Les Foraminifères planctoniques « un outil roi en paléontologie
Transcription
Les Foraminifères planctoniques « un outil roi en paléontologie
Les Foraminifères planctoniques " un outil roi en paléontologie" F.Eynaud Page 1 Introduction : photo d’un test de foraminifère actuel ( x 50 environ) Page 2 Plan Page 3 A. l’outil foraminifères : écologie , intérêt climatologique Page 4 I Les Foraminifères : foramen : "petit trou" ferre : " porter " Classification : règne= Protistes sous règne=Protozoaires embranchement=Rhizoflagellés classe=Rhizopodes ordre=Foraminifères Page 5 _ ils sont strictement marins , appartenant au zooplancton _ environ 40 espèces actuelles aux stratégies écologiques variées ( 6000 espèces actuelles benthiques+ planctoniques , 3000 espèces planctoniques fossiles) formes spinoses :. le test porte des épines . carnivores et associés à des algues symbiontes au niveau de la couronne d’épines . ex : O.universa formes non spinoses :. le test ne porte pas d’épines . herbivores et ne portent pas de symbiontes ( puisque pas d’épines ) Page 6 _ cycle de reproduction bimodal = asexué et sexué . formes macrosphériques → gamontes ( reproduction sexuée rare) ( proloculum de grde taille) . formes microsphériques → schizontes ( reproduction asexuée ) ( petit proloculum ) Page 7 _ test intraectoplasmique minéralisé calcite/aragonite doublé par une basale chitineuse. Succession de loges . Proloculum = loge initiale. Enroulement spiralé et test perforé. Page 8 _ formes enroulées : . planispiralées évolutes ou involutes . trochospiralées ( enroulement hélicoîdal). Dans ce cas la face dorsale est évolute et la face ventrale involute → erreur de classification Ammonoïdés par Alcyde d’Orbigny Page 9 _ sens d’enroulement ≠ au sein d’un même morphotype Il s’observe commodément sur la face ventrale où il y a l’ouverture, en partant de la loge la plus petite vers la plus grande dextre photographie de N.Neogloboquadrina senestre Ce sens d’enroulement est caractéristique d’environnements différents (au point de vue T°C). ex : N.pachyderma - senestre dans les eaux polaires - dextre dans les eaux tropicales Mais, selon les espèces, le sens senestre ou dextre peut indiquer aussi bien le chaud et le froid→ complexité Page 10 _ la taille : elle varie entre 50µ et 1mm pour les planctoniques (on observe les plus gros là où les températures de surface sont élevées). taille < 150µ : ce sont des formes juvéniles peu évoluées et ensuite les structures évoluent → on choisit pour les études plutôt les formes adultes dont la taille > 150µ → utilisation de tamis de maille Ø 150µ et étude des refus de tamis. Page 11 _ flux colonne d’eau → sédiment (il est estimé par des pièges à sédiments .Kawahata et al,2002, " pacific warm pool") = flux de l’ordre de 100 à 200 tests/m2 /j (cela donne une idée du dépôt) Page 12 _ distribution des bioprovinces à Foraminifères planctoniques en Atlantique Nord (d’après Bé et Tolderlund 1971) ◦ carte présentée avec ≠ régions et latitudes (après tamisage refus > 150µm ) : la distribution est calquée sur les bioprovinces climatiques. polaire subpolaire zonation méridienne mais déviation vers le Nord tempéré par le Gulf Stream dans l’Atlantique Nord subtropical tropical subtropical tempéré subpolaire polaire bien zoné horizontalement dans l’Atlantique Sud Page 13 ◦ exemple de l’océan Atlantique Tableau présentant les ≠ espèces de foraminifères en fonction des zones arctique , subarctique et subtropicale. Page 14 néo.pachy.sen.microphoto. Page 15 néo.pachy.dxtre microphoto Page 16 gl.bul. microphoto Page 17 g.quinq. microphoto Page 18 ◦ graphique :( Peters et al. , 2004) distribution ≠ foraminifères en fonction de ≠ zonations de T°C Page 19 ◦ graphique : · il y a 560000 ans, les variations dans les assemblages de Foraminifères coïncident avec les variations du δ18O. · il y a 1,8 millions