Soutenance de thèse de Claire MARTINOT

Ecole Doctorale
Sciences de l'Environnement
Spécialité
Sciences de l'environnement: Géosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Miocène supérieur,océan Indien équatorial,mousson indienne,foraminifères planctoniques,Mg/Ca-SST,isotopes de l'oxygène,
Keywords
Late Miocene,equatorial Indian Ocean,Indian monsoon,planktonic foraminifera,Mg/Ca-SST,oxygen isotopes,
Titre de thèse
Paléocéanographie de l’océan Indien équatorial pendant le Miocène supérieur : climat global et mousson indienne
Late Miocene equatorial Indian Ocean paleoceanography : global climate and Indian monsoon
Date
Mardi 29 Novembre 2022 à 14:00
Adresse
CEREGE Technopole Environnement Arbois Méditerranée 13545 Aix-en-Provence cedex 4
403
Jury
Directeur de these Mme Clara BOLTON Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)
Rapporteur M. Franck BASSINOT Laboratoire des Sciences du Climat et l'Environnement
Rapporteur Mme Maria-Angela BASSETTI Université de Perpignan, UPVD, France
Directeur de these Mme Kazuyo TACHIKAWA Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)
Examinateur M. Luc BEAUFORT Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)
Examinateur M. Kenji MATSUZAKI The University of Tokyo

Résumé de la thèse

Au début du Miocène supérieur (11,6 à 5,3 millions d’années, Ma) la configuration continentale était déjà très similaire à celle de l'époque moderne, le climat global était plus chaud que l’actuel et des travaux récents suggèrent que les concentrations en dioxyde de carbone atmosphérique (pCO2) étaient plus élevées (1 à 3 fois les valeurs préindustrielles). Au cours du Miocène supérieur, la Terre a connu de profonds changements, incluant un refroidissement marqué, possiblement une diminution de la pCO2 atmosphérique, l’expansion des écosystèmes utilisant la photosynthèse C4, et enfin la mise en place de glaciations éphémères dans l’hémisphère nord. Cette époque présente donc une opportunité unique d’étudier la mise en place de notre climat moderne et d'évaluer la sensibilité du système climatique aux forçages internes et externes dans une Terre plus chaude qu’à l’actuel. Cependant de nombreux points sont encore débattus, concernant notamment, l’amplitude du refroidissement dans les océans tropicaux, le rôle de la pCO2 atmosphérique, et la réponse de la mousson indienne à ces changements. Ce travail présente de nouveaux enregistrements à résolution orbitale entre 9 et 5 Ma (750 échantillons, résolution moyenne de 5500 ans) du rapport Mg/Ca (reconstitution des températures de surface de la mer, SSTs) et des isotopes de l’oxygène de l’eau de mer corrigé du volume de glace (IVC-d18Osw, indicateur qualitatif de cycle hydrologique) mesurés dans les tests d’un foraminifère planctonique calcifiant dans la couche de mélange, prélevés dans les échantillons du Site IODP U1443 (5° N, 90° E, océan Indien équatorial), expédition IODP 353. Premièrement, les Mg/Ca-SSTs révèlent un refroidissement de 3,2 °C entre 7,4 et 5,8 Ma, d’une amplitude plus importante qu’estimé précédemment dans les océans tropicaux (1 à 2,5 °C). De par son contexte d’océan ouvert, nous pensons que le Site U1443 capture mieux la tendance globale des SSTs dans les océans tropicaux pendant le Miocène supérieur que les reconstitutions précédentes provenant de zones fortement influencées par des processus locaux (upwelling, apport d’eau douce). Des simulations climatiques ont été réalisées afin d’appréhender le rôle possible de la pCO2 atmosphérique dans ce refroidissement. Elles révèlent qu’une diminution de la pCO2 atmosphérique de 560 ppm à 300 ppm pourrait expliquer la majeure partie du refroidissement reconstitué dans les océans de surface. Ce nouvel enregistrement des Mg/Ca-SSTs suggère également une augmentation plus modeste du gradient méridional de SST (de l’hémisphère nord) au cours du Miocène supérieur que celle suggérée par les études précédentes. Deuxièmement, le IVC-d18Osw de la couche de mélange révèle un appauvrissement long-terme de 1,2 ‰ entre 8,1 et 5,8 Ma. Les candidats possibles pour expliquer cet appauvrissement sont un changement de la localisation des précipitations de mousson indienne au cours du refroidissement de la fin du Miocène supérieur (LMGC) et une restriction progressive du passage indonésien (migration de l’Australie vers le nord et/ou expansion de la calotte Antarctique), ayant affecté la contribution relative des masses d’eaux provenant de l’océan Pacifique s’écoulant dans l’océan Indien. De plus, a échelle de la précession le IVC-d18Osw est en phase et cohérent avec les proxies de vents de mousson indienne et avec le gradient d’insolation d’été intertropical. Pendant le LMGC, le IVC-d18Osw devient également sensible à l’obliquité et partiellement découplé des proxies de vents de mousson indienne, montrant ainsi qu’ils sont sensibles à des forçages différents. Dans l'ensemble, ces nouveaux enregistrements provenant d'une région peu étudiée, combinés avec les nouvelles simulations climatiques, font progresser l'état de l'art en ce qui concerne le LMGC, l’implication d’une diminution de la pCO2 atmosphérique et des forçages dans ce refroidissement ainsi que le cycle hydrologique dans le Golfe du Bengale en lien avec la mousson indienne.

