Question 1 : Comment la production, la transformation et le transfert de matières organiques et inorganiques influencent la dynamique des biogéosystèmes ?

Mots-clés : Biogéosystèmes, réactivité, modélisation, flux, matière organique, inorganique, changements climatiques récents, traçages, biomarqueurs

Animateur : O. Mathieu

La compréhension des processus de production et de transferts de matière dans le continuum continent-océan est clef de la connaissance du fonctionnement du système Terre. Au cours des temps géologiques et dans un avenir proche, la Terre a connu et connaîtra des changements globaux dont il convient de déterminer les conséquences, bilans et cinétiques.

Ces connaissances sur les cycles biogéochimiques sont nécessaires pour adapter nos sociétés et évaluer la disponibilité des ressources naturelles et leur durabilité. En fonction des paramètres biotiques et abiotiques, comprendre, la façon dont les matériaux organiques et inorganiques sont produits puis transférés permettra de mieux appréhender le fonctionnement actuel des biogéosystèmes et de prédire leur évolution. Cette démarche apportera de nouveaux éléments dans l’interprétation des enregistrements sédimentaires anciens et la constitution des stocks de matière. Différentes voies sont proposées :

Production, dégradation et transformation des matières organiques (M.O.) dans les biogéosystèmes : les systèmes-sol/sédiment produisent et transforment une grande partie des M.O terrestres : Quelle est la réactivité des M.O (stabilisation, biodisponibilité) ? Comment interagissent-elles avec l’environnement (formes, flux et bilan énergétique) ? Quels paramètres agissent sur le stockage/déstockage des matières ? La première approche est multi-échelles depuis l’action des processus physico-chimiques, des microorganismes…) à l’action du climat, de l’Homme. Il s’agira de poursuivre les efforts de caractérisation des différents pools de matière organique, à partir d’approches spectroscopique, moléculaire et isotopique. L’activité biologique (diversité et fonctionnalité) sera prise en compte. Les résultats obtenus et les méthodes développées dans les biogéosystèmes actuels permettront d’évaluer la dégradation/préservation du signal dans les séries sédimentaires anciennes depuis les séquences sédimentaires subactuelles à l’échelle des évènements climatiques extrêmes.

Interactions climat-tectonique-érosion durant les variations climatiques actuelles et quaternaires : s’intéressent aux couplages entre tectonique, climat et érosion, et les conséquences des variations climatiques sur les flux sédimentaires et l’évolution du relief. L’analyse portera sur les processus contrôlant les variations temporelles à court terme des débits et des flux sédimentaires particulaires et dissous exportés par les rivières pro-glaciaires ? Les premiers résultats montrent un contrôle des variations météorologiques sur les taux d’érosion et la charge sédimentaire issu d’un déstockage des dépôts glaciaires holocènes, et cela plus que de l’érosion des reliefs par les glaciers. Il s’agit d’analyser l’effet de la variabilité climatique récente et future, sur les bilans hydro-sédimentaires (hydrologie et flux particulaires et dissous) dans les bassins versants glaciaires d’altitude et de hautes latitudes.

Modélisation de la variabilité spatio-temporelle des transferts de nutriments à l’échelle des bassins versants : les processus de transferts de nutriments dans les hydrosystèmes sont liés au fonctionnement hydrologique et climatique du bassin versant et à son occupation du sol. Les observations de ces 20 dernières années ne permettent pas d’apporter une compréhension suffisante des transferts, en raison de la multiplicité des facteurs, de leur interdépendance et des problèmes liés au changement d’échelle. Ces verrous peuvent être en partie ouverts par une modélisation notamment du couplage de modèles hydrologiques et agronomiques existants, qui confrontent systématiquement observations et simulation des processus connus. La connaissance de l’évolution future des hydrosystèmes n’est possible que par le truchement de ce type d’approche. Ces approches permettront-elles réellement d’avancer dans la connaissance des transferts, sont-elles pertinentes à méso-échelle (≈ centaines de km2) et peuvent-elles apporter une aide dans la planification d’aménagement du territoire ?

