Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par l’analyse des isotopes stables (18O et 13C) des carbonates secondaires Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie Travaux d’archéologie préventive (tracé du TGV-Méditerranée) Données pluridisciplinaires Interactions entre dynamique des climats et évolution paléogéographique en MVR -Travaux de corrélations stratigraphique Présence d’enregistrements carbonatés (JF. Berger) -Matériel archéologique -Datations 14C Les carbonates pédologiques sont présents au cours de l’holocène : - De façon assez systématique dans les fossés (structures archéologiques) - De façon cyclique dans les dépôts de plaine alluviale (colluvions de crues, paléosols, chenaux …) - Leur présence est synchrone sur l’ensemble des sites Séquence alluviale : Période moderne et contemporaine Bollène-Pont de la Pierre (Tricastin) 4 m 50 Absence de carbonates * * * * Niveau médiéval Niveau antique Age du Fer (milieu Vè/ milieu IVè siècle av. J.C.) * * * * * * * * * * * * Niveau Holocène moyen/ancien * * Tardiglaciaire (1330011500 av. J.-C.) Alluvions du Lauzon Datations relative ou par extrapolation Datations 14C (sur charbons de bois) * CaCO3 Age du Bronze (1400-1120 av J.-C.) Néolithique moyen/ancien (4649-4344 av. J.-C.) Présence de carbonates : Phases de stabilisation des cours d’eau Conditions climatiques plus chaudes et plus humides qu’aujourd’hui (Phénomènes évaporatoires plus importants) Depuis 1984 (Cerling) Approches pétrographiques et géochimiques Précisent le rôle d’archives paléoclimatiques et paléoenvironnementales des carbonates Domaine méditerranéen Utilisation des carbonates pédologiques méditerranéens à des fins de reconstitutions paléoclimatiques ? Caractérisation des climats et des environnements postglaciaires rhodaniens 1/ Compréhension des fluctuations des teneurs isotopiques en contexte méditerranéen 2/ Traduction de ces fluctuations - Analyses des variations latitudinales de la limite nord des systèmes méditerranéens - Identification des mécanismes à l’origine de l’évolution du signal isotopique Caractérisation des climats et des environnements postglaciaires Objectifs : •1/ Caractérisation de la zone d’étude • Compréhension des phénomènes responsables de la présence des carbonates pédologiques dans les sols alluviaux •2/ Approche morphologique et sédimentologique • Caractérisation des différents types de carbonates prélevés • Etude des liens pouvant exister entre eux • 3/ Approche isotopique • Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates • Compréhension du signal : création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C) 1/ Caractérisation de la zone d’étude Compréhension des phénomènes responsables de la présence des redistributions • Présentation de la moyenne vallée du Rhône Situation géographique des micro-régions concernées Localisation des sites Les facteurs climatiques • Extension spatiale de la zone d’étude pour la recherche de carbonates actuels Observations de terrain Conclusions : conditions favorables à la précipitation de la calcite dans les sols alluviaux 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Situation géographique Micro-régions concernées : Sur le Transect du TGV-Méditerranée : 1 – Bassin valdainais 1 2 210 km 4 3 Limite nord actuelle du climat méditerranéen 2 - Plaine alluviale du Tricastin 3 - Plaine d’Orange Informations des carbonates rendent Hors Transect du TGV-Méditerranée : compte de la spatialisation des phénomènes étudiés: 4 en – Basse vallée du Vidourle -Mise évidence de tendances régionales - signatures plusfine locales - Résolution et continue -Signal isotopique caractéristique des régions côtières 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (la MVR) Valdaine : 3 Séquences 305 mg/L 288 mg/L Tricastin : 9 Séquences 281 mg/L 320 mg/L 274 mg/L Plaine d’orange 2 Séquences 315 mg/L [HCO3-] 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (le Vidourle) 640 mg/L Lunel Montpellier 705 mg/L Aimargues Marsillargues Aigues-Mortes Séquences Vidourle 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Facteurs climatiques Flux de nord-ouest (Atlantique nord) Massif Central Valence Montélimar T moy = 13°C P annuelles = 913 mm Orange T moy = 13,8°C P annuelles = 695 