MONOPOL - Paléo-variabilité de la mousson indienne

Le projet MONOPOL a pour objectifs principaux :

• de carotter des séries sédimentaires dans la baie du Bengale à l’aide des carottiers CASQ et CALYPSO du N/O Marion Dufresne et d’un carottier d’interface (multi-tubes) et d’effectuer des prélèvements d’eau (rosette) et d’organismes planctoniques (filet à plancton, filtration) – Task1 (campagne MONOPOL, mai-juin 2012);
• d’utiliser les échantillons d’eau, de plancton et les sédiments d’interface pour définir et calibrer des proxies utilisés pour les reconstructions paléocéanographiques (ie. travail de calibration commun aux tâches 2 à 5);
• de reconstruire l’évolution de la mousson indienne à partir des séries sédimentaires déjà disponibles et celles carottées pendant la campagne MONOPOL en se focalisant en particulier sur trois périodes clés : l’Holocène (derniers 11 ka ; task 2), la dernière période glaciaire (~ 17-75 ka ; task 3) et des séries temporelles couvrant plusieurs cycles orbitaux (task 4).
• d’étudier les effets de la mousson sur l’altération de l’Himalaya (task 5).

La campagne MONOPOL a eu lieu du 23 mai au 15 juin 2012 en baie du Bengale sur le N/O Marion Dufresne. Ont participé à cette campagne 21 chercheurs ou ingénieurs/techniciens issus des six laboratoires partenaires ainsi que 3 chercheurs étrangers. Une Université Flottante a permis de former 22 étudiants (13 étudiants de Master et 9 thésards). En raison de contraintes météorologiques défavorables (vents à 30 nœuds et houle importante) qui ont ralenti la progression du navire, les carottages sur la zone des Maldives (très couteux en temps compte‐tenu de l’éloignement des sites) ont été abandonnés pour permettre de se focaliser sur les zones sédimentaires de la baie du Bengale, plus cruciales au regard des objectifs du projet MONOPOL. Les données et séries recueillies sont de bonne qualité. Seul souci à noter pour ce qui concerne les prélèvements: le fonctionnement très irrégulier du nouveau carottier d’interface (multi-tubes) ce qui s’est traduit pas des perturbations dans les sections obtenues à plusieurs sites (ce carottier d’interface a, depuis, été amélioré par l’IPEV).

==== Tasks 2 à 5 : ==== Le matériel recueilli pendant la campagne est revenu en métropole dans le courant du mois de septembre 2012. Une session de manutention a été organisée le 25/09 au MNHN (Paris) pour décharger tous les prélèvements et les ranger dans la lithothèque. Le matériel de la campagne MONOPOL a ensuite été échantillonné, en plusieurs sessions, de novembre 2012 à janvier 2013 et les analyses nécessaires aux objectifs des tasks 2 à 5 ont démarré au début 2013 (soit un an environ après le démarrage effectif du projet ANR dont les crédits ont été débloqués en janvier 2012). Ce décalage entre le début du projet et le début des analyses en laboratoire résulte (1) de l’organisation de la campagne – dont une partie du coût était prise en charge sur ce projet ANR, nous obligeant à faire démarrer le projet bien avant la campagne à la mer, et (2) le retour des échantillons sur la métropole, nécessitant un transport par conteneur réfrigéré depuis l’île de la Réunion. Il existe donc un décalage de presque 12 mois entre le démarrage du programme (janvier 2012) et le déroulement du programme d’analyse sur le matériel récupéré pendant la campagne océanographique MONOPOL.

L’état d’avancement des travaux pour les tâches 2 à 5 est le suivant :

(calibration / étude des traceurs chimiques de l’érosion). L’étude du Nd de l’eau de mer (et son enregistrement dans les tests de foraminifères) est en cours dans le cadre de la thèse de Zhojie Yu. En comparaison avec des résultats obtenus dans le cadre du programme GEOTRACES, nos résultats permettent de montrer pour la première fois qu’il existe une très forte saisonnalité dans les profils du Nd des eaux de la baie du Bengale (Yu et al., en préparation).

