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1 Introduction : photo dun test de foraminifère actuel ( x 50 environ )

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1 1 Introduction : photo dun test de foraminifère actuel ( x 50 environ )

2 2 Plan

3 3 A. loutil foraminifères : écologie, intérêt climatologique

4 4 I Les Foraminifères : De foramen : "petit trou« et ferre : " porter " Classification : règne= Protistes sous règne=Protozoaires embranchement=Rhizoflagellés –classe=Rhizopodes ordre=Foraminifères

5 5 ils sont strictement marins, appartenant au zooplancton 6000 espèces actuelles benthiques+ planctoniques, 3000 espèces planctoniques fossiles) formes spinoses :. –le test porte des épines –carnivores et associés à des algues symbiontes au niveau de la couronne dépines. ex : O.universa formes non spinoses : –le test ne porte pas dépines –herbivores et ne portent pas de symbiontes ( puisque pas dépines )

6 6 cycle de reproduction bimodal = asexué et sexué –formes macrosphériques gamontes ( reproduction sexuée rare);( proloculum de grande taille) – formes microsphériques schizontes ( reproduction asexuée )( petit proloculum )

7 7 test intraectoplasmique minéralisé calcite/aragonite doublé par une basale chitineuse. Succession de loges. Proloculum = loge initiale. Enroulement spiralé et test perforé.

8 8 formes enroulées :. planispiralées évolutes ou involutes Formes trochospiralées ( enroulement hélicoïdal). Dans ce cas la face dorsale est évolute et la face ventrale involute erreur de classification (Ammonoïdés par Alcyde dOrbigny)

9 9 sens denroulement au sein dun même morphotype Il sobserve commodément sur la face ventrale où il y a louverture, en partant de la loge la plus petite vers la plus grande –dextre (photographie de N.Neogloboquadrina) –senestre Ce sens denroulement est caractéristique denvironnements différents (au point de vue T°C). (ex : N.pachyderma - senestre dans les eaux polaires, dextre dans les eaux tropicales) Mais, selon les espèces, le sens senestre ou dextre peut indiquer aussi bien le chaud et le froid complexité

10 10 la taille : elle varie entre 50µ et 1mm pour les planctoniques (on observe les plus gros là où les températures de surface sont élevées). taille 150µ utilisation de tamis de maille Ø 150µ et étude des refus de tamis.

11 11 flux colonne deau sédiment il est estimé par des pièges à sédiments.Kawahata et al,2002, " pacific warm pool" = flux de lordre de 100 à 200 tests/m2 /j (cela donne une idée du dépôt)

12 12 distribution des bioprovinces à Foraminifères planctoniques en Atlantique Nord (daprès Bé et Tolderlund 1971) carte présentée avec régions et latitudes (après tamisage refus > 150µm ) : la distribution est calquée sur les bioprovinces climatiques. polaire subpolaire subtropical tropical subtropical tempéré subpolaire polaire bien zoné horizontalement dans lAtlantique Sud zonation méridienne mais déviation vers le Nord par le Gulf Stream dans lAtlantique Nord

13 13 exemple de locéan Atlantique Tableau présentant les espèces de foraminifères en fonction des zones arctique, subarctique et subtropicale.

14 14 Néopachyderma senestre en.micro photo.

15 15 Gl.bulloïdes en microphoto

16 16 g.quinqueloba en microphoto

17 17 graphique :( Peters et al., 2004) distribution foraminifères en fonction de zonations de T°C

18 18 Néopachyderma senestre en micro photo.

19 19 Graphique : il y a ans, les variations dans les assemblages de Foraminifères coïncident avec les variations du δ 18 O. il y a 1,8 millions dannées (les numérotations paires, impaires à droite correspondent à une statigraphie isotopique) les variations du δ18O entre périodes chaudes et froides augmentent damplitude à partir des dernières années, ce qui coïncide aussi avec les variations de certains fossiles, et ce qui indique une tendance au réchauffement. Coïncidence aussi avec cycle à et à ans /soleil.