mm Flux d’ouest (Mélange) Montpellier Delta du Rhône Aigues-Vives T moy = 14°C P annuelles = 652 mm Malgré une saison sèche marquée : Flux de sud (Méditerranée) - bas étiage des principales rivières - seuil de sécheresse biologique franchi Pas de carbonatations actuelles 1/ Caractérisation de la zone d’étude : extension de la zone d’étude 269 mg/L Béziers 50 km N FRANCE 188 mg/L Tmoy =14.7° P = 573 mm Perpignan ESPAGNE Les carbonates secondaires sont présents : Lorsque les températures 290 mg/L Dosquers CATALOGNE 180 mg/L Tmoy = 14.3 °C Gerona P = 817 mm Tmoy = 14.8 °C P = 688 mm sont supérieures à 14°C Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm Barcelone 189 mg/L P = 530 mm Montroig Tmoy = 15.3 °C Benifallet P = 609 mm La Senia 244 mg/l Implication d’un paramètre Supplémentaire : Tmoy = 16.2 °C El Catlar Tmoy = 15.1 °C P = 693 mm Présence de carbonates Absence de carbonates [HCO3-] > 290 mg/L 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Bilans hydriques Piolenc P, ETP ou ETR (mm) Barcelone P, ETP ou ETR (mm) 200 4 150 100 50 3 2 1 200 150 4 100 3 0 j 0 j f m a m j j a s Précipitations o n 2 50 f m a m j j a s o n d d ETP 1 - Surplus alimentant l'écoulement ETR Excédent climatique (ETP < P) 2 - Reconstitution de la RU 3 - Evaporation (au détriment de la réserve) 4 - Déficit hydrique Déficit climatique (ETP > P) 1/ Caractérisation de la zone d’étude : conclusions Paramètres climatiques : rôle important dans la précipitation des carbonates pédologiques T moy supérieures à 14°C P annuelles < 700 mm Bilans hydriques : déficit climatique précoce (dès le début du printemps) déficit hydrique assez important (> 100 mm) Teneurs en bicarbonates Supérieures à 290 mg/l (nécessité d’un bassin versant dominé par les roches calcaires) Caractérisation des environnements et des climats postglaciaires Objectifs : •1/ Caractérisation de la zone d’étude • Conséquences sur les phénomènes de dissolution-précipitation de la calcite dans les sols •2/ Approche morphologique et sédimentologique • Caractérisation des différents types de carbonates Prélevés • Etude des liens pouvant exister entre eux • 3/ Approche isotopique: • Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C) Approche morphologique et sédimentologique Structure et géométrie des carbonates Objectifs : - caractérisation des différentes formes prélevées - détermination des liens éventuels existant entre ces différentes formes de redistributions carbonatées • Comparaison des carbonates fossiles et actuels Observations à la loupe binoculaire Caractérisation minéralogique par diffractométrie (Rayonx X) • Etude du matériel fossile Observations au MEB (informations sur la structure des carbonates et la composition du matériel) 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons Matériel fossile Matériel actuel (Espeluche-Lalo) Dosquers Manchons 1 cm 0,5 cm Rhizolithes 0,5 cm 1 cm Agglomérats 0,5 cm 0,5 cm Nodules 0,5 cm 0,5 cm 0,5 cm Nodule actuel 2500 Nodule fossile 2000 counts 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons 3000 2500 2000 1500 1500 1000 500 0 1000 500 0 0 20000 40000 0 60000 20000 40000 60000 Matériel fossile : Espeluche-lalo (Valdaine) Manchon actuel 2500 2000 1500 Matériel actuel: 1500 1000 1000 Dosquers (Espagne) 500 500 0 20000 0 40000 500 0 60000 1000 1500 0 20000 40000 60000 Rhizolithes fossiles 3000 counts counts Manchon fossile 2000 Caractérisation minéralogique : Spectres rayons X 2500 2000 Spectres comparables 1500 1000 500 Deux composants essentiels : 0 0 20000 40000 °2θCuKa 60000 - la calcite (CaCO3) - le quartz (SiO2) 2/ Approche morphologique et sédimentologique : constat Premier constat Il semble possible d’établir un premier lien entre carbonates actuels et fossiles : - les différentes formes de carbonatation observées dans les sols modernes et anciens sont comparables (taille, aspect, population) - La Calcite et de Quartz en sont les constituants principaux Les différents traits carbonatés actuels sont tous observé dans un même sondage (cohabitation) Ils sont présents entre 20 et 30 cm de profondeur (sur racines de chênes verts, houx, lierre, graminées de sous-bois) Existe-t-il d’autres points communs entre les différentes formes carbonatées ? 