Paléocéanographie

La paléocéanographie est l'étude de l'histoire des océans au cours du passé géologique en ce qui concerne la circulation, la chimie , la biologie , la géologie et les schémas de sédimentation et de productivité biologique. Les études paléocéanographiques utilisant des modèles environnementaux et différents proxys permettent à la communauté scientifique d'évaluer le rôle des processus océaniques dans le climat mondial par la reconstruction du climat passé à divers intervalles. La recherche paléocéanographique est également intimement liée à la paléoclimatologie .

La paléocéanographie utilise des méthodes dites proxy pour déduire des informations sur l'état et l'évolution passés des océans du monde. Plusieurs outils proxy géochimiques comprennent des molécules organiques à longue chaîne (par exemple les alcénones ), des isotopes stables et radioactifs et des traces de métaux. De plus, des carottes de sédiments riches en fossiles et en coquillages (tests) peuvent également être utiles ; le domaine de la paléocéanographie est étroitement lié à la sédimentologie et à la paléontologie .

Les enregistrements de la température de surface de la mer (SST) peuvent être extraits des carottes de sédiments des grands fonds marins en utilisant les rapports isotopiques de l'oxygène et le rapport magnésium/calcium (Mg/Ca) dans les sécrétions de coquilles de plancton, de molécules organiques à longue chaîne telles que l'alcénone, de coraux tropicaux près de la surface de la mer et de coquilles de mollusques.

Les rapports isotopiques de l'oxygène (δ ¹⁸ O) sont utiles pour reconstituer la SST en raison de l'influence de la température sur le rapport isotopique. Le plancton absorbe l'oxygène lors de la construction de sa coquille et sera moins enrichi en δ ¹⁸ O lorsqu'il se formera dans des eaux plus chaudes, à condition qu'il soit en équilibre thermodynamique avec l'eau de mer. Lorsque ces coquilles précipitent, elles coulent et forment des sédiments sur le fond océanique dont le δ ¹⁸ O peut être utilisé pour déduire les SST passées. Les rapports isotopiques de l'oxygène ne sont cependant pas des indicateurs parfaits. Le volume de glace emprisonné dans les calottes glaciaires continentales peut avoir un impact sur le δ ¹⁸ O. L'eau douce caractérisée par des valeurs plus faibles de δ ¹⁸ O est piégée dans les calottes glaciaires continentales, de sorte que pendant les périodes glaciaires, le δ ¹⁸ O de l'eau de mer est élevé et les coquilles de calcite formées pendant ces périodes auront une valeur de δ ¹⁸ O plus élevée.

La substitution du magnésium au calcium dans les coquilles _de CaCO3 peut être utilisée comme un indicateur de la température de surface de la mer dans laquelle les coquilles se sont formées. Les rapports Mg/Ca ont plusieurs autres facteurs d'influence autres que la température, tels que les effets vitaux, le nettoyage des coquilles et les effets de dissolution post-mortem et post-dépositionnelle, pour n'en citer que quelques-uns. Outre d'autres influences, les rapports Mg/Ca ont permis de quantifier avec succès le refroidissement tropical qui s'est produit au cours de la dernière période glaciaire.

Les alcénones sont des molécules organiques complexes à longue chaîne produites par des algues photosynthétiques. Elles sont sensibles à la température et peuvent être extraites des sédiments marins. L'utilisation d'alcénones représente une relation plus directe entre la température de surface de la mer et les algues et ne repose pas sur la connaissance des relations thermodynamiques biotiques et physico-chimiques nécessaires aux études sur le CaCO _3. Un autre avantage de l'utilisation d'alcénones est qu'elles sont un produit de la photosynthèse, nécessitant une formation à la lumière du soleil des couches supérieures de la surface. En tant que telles, elles enregistrent mieux la température de surface de la mer près de la surface.

Les ratios Mg/Ca dans les foraminifères benthiques et les ostracodes sont les indicateurs les plus couramment utilisés pour déduire l'histoire de la température des eaux profondes . Les températures déduites des ratios Mg/Ca ont confirmé un refroidissement allant jusqu'à 3 °C des profondeurs océaniques au cours des périodes glaciaires du Pléistocène tardif. Une étude notable est celle de Lear et al. [2002] qui ont travaillé à l'étalonnage de la température de l'eau du fond aux ratios Mg/Ca dans 9 endroits couvrant une variété de profondeurs et provenant de six foraminifères benthiques différents (selon l'emplacement). Les auteurs ont trouvé une équation étalonnant la température de l'eau du fond des ratios Mg/Ca qui prend une forme exponentielle :

où Mg/Ca est le rapport Mg/Ca trouvé dans les foraminifères benthiques et BWT est la température de l'eau au fond.

