Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie

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1 Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie
Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par l’analyse des isotopes stables (18O et 13C) des carbonates secondaires Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie

2 entre dynamique des climats et évolution paléogéographique
Travaux d’archéologie préventive (tracé du TGV-Méditerranée) Interactions entre dynamique des climats et évolution paléogéographique en MVR Données pluridisciplinaires Présence d’enregistrements carbonatés Travaux de corrélations stratigraphique (JF. Berger) -Matériel archéologique Datations 14C Les carbonates pédologiques sont présents au cours de l’holocène : De façon assez systématique dans les fossés (structures archéologiques) De façon cyclique dans les dépôts de plaine alluviale (colluvions de crues, paléosols, chenaux …) Leur présence est synchrone sur l’ensemble des sites

3 Bollène-Pont de la Pierre (Tricastin)
Séquence alluviale : Bollène-Pont de la Pierre (Tricastin) 4 m 50 Période moderne et contemporaine Alluvions du Lauzon Absence de carbonates * Datations relative ou par extrapolation Niveau médiéval Niveau antique Datations 14C (sur charbons de bois) Age du Fer (milieu Vè/ milieu IVè siècle av. J.C.) * * CaCO3 * Age du Bronze ( av J.-C.) Présence de carbonates : Phases de stabilisation des cours d’eau * Néolithique moyen/ancien ( av. J.-C.) * Conditions climatiques plus chaudes et plus humides qu’aujourd’hui (Phénomènes évaporatoires plus importants) Niveau Holocène moyen/ancien * * Tardiglaciaire ( av. J.-C.)

4 Précisent le rôle d’archives paléoenvironnementales
paléoclimatiques et paléoenvironnementales des carbonates Depuis 1984 (Cerling) Approches pétrographiques et géochimiques Utilisation des carbonates pédologiques méditerranéens à des fins de reconstitutions paléoclimatiques ? Domaine méditerranéen 1/ Compréhension des fluctuations des teneurs isotopiques en contexte méditerranéen 2/ Traduction de ces fluctuations Caractérisation des climats et des environnements postglaciaires rhodaniens - Analyses des variations latitudinales de la limite nord des systèmes méditerranéens Identification des mécanismes à l’origine de l’évolution du signal isotopique

5 Caractérisation des climats et des environnements postglaciaires
Objectifs : 1/ Caractérisation de la zone d’étude Compréhension des phénomènes responsables de la présence des carbonates pédologiques dans les sols alluviaux 2/ Approche morphologique et sédimentologique Caractérisation des différents types de carbonates prélevés Etude des liens pouvant exister entre eux 3/ Approche isotopique Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates Compréhension du signal : création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

6 1/ Caractérisation de la zone d’étude
Compréhension des phénomènes responsables de la présence des redistributions Présentation de la moyenne vallée du Rhône Situation géographique des micro-régions concernées Localisation des sites Les facteurs climatiques    Extension spatiale de la zone d’étude pour la recherche de carbonates actuels Observations de terrain Conclusions : conditions favorables à la précipitation de la calcite dans les sols alluviaux  

7 Micro-régions concernées :
1/ Caractérisation de la zone d’étude : Situation géographique Micro-régions concernées : Sur le Transect du TGV-Méditerranée : 1 – Bassin valdainais 210 km 2 - Plaine alluviale du Tricastin 2 1 Limite nord actuelle du climat méditerranéen 3 3 - Plaine d’Orange Informations des carbonates rendent compte de la spatialisation des phénomènes étudiés: Mise en évidence de tendances régionales - signatures plus locales Hors Transect du TGV-Méditerranée : 4 4 – Basse vallée du Vidourle - Résolution fine et continue Signal isotopique caractéristique des régions côtières

8 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (la MVR)
Valdaine : 3 Séquences 274 mg/L 315 mg/L 320 mg/L 288 mg/L 305 mg/L 281 mg/L [HCO3-] Tricastin : 9 Séquences Plaine d’orange 2 Séquences

9 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (le Vidourle)
705 mg/L 640 mg/L Vidourle Aimargues Lunel Montpellier Marsillargues Aigues-Mortes Séquences Vidourle