2/ Approche morphologique et sédimentologique : étude du matériel fossile MEB : Observation de la partie interne du matériel (rétrodiffusion) (Montdragon-la Prade/Tricastin) Titane Calcite Quartz Albite Silice Rhizolithe Matrice constituée de calcite (traces de Si, Al, Fe, Mg) Agglomérats Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al) Nodule Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al, Mg, Ti) Eléments constitutifs de la matrice → matériel jeune Présence d’Albite → transport faible ou sur de courtes distances Présence de grains détritiques dans matrice → précipitation « in situ » (Ségal & Stoops, 1972; Verrecchia, 1989) 2/ Approche morphologique et sédimentologique : étude du matériel fossile MEB : Observations de la partie externe du matériel 370 µm 280 µm Rhizolithes 250 µm 100 µm Agglomérats 100 µm Nodules 14 µm Partie externe -Empreintes de cellules (moulage racine) - Matrice micritique, grains détritiques - Présence de filament de calcite 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Conclusions Caractérisation minéralogique Spectres actuels et fossiles comparables Présence majoritaire de calcite Observations au MEB Similitudes stucturales entre les différents formes de carbonatation Mise en évidence du rôle de la rhizosphère Traces d’empreintes de racines Précipitation « in situ » → Présence de grains détritiques Cohabitation Modes et conditions de formation étroitement liés Synthèse des parties 1/ et 2/ Dans les plaines alluviales : 1 - Les carbonates pédologiques précipitent au contact de la rhizosphère … 2 - Sous des conditions plus chaudes et plus sèches que le climat actuel de la moyenne vallée du Rhône 3 – Des liens étroits lient les différents traits de carbonatation MODE DE FORMATION EN 2 ETAPES Formation des dépôts sur racine et des rhizolithes Après dissolution, migration et stockage de la calcite au niveau de la rhizosphère (par pompage radiculaire au printemps lorsque l’ETP augmente) - Formation des agglomérats et des nodules Lorsque la charge dissoute est abandonnée : en période de sécheresse hydrique lorsque la diminution de l’ETP et la déshydratation de l’atmosphère du sol favorisent l’évaporation de la solution Conséquences sur le signal isotopique des carbonate ? Caractérisation des environnements et des climats postglaciaires Objectifs : •1/ Caractérisation de la zone d’étude • Conséquences sur les phénomènes de dissolution-précipitation de la calcite dans les sols •2/ Approche morphologique et sédimentologique • Caractérisation des différents types de carbonates Prélevés • Etude des liens pouvant exister entre eux • 3/ Approche isotopique: • Caractérisation géochimique (18O et 13C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C) 3/ Approche Isotopique Interprétation du signal isotopique des carbonates pédologiques Objectifs : - Comprendre les variations du contenu isotopique (18O et 13C) des carbonates pédologiques en termes de paramètres climatiques et environnementaux dans le contexte de la zone d’étude - Traduire ces variations • Traçage isotopique du carbone -13 et de l’oxygène -18 (référentiel actuel) Les données de terrain (gaz du sol, pluies locales) Conséquences des teneurs actuelles en terme d’interprétation • Evolution du signal isotopique (18O et carbonatées fossiles 13C) des redistributions Variabilité du signal à l’échelle de la zone d’étude Variabilité du signal pour la période holocène 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Les données de terrain Signal du CO2 du sol (profondeur = 30 cm) 0 13 d C (‰ vs. PDB) Signal enrichi (paysages ouverts) -5 Signal intermédiaire (paysages semiouverts) -10 Signal appauvri (paysages fermés) -15 -20 -25 MVR Bas Languedoc/Espagne 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Sols alluviaux Ripisylve Calcaire colluvial Chênaie sol colluvial Végétation reconquête Sol colluvial Pinède Les données de terrain Signal du 13C des carbonates actuels d 13 CCaCO3 (‰ vs. PDB) 0 Petits rhizolithes -2 Nodules -4 Manchons Dépôts sur racines -6 Petits nodules ronds -8 -10 -12 Les teneurs en 13C du matériel carbonaté actuel : - sont indépendantes du matériel ou du sol - semblent dépendantes de l’environnement végétal 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Existe-t-il un lien entre d13CCO2 