d’années (les numérotations paires, impaires à droite correspondent à une statigraphie isotopique) les variations du δ18O entre périodes chaudes et froides augmentent d’amplitude à partir des 600000 dernières années, ce qui coïncide aussi avec les variations de certains fossiles, et ce qui indique une tendance au réchauffement. Coïncidence aussi avec cycle à 100000et à 400000 ans /soleil. Page 20 II Problèmes posés par les dernières découvertes : _ Jusqu’alors existence de morphoespèces (morphotypes) → > celles utilisées en micropaléontologie _ or analyses génétiques : une même morphologie peut regrouper plusieurs espèces ≠ Page 21 _ ex atlantique de globigerinella siphonifera planispiralée, de grande taille (d’après de Vargas et al Marine micropal 45.2002) Page 22 · mais il existe 5 génotypes différents de G.siphonifera (d’un point de vue génétique il y a 5 espèces ≠) Page 23 · on peut voir la répartition de ces 5 génotypes le long d’un transect N-S de l’Atlantique ex : le type 2 est surtout entre Amérique du Sud et Afrique O Page 24 ·◦graphique : nombre d’individus/latitude de chaque type ( I, II, III, IV). Ce graphique montre une forte quantité de type III quand il y a une forte [chlorophylle] ceci en liaison avec la zone de upwelling mauritanien. ═> outil à retenir mais… Page 25 La définition d’espèce biol (sensu Mayr) n’est pas testable en paléontologie et encore moins en micropaléontologie… Que faire ? travailler toujours sur la base d’un faisceau d’outils et de convergences Page 26 B. Les reconstructions qualitatives Deux exemples seront considérés : Page 27 1. La mer d’Alboran (début de la Méditerranée au niveau de Gibraltar jusqu’à Almeria Page 28 Mer d’Alboran : · l’entrée des eaux atlantiques provoque 2 tourbillons anticycloniques · altimétrie : existence de tourbillons en mer d’Alboran (été 1997) Page 29 2 transects : de Gibraltar vers le sud de la Sicile (O–>E) de ~ Marseille vers ~ les Baléares (N–>S) Ils montrent les dominantes de certaines espèces en % de forams planctoniques dans séd.de S. Page 30 et 31 Ceci est couplé avec d’autres données : mesures de température, densité, salinité, sur la colonne d’eau. On constate une remontée de la pycnocline (100m contre 250m en moyenne) liée à un brassage important des eaux en hiver : favorable au développement de N.pachyderma dextre (+ nutriments –> phyto –> proies pour N.pachyderma) Page 32 Comparaison avec le passé : entre –20000 et –8000 ans , dernier max. glaciaire , on a plutôt N.pachyderma dextre puis relai franc par G.inflata entre 8000 et 0 (en % relatifs) comme ce qui est observé dans l’actuel. ═> calcul d’abondances absolues, on aboutit à la même remarque. Conclusion : vers –8000 ans on situe bien ce changement de populations Page 33 Cartes des populations avant 8000 ans et après 8000 ans = conditions actuelles Page 34 Valeur seuil dans les échanges Atlantique/Méditerranée atteinte il y a 8000 ans : changement dans les flux Atlantique/Méditerranée en relation avec la remontée du niveau marin due à fonte calotte ( ↔50 millions de km³ d’eau ce qui est énorme ) . Le flux était de 86% du taux actuel de pénétration du flux atlantique en Méditerranée→ il y a 8000 ans on était à –30m par rapport au niveau actuel et les échanges semblables à l’actuel ont été établis il y a –8000 ans entre Atlantique et Méditerranée. 