(calibration / enregistrement des signaux climatiques des eaux de surface). L’étude des filets à plancton avec extraction des faunes pour mesures isotopiques et élémentaires est en cours après les déterminations des assemblages des faunes de fromainifères planctoniques dans le cadre d’un stage M1 de l’Université Aix-Marseille (Nathalie Ministéri, sous la direction de T. de Garidel). L’étude des multi-tubes a été effectuée dans le cadre d’un stage M2 de l’Université Paris-Sud Orsay portant sur l’analyse des faunes benthiques et le lien entre composition isotopique des tests de foraminifères et des eaux interstitielles (stagiaire : Naoufel Haddam, co-encadrants S. Sepulcre, L. Licari et F. Bassinot ; article en préparation). Le travail va se poursuivre par l’analyse isotopique (18O et  13C) mono-foraminifères et la mesure du rapport Mg/Ca.

Toutes les séries sédimentaires jugées prioritaires ont été analysées par SCOPIX (radiographie X) et par fluorescence-X au laboratoire EPOC (Bordeaux). Les études se sont focalisées sur les meilleures carottes obtenues dans chaque zone clé et sur l’étude en collaboration avec K. Anupama et S. Prasad de l’Institut Français de Pondichéry (Inde) et L. Giosan du Woods Hole Oceanographic Institution (USA) des deux autres carottes : (i) deux carottes situées dans le Nord de la baie du Bengale (MD12-3412 et MD12-3411CQ), une carotte située dans le centre de la Baie (MD12-3423) et deux carottes situées en face de l’embouchure des fleuves Godavari et Mahanadi (NGHP-01-16A et NGHP-01-19B); ces carottes sont destinées plus particulièrement à l’étude de la variabilité climatique, en particulier de la mousson indienne, du dernier stade glaciaire et l’analyse des gradients dans les masses d’eau et au lien climat/érosion (tâches 3 et 5) ; (ii) deux carottes situées dans la levée active du système chenal/levée de de l’Ouest de la Baie (MD12-3417 et MD12-3418CQ). Ces carottes permettent l’étude de la mise en place de la levée active (e.g. lien avec les paramètres climatiques et glacio-eustatiques) ainsi que l’étude de la variabilité à l’Holocène et le lien entre forçage climatique et pulsations détritiques (turbidites ; tâches 2 et 5) ; (iii) une carotte à l’extérieure de la baie du Bengale (MD12-3409) qui nous permet d’étudier l’évolution à long-terme de la mousson, en particulier au travers de la révolution du Pleistocène moyen, vers 1Ma (tâches 4 et 5).

