Soutenance de thèse de Marie LAUGIE

Le Cénomanien-Turonien (CT) a enregistré l’une des plus grandes perturbations des cycles du carbone et de l’oxygène, l’Évènement Anoxique Océanique 2 (OAE2, ~94 Ma). Caractérisé par l’étendue de grandes zones anoxiques dans l’océan et par le dépôt massif de sédiments riches en matière organique, l’OAE2 est le résultat de l’interaction de multiples facteurs de contrôle climatiques et océanographiques, agissant à différentes échelles spatiales et temporelles. La multitude des processus impliqués et l’hétérogénéité de l’enregistrement sédimentaire rendent complexe la compréhension des différents facteurs de contrôle et la manière dont ils interagissent entre eux. Cette thèse propose d’utiliser la modélisation Système Terre, avec le modèle IPSL-CM5A2, pour étudier les mécanismes conduisant à ces perturbations. L’utilisation 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 l’oxygène dans l’océan. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude du climat chaud du CT, caractérisé par des gradients de température Équateur-Pôle réduits. L’implémentation progressive des conditions aux limites, depuis un état préindustriel jusqu’à l’état CT, nous a permis de comprendre quels processus sont responsables du climat chaud. Une comparaison avec des données de températures, reconstruites à l’aide de différents proxies, a permis de montrer la bonne capacité du modèle à simuler le paléoclimat CT, avec toutefois des incertitudes aux hautes-latitudes. L’existence d’un 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 l’oxygène dans les eaux chaudes. Dans un second temps, nous avons étudié la circulation océanique du CT. L’océan Atlantique n’étant pas encore bien ouvert, la circulation méridionale globale se fait principalement dans l’océan Pacifique qui est donc bien oxygéné. L’existence 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 l’OAE2 selon les données redox, sont situées dans des zones où l’oxygène océanique simulé est déjà faible. La configuration paléogéographique est donc un facteur de contrôle majeur sur le long-terme, permettant de préconditionner l’océan pour permettre le déclenchement de l’OAE2. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés aux changements de productivité marine et d’oxygénation liés à une augmentation de la quantité de nutriments dans l’océan. Ce scénario est suggéré par plusieurs études, qui démontrent l’existence d’un cycle hydrologique et d’une altération continentale amplifiés pendant l’OAE2, dus à des pulses volcaniques. Le doublement de nutriments dans l’océan dans nos modélisations entraine en effet une augmentation de la productivité marine de 30%. De plus, la consommation d’oxygène liée aux processus de dégradation de la matière organique entraine une forte expansion des zones d’anoxie, et permet de réconcilier les données redox reconstruites pour l’OAE2 avec l’oxygène simulé par le modèle. Pour finir, une comparaison des modélisations avec les données de TOC, permettant d’estimer l’enrichissement en matière organique, a permis d’expliquer les hétérogénéités spatiales, en fonction de la combinaison des trois facteurs préservation, production et dilution.

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.