10 1/ Caractérisation de la zone d’étude :
Facteurs climatiques Flux de nord-ouest (Atlantique nord) Valence Massif Central Montélimar T moy = 13°C P annuelles = 913 mm Orange T moy = 13,8°C P annuelles = 695 mm Flux d’ouest (Mélange) Aigues-Vives T moy = 14°C P annuelles = 652 mm Montpellier Delta du Rhône Malgré une saison sèche marquée : bas étiage des principales rivières seuil de sécheresse biologique franchi Flux de sud (Méditerranée) Pas de carbonatations actuelles

11 Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm
1/ Caractérisation de la zone d’étude : extension de la zone d’étude 180 mg/L 188 mg/L 189 mg/L 269 mg/L 290 mg/L 244 mg/l Béziers 50 km N FRANCE Tmoy = 15.1 °C P = 693 mm Tmoy = 16.2 °C P = 530 mm Tmoy = 14.3 °C P = 817 mm Tmoy = 14.8 °C P = 688 mm Tmoy = 15.3 °C P = 609 mm Tmoy =14.7° P = 573 mm Les carbonates secondaires sont présents : Lorsque les températures sont supérieures à 14°C Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm Agly Perpignan ESPAGNE Dosquers CATALOGNE Ter Gerona Implication d’un paramètre Supplémentaire : Barcelone Ebre El Catlar Montroig Présence de carbonates Benifallet [HCO3-] > 290 mg/L Absence de carbonates La Senia

12 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Bilans hydriques
4 4 3 3 2 2 1 Précipitations ETP ETR 1 - Surplus alimentant l'écoulement Excédent climatique (ETP < P) 2 - Reconstitution de la RU 3 - Evaporation (au détriment de la réserve) Déficit climatique (ETP > P) 4 - Déficit hydrique

13 Paramètres climatiques : rôle important
1/ Caractérisation de la zone d’étude : conclusions T moy supérieures à 14°C P annuelles < 700 mm Paramètres climatiques : rôle important dans la précipitation des carbonates pédologiques Bilans hydriques : déficit climatique précoce (dès le début du printemps) déficit hydrique assez important (> 100 mm) Supérieures à 290 mg/l (nécessité d’un bassin versant dominé par les roches calcaires) Teneurs en bicarbonates

14 Caractérisation des environnements et des climats postglaciaires
Objectifs :  1/ Caractérisation de la zone d’étude Conséquences sur les phénomènes de dissolution-précipitation de la calcite dans les sols 2/ Approche morphologique et sédimentologique Caractérisation des différents types de carbonates Prélevés Etude des liens pouvant exister entre eux 3/ Approche isotopique: Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

15 Approche morphologique et sédimentologique
Structure et géométrie des carbonates Objectifs : - caractérisation des différentes formes prélevées - détermination des liens éventuels existant entre ces différentes formes de redistributions carbonatées   Comparaison des carbonates fossiles et actuels Observations à la loupe binoculaire Caractérisation minéralogique par diffractométrie (Rayonx X)   Etude du matériel fossile Observations au MEB (informations sur la structure des carbonates et la composition du matériel) 

16 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons
Matériel fossile (Espeluche-Lalo) Matériel actuel Dosquers 0,5 cm Manchons 1 cm Rhizolithes 0,5 cm 1 cm Agglomérats 0,5 cm 0,5 cm 0,5 cm Nodules 0,5 cm 0,5 cm

17 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons
Caractérisation minéralogique : Spectres rayons X Matériel fossile : Espeluche-lalo (Valdaine) Matériel actuel: Dosquers (Espagne) Spectres comparables Deux composants essentiels : - la calcite (CaCO3) - le quartz (SiO2)

18 2/ Approche morphologique et sédimentologique : constat
Premier constat Il semble possible d’établir un premier lien entre carbonates actuels et fossiles : - les différentes formes de carbonatation observées dans les sols modernes et anciens sont comparables (taille, aspect, population) - La Calcite et de Quartz en sont les constituants principaux Les différents traits carbonatés actuels sont tous observé dans un même sondage (cohabitation) Ils sont présents entre 20 et 30 cm de profondeur (sur racines de chênes verts, houx, lierre, graminées de sous-bois) Existe-t-il d’autres points communs entre les différentes formes carbonatées ?