Fait/ - La stratigraphie isotopique préliminaire a été obtenue au LSCE à partir de tests de foraminifères extraits au CEREGE, puis complétées par des analyses à très haute-résolution (pas d’échantillonnage 2.5 cm) sur la dernière période glaciaire pour mieux contraindre les aspects climatiques et cerner la dynamique de mise en place des sédiments. Les analyses du magnétisme environnemental et de microgranulométrie ont été effectuées à très haute résolution au LSCE et à EPOC. Plusieurs analyses ont été effectuées dans le cadre de stages universitaires: (i) stage M1-ENS Lyon (Agathe Deriot ; direction F. Bassinot) portant sur la reconstruction des paléo-températures à basse résolution sur la dernière déglaciation à l’aide du Thermomètre-Mg/Ca, (ii) stage M2 Univ. Paris-Sud Orsay (R. Joussain ; encadrant C. Colin) portant sur l’étude sédimentologique et géochimique du dernier cycle climatique (granulométrie, minéralogie argileuse, éléments majeurs et traces de la fraction décarbonatée. L’étude des processus sédimentaires (dynamique des dépôts) et de l’évolution des sources en fonction des paramètres climatiques et glacio-eustatiques se poursuit dans le cadre de deux thèses : (i) thèse de R. Joussain en co-tutelle entre l’Université de Tongji (Shanghai) et l’université de Paris-Sud (coll. entre GEOPS et le Key State Lab. of Marine Geology) et thèse de Léa Fournier, Univ. de Bordeaux, laboratoire EPOC. D’un point de vue « signal océanographique », les variations de température à basse-résolution (~ pas d’échantillonnage de 10cm) ont été reconstruites par la mesure du rapport Mg/Ca des tests de foraminifères planctoniques (G. ruber) sur l’ensemble du dernier cycle climatique. L’impact de la glaciation MIS5/MIS4 et celui de l’éruption volcanique du Toba (vers 73 ka) sur les assemblages de foraminifères ont été abordés dans le cadre du stage M2 de Charles Ragusa (encadrants : A. Bartolini et E. Moreno) et devraient se poursuivre dans le cadre d’une thèse. A Faire / - Les analyses de magnétisme environnemental vont être resserrées au LSCE sur le MIS6 en comparaison avec le MIS3 accessible aussi sur la carotte jumelle CASQ (MD12-3411), la carotte MD12-3412 étant pistonnée sur environ 5 m. L’étude de la fabrique magnétique (degré d’anisotropie et orientation préférentiel des grains magnétiques) permettant une étude fine de la dynamique de mise en place des dépôts sera complétée par une analyse de la nature et de la taille des porteurs magnétiques. D’un point de vue paléocéanographique, l’étude concernant l’abondance relative de l’espèce de coccolithe Florisphaera profunda (indicateur de la thermocline et des changements de productivité) est en cours au CEREGE. L’étude à haute-résolution des variations de la température de surface lors de la dernière période glaciaire (à l’aide du thermomètre Mg/Ca), a été reportée jusque-là en raison de problèmes récurrents sur l’ICP-AES de l’équipe Paléocéan (LSCE). Plusieurs intervention des techniciens de la société AGILENT ont eu lieu entre mai et juillet 2015. Des tests ont été conduits dans le cadre d’un stage au printemps/été 2015 (thèse de C. Jarc, sous la direction de F. Bassinot). Les résultats, s’ils ont montré une nette amélioration par rapport à début 2015, suggèrent cependant que le niveau de bruit est encore légèrement supérieur aux mesures effectuées depuis 2004 sur cet appareil. Le mois d’octobre 2015 sera consacré à un check-up complet de l’appareil afin de ramener la variabilité analytique de l’ICP-AES à un niveau usuel. Les échantillons sont prêts à être analysés lorsque les conditions analytiques seront jugées satisfaisantes. La stratigraphie isotopique de la carotte MD12-3412 (signal 18O du foraminifère planctonique G. ruber) est claire jusqu’à environ 11 m (~MIS6). En dessous, le signal isotopique est plus difficile à comprendre et semble en contradiction avec les données de la biostratigraphie pour ce qui concerne les stades MIS7 et MIS9. Pour mieux contraindre la stratigraphie et le modèle d’âge de la carotte MD12-3412, nous allons obtenir une stratigraphie isotopique sur foraminifères benthiques jusqu’à ~18 m. Le piquage des foraminifères (~ 300 niveaux) va démarrer à l’automne 2015 pour des analyses prévues début 2016.