20 20 II Problèmes posés par les dernières découvertes : Jusqualors existence de morpho-espèces (morphotypes) > celles utilisées en micropaléontologie or analyses génétiques : une même morphologie peut regrouper plusieurs espèces

21 21 ex atlantique de Globigerinella siphonifera planispiralée, de grande taille (daprès de Vargas et al, Marine micropaleontology, )

22 22 mais il existe 5 génotypes différents de G.siphonifera (dun point de vue génétique il y a 5 espèces )

23 23 on peut voir la répartition de ces 5 génotypes le long dun transect N-S de lAtlantique ex : le type 2 est surtout entre Amérique du Sud et Afrique O

24 24 Graphique : nombre dindividus/latitude de chaque type ( I, II, III, IV). Ce graphique montre une forte quantité de type III quand il y a une forte [chlorophylle] ceci en liaison avec la zone de upwelling mauritanien. > outil à retenir mais…

25 25 La définition despèce biologique (sensu Mayr) nest pas testable en paléontologie et encore moins en micropaléontologie… Que faire ? travailler toujours sur la base dun faisceau doutils et de convergences

26 26 B. Les reconstructions qualitatives Deux exemples seront considérés :

27 27 1. La mer dAlboran (début de la Méditerranée au niveau de Gibraltar jusquà Almeria

28 28 Mer dAlboran : · lentrée des eaux atlantiques provoque 2 tourbillons anticycloniques altimétrie : existence de tourbillons en mer dAlboran (été 1997)

29 29 2 transects : de Gibraltar vers le sud de la Sicile (O–>E) de Marseille vers les Baléares (N–>S) Ils montrent les dominantes de certaines espèces en % de forams planctoniques dans sédiments de S.

30 30 Ceci est couplé avec dautres données : mesures de température, densité, salinité, sur la colonne deau.

31 31 On constate une remontée de la pycnocline (100m contre 250m en moyenne) liée à un brassage important des eaux en hiver : favorable au développement de N.pachyderma dextre (+ nutriments –> phyto –> proies pour N.pachyderma)

32 32 Comparaison avec le passé : entre –20000 et –8000 ans, dernier max. glaciaire, on a plutôt N.pachyderma dextre puis relais franc par G.inflata entre 8000 et 0 (en % relatifs) comme ce qui est observé dans lactuel. > calcul dabondances absolues, on aboutit à la même remarque. Conclusion : vers –8000 ans on situe bien ce changement de populations

33 33 Cartes des populations avant 8000 ans et après 8000 ans = conditions actuelles

34 34 Valeur seuil dans les échanges Atlantique/Méditerranée atteinte il y a 8000 ans : changement dans les flux Atlantique/Méditerranée en relation avec la remontée du niveau marin due à fonte calotte ( 50 millions de km³ deau ce qui est énorme ). Le flux était de 86% du taux actuel de pénétration du flux atlantique en Méditerranée il y a 8000 ans on était à –30m par rapport au niveau actuel et les échanges semblables à lactuel ont été établis il y a –8000 ans entre Atlantique et Méditerranée.

35 35 2;Golfe de Gascogne : Carte montrant la marge du Golfe de Gascogne

36 36 Carte situant la marge et la terrasse Meriadzek. Carotte de 2000 à 3000m de profondeur (MD 95 en 2002), à labri des sédiments turbiditiques données :

37 37 δ18O, teneur en CaCO3 en %, susceptibilité magnétique Si, abondance relative (%) en N.pachyderma senestre (espèce polaire), en grains lithiques grossiers (>150µ) dans le sédiment (grains/g) et donc liés à des icebergs. Données qui sétalent de –15000 ans à lactuel. A partir de ans changement climatique : fonte des calottes de glace de lhémisphère Nord

38 38 Carte de paléogéographie régionale pendant le dernier max glaciaire : on observe un paléofleuve et un delta énorme dans la Manche, la zone détude présente un avantage : dépôts rapides, plusieurs dizaines de cm à plusieurs m/milliers dannées ce qui permet de détecter des variations de très faible amplitude. (les Foraminifères indiquent quil faisait très froid avant ans)

39 39 Il existe un optimum de deux espèces senestres entre et 6000 ans ; puis on constate une diminution de ces 2 espèces : G.truncatulinoïdes left coiling, G.hirsuta left coiling (graphe de droite) remplacées par des formes destres de N.pachyderma (graphe de gauche). Deux dates –7000 et –9000 ans avec entre les deux un changement climatique.

