Caractrisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires

Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par l’analyse des isotopes stables (18 O et 13 C) 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 14 C 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 : 4 m 50 Période moderne et contemporaine * * Bollène-Pont de la Pierre (Tricastin) 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 14 C (sur charbons de bois) * Ca. CO 3 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 (18 O et 13 C) des carbonates • Compréhension du signal : création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18 O et 13 C)

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 – Basse vallée du Vidourle -Mise en évidence de tendances régionales - signatures plus locales - Résolution fine 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 315 mg/L 274 mg/L Plaine d’orange 2 Séquences [HCO 3 -]

1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (le Vidourle) Montpellier 705 mg/L Aimargues le Lunel ur do Vi 640 mg/L 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 50 km Béziers N FRANCE 188 mg/L Agly Tmoy =14. 7° P = 573 mm Perpignan ESPAGNE Les carbonates secondaires sont présents : Lorsque les températures Dosquers Tmoy = 14. 3 °C Gerona P = 817 mm r Te CATALOGNE 290 mg/L 180 mg/L Tmoy = 14. 8 °C P = 688 mm sont supérieures à 14°C Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm Barcelone r Eb e 189 mg/L Montroig P = 530 mm 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 [HCO 3 -] > 290 mg/L

1/ Caractérisation de la zone d’étude : Bilans hydriques 4 4 3 3 2 2 1 Précipitations 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 (18 O et 13 C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18 O et 13 C)

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 Nodules 0, 5 cm

2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons Caractérisation minéralogique : Spectres rayons X Matériel fossile : Espeluche-lalo (Valdaine) Matériel actuel: Dosquers (Espagne) 20000 40000 60000 Spectres comparables Deux composants essentiels : - la calcite (Ca. CO 3) - le quartz (Si. O 2)

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 (18 O et 13 C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18 O et 13 C)

3/ Approche Isotopique Interprétation du signal isotopique des carbonates pédologiques Objectifs : - Comprendre les variations du contenu isotopique (18 O et 13 C) 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 (18 O et 13 C) des redistributions carbonatées fossiles Variabilité du signal à l’échelle de la zone d’étude Variabilité du signal pour la période holocène

(profondeur = 30 cm) ra g se à Les données de terrain Signal du CO 2 du sol MVR Signal enrichi (paysages ouverts) Signal intermédiaire (paysages semiouverts) Signal appauvri (paysages fermés) Bas Languedoc/Espagne s) in ve /f ) m rên e Ri nt es so ) (p pis ré yl us lèv ve fr ên em (p e) en eu Ri t s p (c pisy ous liers (p hê lve frê /fr ne ên so rélè nes ) es us vem ve ) p in ent rts/ ) p m in Vé ée g d ét s e r at ec ion o Ch nq bas uê s (p ên te e ré lèv aie em /Bu en xa t s ie Ch ou s b (p ên ré a ui lèv ie s) em /Pi en nèd Ch t s e (p ên ou ré a s p lèv ie / in B em u ) en xa Ch t s ie (p ên ou ré s c lèv aie hê em pu ne b e ) e n Ri t s sc p (p is ou en (p eup ylv s ch te ré lie e ên lè rs e lo u Pe 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13

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 13 C des carbonates actuels Petits rhizolithes Nodules Manchons Dépôts sur racines Petits nodules ronds Les teneurs en 13 C 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 d 13 CCO 2 et d 13 Ccarbonates ? (milieu végétal fermé) -21, 4 ‰ CO 2 du sol : e e de l’ordre de 10, 9 ‰ Ca. CO 3 : -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 CO 2 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 CO 2 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 13 C des carbonates Les carbonates pédologiques semblent précipiter à l’équilibre isotopiques avec le CO 2 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. , 1989 a) 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 d 18 O des pluies moyennes annuelles pour la zone d’étude Origine Atlantique nord d 18 O = - 8, 48 ‰ Origine mixte d 18 O = - 7, 01 ‰ LYON P = 599 mm d 18 O = -4, 05 ‰ MONTPELLIER P = 688 mm d 18 O = -5, 14 ‰ P = 824 mm d 18 O = -7, 5 ‰ AVIGNON GERONE BARCELONE TORTOSA P = 592 mm d 18 O = -4, 82 ‰ P = 609 mm P = 660 mm d 18 O = -5, 4 ‰ Gros épisodes pluvieux méditerranéens d 18 O = -4 ‰ Celle, 2000 Origine méditerranéenne d 18 O = - 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 d 18 OCa. CO 3 - d 18 Oeau du sol = e Données de terrain (Catalogne) Et données I. A. E. A. : d 18 OCa. CO 3 - d 18 Opluie = +0, 5 ‰ (e moyen) Région méditerranéenne : Enrichissement de +1‰ entre signal pluie et solution du sol ? Estimation de l’enrichissement d 18 OCa. CO 3 et d 18 Oeau 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 CO 2 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 (18 O et 13 C) pour les formes de carbonatations fossiles plus fréquentes (458 analyses) (phénomènes évaporatoires) 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 ‰)

SYNTHESE Petit Age Glaciaire Evolution du signal isotopique des Période chaude du Haut Moyen Age carbonates pédologiques (Tricastin et Plaine d’Orange) Période chaude du début de l’Empire romain Crise climatique du Bronze ancien Crise climatique du néolithique récent/final Flux de sud majoritaires Fermeture des (plus chaud)paysages Période plus fraîches et fermeture du milieu végétal (Holocène ancien) d 18 O d 13 C Phase de réchauffement postglaciaire (apparition des carbonates dans les sols)

d 18 O (‰ vs PDB) 13000 12000 110000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 14 C années cal. BC) Age ( 0 1000 AD 2000 AD 3/ Approche Isotopique : Evolution du signal (SYNTHESE) -3 Influences méditerranéenne plus marquées (plus chaud) -4 -5 Gradient latitudinal -6 Enrichissement avec la Influences Atlantiques plus proximité de la côte -7 marquées (plus froid) Vidourle Tricastin/Orange Valdaine Mise en place du climat méditerranéen dans le Tricastin et la plaine d’Orange Existence de conditions climatiques comparables au climat actuel (Tricastin, plaine d’Orange) et pour la première fois en Valdaine ! Constantin Gradient isotopique : Pancrace v 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 HCO 3 - 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 13 C et du 18 O 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 14 C et 18 O 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 13 C des carbonates) Comparaisons avec données lacustres (bilans hydriques) Interprétation affinée sensibilité des carbonates