Question 2 : Quels sont les mécanismes et les durées des perturbations du système climatique dans différents contextes géodynamiques?

Mots clés : cadre temporel, cycle du carbone, circulation océanique, glaciations, altération

Animateur : E. Pucéat

L’étude des paléoclimats nous apporte des informations uniques sur le fonctionnement de notre système climatique en permettant d’explorer l’impact de différents forçages dans des contextes climatiques et géodynamiques variés. Parmi ces forçages, nous nous intéressons ici (1) à la géodynamique, à travers son impact sur l’altération continentale (puits de CO2 atmosphérique), sur le volcanisme (source de CO2 atmosphérique), et sur la circulation océanique, faisant partie intégrante du système climatique ; (2) aux environnements glaciaires par leur impact sur les processus d’érosion et de sédimentation :

– (1) Pour aborder l’impact de la géodynamique sur le climat, nous étudierons deux périodes clefs du Mésozoïque : le Campanien (Crétacé Supérieur), et le Pliensbachien-Toarcien (Jurassique Inférieur). Les résultats obtenus à partir de l’εNd au Crétacé pointent vers un événement océanographique et/ou d’altération majeur se déroulant au Campanien. Cet intervalle est marqué par la surrection d’une partie de l’Afrique et l’initiation de la fermeture de la Téthys, par une accélération du refroidissement, et par un changement des cortèges argileux suggérant une modification de l’altération continentale. Nous explorerons ici l’impact de cet événement géodynamique sur la circulation océanique, avec une attention particulière sur la Téthys et le passage des Caraïbes, et leurs liens avec l’accélération contemporaine du refroidissement. De nouvelles données d’εNd, de δ13C et de minéralogie des argiles (Italie, Iran, sites DSDP proches du passage des Caraïbes), seront confrontées aux résultats de simulations d’un modèle de circulation générale pour tester différents scénarios (collab. LSCE, Gif-sur-Yvette). Le Pliensbachien-Toarcien est marqué par des perturbations du cycle du carbone, des crises volcaniques majeures et un enfouissement accru de matière organique dans les océans. Différentes analyses (minéralogiques, géochimiques élémentaires (Ti, Zr, Th), et isotopiques (Os, Sr)) serviront à approcher les variations de l’altération continentale. Des analyses conjointes de 13C des carbonates et de la matière organique permettront d’approcher les variations de la pCO2 atmosphérique et la réponse de la productivité primaire sera explorée par l’évolution conjointe des isotopes de l’azote et du soufre. La confrontation de ces données à des sorties de modèles de bilan de masse isotopique du carbone permettra ensuite de discuter les liens de cause à effet entre ces perturbations ;

– (2) Dans la continuité de la thématique liée à la glaciation de l’Ordovicien Supérieur, le rôle des environnements glaciaires sur les modifications rapides des processus d’érosion et de sédimentation sera exploré plus en avant. A partir de données de terrains acquises à la fois pour le Quaternaire (Jura, Canada) et l’Ordovicien (Maroc), nous développerons une modélisation numérique des environnements glaciaires en couplant un modèle stratigraphique (Dionisos) et un modèle d’inlandsis (Sicopolis), pour tester le rôle des oscillations des fronts de glace et les effets connexes à l’échelle continentale sur l’architecture stratigraphique. Les mécanismes à l’origine de la transition climatique et les interactions climat – calottes de glace seront étudiés par une modélisation de la calotte de glace ordovicienne et une confrontation des simulations avec les données de terrain.

Nous souhaitons par ailleurs poursuivre l’effort de calage temporel des séries sédimentaires et des événements associés, qui est la clé de la compréhension des perturbations environnementales dans l’ancien. A côté des analyses cyclostratigraphiques engagées, nous allons développer les datations radio-isotopiques sur des niveaux de cendres volcaniques (cinérites, bentonites, tonsteins) intercalés dans les successions sédimentaires d’âge Permien, Jurassique et Crétacé Supérieur. Les études cyclostratigraphiques combinées aux datations permettront d’ancrer les données bio-, magnéto- et chimio-stratigraphique et leurs durées sur les échelles numériques des temps géologiques.