40 40 C. Reconstruction quantitative : principe des fonctions de transfert

41 41 Aujourdhui les fonctions de transfert paléoenvironnementales permettent de quantifier (chiffrer) les reconstitutions paléoenvironnementales. Ces quantifications = conditions aux limites des modèles climatiques sont de véritables tests. Si un modèle climatique peut reproduire la situation actuelle et dun paléoclimat il est validé. Ces modèles sont-ils capables de reproduire les scenarii paleoclimatiques détectés dans les données ?

42 42 Besoin dune base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure paramètres : prélèvements, latitude, longitude, T°C de surface en février (SST), T°C de surface en août (SST), % des espèces

43 43 Données hydrographiques : proviennent des atlas mondiaux NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration- US department of commerce) site sur lequel tout le monde peut aller.

44 44 Carte situant les prélèvements et linformation de couvert de glace (mois/an)

45 45 Carte situant les prélèvements et SST février : -2°C >16°C (température de surface de leau)

46 46 Besoin dune base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure paramètres : idem quà la page 42 avec comptage des % de deux espèces N.pachyderma senestre : PCHS et N.pachyderma dextre :PCHD

47 47 Deux graphiques présentant les % de ces espèces en fonction de la température en août et de la latitude en °N 2 zones latitudinales = courants upwelling ?

48 48 Il existe 2 méthodes pour les fonctions de transfert : - Méthode dImbrie et Kipp ( 1971 ) : on trie de manière statistique les assemblages spécifiques actuels en facteurs ( analyse en composante principale ) déterminé par les paramètres physiques

49 49 cette méthode est appliquée maintenant uniquement dans des contextes régionaux ( upwelling, bassins fermés…)

50 50 cartographie du facteur F1

51 51 Puis équation de régression ( équation de la droite qui symbolise la répartition du nuage de points ).

52 52 enfin on applique cette équation trouvée à partir de lactuel aux foraminifères fossiles et on compare.( ex : comparaison % G.bulloïdes et de la PP reconstruite ).

53 53 on compare aussi les courbes obtenues ainsi avec dautres courbes obtenus à partir de létude dautres E.V. (ex : les Coccolithophoridés ) pour en voir la validité. ( = confrontation de données )

54 54 Méthode des analogues ( MAT, BAT…Guiot, 1990 ) : °1 ère étape : les abondances relatives de chaque taxon sont exprimées en °2 ème étape : comparaison directe entre les échantillons fossiles : lenregistrement fossile est testé pour la recherche des analogues actuels modernes dans la base de données actuelles ( repose sur plus de 700 points ) =calcul des distances ou index ( coeff.) de similarité °dernière étape : calcul. On considère x analogues. Les T°C sont calculées en moyennant celles qui caractérisent les analogues actuels les + proches ( + faible coeff. de dissimilarité ). Cela revient à faire une interpolation. Les données hydrographiques PALEO sont calculées sur la base dune moyenne pondérée ( inversement à la distance ) des données modernes respectivement associées à chaque analogue moderne obtenu.

55 55 +voir dossier La Recherche n°17 nov.déc.2004 janv.2005 article de Labeyrie et Jouzel : évènements dits de Heinrich : anticorrélation entre max.de grains véhiculés par les icebergs et le min des T° de surface océanique à et –45000BP pour événements HTL1 et HTL5. Cela correspond à un débâcle massive dicebergs et effondrement des calottes. ( la peur actuelle cest quavec le réchauffement climatique, il y ait fonte de 10m -pour les pires hypothèses de +5°C-à 80m pour un réchauffement de +20C ). LAntarctique peut libérer des quantités considérables dicebergs dans lhémisphère Nord jusquà la péninsule ibérique ( latitude de Gibraltar ).Actuellement les processus de fonte sont en place. La glace saisonnière régresse. Lincertitude cest la pompe C. Comment va réagir le système Terre ? Une forêt à léquilibre nest ni puits ni source, ainsi la forêt amazonienne nest pas le principal paramètre, le principal cest le rôle des microorganismes.