Fait/ Cette carotte CASQ (carotte gravité de large diamètre) permet de travailler sur un sédiment non déformé par les effets de pistonnage que peuvent connaître les carottes CALYPSO. Une stratigraphie isotopique préliminaire à basse résolution avait été établie en 2013 sur la partie supérieure de cette carotte et a été complétée à plus haute-résolution en octobre 2014. Les propriétés magnétiques et les isotopes permettent de corréler parfaitement les deux carottes, ce qui permet soit de construire une série composite, soit de transférer des observations d’une carotte à l’autre. Les propriétés magnétiques, analysées à haute résolution (u-channels) seront exploitées pour la reconstruction de la variabilité climatique rapide des périodes glaciaires. Elles seront également utilisées pour contraindre les variations intervenants pendant les périodes interglaciaires (Holocène et, surtout, MIS5) dans le cadre d’une thèse portant sur la caractérisation géochimique (Nd, Sr/Sr) et magnétique des sources sédimentaires et le suivi des processus d’altération aux échelles glaciaires/interglaciaires (thèse V. Rojas, Direction L. Meynadier, IPGP). A Faire/ Poursuite des études minéralogiques/géochimiques sur l’évolution des sources et les liens climats/altération pendant les périodes interglaciaires. Soutenance de thèse de V. Rojas prévue au printemps 2016. Poursuite des analyses à très haute résolution des propriétés magnétiques (minéralogie, taille, concentration) des stades glaciaires (1 cm de résolution sur des intervalles choisis) en étroite corrélation avec les événements turbiditiques étudiés à EPOC.

Fait/ Un modèle d’âge basé sur des datations 14C à permis de préciser l’âge (holocène) de l’épaisse série carottée au site MD12-3417. L’étude sédimentaire des levées du système actif de chenal/levée (Ouest de la baie du Bengale) a démarré dans le cadre du stage de M2 de K. Fauquembergue (Univ. de Bordeaux ; encadrant S. Zaragosi) et de la thèse de Léa Fournier (EPOC, Bordeaux). Ces travaux portent sur le contrôle de l’activité turbiditique au cours des derniers ~ 10 000 ans. Ce travail est complété par l’étude des propriétés magnétiques (stage L3 de G. Marty ; encadrement E. Moreno, MNHN). De très nombreuses analyses ont d’ores et déjà été effectuées (plus de 1000 analyses granulométriques, études en lame mince, mesures XRF à haute-résolution). Par ailleurs, 410 analyses de la composition minéralogique de la fraction argileuses ont été effectuées et permettent de mettre en évidence un changement dans la zone source en érosion dans le basin versant du système fluviatile Gange/Brahmapoutre (Thèse de Ronan Joussain). La turbidite située dans la partie supérieure de MD12-3418 a fait l’objet d’une étude magnétique détaillée dans le cadre de la thèse de Cyrielle Tanty (dir. JP Valet) afin d’étudier le rôle de la turbulence sur l’alignement des grains magnétiques.

A faire / En raison des apports détritiques très importants associés à la dynamique de croissance des levées sédimentaires, les foraminifères sont extrêmement peu abondants dans les échantillons des carottes MD12-3417 et MD12-3418CQ. Afin de pouvoir extraire le maximum de foraminifères pour les études géochimiques (18O/13C et Mg/Ca) destinées aux reconstructions paléo-climatiques, un jeu de goulotte complet -prélevé le long de la carotte CAS MD12-3418CQ- a été entièrement échantillonné avec un pas moyen de ~ 4 cm. Malgré les grandes quantités de sédiment tamisées, les foraminifères extraits restent très peu nombreux. Leur analyse isotopique est prévue pour le printemps 2016 et va nécessiter que nous soyons particulièrement attentifs à la variabilité naturelle du signal au sein d’un même niveau (→ nécessité de travailler sur de multiples réplicas d’analyses mono-foraminifères). 140 échantillons sont en cours d’analyses pour obtenir la composition chimique des éléments majeurs et traces ainsi que la minéralogie du sédiment afin d’étudier la variabilité de l’état d’altérabilité du matériel alimenté par le système fluviatile Ganges / Brahmapoutre au cours de l’Holocène. Des analyses de l’Nd (et 87Sr/86Sr) sur 40 échantillons seront également faites début 2016 (thèse de Ronan Joussain) pour confirmer que la source est bien celle du Ganges.