19 MEB : Observation de la partie interne du matériel (rétrodiffusion)
2/ Approche morphologique et sédimentologique : étude du matériel fossile MEB : Observation de la partie interne du matériel (rétrodiffusion) (Montdragon-la Prade/Tricastin) Rhizolithe Agglomérats Nodule Titane Calcite Quartz Albite Silice Matrice constituée de calcite (traces de Si, Al, Fe, Mg) Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al) Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al, Mg, Ti) Eléments constitutifs de la matrice → matériel jeune Présence d’Albite → transport faible ou sur de courtes distances Présence de grains détritiques dans matrice → précipitation « in situ » (Ségal & Stoops, 1972; Verrecchia, 1989)

20 MEB : Observations de la partie externe du matériel
2/ Approche morphologique et sédimentologique : étude du matériel fossile Rhizolithes 280 µm 370 µm MEB : Observations de la partie externe du matériel 250 µm 100 µm 14 µm Agglomérats Partie externe Nodules 100 µm Empreintes de cellules (moulage racine) - Matrice micritique, grains détritiques - Présence de filament de calcite

21 Spectres actuels et fossiles comparables
2/ Approche morphologique et sédimentologique : Conclusions Caractérisation minéralogique Spectres actuels et fossiles comparables Présence majoritaire de calcite Mise en évidence du rôle de la rhizosphère Traces d’empreintes de racines Précipitation « in situ » → Présence de grains détritiques Observations au MEB Similitudes stucturales entre les différents formes de carbonatation Modes et conditions de formation étroitement liés Cohabitation

22 Dans les plaines alluviales :
Synthèse des parties 1/ et 2/ Dans les plaines alluviales : 1 - Les carbonates pédologiques précipitent au contact de la rhizosphère … 2 - Sous des conditions plus chaudes et plus sèches que le climat actuel de la moyenne vallée du Rhône 3 – Des liens étroits lient les différents traits de carbonatation MODE DE FORMATION EN 2 ETAPES  Formation des dépôts sur racine et des rhizolithes Après dissolution, migration et stockage de la calcite au niveau de la rhizosphère (par pompage radiculaire au printemps lorsque l’ETP augmente)  Formation des agglomérats et des nodules Lorsque la charge dissoute est abandonnée : en période de sécheresse hydrique lorsque la diminution de l’ETP et la déshydratation de l’atmosphère du sol favorisent l’évaporation de la solution Conséquences sur le signal isotopique des carbonate ?

23 Caractérisation des environnements et des climats postglaciaires
Objectifs :  1/ Caractérisation de la zone d’étude Conséquences sur les phénomènes de dissolution-précipitation de la calcite dans les sols  2/ Approche morphologique et sédimentologique Caractérisation des différents types de carbonates Prélevés Etude des liens pouvant exister entre eux 3/ Approche isotopique: Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

24 Interprétation du signal isotopique des carbonates pédologiques
3/ Approche Isotopique Interprétation du signal isotopique des carbonates pédologiques Objectifs : - Comprendre les variations du contenu isotopique (18O et 13C) des carbonates pédologiques en termes de paramètres climatiques et environnementaux dans le contexte de la zone d’étude - Traduire ces variations   Traçage isotopique du carbone -13 et de l’oxygène -18 (référentiel actuel)  Les données de terrain (gaz du sol, pluies locales) Conséquences des teneurs actuelles en terme d’interprétation   Evolution du signal isotopique (18O et 13C) des redistributions carbonatées fossiles Variabilité du signal à l’échelle de la zone d’étude Variabilité du signal pour la période holocène  

25 (paysages semi-ouverts)
3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Les données de terrain Signal du CO2 du sol (profondeur = 30 cm) (prélèvement sous buis) Chênaie/Buxaie Végétation basse de reconquête (prélèvement sous pin) Chênaie/Pinède (prélèvement sous chêne) Ripisylve (peupliers/frênes) (prélèvement sous frêne) Pelouse à graminées Chênaie pubescente (peupliers/frênes) Ripisylve (chênes verts/pins) (prélèvement sous pin) MVR Bas Languedoc/Espagne Signal enrichi (paysages ouverts) Signal appauvri (paysages fermés) Signal intermédiaire (paysages semi-ouverts)

26 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13
sol colluvial Végétation reconquête Les données de terrain Signal du 13C des carbonates actuels Calcaire colluvial Chênaie Sols alluviaux Ripisylve Sol colluvial Pinède Petits rhizolithes Nodules Manchons Dépôts sur racines Petits nodules ronds Les teneurs en 13C du matériel carbonaté actuel : - sont indépendantes du matériel ou du sol - semblent dépendantes de l’environnement végétal 