2. autre exemple : Golfe de Gascogne : Page 35 Carte montrant la marge du Golfe de Gascogne Page 36 Carte situant la marge et la terrasse Meriadzek. Carotte de 2000 à 3000m de profondeur (MD 95 en 2002), à l‘abri des sédiments turbiditiques → ≠ données : Page 37 δ18O , teneur en CaCO3 en %, susceptibilité magnétique Si, abondance relative (%) en N.pachyderma senestre (espèce polaire), [] en grains lithiques grossiers (>150µ) dans le sédiment (grains/g) et donc liés à des icebergs. Données qui s’étalent de –15000 ans à l’actuel. A partir de 15000 ans changement climatique : fonte des calottes de glace de l’hémisphère Nord Page 38 Carte de paléogéographie régionale pendant le dernier max glaciaire : on observe un paléofleuve et un delta énorme dans la Manche, la zone d’étude présente un avantage : dépôts rapides, plusieurs dizaines de cm à plusieurs m/milliers d’années ce qui permet de détecter des variations de très faible amplitude. (les Foraminifères indiquent qu’il faisait très froid avant – 15000 ans) Page 39 Il existe un optimum de deux espèces senestres entre 10000 et 6000 ans ; puis on constate une diminution de ces 2 espèces : G.truncatulinoïdes left coiling, G.hirsuta left coiling (graphe de droite) remplacées par des formes destres de N.pachyderma (graphe de gauche). Deux dates –7000 et –9000 ans avec entre les deux un changement climatique. Page 40 C. Reconstruction quantitative : principe des fonctions de transfert Page 41 ▪ Aujourd’hui les fonctions de transfert paléoenvironnementales permettent de quantifier (chiffrer) les reconstitutions paléoenvironnementales. Ces quantifications : conditions aux limites des modèles climatiques sont de véritables tests .Si un modèle climatique peut reproduire la situation actuelle et d’un paléoclimat il est validé. Ces modèles sont-ils capables de reproduire les scenarii paleoclimatiques détectés dans les données ? Page 42 ▪ Besoin d’une base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure ≠ paramètres : prélèvements, latitude, longitude, T°C de surface en février (SST), T°C de surface en août (SST), % des ≠ espèces Page 43 ▪ Données hydrographiques : proviennent des atlas mondiaux NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration- US department of commerce) site sur lequel tout le monde peut aller. Page 44 Carte situant les prélèvements et l’information de couvert de glace (mois/an) Page 45 Carte situant les prélèvements et SST février : -2°C ═>16°C (température de surface de l’eau) Page 46 Besoin d’une base de données actuelles constituées par des prélèvements de sédiments de surface = matrice où figure ≠ paramètres : idem à page 42 avec comptage des % de deux espèces N.pachyderma senestre : PCHS et N.pachyderma dextre :PCHD Page 47 Deux graphiques présentant les % de ces espèces en fonction de la température en août et de la latitude en °N ↔ 2 zones latitudinales = courants upwelling ? Page 48 Il existe 2 méthodes pour les fonctions de transfert : - Méthode d’Imbrie et Kipp ( 1971 ) : Page 49 cette méthode est appliquée maintenant uniquement dans des contextes régionaux ( upwelling , bassins fermés…) Page 48 suite : ° on trie de manière statistique les assemblages spécifiques actuels en facteurs ( analyse en composante principale ) déterminé par les paramètres physiques ex page 50 : cartographie du facteur F1 Page 51 Puis équation de régression ( équation de la droite qui symbolise la répartition du nuage de points ). Page 52 ° enfin on applique cette équation trouvée à partir de l’actuel aux foraminifères fossiles et on compare.( ex : comparaison % G.bulloïdes et de la PP reconstruite ). Page 53 ° on compare aussi les courbes obtenues ainsi avec d’autres courbes obtenus à partir de l’étude d’autres E.V. (ex : les Coccolithophoridés ) pour en voir la validité. ( = confrontation de ≠ données ) Page 54 _ Méthode des analogues ( MAT , BAT…Guiot, 1990 ) : °1ère étape : les abondances relatives de chaque taxon sont exprimées en ‰ °2ème étape : comparaison directe entre les échantillons fossiles : l’enregistrement fossile est testé pour la recherche des analogues actuels modernes dans la base de données actuelles ( repose sur plus de 700 points ) =calcul des distances ou index ( coeff.) de similarité °dernière étape : calcul. On considère x analogues . Les T°C sont calculées en moyennant celles qui caractérisent les analogues actuels les + proches ( + faible coeff. de dissimilarité ) . Cela revient à faire une interpolation. Les données hydrographiques PALEO sont calculées sur la base d’une moyenne pondérée ( inversement à la distance ) des données modernes respectivement associées à chaque analogue moderne obtenu. Page 55 +voir dossier La Recherche n°17 nov.déc.2004 janv.2005 article de Labeyrie et Jouzel : évènements dits de Heinrich : anticorrélation entre max .de grains véhiculés par les icebergs et le min des T° de surface océanique à-15000 et –45000BP pour événements HTL1 et HTL5. Cela ↔ débacle massive d’icebergs et effondrement des calottes. ( la peur actuelle c’est qu’avec le réchauffement climatique , il y ait fonte de 80m -pour les pires hypothèses de +5°C-à 10m pour un réchauffement de +20C ). L’Antarctique peut libérer des quantités considérables d’icebergs dans l’hémisphère Nord jusqu’à la péninsule ibérique ( latitude de Gibraltar ) .Actuellement les processus de fonte sont en place. La glace saisonnière régresse. L’incertitude c’est la pompe C. Comment va réagir le système Terre ? Une forêt à l’équilibre n’est ni puits ni source , ainsi la forêt amazonienne n’est pas le principal paramètre , le principal c’est le rôle des microorganismes. Page 56 D.Foraminifères planctoniques et géochimie Page 57 _ l’outil roi c’est le δ18O sur foraminifères planctoniques et benthiques surtout 2 courbes ( étude de 1978 et 1980 ) ● sur les 500000 dernières années le graphique montre : - la comparaison entre δ18O et cycles astronomiques→ fortes corrélations. Somme= excentricité- précession et obbliquité S E T P - Un retard léger de la réponse océanique/phènomène astronomique. - L’océan répond de façon + aux facteurs astronomiques ( couplage dynamique océanique et atmosphérique , ce qui n’était pas une idée évidente en 1980 ). Page 58 1er schéma : ● Principe du δ18O : il existe 2 isotopes stables de l’oxygène O18 ( lourd ) et O16 ( léger ) partie intégrante du cycle de l’eau et donc de la vie. Le rapport O18/O16 dépend de l’air lors de la condensation de la neige : la tension de vapeur de H2O16 est 1% plus forte que celle de H2O18 : il y a donc une distillation fractionnée dans les nuages au fur et à mesure du refroidissement de l’air , lors du transport atmosphérique depuis les zones tropicales. Page 59 2ème schéma : en périodes interglaciaires , libération des glaces à l’océan. δ18O inchangé en périodes glaciaires ,16O retiré de la masse océanique. δ18O augmente Page 60 Le δ18O mesuré par spectrométrie de masse matérialise la teneur en isotopes lourds contenus dans les carbonates fossiles : δ18O‰ = [({ 18O/16O}échantillon/{ 18O/16O} standard PDB )-1] х1000 *quand les mesures concernent les organismes planctoniques, elles donnent accès aux changements de volume des glaces et des T°C ayant affecté les couches superficielles de l’océan, avec des épiphénomènes visibles , par ex. arrivée d’eau douce ,quand événement d’Heinrich ↔fonte des glaces. *quand elles concernent les organismes benthiques , c’est un signal plus global de changements du volume des glaces et donc du niveau marin ( l’enrichissement des océans en O18 lors de la construction des calottes est directement proportionnel au volume de glace stocké )qui est obtenu. Point faible du raisonnement : un “ effet vital” a été évoqué , à savoir la variation du fractionnement isotopique, fonction de l’espèce analysée et de la taille des individus. Page 61 illustration de l’importance de l’utilisation d’assemblages monospécifiques. *exemple : δ18O sur une espèce N.Pachyderma : allègement du δ18O ( arrivée d’eau douce→fonte des isotopes vers –45000ans.) Pages 62,63,64 *exemple : couplage entre - ce qu’on a trouvé à partir de l’étude des Foraminifères et les océans - ce qu’on a trouvé à partir de l’étude des carottes glaciaires ( évènements qui apparaissent tous les 5000 ou 10000 