Fait/ L’étude paléoclimatique de la série sédimentaire la plus australe de la campagne MONOPOLE, située sur la ride de 90°E et couvrant les 2 derniers Ma a été effectuée dans le cadre du stage de M2 de Marie-Casse (Univ. de Bordeaux, Encadrant B. Malaizé). Les résultats préliminaires ont fait l’objet d’une présentation au Congrès international de Paléocéanographie (ICP), Barcelone, Septembre 2013. A Faire/ La publication des données de la carotte MD12-3409 nécessite une analyse plus détaillée de la température (thermomètre Mg/Ca) des intervalles glaciaires (mal représentés statistiquement dans l’échantillonnage réalisé jusque-là). Des analyses complémentaires ont donc été programmées mais ont été retardées en raison des problèmes de l’ICP-AES du LSCE (cf plus haut). Les échantillons ont été préparés et seront analysés dès que les conditions analytiques seront jugées satisfaisantes.

Cette carotte est située au premier tiers de la baie du Bengale, entre les sites nord des carottes MD12-3412/MD12-3411CQ et la carotte située en dehors de la baie, sur la ride de 90°E (MD12-3409). Elle constitue donc une carotte cruciale pour étudier l’évolution des gradients hydrologiques latitudinaux (température, salinité) au cours du temps. Fait / L’analyse isotopique (D18O/D13C) a été effectuée sur foraminifères planctoniques (G ruber) jusqu’à 15m. La série sédimentaire couvre jusqu’au démarrage du MIS7 sur cet intervalle, avec en particulier un stade glaciaire bien défini. L’amplitude G/IG du signal isotopique reste cependant plus faible que dans le Nord du Golfe du Bengale. Les analyses Mg/Ca ont été effectuées sur les derniers 130 ka pour révéler les variations climatiques rapides. Les données obtenues sont cohérentes avec les enregistrements basses résolution existant dans le Golfe, mais ne peuvent résoudre la variabilité milléniale en raison de phases d’absences de foraminifères sur de nombreux niveaux. Cependant, l’analyse à basse résolution couplée D18O/Mg/Ca indique une influence de la précession sur la salinité de surface dans le cœur du Golfe du Bengale (présentation à la conférence INQUA, Nagoya, Août 2015). Du point de vue de l’étude sédimentologique, des plaquettes ont été réalisées à l’été 2015 et analysées par SCOPIX et fluorescence-X à EPOC dans le cadre de la thèse de Léa Fournier (Univ. de Bordeaux). A faire : la stratigraphie isotopique (foraminifères planctoniques) doit être prolongée au-delà de 15m.

L'analyse pollinique d'échantillons marins provenant de deux carottes sédimentaires (NGHP-01-16A et NGHP-01-19B) localisées au large des embouchures de Godavari et Mahanadi, deux fleuves situés dans la Core Monsoon Zone, a été réalisé par Coralie Zorzi (Master 2, EPOC, 2013). Il a été présenté à l’INQUA 2015 (Nagoya, Japon) et vient d’être publié dans Quaternary Science Reviews (2015). Cette étude révèle des changements dans la variabilité et l'intensité de la mousson indienne au cours de trois périodes climatiques très contrastées : l'Holocène (notre interglaciaire qui a débuté il y a 11,700 ans), le stadiaire de Heinrich 2, ~26 000-23 000 ans avant le présent (BP) et la dernière entrée en glaciation, transition entre les stades isotopiques marins 5 et 4 entre 80 000 et 70 000 ans BP. Durant la première partie de l'Holocène, entre 11 300 et 4 200 ans BP, caractérisée par une forte insolation (minimum de précession et maximum d'obliquité), nous détectons d'importantes précipitations estivales, liées à une intensification de la mousson d'été. Ce régime climatique contraste avec la sécheresse de la seconde phase de l'Holocène, de 4 200 à l'actuel. La période historique se caractérise par une alternance centennale de forte et de faible mousson qui pourrait correspondre, respectivement, à l'Anomalie Climatique Médiévale et au Petit Age Glaciaire. Le stadiaire de Heinrich 2, caractérisé par une faible insolation et par la décharge massive d'icebergs dans l'Atlantique Nord, est marqué par une période de forte aridité induite par une très faible mousson d'été. Si la dernière entrée en glaciation est aussi associée à une faible insolation, elle se distingue par un flux modéré d'iceberg dans l'Atlantique Nord. En Inde, cet intervalle se caractérise par une faible mousson d'été et par une réduction du contraste saisonnier. Nos résultats confirment les prédictions réalisées par les modèles suggérant que les changements d'insolation contrôlent la variabilité long terme de la mousson indienne mais que les variations et l'intensité à l'échelle millénaire sont modulées par des processus de téléconnexions atmosphériques en lien avec des phénomènes climatiques dans l'Océan Atlantique Nord, l'Eurasie ou l'Océan Indien.