27 l’équilibre isotopique
3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Existe-t-il un lien entre d13CCO2 et d13Ccarbonates ? (milieu végétal fermé) -21,4 ‰ CO2 du sol : e entre phase gazeuse et phase solide :de 10,28 ‰ (Deines et al. en 1974) à 10,7 ‰ (Bottinga,1968) e e de l’ordre de 10,9 ‰ -11,1 ‰ à -10,7 ‰ CaCO3 : -10,5 ‰ Valeurs attendues Précipitation à l’équilibre isotopique Valeurs obtenues Les carbonates actuels semblent précipiter à l’équilibre isotopique avec le CO2 du sol

28 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13
Conclusions : Le CO2 du sol Produit une information sur la nature de l’environnement végétal stationnel (ouverture / fermeture) Toutefois - Deux essences issues d’un même milieu de transition peuvent produire des signaux isotopiques différents ! Prudence lors de l’interprétation des teneurs en 13C des carbonates Les carbonates pédologiques semblent précipiter à l’équilibre isotopiques avec le CO2 du sol (une information sur l’ouverture du milieu végétal) : - des teneurs enrichies reflètent un milieu végétal ouvert - des teneurs appauvries reflètent un milieu végétal fermé

29 Carbonates pédologiques issus de sols et paléosols alluviaux
3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Carbonates pédologiques issus de sols et paléosols alluviaux (Cerling et al., 1988 ; Pendall & Amundson, 1990 ; Marion et al., 1991 ; Wang et al., 1996 ; Baker et al., 2000 ; Srivastava, 2001…) Variations signal des carbonates Précipitation horizons superficiels (prof. < 30 cm) Précipitation profondeurs > 30 cm Moyenne (Signal pluie + signal nappe) (Quade et al., 1989a) Variations du signal pluie (Hseich et al., 1998) Observations de terrain : les carbonates se forment à des profondeurs Inférieurs à 30 cm (mais toutefois relativement proches de ce seuil) Signal des pluies locales (mais prudence !)

30 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18
Distribution des d18O des pluies moyennes annuelles pour la zone d’étude Origine Atlantique nord d18O = - 8,48 ‰ P = 592 mm d18O = -4,82 ‰ P = mm d18O = -4 ‰ P = 688 mm d18O = -5,14 ‰ P = 599 mm d18O = -4,05 ‰ P = 660 mm d18O = -5,4 ‰ P = 824 mm d18O = -7,5 ‰ LYON Origine mixte d18O = - 7,01 ‰ AVIGNON MONTPELLIER Gros épisodes pluvieux méditerranéens GERONE BARCELONE TORTOSA Origine méditerranéenne d18O = - 4,62 ‰ Celle, 2000 Stations côtières: recharge vapeur atmosphérique marine permanente (pluies enrichies) Stations continentales: vapeurs atmosphériques d’origine atlantique Signal pluie : origine des masses d’air

31 ? 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18
Nos carbonates enregistrent-il le signal des pluies locales (via la solution du sol)? Précipitation à l’équilibre isotopique avec l’eau du sol ? d18OCaCO3 - d18Oeau du sol = e Données de terrain (Catalogne) Et données I.A.E.A. : d18OCaCO3 - d18Opluie = +0,5 ‰ (e moyen) Estimation de l’enrichissement d18OCaCO3 et d18Oeau du sol = -0,5 ‰ Région méditerranéenne : Enrichissement de +1‰ entre signal pluie et solution du sol Température de précipitation de l’ordre de 19°C (=moyenne bimensuelle mai/juin pour la région de Barcelone) Précipitation des carbonates à l’équilibre isotopique avec la solution du sol (enregistrement du signal pluie !)