Thesis resume

At the beginning of the Late Miocene (11.6 to 5.3 million years ago, Ma) Earth’s continental configuration was already similar to modern, the global climate was warmer than today and recent works suggest that atmospheric carbon dioxide concentrations (pCO2) were higher (1 to 3 times pre-industrial values). During the Late Miocene, the Earth underwent profound changes, including global cooling, possible decreases in atmospheric pCO2, expansion of C4 ecosystems, and finally the onset of ephemeral glaciation in the northern hemisphere. The Late Miocene thus presents a unique opportunity to study the establishment of our modern climate system and to assess the sensitivity of the Earth's climate system to changing internal and external drivers in a warmer than modern Earth. However, many issues are still debated, including the magnitude of cooling in the tropical oceans, the role of atmospheric pCO2 concentrations, and the response of the Indian monsoon (the world's most powerful hydrological system), to these changes. This PhD thesis presents new orbital resolution records from 9 to 5 Ma (750 samples, average resolution of 5500 years) of Mg/Ca ratio (reconstructions of Sea Surface Temperatures, SSTs) and ice-volume corrected seawater oxygen isotope (IVC-d18Osw, a qualitative indicator of hydrological cycle) measured in tests of a planktonic foraminifer calcifying in the mixed layer, preserved in sediment cores from International Ocean Discovery Program (IODP) Site U1443 (5° N, 90° E, southernmost Bay of Bengal, equatorial Indian Ocean) drilled during IODP Expedition 353. First, Mg/Ca-SSTs reveal a long-term cooling of 3.2 °C between 7.4 and 5.8 Ma, whereas previous estimates of tropical ocean cooling are between 1 and 2.5 °C. Because of its open ocean location, we believe that Site U1443 better captures the global trend in SST in the tropical oceans during the Late Miocene than previous reconstructions from sites located in areas strongly influenced by local processes (upwelling, freshwater runoff). Climate simulations were performed to understand the possible role of atmospheric pCO2 in this cooling. They reveal that a decrease in atmospheric pCO2 from 560 ppm to 300 ppm could explain most of the reconstructed surface ocean cooling. The new Mg/Ca-SST record also suggests a more modest increase in the meridional (Northern Hemisphere) SST gradient during the Late Miocene than suggested by previous studies, in agreement with new and existing climate modelling results. Second, the mixed-layer IVC-d18Osw reconstructed at Site U1443 reveals a long-term depletion of 1.2 ‰ between 8.1 and 5.8 Ma. Possible candidates to explain this depletion are a change in the location of Indian monsoon precipitation during the Late Miocene Global Cooling (LMGC) and/or a gradual restriction of the Indonesian passage (northward migration of Australia and expansion of the Antarctic ice sheet), affecting the relative contribution of water masses sourced from the Pacific Ocean flowing into the Indian Ocean. Moreover, on orbital timescales the IVC-d18Osw is in phase and coherent with Indian monsoon wind proxies and with the intertropical summer insolation gradient in the precession-band. During the LMGC, the IVC-d18Osw also became sensitive to obliquity and partially decoupled from the Indian monsoon wind proxies, suggesting that the hydrological cycle and winds are sensitive to different forcing mechanism (Indian monsoon winds sensitive only to local insolation and IVC-d18Osw also sensitive to obliquity-controlled heat and moisture transfer from the southern hemisphere). Overall, these new high-resolution records from an understudied region combined with new climate simulations advance the state of the art regarding tropical ocean cooling during the Late Miocene, the role of decreasing atmospheric pCO2 and forcing mechanisms in this cooling, and the hydrological cycle in the Bay of Bengal in relation to the Indian monsoon.