Soutenance de thèse de PINEAU Erwan
Titre de thèse
Évolution de la circulation méridienne de retournement
Atlantique au cours du Cénozoïque : mécanismes physiques
et conséquences sur l'oxygénation océanique
Evolution of the Atlantic meridional overturning circulation during the Cenozoic: physical mechanisms and consequences on ocean oxygenation
Résumé de la thèse
Le Cénozoïque, ère géologique débutée il y a 66 millions d'années, a connu de
profondes évolutions climatiques et géographiques. Ces mutations ont notamment
permis la mise en place de la circulation méridienne de retournement Atlantique
(AMOC) et ont largement influencé la teneur en oxygène dissous dans l'océan, en
particulier dans le Pacifique tropical. Cependant, la chronologie et les mécanismes
contrôlant l'initiation de l'AMOC et l'oxygénation du Pacifique restent encore mal
contraints. L'objectif de cette thèse est de combler ces lacunes en évaluant l'impact
des variations paléogéographiques et climatiques du Cénozoïque sur la dynamique,
l'évolution et la stabilité de l'AMOC, ainsi que sur la dynamique de la zone de mini-
mum d'oxygène (OMZ) Pacifique.
Grâce aux simulations du modèle de Système Terre IPSL-CM5A2, cette étude met
en évidence le rôle clé de la fermeture des passages maritimes de basses latitudes et
de l'ouverture des passages austraux. Avant le Miocène moyen (∼17-13 Ma), l'AMOC
était confinée à l'hémisphère nord, et la remontée des eaux profondes formées dans
l'Atlantique nord s'effectuait aux basses latitudes. Les réorganisations tectoniques ont
permis à l'AMOC de franchir l'équateur pour devenir interhémisphérique, déplaçant
la zone de remontée des eaux vers l'océan Austral. En particulier, l'approfondisse-
ment du passage de Drake au Miocène moyen a amorcé le courant circumpolaire
antarctique puis l'AMOC via une modification de la stratification Atlantique, selon
une échelle de temps centennale. De plus, les évolutions paléogéographiques entre
l'Éocène et le Miocène moyen ont favorisé l'apparition de l'AMOC en augmentant la
salinité de surface en Atlantique Nord, un phénomène induit par l'intensification des
échanges entre les gyres subtropical et subpolaire, la fermeture du Détroit de Pologne,
et par une diminution des précipitations sur l'Afrique de l'Ouest.
Enfin, des bouleversements de la circulation océanique sont également visibles
dans le Pacifique tropical. Alors que le réchauffement climatique actuel s'accompagne
d'une désoxygénation, les enregistrements révèlent qu'à l'optimum climatique du
Miocène, l'océan Pacifique était bien oxygéné. Une série de tests de sensibilité montre
que la circulation océanique constituait le principal facteur de contrôle de l'OMZ
Pacifique à cette époque. L'effet de la solubilité lié au réchauffement et les variations
de productivité primaire dues aux modulations de l'upwelling équatorial y jouaient
un rôle secondaire.
Thesis resume
The Cenozoic, a geological era that began 66 million years ago, has undergone major
climatic and geographical changes. These changes have notably enabled the onset
of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) and have influenced the
dissolved oxygen content in the ocean, specifically in the tropical Pacific. However,
the chronology and mechanisms controlling the initiation of the AMOC and the oxy-
genation of the Pacific remain poorly constrained. The objective of this thesis is to fill
these gaps by assessing the impact of paleogeographic and climatic variations during
the Cenozoic on the dynamics, evolution, and stability of the AMOC, as well as on the
dynamics of the Oxygen Minimum Zone (OMZ) in the tropical Pacific.
Using simulations performed with the IPSL-CM5A2 Earth system model, I high-
light the key role of the closure of low-latitude maritime passages and the opening of
southern ones. Before the Middle Miocene (∼17-13 Ma), the AMOC remained largely
restricted to the Northern Hemisphere, and upwelling from deep waters in the North
Atlantic occurred at low latitudes. Tectonic reorganizations allowed the AMOC to
cross the equator and become inter-hemispheric, thereby moving the upwelling zone
towards the Southern Ocean. In particular, the deepening of the Middle Miocene
Drake Passage initiated the Antarctic Circumpolar Current and subsequently triggered
the development of a more vigorous AMOC through modifications of Atlantic strati-
fication on centennial timescales. Moreover, paleogeographic changes between the
Eocene and the Middle Miocene favored the appearance of the AMOC by increasing
surface salinity in the North Atlantic, a phenomenon induced by the intensification
of exchanges between the subtropical and subpolar gyres, the closure of the Poland
Strait, and a decrease in rainfall over West Africa.
Finally, these changes in ocean circulation also have implications for tropical Pacific
oxygenation. While current global warming is accompanied by deoxygenation, records
reveal that at the Miocene climate optimum, the Pacific Ocean was well oxygenated.
A series of sensitivity tests shows that ocean circulation was the main factor control-
ling the Pacific oxygen minimum zone (OMZ) at this time. The effect of solubility
due to warming and changes in primary productivity due to equatorial upwelling
modulations played a secondary role.