56 56 + voir dossier La Recherche n°17 nov.déc.2004 janv.2005 article de Labeyrie et Jouzel : évènements dits de Heinrich : anticorrélation entre max.de grains véhiculés par les icebergs et le min des T° de surface océanique à et –45000BP pour événements HTL1 et HTL5. Cela débâcle massive dicebergs et effondrement des calottes. ( la peur actuelle cest quavec le réchauffement climatique, il y ait fonte de 80m -pour les pires hypothèses de +5°C-à 10m pour un réchauffement de +20C ). LAntarctique peut libérer des quantités considérables dicebergs dans lhémisphère Nord jusquà la péninsule ibérique ( latitude de Gibraltar ).Actuellement les processus de fonte sont en place. La glace saisonnière régresse. Lincertitude cest la pompe C. Comment va réagir le système Terre ? Une forêt à léquilibre nest ni puits ni source, ainsi la forêt amazonienne nest pas le principal paramètre, le principal cest le rôle des microorganismes.

57 57 loutil roi cest le δ 18 O sur foraminifères planctoniques et benthiques surtout 2 courbes ( étude de 1978 et 1980 ) sur les dernières années le graphique montre : - la comparaison entre δ 18 O et cycles astronomiques fortes corrélations. Somme= excentricité- précession et obbliquité SETP - Un retard léger de la réponse océanique/phènomène astronomique. - Locéan répond de façon + aux facteurs astronomiques ( couplage dynamique océanique et atmosphérique, ce qui nétait pas une idée évidente en 1980 ).

58 58 Principe du δ 18 O : il existe 2 isotopes stables de loxygène O18 ( lourd ) et O16 ( léger ) partie intégrante du cycle de leau et donc de la vie. Le rapport 18 O/ 16 O dépend de lair lors de la condensation de la neige : la tension de vapeur de H2 16 O est 1% plus forte que celle de H2 18 O : il y a donc une distillation fractionnée dans les nuages au fur et à mesure du refroidissement de lair, lors du transport atmosphérique depuis les zones tropicales.

59 59 2 ème schéma : en périodes interglaciaires, libération des glaces à locéan: δ 18 O inchangé en périodes glaciaires, 16 O retiré de la masse océanique: δ 18 O augmente

60 60 Le δ18O mesuré par spectrométrie de masse matérialise la teneur en isotopes lourds contenus dans les carbonates fossiles : δ 18 O = [({ 18 O/ 16 O}échantillon/{ 18 O/ 16 O} standard PDB )-1] х1000 *quand les mesures concernent les organismes planctoniques, elles donnent accès aux changements de volume des glaces et des T°C ayant affecté les couches superficielles de locéan, avec des épiphénomènes visibles, par ex. arrivée deau douce,quand événement dHeinrich fonte des glaces. *quand elles concernent les organismes benthiques, cest un signal plus global de changements du volume des glaces et donc du niveau marin ( lenrichissement des océans en O18 lors de la construction des calottes est directement proportionnel au volume de glace stocké )qui est obtenu. Point faible du raisonnement : un effet vital a été évoqué, à savoir la variation du fractionnement isotopique, fonction de lespèce analysée et de la taille des individus.

61 61 Illustration de limportance de lutilisation dassemblages monospécifiques. exemple : δ 18 O sur une espèce N.Pachyderma : allègement du δ 18 O ( arrivée deau doucefonte des isotopes vers –45000ans.)

62 62 exemple : couplage entre - ce quon a trouvé à partir de létude des Foraminifères et les océans - ce quon a trouvé à partir de létude des carottes glaciaires ( évènements qui apparaissent tous les 5000 ou ans limités aux périodes glaciaires + une oscillation de + haute fréquence qui survient en période glaciaire ou interglaciaire )

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65 65 mesure du δ 13 C autre outil plus complexe. Augmentation consommation préférentielle du 12 Cpar le phytoplancton le δ 13 C traduit lintensité de la production primaire.