et d13Ccarbonates ? (milieu végétal fermé) -21,4 ‰ CO2 du sol : e e de l’ordre de 10,9 ‰ CaCO3 : -11,1 ‰ à -10,7 ‰ Valeurs attendues Précipitation à l’équilibre isotopique -10,5 ‰ Valeurs obtenues Les carbonates actuels semblent précipiter à l’équilibre isotopique avec le CO2 du sol e entre phase gazeuse et phase solide :de 10,28 ‰ (Deines et al. en 1974) à 10,7 ‰ (Bottinga,1968) 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Conclusions : Le CO2 du sol -Produit une information sur la nature de l’environnement végétal stationnel (ouverture / fermeture) Toutefois - Deux essences issues d’un même milieu de transition peuvent produire des signaux isotopiques différents ! Prudence lors de l’interprétation des teneurs en 13C des carbonates Les carbonates pédologiques semblent précipiter à l’équilibre isotopiques avec le CO2 du sol (une information sur l’ouverture du milieu végétal) : - des teneurs enrichies reflètent un milieu végétal ouvert - des teneurs appauvries reflètent un milieu végétal fermé 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Carbonates pédologiques issus de sols et paléosols alluviaux (Cerling et al., 1988 ; Pendall & Amundson, 1990 ; Marion et al., 1991 ; Wang et al., 1996 ; Baker et al., 2000 ; Srivastava, 2001…) Variations signal des carbonates Précipitation horizons superficiels (prof. < 30 cm) Précipitation profondeurs > 30 cm Variations du signal pluie Moyenne (Signal pluie + signal nappe) (Hseich et al., 1998) (Quade et al., 1989a) Observations de terrain : les carbonates se forment à des profondeurs Inférieurs à 30 cm (mais toutefois relativement proches de ce seuil) Signal des pluies locales (mais prudence !) 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Distribution des d18O des pluies moyennes annuelles pour la zone d’étude Origine Atlantique nord d18O = - 8,48 ‰ Origine mixte d18O = - 7,01 ‰ LYON P = 599 mm d18O = -4,05 ‰ MONTPELLIER P = 688 mm d18O = -5,14 ‰ P = 824 mm d18O = -7,5 ‰ AVIGNON GERONE BARCELONE TORTOSA P = 592 mm d18O = -4,82 ‰ P = 609 mm P = 660 mm d18O = -5,4 ‰ Gros épisodes pluvieux méditerranéens d18O = -4 ‰ Celle, 2000 Origine méditerranéenne d18O = - 4,62 ‰ Stations côtières: recharge vapeur atmosphérique marine permanente (pluies enrichies) Stations continentales: vapeurs atmosphériques d’origine atlantique Signal pluie : origine des masses d’air 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Nos carbonates enregistrent-il le signal des pluies locales (via la solution du sol)? Précipitation à l’équilibre isotopique avec l’eau du sol d18OCaCO3 - d18Oeau du sol = e Données de terrain (Catalogne) Et données I.A.E.A. : d18OCaCO3 - d18Opluie = +0,5 ‰ (e moyen) Région méditerranéenne : Enrichissement de +1‰ entre signal pluie et solution du sol ? Estimation de l’enrichissement d18OCaCO3 et d18Oeau du sol = -0,5 ‰ Température de précipitation de l’ordre de 19°C (=moyenne bimensuelle mai/juin pour la région de Barcelone) Précipitation des carbonates à l’équilibre isotopique avec la solution du sol (enregistrement du signal pluie !) 3/ Approche isotopique : Conclusions traçage isotopique des carbonates Carbonates pédologiques méditerranéens actuels Grande cohérence avec les schémas préalablement établis Précipitation à l’équilibre isotopique avec : → le CO2 du sol (signal de la végétation stationnelle) Teneurs enrichies : milieu végétal ouvert Teneurs appauvries : milieu végétal fermé Précipitation à l’équilibre isotopique avec : la solution du sol (signal des pluies locales) Teneurs enrichies : influences méditerranéennes Teneurs appauvries : influences atlantiques Hypothèse : modes de formations comparables entre carbonates fossiles et actuels : Utilisations des précédents résultats pour reconstitutions paléoclimatiques et paléoenvironnementales en contexte méditerranéen 3/ Approche isotopique : Evolution du signal Distribution des teneurs isotopiques moyennes (18O et 13C) pour les formes de carbonatations fossiles les plus fréquentes (458 analyses) Petits rhizolithes Assemblage Nodules -8 13 d C (‰) -8.4 -8.8 -9.2 (phénomènes évaporatoires) -9.6 -10 -6 -5.8 -5.6 -5.4 -5.2 -5 -4.8 -4.6 d 18O (‰) Résultat confirmés par les mesures effectuées sur les carbonates actuels : le signal des nodules est systématiquement