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Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par lanalyse des isotopes stables ( 18 O et 13 C) des carbonates secondaires.

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1 Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par lanalyse des isotopes stables ( 18 O et 13 C) des carbonates secondaires Sandrine Bonté Laboratoire dHydrogéologie

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

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

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

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

6 1/ Caractérisation de la zone détude 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 détude pour la recherche de carbonates actuels Observations de terrain Conclusions : conditions favorables à la précipitation de la calcite dans les sols alluviaux

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

8 1/ Caractérisation de la zone détude : Localisation des sites (la MVR) Valdaine : 3 Séquences Plaine dorange 2 Séquences Tricastin : 9 Séquences 274 mg/L 315 mg/L 320 mg/L288 mg/L 305 mg/L 281 mg/L [HCO 3 - ]

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

10 1/ Caractérisation de la zone détude : Facteurs climatiques Valence Massif Central Delta du Rhône Flux de sud (Méditerranée) Flux douest (Mélange) Flux de nord-ouest (Atlantique nord) Montpellier Montélimar T moy = 13°C P annuelles = 913 mm Orange T moy = 13,8°C P annuelles = 695 mm Aigues-Vives T moy = 14°C P annuelles = 652 mm Pas de carbonatations actuelles Malgré une saison sèche marquée : - bas étiage des principales rivières - seuil de sécheresse biologique franchi

11 1/ Caractérisation de la zone détude : extension de la zone détude CATALOGNE Gerona Barcelone Montroig La Senia Ter Ebre Perpignan Béziers FRANCE ESPAGNE Benifallet El Catlar Agly Dosquers 50 km N Présence de carbonates Absence de carbonates 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 180 mg/L 188 mg/L 189 mg/L 269 mg/L 290 mg/L 244 mg/l Implication dun paramètre Supplémentaire : [HCO3-] > 290 mg/L Les carbonates secondaires sont présents : Lorsque les températures sont supérieures à 14°C Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm

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

13 1/ Caractérisation de la zone détude : conclusions Paramètres climatiques : rôle important dans la précipitation des carbonates pédologiques Teneurs en bicarbonates T moy supérieures à 14°C P annuelles < 700 mm Supérieures à 290 mg/l (nécessité dun bassin versant dominé par les roches calcaires) Bilans hydriques : déficit climatique précoce (dès le début du printemps) déficit hydrique assez important (> 100 mm)

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

15 Comparaison des carbonates fossiles et actuels Observations à la loupe binoculaire Caractérisation minéralogique par diffractométrie (Rayonx X) 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 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 1 cm 0,5 cm Nodules 0,5 cm Manchons 1 cm Rhizolithes 0,5 cm Agglomérats 0,5 cm

17 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons Matériel fossile : Espeluche-lalo (Valdaine) Matériel actuel: Dosquers (Espagne) Caractérisation minéralogique : Spectres rayons X Deux composants essentiels : Spectres comparables la calcite (CaCO 3 ) - le quartz (SiO 2 )

18 2/ Approche morphologique et sédimentologique : constat Il semble possible détablir 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) Premier constat Existe-t-il dautres points communs entre les différentes formes carbonatées ?

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

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

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

22 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 Conséquences sur le signal isotopique des carbonate ? Synthèse des parties 1/ et 2/ 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 lETP augmente) - Formation des agglomérats et des nodules Lorsque la charge dissoute est abandonnée : en période de sécheresse hydrique lorsque la diminution de lETP et la déshydratation de latmosphère du sol favorisent lévaporation de la solution

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

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

25 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Les données de terrain Signal du CO 2 du sol (profondeur = 30 cm) Chênaie/Buxaie (prélèvement sous buis) Végétation basse de reconquête Chênaie/Pinède (prélèvement sous pin) Chênaie/Buxaie (prélèvement sous chêne) Ripisylve (peupliers/frênes) (prélèvement sous frêne) Pelouse à graminées Chênaie pubescente (prélèvement sous chêne) Ripisylve (peupliers/frênes) (prélèvement sous frêne) Ripisylve (chênes verts/pins) (prélèvement sous pin) MVR Bas Languedoc/Espagne Signal enrichi (paysages ouverts) Signal intermédiaire (paysages semi- ouverts) Signal appauvri (paysages fermés)

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

27 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Existe-t-il un lien entre 13 C CO2 et 13 C carbonates ? CO 2 du sol : -21,4 CaCO 3 : -11,1 à -10,7 -10,5 Les carbonates actuels semblent précipiter à léquilibre isotopique avec le CO 2 du sol Valeurs obtenuesValeurs attendues Précipitation à léquilibre isotopique entre phase gazeuse et phase solide :de 10,28 (Deines et al. en 1974) à 10,7 (Bottinga,1968) (milieu végétal fermé) de lordre de 10,9