3 – Faits marquants / Jalons importants du programme ANR MONOPOL

Les données recueillies jusque-là permettent d’ores et déjà de dégager un certain nombre de résultats importants concernant:

(i) la modalité d’enregistrement des signaux paléocéanographiques (e.g. paléo-productivité et 13C) par les faunes benthiques (stage de M2 de N. Haddam ; Communication orale aux Journées Climat et Impacts, Orsay, 2014 et article en cours de préparation). Ces résultats nous permettant d’optimiser le choix de certaines espèces, certaines relativement endémiques, pour reconstruire les changements de paléo-productivité en baie du Bengale ; (ii) l’évolution des températures tropicales aux échelles glaciaires/interglaciaires à travers la transition du Pléistocène Moyen, vers 1 Ma (stage M2 de M. Casse). Il s’agit des premières données de températures de surface (SST) reconstruites à l’aide du rapport Mg/Ca à travers la révolution du Pleistocène moyen dans l’Est de l’Océan Indien. Ces données mettent en évidence une baisse sensible des minima des températures glaciaires à travers le Pléistocène Moyen. Des différences notables existent avec les enregistrements de SST du Pacifique Ouest ce qui se traduit par une évolution marquée des gradients de SST en surface, suggérant des réorganisations hydrologiques importantes et un impact probable sur les quantités de chaleur échangées entre les océans Pacifique et Indien à travers l’archipel indonésien (présentation au congrès ICP 2013 et à l’EUG 2915 ; article en préparation) ; (iii) la réponse sédimentologique (minéralogie, granulométrie, éléments majeurs et traces, Nd et 87Sr/86Sr) aux changements d’intensité de la mousson et du niveau marin (stage de M2 puis travail de thèse, en cours, de R. Joussain). Nos résultats permettent en particulier de mettre en évidence des changements de source importants entre glaciaire et interglaciaire, traduisant des changements d’intensité de l'érosion physique entre la haute et la base chaîne de l'Himalaya et dans la dynamique de transfert du matériel sédimentaire au cône sous-marin du Bengale (article en préparation). (iv) l’histoire du système de chenaux/levées de la baie du Bengale (ie. déplacement latéral des systèmes actifs ; comparaison d’un système actif (carottes MD12-3417 et MD12-3418CQ) et d’un système inactif (carotte MD12-3412)). Thèse en cours de L. Fournier. (v) le lien entre évolution climatique rapide et pulses détritiques pendant l’Holocène et la dernière période glaciaire (stage M2 de K. Fauquembergue et thèse de L. Fournier). (vi) Utilisation des propriétés magnétiques et de la fabrique magnétique (anisotoprie, orientation préférentielle des grains magnétiques) pour reconstruire la variabilité climatique rapide au stade glaciaire et la dynamique de dépôt. (vii) le lien entre le forçage climatique, la réponse sédimentaire et les traceurs géochimiques de l’érosion (travail de thèse de V. Rojas avec en particulier la mise en évidence d’un comportement différencié entre le Nd détritique et le Nd de l’eau de mer. (viii) L’étude comparative des profils de l’Nd obtenus à l’aide des stations de prélèvements d’eau pendant la campagne MONOPOL avec ceux publiés, à une autre saison, dans le cadre du programme GEOTRACES permet de montrer, pour la première, une saisonnalité dans les apports de Nd à l’océan par le Gange modifiant la signature isotopique en Nd des masses d’eau de surface et intermédiaire de la baie du Bengale.