mémoire d`ingénieur

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Conservatoire National des Arts et Métiers
CENTRE D’ENSEIGNEMENT DE PARIS
MEMOIRE
présenté en vue d’obtenir
Le DIPLOME D’INGENIEUR CNAM
Spécialité : Construction, Aménagement
Option : Géotechnique
par
Vincent SCAO
Détermination des paléotempératures des océans à
partir du rapport Mg/Ca des foraminifères
soutenu le 25 juin 2013
JURY
Président : M. Ph. Delmas Professeur de titulaire de la Chaire de Géotechnique
Membres : M. O. Fouché Maître de Conférences CNAM, encadrant
Mme M-C. Morel Fourcade Maître de Conférences CNAM
M. T. Dokken Directeur de Recherche, Bjerknes center Uni Bergen
M. D. Blamart Directeur de Recherche, CEA-LSCE
Remerciements

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Je voudrais tout d’abord remercier tous ceux qui, tout au long de mon parcours au CNAM,
m’ont aidé et encouragé et ont permis la réalisation de ce travail.
Je remercie Philippe Delmas pour avoir accepté d’être le président de ce jury.
J’exprime mes remerciements à Dominique Blamart et à Marie-Christine Morel-Fourcade,
qui ont chacun accepté d’examiner ce travail et pour leur participation en tant que membres
du jury.
Je remercie vivement Olivier Fouché d’avoir suivi ce travail, pour son regard critique et ses
riches discussions au travers de la rédaction de ce mémoire. Je lui suis reconnaissant de
m’avoir encouragé et aidé à aller jusqu’au bout de cette épreuve.
Je remercie ici tout particulièrement Trond Dokken de m’avoir accueilli au sein du
Bjerknes Center for Climate Research et de m’avoir fait confiance pour la réalisation de ce
projet de recherche. De nombreuses opportunités m’ont été offertes durant ce long séjour
en Norvège, tant professionnelles que personnelles, et je tiens chaleureusement à lui rendre
hommage et lui exprimer mon entière reconnaissance.
Un grand merci à Amandine Tisserand pour sa collaboration tout le long de ce projet et
pour la mise en place de cette méthode analytique. J’ai très apprécié travailler avec elle de
par sa rigueur et sa gentillesse. Merci aussi à Jørund Strømsøe qui, après avoir découvert
les foraminifères, a pris la suite du laboratoire.
J’exprime aussi toute ma reconnaissance aux membres du Bjerknes Center for Climate
Research (BCCR) de Bergen, à son directeur Eystein Jansen, ainsi qu’à Kerim, Bjørg,
Emil, Jostein, Camille, Øyvind, Elin, Benjamin et tous ceux que j’ai croisé de près ou de
loin, pour leur accueil et leur gentillesse.
Je tiens à remercier également tous mes collègues du Laboratoire des Sciences du Climat et
de l’Environnement (LSCE) de Gif-sur-Yvette, bien sûr ceux de l’équipe Chronomag qui
m’ont accompagné depuis le début de mes années au CNAM, et tout particulièrement
Hervé Guillou et Sébastien Nomade pour leur disponibilité, leurs encouragements, et leur
soutien sans faille lors de la rédaction de ce mémoire.
Une pensée particulière à mes camarades du CNAM, Carole et Sven, avec qui j’ai partagé
mes belles premières années CNAM et les enrichissantes sorties de terrain.
Un grand merci à mon père, à ma mère qui aurait été fière de ce travail abouti, à toute ma
famille et mes amis pour leurs encouragements, leur patience durant toutes ces années.
Enfin, tout cela n’aurait été possible sans le soutien et le courage impérissable de ma fleur
éternelle Jeanne et de nos deux petites pousses Mona et Lou. Merci pour votre confiance et
votre présence tout au long de cette aventure.