enrichi d’environ 0,25 ‰ Nécessité d’effectuer une correction sur les nodules (de -0,25 ‰) 2000 AD SYNTHESE Petit Age Glaciaire Evolution du signal isotopique des Période chaude du Haut Moyen Age carbonates pédologiques et début Plainede d’Orange) Période(Tricastin chaude du l’Empire romain 1000 AD 1000 AD 0 1000 1000 Crise climatique du Bronze ancien 2000 2000 Age ( 14C années cal. BC) 3000 3000 4000 4000 Crise climatique du néolithique récent/final 5000 5000 Flux de sud Fermeture majoritairesdes (plus chaud)paysages 6000 6000 7000 7000 Période plus fraîches et fermeture du milieu végétal (Holocène ancien) 8000 8000 9000 9000 10000 10000 18 O O d18d O 18 C d13d C 13C 13 11000 12000 13000 -3 -4 -5 -6 -7 -8 ‰ versus PDB -9 Pont de la Pierre Pont de la Pierre Bol. Bartras Bol. Bartras Les Malalones Les Malalones Mond. le Duc Mond. le Duc Brassières (nord) Brassières (nord) Brassières (sud) Brassières (sud) Mond. Les Ribauds Mond. Les Ribauds Julièras Julièras La motte le Chêne La motted'orange le Chêne Plaine Plaine d'orange -10 -11 -12 Phase de réchauffement postglaciaire (apparition des carbonates dans les sols) 013000 0031 012000 0021 11000 00011 010000 0001 9000 0009 8000 0008 7000 0007 6000 0006 0 05000 005 )CB .l ac seénn a C41 ( e gA 04000 004 03000 003 02000 002 01000 001 00 1000 AD DA 0001 AgeAge (14C (années cal. BC) 14C années cal. BC) -3 Influences méditerranéenne plus marquées (plus chaud) -4 -5 Gradient latitudinal -6 Enrichissement avec la Influencesde Atlantiques proximité la côte plus -7 marquées (plus froid) Mise en place du climat méditerranéen dans le Tricastin et la plaine d’Orange errei P al ed tno P sartraB .loB senolalaM seL cuD el .dnoM )dron( serèissarB )dus( serèissarB sduabiR seL .dnoM sarèiluJ enêhC el ettom aL egnaro'd enial P seugramiA seugrallisraM Vidourle Tricastin/Orange Valdaine nitnatsnoC ecarcnaP olaL -ehculepsE d18O (‰ vs PDB) D2000 A 0002 AD 3/ Approche Isotopique : Evolution du signal (SYNTHESE) Existence de conditions climatiques comparables au climat actuel (Tricastin, plaine d’Orange) et pour la première fois en Valdaine ! Constantin Gradient isotopique : v Pancrace 1 ‰ par degré de latitude Espeluche-Lalo Pont de la Pierre Bol. Bartras Effet de continentalité Les Malalones Mond. le Duc Brassières (nord) Brassières (sud) Mond. Les Ribauds Signal pluie Indications produites par les carbonates conformes aux schémas établis par les paléoenvironnementalistes pour la MVR Gradient isotopique latitudinal Echantillons du Vidourle enrichis : - effet de continentalité moins marqué et vapeurs athmosphriques méditerranéennes Mais - tendances comparables à celles de la MVR : impact régional Echantillons valdainais appauvris : - conditions climatiques plus fraîches (limite climatique moyenne du climat méditerranéen centrée sur une zone comprise entre Avignon et le Tricastin) - vers 1300 av. J.-C. (Bronze final I), la Valdaine est pour la première fois sous influences méditerranéennes Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires Conclusions générales 1/ Caractérisation du climat actuel Equilibres complexes entre paramètres climatiques et teneur en HCO3- des nappes 2/ Approche morphologique et sédimentologique Détermination des paramètres favorables à la formation des carbonates Mise en évidence de liens étroits entre les différents traits carbonatés 3/ Approche isotopique Compréhension du signal du 13C et du 18O Schéma d’évolution global Précisions sur les fluctuations de position du front méditerranéen au cours de l’Holocène Carbonates pédologiques Traceur fiable Liens possibles entre fluctuations du 14C et 18O des carbonates Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires Conclusions générales • Apports méthodologiques : Caractérisation du signal des carbonates pédologiques en contexte méditerranéen Intérêt de l’emploi des carbonates pour l’approche environnementale des milieux holocènes Apports des carbonates Oxygène -18 : indicateur de l’origine des pluies locales Carbone -13 : précisions sur végétation stationnelle • Perspectives : Compléter les données actuelles pour affiner notre référentiel (signal en 13C des carbonates) Comparaisons avec données lacustres (bilans hydriques) Interprétation affinée sensibilité des carbonates