ans limités aux périodes glaciaires + une oscillation de + haute fréquence qui survient en période glaciaire ou interglaciaire ) Page 65 _ mesure du δ13O autre outil plus complexe. Augmentation consommation préférentielle du C12 par le phytoplancton →le δ13C traduit l’intensité de la production primaire . Page 66 Atlantique Nord. Page 67 Mer de Chine δ13C faible quand δ18C fort : quand δ13C diminue→faible ventilation des eaux profondes→circulation océanique stoppée et cela est corrélé avec les variations d’Heinrich et les variations du δ18O( paramètres orbitaux et forçage mousson en corrélation). +voir dossier La Recherche n° 17 nov.déc.2004janv.225 article de Edouard Bard Page 68 _ rapport Mg/Ca nouvel outil qui date de 4 ans ( spectrométrie de masse ) : rapport métaux traces dans les carbonates Mesuré chez ≠ Foraminifères ( une courbe par Foraminifère→corrélation) Quand corrélation avec la T°C on a des relations directes. Page 69 comparaison δ18O avec Mg/Ca , calcite, eau. Les 3 graphiques sont corrélés D’après Lea et al., 2002 Page 70 _ néodyme : autre nouvel outil qui s’applique sur les Foraminifères Neodium isotope record ( £Nd ) Page 71 E . Exemple d’application : le dernier maximum glaciaire ou l’histoire d’un mauvaise interprétation Page 72 -configuration des calottes boréales lors du DMG( dernier maximum glaciaire ): comparaison de cette configuration à –19-24000 ans calendaires ( ou 16-19,5000 ans C14 ) et maintenant ( configuration actuelle ) Page 73 - reconstitution des épaisseurs de glace des calottes glaciaires Page 74 – chronostratigraphie des glaces : interstade 2 ( glaciaire ) interstade 1 ( interglaciaire actuel ) de l’Holocène. le stade 5 ↔ Eémien Page 75 - climap ( 1981 ) cartographie de la T°C à cette période là ( reconstitution de T°C des eaux océaniques de surface et des calottes glaciaires ). Page 76 – carte brute pour T°C de février 1981 Page 77 – carte brute pour T°C d’août 1981 Page 78 – MARGO ( 2002- 2004 ) : Multiproxy Approach for the Reconstruction of the Glacial Ocean surface Page 79 MARGO = ce que donnent les Foraminifères Pages 80 , 81 – au DMG , l’océan en Europe du Nord était « chaud » en surface→pourquoi ?* - ce DMG est compris entre les 2 derniers évènements d’Heinrich H1 et H2→réinterprétation des données* *reconstitution des calottes →elles étaient +basses ( +au Sud ) →influence des ceintures froides → excès de chaleur des zones chaudes comprimées→ remontée de ce chaud vers les zones tempérées. Page 82 F. Calcification des tests carbonatés : piège ou source de CO2 ? on n’a pas encore la réponse Page 83 _ la formation de calcite biogénique est un processus complexe. •Il existe 3 modes de calcification chez les Foraminifères : 1. lié à l’ontogénèse : addition d’une loge se fait de nuit en ≈ 2h 2. chez les formes matures : calcification en continu mais variant avec le cycle diurne( +intense le jour) 3. calcification lors de la gamétogenèse : +3 à 31% du poids initial avant la libération des gamètes. + rôle des symbiontes : leur photosynthèse crée un environnement chimique particulier + respiration ( de l’organisme et des symbiontes ) modifie les équilibres Page 84 schéma d’un Foraminifère Page 85 •Pour la calcification , il existe 2 équations fondamentales : - Précipitation de calcite : Ca2+ + CO3 2- → CaCO3 1 mole de C contre 1 mole C - Précipitation biogénique : Ca2+ +2 HCO3- → CaCO3 +CO2+H2O 2 moles de C contre 2 moles de C mais relargue CO2 +équilibres/déséquilibres fonction des “effets vitaux ” Page 86 _ le CO2 de l’océan, grand intérêt actuel du fait du problème des émissions anthropiques. Bilan : • l’H rejette 6 Gt de CO2 dans l’atmosphère/an. La moitié est captée par l’hydrosphère et la biosphère. Pages 87 ,88 ,89 graphiques sur l’augmentation du CO2 par l’action de l’H •en 2004 [ CO2 ] atmosphérique = 380 ppm ( 280 ppm en 1860 ) Page 90 or [ CO2 ] varie avec les variations de T°C atmosphérique. Mais c’est l’ « histoire de la poule et de l’œuf » ! •variation [ CO2 ] et [ CH4 ] existent depuis toujours mais cette variation est exponentielle → danger. Page 91 _ le CO2 de l’océan ,la pompe de la biosphère terrestre = la pompe océanique . Mais l’océan est le + grand réservoir de C : si l’atmosphère = 1 , biosphère continentale et marine = 5 , masse d’eau = 60 , sédiments marins = 30000 NB : séd.calcaires = 20 millions de Pg de C accumulés au fil des millénaires Page 92 _ le CO2 et l’océan , pompe inorganique : Le CO2 atmosphérique est très facilement dissous dans l’océan : il est alors quantifiable sous forme de pression partielle=Pco2. Le CO2 réagit avec l’eau , formant l’acide carbonique ( H2 CO 3 ) rapidement dissocié d’où une série d’équilibres… CO2 +2H 2 O↔ H 2CO 3 ↔ H++HCO 3- ions bicarbonates HCO3 -↔H++ CO3 2- ions carbonates Page 93 •C minéral de l’océan = 90% de bicarbonates ( HCO3- ) 5-10% de carbonates ( CO2--) 1% de gaz dissous pour une teneur voisine d e 2 mol/ m³( 125 fois plus que dans l’atmosphère ) •l’efficacité de cette pompe océanique dépend de 3 facteurs :T°C des eaux , taux de brassage de la tranche d’eau supérieure (vents) , P CO2 existante à la base. Page 94 • La carte de l’hémisphère Nord montre les puits principaux qui sont au niveau des zones de formations d’eaux profondes ( la circulation thermohaline joue ainsi un rôle majeur) . 2 pompes : hémisphère Nord surtout et hémisphère Sud entre 40°S et 40°N/équateur plutôt des puits Page 95 Lorsque des eaux profondes à forte Pco2 arrivent en surface , elles dégazent vers l’atmosphère. Ce phénomène se produit dans 2 régions surtout : - aux basses latitudes , avec la divergence équatoriale ( surtout dans le Pacifique ) . - aux hautes latitudes de l’océan austral : le long de la divergence antarctique. Page 96 carte des puits et sources ( d’après Takashi et al. , 2002 ) En bleu les puits aux pôles En rouge les sources , niveau équateur Zones d’upwelling : Pérou et Somalie , sont des zones importantes pour relargage du CO2 vers l’atmosphère. Page 97 _ le CO2 et l’océan , pompe organique Plus complexe , on n’a pas encore compris C utilisable par les organismes sous forme ionique ( ions carbonates , bicarbonates ) 2 processus biologiques utilisent le CID ( C inorganique dissous ) 1. la photosynthèse→ C organique particulaire ou dissous Page 98 docs sur production primaire et teneur en CO2 de l’atmosphère Page 99 2. la calcification → C piégé dans les sédiments Ca 2++ CO32-→ CaCO3 Ca 2+ + 2HCO3-→ CaCO3+ CO2+ H2O Page 100 mais la calcification acidifie le milieu et redistribue les espèces chimiques avec augmentation de la proportion de CO2 aug. PCO2 = dim.PH = dissolution… NB : P CO2 X 2 = réduit la capacité de calcification des grands groupes planctoniques calcaires Mais aussi les carbonates = sortie définitive du cycle si pas de dissolution du test des organismes calcaires —→ambiguité ! ! touche autant les carbonates que la matière organique. Aujourd’hui les quantifications tâtonnent. + voir aussi extrait de l’article de L.Bopp , L.Legendre , P.Monfray dans dossier La Recherche n°17 Page 101 schéma d’après Milliman et Droxter .1996 CONCLUSION : ce qu’il faut retenir Page 102 Tout dépend de l’échelle considérée : _ à l’échelle de la réaction , la biocalcification est une source de CO2 _ à l’échelle des processus océaniques , la biocalcification est un puits de CO2 et de la période considérée : océan à l’équilibre ou en déséquilibre vis à vis des carbonates Page 103 cycle CID ( carbone inorganique dissous ) Bilan : puits terrestres= 1,7± 1,4 Pc/an puits océaniques= - 1,9± 0,9 Pg/an }≈ équivalents mais 3ème puits thermodynamique important Page 104 Mais l’océan est quand même le principal régulateur du CO2 océanique aug.CO2 atm.= aug. de l’échange diffusif air_ mer……..FIN.