a dual biogeochemical approach involving culture experiments and sediment analyses with the aim of improving the precision of the calibration between Δδ13C and pCO2 for paleoclimatic applications, particularly targeting the Pliocene epoch. To achieve this, we conducted a coccolithophore culture campaign under pCO2 from 200 to 1400 ppmv and pH from 8.3 to 7.6 (characteristic pCO2 and pH spectra of the Cenozoic). The four strains studied (RCC1256 Emiliania huxleyi, RCC1314 Gephyrocapsa oceanica, RCC1323 Helicosphaera carteri, and RCC1200 Coccolithus braarudii) produced coccoliths of various sizes and belong to diverse taxa representative of those whose coccoliths are found in Cenozoic carbonate archives. These culture studies enabled us to propose new transfer equations between Δδ13C and pCO2 (δ13C of small coccoliths – Noelaerhabdaceae – remaining stable, and δ13C of large coccoliths – C. braarudii – increasing with rising pCO2 and decreasing pH). Furthermore, the combined study of δ13C of organic matter and δ13C of coccolith demonstrated that variations in C. braarudii δ13Ccoccolith, that drive Δδ13C variations, result from changes in the fractionation rate between aqueous CO2 in the environment and organic matter produced by algae between 200 and 500 ppmv. We employed our transfer equations derived from coccolithophore culture studies on Pliocene sediments (5.3 – 2.6 Ma, analogous to the SSP2-4.5 scenario of the IPCC) from the South Atlantic (site 516) and equatorial (site 999A) regions. The Δδ13C-pCO2 transfer equations enable the reconstruction of absolute pCO2 similar with those published by other studies, notably indicating a decrease in CO2 concentrations between the middle and the end of the Pliocene. Additionally, the analysis of coccolith δ18O in sediments allowed us to downwardly revise previously reconstructed SSTs for site 516 to values consistent with those proposed by climate numerical models, and to discuss Pliocene paleoceanography in the Atlantic Ocean based on data from sites 516 and 999A. The increase in SSTs between 4.8 and 3.8 Ma at site 999A marks the end of the closure of the Central American Seaway (CAS), while the decrease in pCO2 from 3.3 Ma onwards is linked to the intensification of the Northern Hemisphere glaciation.