Ecole Doctorale
Sciences de l'Environnement
Spécialité
Sciences de l'environnement: Géosciences
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Paléoclimat,Modélisation Système Terre,Oxygène océanique,Productivité primaire,Crétacé,Roche mère
Keywords
Paleoclimate,Earth System Modeling,Oceanic oxygen,Primary productivity,Cretaceous,Source rock
Titre de thèse
Modélisation de l'oxygène océanique et de la productivité marine au Cénomano-Turonien avec le modèle Système Terre IPSL
Modeling the oceanic oxygen and the marine productivity during the Cenomanian-Turonian using the IPSL Earth System Model
Date
Mardi 6 Juillet 2021 à 14:00
Adresse
CEREGE
Technopôle de l'Arbois-Méditerranée
BP80, 13545 Aix-en-Provence Amphithéâtre du Cerege
Jury
Directeur de these |
M. Yannick DONNADIEU |
Aix-Marseille Université |
Rapporteur |
Mme Fanny MONTEIRO |
Université de Bristol |
Rapporteur |
M. Guillaume LE HIR |
Institut de Physique du Globe de Paris |
CoDirecteur de these |
M. Laurent BOPP |
Ecole Normale Supérieure de Paris |
Examinateur |
Mme Sandra ARNDT |
Université Libre de Bruxelles |
Examinateur |
M. François BAUDIN |
Sorbonne Université |
Résumé de la thèse
Le Cénomanien-Turonien (CT) a enregistré lune des plus grandes perturbations des cycles du carbone et de loxygène, lÉvènement Anoxique Océanique 2 (OAE2, ~94 Ma). Caractérisé par létendue de grandes zones anoxiques dans locéan et par le dépôt massif de sédiments riches en matière organique, lOAE2 est le résultat de linteraction de multiples facteurs de contrôle climatiques et océanographiques, agissant à différentes échelles spatiales et temporelles. La multitude des processus impliqués et lhétérogénéité de lenregistrement sédimentaire rendent complexe la compréhension des différents facteurs de contrôle et la manière dont ils interagissent entre eux.
Cette thèse propose dutiliser la modélisation Système Terre, avec le modèle IPSL-CM5A2, pour étudier les mécanismes conduisant à ces perturbations. Lutilisation de conditions aux limites spécifiques au CT, en particulier la paléogéographie et une pression atmosphérique de CO2 de 1120 ppm (4 fois le taux préindustriel), nous permet de modéliser le paléoclimat, la paléocirculation océanique et la biogéochimie marine, et de tester différents scénarios pouvant impacter la productivité marine et la distribution de loxygène dans locéan.
Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à létude du climat chaud du CT, caractérisé par des gradients de température Équateur-Pôle réduits. Limplémentation progressive des conditions aux limites, depuis un état préindustriel jusquà létat CT, nous a permis de comprendre quels processus sont responsables du climat chaud. Une comparaison avec des données de températures, reconstruites à laide de différents proxies, a permis de montrer la bonne capacité du modèle à simuler le paléoclimat CT, avec toutefois des incertitudes aux hautes-latitudes. Lexistence dun tel climat chaud est responsable de températures océaniques particulièrement élevées, conduisant à des concentrations en oxygène océanique réduites, dues à la plus faible solubilité de loxygène dans les eaux chaudes.
Dans un second temps, nous avons étudié la circulation océanique du CT. Locéan Atlantique nétant pas encore bien ouvert, la circulation méridionale globale se fait principalement dans locéan Pacifique qui est donc bien oxygéné. Lexistence de nombreux seuils topographiques sous-marins limite toutefois la progression des courants profonds et déconnecte ainsi des bassins océaniques de la circulation océanique globale, qui sont donc appauvris en oxygène, tels que le proto-Atlantique. Une comparaison avec des enregistrements sédimentaires montre que les zones devenant anoxiques durant lOAE2 selon les données redox, sont situées dans des zones où loxygène océanique simulé est déjà faible. La configuration paléogéographique est donc un facteur de contrôle majeur sur le long-terme, permettant de préconditionner locéan pour permettre le déclenchement de lOAE2.
Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés aux changements de productivité marine et doxygénation liés à une augmentation de la quantité de nutriments dans locéan. Ce scénario est suggéré par plusieurs études, qui démontrent lexistence dun cycle hydrologique et dune altération continentale amplifiés pendant lOAE2, dus à des pulses volcaniques. Le doublement de nutriments dans locéan dans nos modélisations entraine en effet une augmentation de la productivité marine de 30%. De plus, la consommation doxygène liée aux processus de dégradation de la matière organique entraine une forte expansion des zones danoxie, et permet de réconcilier les données redox reconstruites pour lOAE2 avec loxygène simulé par le modèle.
Pour finir, une comparaison des modélisations avec les données de TOC, permettant destimer lenrichissement en matière organique, a permis dexpliquer les hétérogénéités spatiales, en fonction de la combinaison des trois facteurs préservation, production et dilution.
Thesis resume
The Cenomanian-Turonian (CT) period recorded one of the greatest disruptions of the oxygen and carbon cycles, the Oceanic Anoxic Event 2 (OAE2, 94 Ma). Characterized by the extension of large anoxic oceanic areas and by the widespread deposition of organic-rich sediments, the OAE2 is the result of the interaction of numerous climatic and oceanographic controlling factors, acting at different spatial and temporal scales. The multitude of involved processes and the heterogeneity of the sedimentary record make complex the comprehension of the different controlling factors and the way they interact with each other.
This thesis proposes to use Earth System Modeling, with the IPSL-CM5A2 model, to unravel the mechanisms driving the disturbance of oxygen and carbon cycles. The use of boundary conditions specific to the CT, in particular the paleogeography and a high CO2 atmospheric pressure of 1120 ppm (4 times the preindustrial value), allow us to model the paleoclimate, the paleoceanographic circulation and the marine biogeochemistry, and to test different scenarios that could impact the marine productivity and the distribution of oceanic oxygen.
In a first time, we studied the warm climate of the CT, characterized by reduced Equator-Pole temperature gradients. The progressive implementation of boundary conditions, from a preindustrial state to the CT state, allowed us to understand which processes drive the warm climate. A comparison with reconstructed temperatures from proxies allowed us to show the good ability of the model to simulate the CT climate, despite some uncertainties at high-latitudes. This warm climate is responsible of high oceanic temperatures leading to reduced oxygen concentrations due to the lower solubility of oxygen in warmer waters.
In a second time, we studied the CT oceanic circulation. Because the Atlantic Ocean was not fully opened, the meridional overturning circulation occurred principally in the Pacific that is thus well-oxygenated. The presence of numerous submarine topographic highs limits however the progression of deep currents and isolates some oceanic basins of the global circulation. These basins show lowered oxygen concentrations, such as in the proto-Atlantic basin. A comparison with the sediment record shows that areas turning anoxic during the OAE2 are localized in areas where the simulated oceanic oxygen is already low. The paleogeographic configuration thus appears as a major controlling factor on long time-scales, by preconditioning the ocean and by installing low-oxygenated oceanic areas as prerequisite conditions necessary for the OAE2 to occur.
In a third time, we studied the marine productivity and oxygenation changes driven by an increase of oceanic nutrient content. This scenario is suggested by several studies, showing that the hydrological cycle and associated continental weathering were amplified during the OAE2, due to volcanic pulses that drove warming. A doubling of nutrients in our simulations indeed drives an increase of marine productivity of 30%. Moreover, oxygen consumption due to organic matter remineralization increases the expansion of anoxic areas, allowing to fit simulated seafloor oxygen to OAE2 redox data.
Finally, a comparison of modeling results to TOC data, that measure carbon enrichment in the sediments, allowed to explain spatial heterogeneity of the sedimentary record according to the different combinations of the three factors preservation, production and dilution.