Question 3 : Quelle contribution pour une meilleure connaissance des réservoirs, une meilleure exploitation des ressources naturelles et un stockage plus sûr ?

Mot clés : Diagenèse, architecture, géométrie, propriétés pétrophysiques, géodynamique

Animateur : P-Y. Collin

L’exploitation des ressources naturelles constitue un enjeu industriel, économique, environnemental et sociétal majeur. Afin d’optimiser l’exploitation de ces ressources, une connaissance géologique des réservoirs est nécessaire. Parallèlement à l’exploitation des énergies fossiles polluantes, le développement des énergies renouvelables (ex : géothermie) est un impératif pour la préservation de l’environnement, tout comme la nécessité de poursuivre et de développer les recherches sur le stockage géologique du CO2 ou des déchets radioactifs. Les réservoirs contenus dans les dépôts sédimentaires siliciclastiques et/ou carbonatées sont des ensembles présentant spatialement des hétérogénéités pétrophysiques complexes. Le stockage des déchets requiert quant à lui un minimum d’hétérogénéité dans les formations hôtes. Les hétérogénéités observées dans les formations sédimentaires constituent un état final, résultat de différents mécanismes et processus mis en jeu à différentes échelles de temps et d’espace : (1) variété des caractéristiques sédimentologiques (faciès, paléoenvironnements), (2) répartition spatio-temporelle des volumes de sédiments, contrôlée par la production sédimentaire, le transport et les variations de l’espace disponible, (3) processus diagénétiques (dont l’évolution de la matière organique) reliés à l’histoire des circulations des fluides et à leur nature, (4) fracturation, (5) contexte géodynamique. La distribution spatiale des propriétés pétrophysiques des ensembles sédimentaires réservoirs est très hétérogène, complexe et généralement difficile à appréhender et de ce fait, difficile à prédire.

Nos travaux seront menés en étroite collaboration avec des partenaires industriels ou des EPIC et aborderont en partie les thématiques suivantes.

– les liens existant entre les environnements de dépôts et la structuration des communautés calcifiantes (e.g. association microbialites-métazoaires) et les événements majeurs associés au développement des microbialites. Dans la continuité des travaux en cours, seront abordées les questions du développement des microbialites dans des environnements extrêmes (cas des réservoirs crétacés des marges ouest-africaine et brésilienne, en collaboration avec GDFSuez E&P) et l’impact de l’évolution des communautés microbiennes sur les propriétés réservoirs ;

– diagenèse et sédimentogenèse de réservoirs carbonatés non conventionnels ou microporeux (volumes poreux acceptables mais perméabilités faibles à très faibles) et de leurs propriétés pétrophysiques. Un des objectifs principaux sera d’étudier les propriétés matricielles de tels réservoirs et de définir les paramètres microstructuraux contrôlant les propriétés pétrophysiques, les propriétés de transport des fluides et les propriétés géomécaniques. Ces travaux s’intègrent dans la continuité de ceux menés auparavant sur les réservoirs carbonatés microporeux et s’étendront à d’autres réservoirs aux propriétés atypiques comme la Craie (en collaboration avec TOTAL et BRGM).

L’homogénéité/hétérogénéité des formations géologiques susceptibles d’accueillir des déchets radioactifs, les formations argileuses hôtes seront étudiées avec une approche sédimentologique, minéralogique et géochimique afin de contraindre la variabilité latérale et verticale des faciès et des microfaciès, en lien avec les conditions de dépôt (géométrie, surfaces remarquables, condensation, hiatus), et les effets de la diagenèse (précoce, enfouissement) sur les propriétés de stockage. Cette thématique fait suite aux travaux menés dans le Bassin de Paris et bassin subalpin en relation avec l’ANDRA et la gestion de déchets HAVL (Haute Activité Vie Longue) et pourront être poursuivis avec celles de la gestion à venir des déchets radioactifs FAVL (Faible Activité Vie Longue).