66 66 Atlantique Nord

67 67 Mer de Chine δ 13 C faible quand δ 18 O fort : quand δ 13 C diminuefaible ventilation des eaux profondescirculation océanique stoppée et cela est corrélé avec les variations dHeinrich et les variations du δ 18 O( paramètres orbitaux et forçage mousson en corrélation). +voir dossier La Recherche n° 17 nov.déc.2004janv.225 article de Edouard Bard

68 68 rapport Mg/Ca nouvel outil qui date de 4 ans ( spectrométrie de masse) : rapport métaux traces dans les carbonates Mesuré chez Foraminifères ( une courbe par Foraminifèrecorrélation) Quand corrélation avec la T°C on a des relations directes.

69 69 comparaison δ 18 O avec Mg/Ca, calcite, eau. Les 3 graphiques sont corrélés Daprès Lea et al., 2002

70 70 néodyme : autre nouvel outil qui sapplique sur les Foraminifères Neodium isotope record ( £Nd )

71 71 E. Exemple dapplication : le dernier maximum glaciaire ou lhistoire dun mauvaise interprétation

72 72 configuration des calottes boréales lors du DMG( dernier maximum glaciaire ): comparaison de cette configuration à – ans calendaires ( ou 16-19,5000 ans 14 C ) et maintenant ( configuration actuelle )

73 73 reconstitution des épaisseurs de glace des calottes glaciaires

74 74 chronostratigraphie des glaces : interstade 2 ( glaciaire ) interstade 1 ( interglaciaire actuel ) de lHolocène. le stade 5 Eémien

75 75 climap ( 1981 ) cartographie de la T°C à cette période là ( reconstitution de T°C des eaux océaniques de surface et des calottes glaciaires ).

76 76 carte brute pour T°C de février 1981

77 77 carte brute pour T°C daoût 1981

78 78 MARGO ( ) : Multiproxy Approach for the Reconstruction of the Glacial Ocean surface

79 79 MARGO = ce que donnent les Foraminifères

80 80 au DMG, locéan en Europe du Nord était « chaud » en surfacepourquoi ?* - ce DMG est compris entre les 2 derniers évènements dHeinrich H1 et H2réinterprétation des données* *reconstitution des calottes elles étaient +basses ( +au Sud ) influence des ceintures froides excès de chaleur des zones chaudes comprimées remontée de ce chaud vers les zones tempérées.

81 81

82 82 F. Calcification des tests carbonatés : piège ou source de CO2 ? on na pas encore la réponse

83 83 la formation de calcite biogénique est un processus complexe. Il existe 3 modes de calcification chez les Foraminifères : 1. lié à lontogénèse : addition dune loge se fait de nuit en 2h 2. chez les formes matures : calcification en continu mais variant avec le cycle diurne( +intense le jour) 3. calcification lors de la gamétogenèse : +3 à 31% du poids initial avant la libération des gamètes. + rôle des symbiontes : leur photosynthèse crée un environnement chimique particulier + respiration ( de lorganisme et des symbiontes ) modifie les équilibres

84 84 schéma dun Foraminifère

85 85 Pour la calcification, il existe 2 équations fondamentales : Précipitation de calcite : Ca 2+ + CO 3 2- CaCO 3 ; 1 mole de C contre 1 mole C Précipitation biogénique : Ca HCO 3 - CaCO3 +CO 2 +H 2 O ; 2 moles de C contre 2 moles de C mais largue CO 2 + équilibres/déséquilibres fonction des effets vitaux

86 86 le CO 2 de locéan, grand intérêt actuel du fait du problème des émissions anthropiques. Bilan : lHomme rejette 6 Gt de CO 2 dans latmosphère/an. La moitié est captée par lhydrosphère et la biosphère.

87 87 graphiques sur laugmentation du CO2 par laction de lH en 2004 [ CO 2 ] atmosphérique = 380 ppm ( 280 ppm en 1860 )

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90 90 or [ CO2 ] varie avec les variations de T°C atmosphérique. Mais cest l « histoire de la poule et de lœuf » ! variation [ CO2 ] et [ CH4 ] existent depuis toujours mais cette variation est exponentielle danger.