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Table des matières
Remerciements……………………………………………………………………. p 2
Table des matières……………………………………………………………….... p 3
Acronymes………………………………………………………………………... p 6
Liste des figures et tableaux……………………………………………………..... p 7
Introduction générale………………………………………………………… p 11
PARTIE 1 Contexte d’étude
1.1 L’étude des climats anciens…………………………………………… p 13
1.1.1 Le système climatique
1.1.2 Les archives du climat
1.1.3 La modélisation du climat
1.2 Le changement climatique…………………………………………….. p 19
1.2.1 Qu’est-ce que la variabilité climatique
1.2.2 Les causes de changements climatiques
1.3 Paléocéanographie et géochimie marine………………………………. p 25
1.3.1 La circulation océanique
1.3.2 La paléocéanographie
1.3.3 Les archives sédimentaires marines
1.3.4 Les foraminifères marins
1.3.5 La géochimie marine
1.4 La détermination de paléotempératures de l’eau de mer
La méthode Mg/Ca………………………………………………... p 35
1.4.1 Le paléothermomètre Mg/Ca
1.4.2 Les limites de la méthode Mg/Ca
PARTIE 2 Les techniques de forages scientifiques en mer et outils géotechniques
embarqués
2.1 Les forages scientifiques…………………………………………...….. p 39
2.1.1 Point de départ des forages scientifiques océaniques
2.1.2 Le programme IODP

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2.1.3 Le programme IMAGES
2.1.4 Le N/O Marion Dufresne et ses carottiers
2.2 Etude sur l’instrumentation du carottier Calypso pour l’amélioration de la
qualité des carottes sédimentaires………………………………..... p 48
2.2.1 Les éléments du carottier à piston Calypso
2.2.2 Principales perturbations de la qualité d’une carotte de sédiment
2.2.3 Importance des réglages liés au câble du piston
2.2.4 Méthodes et réglages pour cette amélioration
2.2.5 Instrumentation pour l’étude de la cinématique du carottier
2.2.6 Modélisation du comportement du carottier
2.3 Outils de géotechnique marine………………………………………… p 60
2.3.1 Le pénétromètre Penfeld
2.3.2 Le piézomètre différentiel
2.3.3 Le scissomètre marin
2.3.4 Le module géotechnique
PARTIE 3 Méthodes instrumentales et procédures analytiques pour la
détermination du Mg/Ca de la calcite des foraminifères.
3.1 Les objectifs et étapes de la conduite du projet p 66
3.2 Contexte analytique de la méthode Mg/Ca………………………….... p 68
3.3 Procédure de préparation et de nettoyage des échantillons de
foraminifères……………………………………………………………… p 69
3.3.1 Les techniques de nettoyage
3.3.2 Protocole de nettoyage utilisé
3.4 Qualité des données et efficacité du nettoyage…………………….… p 71
3.5 Détermination du Mg/Ca par ICP-OES…………………………….… p 72
3.5.1 L’instrument et les conditions d’opération
3.5.2 Raies spectrales d’émission, sensibilité et effet de matrice
3.5.3 Calibration par rapport à l’intensité
3.5.4 Précision instrumentale à court et long terme
3.6 Blanc analytique et implications pour la détermination du Mg/Ca…... p 80
3.7 Calibration inter-laboratoire de standards pour la thermométrie
Mg/Ca…………………………………………………………………. p 81

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PARTIE 4 Application : calibration du rapport Mg/Ca de la calcite des
foraminifères benthiques en fonction de la température des eaux
profondes de l’océan tropical occidental
4.1 Contexte paléocéanographique……………………………………...… p 85
4.1.1 Les campagnes océanographiques RETRO
4.1.2 Localisation des carottes de RETRO 1 (Brésil)
4.2 Matériel et méthode………………………………………................... p 89
4.2.1 Echantillonnage
4.2.2 Méthode analytique
4.3 Résultats………………………………………………………………. p 91
4.3.1 Données Mg/Ca de Cibicidoides kullenbergi
4.3.2 Données Mg/Ca de Cibicidoides wuellerstorfi
4.3.3 Reconstitution des paléotempératures de l’Atlantique tropical
occidental au cours de la dernière déglaciation.
Conclusion générale………………………………………………………….... p 100
Résultats et faits marquants……………………………………………………… p 102
Références bibliographiques …………………………………………………… p 103
Valorisation scientifique …………………………………………………….. p 110
Annexe…………………………………………………………………….……... p 111