Les enregistrements sédimentaires peuvent nous en dire beaucoup sur notre passé et nous aider à faire des déductions pour l’avenir. Ce domaine de la paléocéanographie n’est cependant pas nouveau, certaines recherches remontant aux années 1930 et avant. La recherche reconstructive à l’échelle temporelle moderne a progressé grâce aux méthodes de balayage des carottes de sédiments. Ces méthodes ont permis des recherches similaires à celles menées avec les enregistrements de carottes de glace en Antarctique. Ces enregistrements peuvent renseigner sur l’abondance relative des organismes présents à un moment donné en utilisant des méthodes de paléoproductivité telles que la mesure de l’abondance totale des diatomées. Les enregistrements peuvent également renseigner sur les modèles météorologiques historiques et la circulation océanique, comme l’ont décrit Deschamps et al. dans leurs recherches sur les enregistrements sédimentaires des marges de Chukchi-Alaska et de Beaufort au Canada.

La salinité est une quantité plus difficile à déduire des paléoenregistrements. L'excès de deutérium dans les enregistrements de carottes peut fournir une meilleure inférence de la salinité de la surface de la mer que les isotopes d'oxygène, et certaines espèces, telles que les diatomées, peuvent fournir un enregistrement semi-quantitatif de la salinité en raison de l'abondance relative des diatomées qui est limitée à certains régimes de salinité. Des changements ont eu lieu dans le cycle global de l'eau et dans l'équilibre de la salinité des océans, l'Atlantique Nord devenant plus salin et les océans Indien et Pacifique subtropicaux devenant moins salins. Avec les changements du cycle de l'eau, il y a également eu des variations dans la distribution verticale du sel et des haloclines. De grandes incursions d'eau douce et des changements de salinité peuvent également contribuer à une réduction de l'étendue de la glace de mer.

Plusieurs méthodes de substitution ont été utilisées pour déduire la circulation océanique passée et ses changements. Elles comprennent les rapports isotopiques du carbone , les rapports cadmium / calcium (Cd/Ca), les isotopes protactinium / thorium ( ²³¹ Pa et ²³⁰ Th), l'activité radiocarbone (δ ¹⁴ C), les isotopes du néodyme ( ¹⁴³ Nd et ¹⁴⁴ Nd) et le limon triable (fraction de sédiments des grands fonds comprise entre 10 et 63 μm). Les proxies des isotopes du carbone et du rapport cadmium/calcium sont utilisés car la variabilité de leurs rapports est due en partie aux changements de la chimie des eaux de fond, qui est à son tour liée à la source de la formation des eaux profondes. Ces rapports sont cependant influencés par des processus biologiques, écologiques et géochimiques qui compliquent les déductions de circulation.

Français Tous les mandataires inclus sont utiles pour déduire le comportement de la circulation méridionale de renversement . Par exemple, McManus et al. [2004] ont utilisé des isotopes de protactinium / thorium ( ²³¹ Pa et ²³⁰ Th) pour montrer que la circulation méridionale de renversement de l'Atlantique avait été presque (ou complètement) arrêtée pendant la dernière période glaciaire. ²³¹ Pa et ²³⁰ Th sont tous deux formés à partir de la désintégration radioactive de l'uranium dissous dans l'eau de mer, le ²³¹ Pa pouvant rester supporté dans la colonne d'eau plus longtemps que ^{le 230} Th : ²³¹ Pa a un temps de séjour d'environ 100 à 200 ans tandis que ^{le 230} Th en a un d'environ 20 à 40 ans. Dans l'océan Atlantique actuel et dans la circulation de renversement actuelle, le transport ^{de 230} Th vers l'océan Austral est minime en raison de son court temps de séjour, et le transport ^{de 231} Pa est élevé. Cela se traduit par des rapports ²³¹ Pa / ²³⁰ Th relativement faibles trouvés par McManus et al. [2004] dans un noyau à 33N 57W et à une profondeur de 4,5 km. Lorsque la circulation de retournement s'arrête (comme prévu) pendant les périodes glaciaires, le rapport ²³¹ Pa / ²³⁰ Th devient élevé en raison de l'absence d'évacuation de ²³¹ Pa vers l'océan Austral. McManus et al. [2004] notent également une petite augmentation du rapport ²³¹ Pa / ²³⁰ Th pendant l' événement du Dryas récent , une autre période de l'histoire du climat qui aurait connu un affaiblissement de la circulation de retournement.

Les rapports isotopiques du bore (δ ¹¹ B) peuvent être utilisés pour déduire les changements récents et millénaires de l'acidité, du pH et de l'alcalinité de l'océan, qui sont principalement forcés par les concentrations atmosphériques de CO ₂ et la concentration en ions bicarbonate dans l'océan. Le δ ¹¹ B a été identifié dans les coraux du sud-ouest du Pacifique comme variant avec le pH de l'océan, et montre que les variabilités climatiques telles que l' oscillation décennale du Pacifique (PDO) peuvent moduler l'impact de l' acidification des océans en raison de l'augmentation des concentrations atmosphériques de CO _2. Une autre application du δ ¹¹ B dans les coquilles de plancton peut être utilisée comme un proxy indirect des concentrations atmosphériques de CO ₂ au cours des derniers millions d'années.