91 91 le CO 2 de locéan,la pompe de la biosphère terrestre = la pompe océanique. Mais locéan est le + grand réservoir de C : si latmosphère = 1, biosphère continentale et marine = 5, masse deau = 60, sédiments marins = NB : séd.calcaires = 20 millions de Pg de C accumulés au fil des millénaires

92 92 le CO 2 et locéan, pompe inorganique : Le CO2 atmosphérique est très facilement dissous dans locéan : il est alors quantifiable sous forme de pression partielle=Pco 2. Le CO 2 réagit avec leau, formant lacide carbonique ( H 2 CO 3 ) rapidement dissocié doù une série déquilibres… CO 2 +2H 2 O H 2 CO 3 H ++ HCO 3 - ions bicarbonates HCO 3 - H++ CO 3 2- ions carbonates

93 93 C minéral de locéan = 90% de bicarbonates ( HCO 3 - ) 5-10% de carbonates ( CO 3 -- ) 1% de gaz dissous pour une teneur voisine d e 2 mol/ m³( 125 fois plus que dans latmosphère ) lefficacité de cette pompe océanique dépend de 3 facteurs :T°C des eaux, taux de brassage de la tranche deau supérieure (vents), P CO 2 existante à la base.

94 94 La carte de lhémisphère Nord montre les puits principaux qui sont au niveau des zones de formations deaux profondes ( la circulation thermohaline joue ainsi un rôle majeur). 2 pompes : hémisphère Nord surtout et hémisphère Sud entre 40°S et 40°N/équateur plutôt des puits

95 95 Lorsque des eaux profondes à forte PCO 2 arrivent en surface, elles dégazent vers latmosphère. Ce phénomène se produit dans 2 régions surtout : - aux basses latitudes, avec la divergence équatoriale ( surtout dans le Pacifique ). - aux hautes latitudes de locéan austral : le long de la divergence antarctique.

96 96 carte des puits et sources ( daprès Takashi et al., 2002 ) En bleu les puits aux pôles En rouge les sources, niveau équateur Zones dupwelling : Pérou et Somalie, sont des zones importantes pour relargage du CO2 vers latmosphère.

97 97 le CO2 et locéan, pompe organique Plus complexe, on na pas encore compris C utilisable par les organismes sous forme ionique ( ions carbonates, bicarbonates ) 2 processus biologiques utilisent le CID ( C inorganique dissous ) la photosynthèse C organique particulaire ou dissous

98 98 docs sur production primaire et teneur en CO2 de latmosphère

99 99 1. la calcification C piégé dans les sédiments Ca 2 ++ CO 3 2- CaCO3 Ca HCO 3 - CaCO 3 + CO2+ H2O

100 100 mais la calcification acidifie le milieu et redistribue les espèces chimiques avec augmentation de la proportion de CO2 aug. PCO2 = dim.PH = dissolution… NB : P CO2 X 2 = réduit la capacité de calcification des grands groupes planctoniques calcaires Mais aussi les carbonates = sortie définitive du cycle si pas de dissolution du test des organismes calcaires ambiguité ! ! touche autant les carbonates que la matière organique. Aujourdhui les quantifications tâtonnent. + voir aussi extrait de larticle de L.Bopp, L.Legendre, P.Monfray dans dossier La Recherche n°17

101 101 schéma daprès Milliman et Droxter.1996

102 102 Ce quil faut retenir Tout dépend de léchelle considérée : à léchelle de la réaction, la biocalcification est une source de CO2 à léchelle des processus océaniques, la biocalcification est un puits de CO2 et de la période considérée : océan à léquilibre ou en déséquilibre vis à vis des carbonates

103 103 cycle CID ( carbone inorganique dissous ) Bilan : puits terrestres= 1,7± 1,4 Pc/an puits océaniques= - 1,9± 0,9 Pg/an } équivalents mais 3 ème puits thermodynamique important

104 104 Mais locéan est quand même le principal régulateur du CO2 océanique aug.CO2 atm.= aug. de léchange diffusif air_ mer


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