28 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Le CO 2 du sol Les carbonates pédologiques semblent précipiter à léquilibre isotopiques avec le CO 2 du sol (une information sur louverture du milieu végétal) : - des teneurs enrichies reflètent un milieu végétal ouvert - des teneurs appauvries reflètent un milieu végétal fermé -Produit une information sur la nature de lenvironnement végétal stationnel (ouverture / fermeture) Toutefois - Deux essences issues dun même milieu de transition peuvent produire des signaux isotopiques différents ! Prudence lors de linterprétation des teneurs en 13 C des carbonates Conclusions :

29 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de loxygène-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 Observations de terrain : les carbonates se forment à des profondeurs Inférieurs à 30 cm (mais toutefois relativement proches de ce seuil) Variations du signal pluie (Hseich et al., 1998) Moyenne (Signal pluie + signal nappe) (Quade et al., 1989a) Signal des pluies locales(mais prudence !) Signal des pluies locales (mais prudence !)

30 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de loxygène-18 BARCELONE TORTOSA GERONE MONTPELLIER AVIGNON Origine méditerranéenne 18 O = - 4,62 Origine mixte 18 O = - 7,01 Distribution des 18 O des pluies moyennes annuelles pour la zone détude LYON P = 592 mm 18 O = -4,82 P = 609 mm 18 O = -4 P = 688 mm 18 O = -5,14 P = 599 mm 18 O = -4,05 P = 660 mm 18 O = -5,4 P = 824 mm 18 O = -7,5 Origine Atlantique nord 18 O = - 8,48 Celle, 2000 Stations côtières: recharge vapeur atmosphérique marine permanente (pluies enrichies) Signal pluie : origine des masses dair Stations continentales: vapeurs atmosphériques dorigine atlantique Gros épisodes pluvieux méditerranéens

31 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de loxygène-18 Nos carbonates enregistrent-il le signal des pluies locales (via la solution du sol)? 18 O CaCO O eau du sol = ? Données de terrain (Catalogne) Et données I.A.E.A. : 18 O CaCO O pluie = +0,5 ( moyen) Estimation de lenrichissement 18 O CaCO3 et 18 O eau du sol = -0,5 Température de précipitation de lordre de 19°C (=moyenne bimensuelle mai/juin pour la région de Barcelone) Précipitation des carbonates à léquilibre isotopique avec la solution du sol (enregistrement du signal pluie !) Région méditerranéenne : Enrichissement de +1 entre signal pluie et solution du sol Précipitation à léquilibre isotopique avec leau du sol

32 3/ Approche isotopique : Conclusions traçage isotopique des carbonates Précipitation à léquilibre isotopique avec : le CO 2 du sol (signal de la végétation stationnelle) Teneurs enrichies : milieu végétal ouvert Teneurs appauvries : milieu végétal fermé Hypothèse : modes de formations comparables entre carbonates fossiles et actuels : Utilisations des précédents résultats pour reconstitutions paléoclimatiques et paléoenvironnementales en contexte méditerranéen Carbonates pédologiques méditerranéens actuels Grande cohérence avec les schémas préalablement établis Précipitation à léquilibre isotopique avec : la solution du sol (signal des pluies locales) Teneurs enrichies : influences méditerranéennes Teneurs appauvries : influences atlantiques

33 3/ Approche isotopique : Evolution du signal Distribution des teneurs isotopiques moyennes ( 18 O et 13 C) 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 denviron 0,25 Nécessité deffectuer une correction sur les nodules ( de -0,25 )

34 SYNTHESE Evolution du signal isotopique des carbonates pédologiques (Tricastin et Plaine dOrange) 18 O 13 C Phase de réchauffement postglaciaire (apparition des carbonates dans les sols) Période plus fraîches et fermeture du milieu végétal (Holocène ancien) Crise climatique du néolithique récent/final Crise climatique du Bronze ancien Période chaude du début de lEmpire romain Période chaude du Haut Moyen Age Petit Age Glaciaire Flux de sud majoritaires (plus chaud) Fermeture des paysages

35 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 Age ( 14 C années cal. BC) AD1000 AD Age ( 14 C années cal. BC) O ( vs PDB) 3/ Approche Isotopique : Evolution du signal (SYNTHESE) Influences méditerranéennes plus marquées (plus chaud) Mise en place du climat méditerranéen dans le Tricastin et la plaine dOrange Influences Atlantiques plus marquées (plus froid) Vidourle Tricastin/Orange Valdaine Gradient latitudinal Enrichissement avec la proximité de la côte Existence de conditions climatiques comparables au climat actuel (Tricastin, plaine dOrange) et pour la première fois en Valdaine ! Gradient isotopique : 1 par degré de latitude Effet de continentalité Signal pluie

36 Echantillons valdainais appauvris : Echantillons du Vidourle enrichis : Indications produites par les carbonatesGradient isotopique latitudinal - effet de continentalité moins marqué et vapeurs athmosphriques méditerranéennes Mais - tendances comparables à celles de la MVR : impact régional - 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 conformes aux schémas établis par les paléoenvironnementalistes pour la MVR

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

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


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