32 préalablement établis
3/ Approche isotopique : Conclusions traçage isotopique des carbonates Grande cohérence avec les schémas préalablement établis Carbonates pédologiques méditerranéens actuels Précipitation à l’équilibre isotopique avec : → le CO2 du sol (signal de la végétation stationnelle) Teneurs enrichies : milieu végétal ouvert Teneurs appauvries : milieu végétal fermé Précipitation à l’équilibre isotopique avec : la solution du sol (signal des pluies locales) Teneurs enrichies : influences méditerranéennes Teneurs appauvries : influences atlantiques Hypothèse : modes de formations comparables entre carbonates fossiles et actuels : Utilisations des précédents résultats pour reconstitutions paléoclimatiques et paléoenvironnementales en contexte méditerranéen

33 3/ Approche isotopique : Evolution du signal
Distribution des teneurs isotopiques moyennes (18O et 13C) pour les formes de carbonatations fossiles les plus fréquentes (458 analyses) (phénomènes évaporatoires) Résultat confirmés par les mesures effectuées sur les carbonates actuels : le signal des nodules est systématiquement enrichi d’environ 0,25 ‰ Nécessité d’effectuer une correction sur les nodules (de -0,25 ‰)

34 SYNTHESE Evolution du signal isotopique des carbonates pédologiques (Tricastin et Plaine d’Orange) Petit Age Glaciaire Période chaude du Haut Moyen Age Période chaude du début de l’Empire romain Crise climatique du Bronze ancien Crise climatique du néolithique récent/final Flux de sud majoritaires (plus chaud) Fermeture des paysages Période plus fraîches et fermeture du milieu végétal (Holocène ancien) d18O d13C Phase de réchauffement postglaciaire (apparition des carbonates dans les sols)

35 v Gradient latitudinal
3/ Approche Isotopique : Evolution du signal (SYNTHESE) 2000 AD 1000 AD 1000 2000 3000 4000 11000 12000 13000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 Age (14C années cal. BC) Age (14C années cal. BC) -3 Influences méditerranéennes plus marquées (plus chaud) Gradient latitudinal Enrichissement avec la proximité de la côte -4 Existence de conditions climatiques comparables au climat actuel (Tricastin, plaine d’Orange) et pour la première fois en Valdaine ! d18O (‰ vs PDB) Mise en place du climat méditerranéen dans le Tricastin et la plaine d’Orange -5 -6 -7 Influences Atlantiques plus marquées (plus froid) Vidourle Tricastin/Orange Valdaine Gradient isotopique : 1 ‰ par degré de latitude Constantin Pancrace Espeluche-Lalo Pont de la Pierre Bol. Bartras Les Malalones Mond. le Duc Brassières (nord) Brassières (sud) Mond. Les Ribauds Julièras La motte le Chêne Plaine d'orange Aimargues Marsillargues v Effet de continentalité Signal pluie

36 Indications produites par les carbonates
conformes aux schémas établis par les paléoenvironnementalistes pour la MVR Gradient isotopique latitudinal Echantillons du Vidourle enrichis : effet de continentalité moins marqué et vapeurs athmosphriques méditerranéennes Mais tendances comparables à celles de la MVR : impact régional Echantillons valdainais appauvris : - conditions climatiques plus fraîches (limite climatique moyenne du climat méditerranéen centrée sur une zone comprise entre Avignon et le Tricastin) - vers 1300 av. J.-C. (Bronze final I), la Valdaine est pour la première fois sous influences méditerranéennes

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38 Conclusions générales
Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires Conclusions générales 1/ Caractérisation du climat actuel Equilibres complexes entre paramètres climatiques et teneur en HCO3- des nappes Détermination des paramètres favorables à la formation des carbonates 2/ Approche morphologique et sédimentologique Mise en évidence de liens étroits entre les différents traits carbonatés 3/ Approche isotopique Liens possibles entre fluctuations du 14C et 18O des carbonates Précisions sur les fluctuations de position du front méditerranéen au cours de l’Holocène Compréhension du signal du 13C et du 18O Schéma d’évolution global Carbonates pédologiques Traceur fiable

39 Interprétation affinée sensibilité des carbonates
Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires Conclusions générales Apports méthodologiques : Caractérisation du signal des carbonates pédologiques en contexte méditerranéen Intérêt de l’emploi des carbonates pour l’approche environnementale des milieux holocènes Apports des carbonates Oxygène -18 : indicateur de l’origine des pluies locales Carbone -13 : précisions sur végétation stationnelle Perspectives : Compléter les données actuelles pour affiner notre référentiel (signal en 13C des carbonates) Comparaisons avec données lacustres (bilans hydriques) Interprétation affinée sensibilité des carbonates