Question émergente : Cycles biogéochimiques et sédimentation des environnements de la Terre à la transition Archée/Protérozoïque

Mots clés : Précambrien, Isotopes Stables CNS, Oxygénation de l’atmosphère, Snow Ball, Vie Primitive

Animateur : C. Thomazo

Cette question émergente porte sur l’évolution des environnements sédimentaires et des cycles biogéochimiques de la Terre primitive. Ce travail est principalement basé sur l’étude des signatures isotopiques du C de l’N et du S, ainsi que sur la spéciation minéralogique du fer de sédiments Néoarchéens à Paléoproterozoiques dans leurs contextes sédimentaires. De nombreux travaux récents ont montré que la quantité d’oxygène dans l’océan et l’atmosphère terrestre influence largement les cycles biogéochimiques de l’azote, du carbone, du soufre et du fer. En effet, l’oxygène contrôle la spéciation de ces éléments et donc les voies métaboliques énergétiquement favorables pour les microorganismes. Ainsi de nombreux changements aussi bien dans la spéciation des éléments chimiques que dans leurs utilisations par le vivant sont enregistrés lors de l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère terrestre (Great Oxygenation Event) à la transition Archéen-Protérozoïque. De plus les environnements sédimentaires changent également drastiquement autour de la limite Archéen-Protérozoïque avec l’apparition des sédiments glaciaires huroniens. Ces dépôts sédimentaires signent un changement climatique majeur potentiellement également en lien avec l’apparition de l’oxygène dans l’atmosphère (oxydation du méthane en dioxyde de carbone). L’impact de la géodynamique (constitution du supercontinent Kenorland puis sa dislocation, volcanisme, changement du modèle pétrologique) sur ces bouleversements environnementaux reste peu étudié.

Plus spécifiquement nous tentons de poser de nouvelles contraintes sur les problématiques suivantes : Quand et comment l’oxygénation du système Terre a influencé les cycles biogéochimiques CNS ? Etablir un scénario mécanistique et temporel autour de la glaciation huronienne ; Caractérisation des changements d’environnements de dépôts en lien avec l’évolution géodynamique de la Terre néoarchéen/paléoprotérozoique (transition entre sagduction archéenne et orogène paléoprotérozoïque et mise en place de croûte continentale à l’émersion). Les outils développés sont ceux de la géochimie et de la sédimentologie. Ils nous permettent de caractériser les changements redox dans différents environnements sédimentaires et d’appréhender les grands bouleversements biogéochimiques et environnementaux. Un effort sera consacré à l’intégration dans un cadre géodynamique global.

Pour répondre à ces questions nous nous appuierons sur les forages DCDP acquis dans le cadre du projet Labex UnivEarthS. Trois forages d’échantillons de roches sédimentaires dans le groupe de Turee Creek en Australie (Craton des Pilbara) enregistrent la transition Archéen-Protérozoïque et la glaciation huronienne. L’objectif scientifique principal étant de mieux comprendre la nature et la durée de l’évènement global d’oxygénation (GOE) ainsi que ses conséquences environnementales à travers l’étude détaillée des changements minéralogiques, géochimiques et sédimentologiques associés. Cette étude devrait apporter de nouvelles informations sur les changements de composition de l’atmosphère entre 2,45 et 2,21 Ga et permettre de mieux caractériser les changements de cycles biogéochimiques Paléo-protérozoïques (e.g. apparition de la nitrification). Les résultats obtenus sur cette première cible seront ensuite comparés aux enregistrements géochimiques et sédimentaires de la glaciation Huronienne au Canada dans le Huronian Supergroup sur de nouvelles coupes. De plus de nombreux sédiments marins (e.g. shales, Banded Iron Formation, stromatolites) collectés sur le craton Ouest Africain seront étudiés dans leur contexte géodynamique et sédimentologique. Une collection de sédiments angolais incluant notamment des stromatolites mésoarchéens (2.8 Ga) et gabonais du bassin de Franceville (2.0 Ga) sera également explorée pour leurs signatures géochimiques et isotopiques afin d’appréhender les variations des cycles biogéochimiques CNS avant et après la transition Archéen-Protérozoïque et le GOE.

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