Extrait de la Lettre n°10 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

1- La déglaciation : les archives du Grand Lac d’Annecy (Programme CLIMASILAC). Histoire reconstituée à partir de la carotte de 43 m prélevée au centre du lac. Contact : C. Beck (beck@univ-savoie.fr), A. Brauer (brau@ gfz-potsdam.de)

2 - Les variations de la signature isotopique des précipitations en Europe ressemblent globalement de façon frappante à celles de la glace au Groenland indiquant par là un caractère homogène à grande échelle des masses d'air. Les différences entre ces deux signaux peuvent s’interpréter en terme de dynamique climatique. Contact : U. Von Grafenstein (ulrich.von-grafenstein@lsce.cnrs-gif.fr)

3 - Reconstitution des flux d'érosion dans deux lacs du Jura durant l’Holocène. Bien que l’histoire climatique régionale soit la même, chaque lac présente une histoire sédimentaire différente.
Contact : V. Bichet (vincent.bichet@wanadoo.fr) et G. Bossuet (gilles.bossuet@univ-fcomte.fr )

4 - Reconstitution des oscillations climatiques en Europe au cours de l’Holocène à partir de différents indicateurs.
Contact : M. Magny (michel.magny@univ-fcomte.fr)

5 - Reconstitution des flux organiques sédimentaires (aquatiques et terrestres) dans le lac du Bouchet depuis 10000 ans d’après Sifeddine et al<.1996; Meyers et Lallier-Vergès, 1999.
Contact : A. Sifedine (geosife@vm.uff.br)

6 - Evolution climatique au cours des derniers 3000 ans dans le bassin rhodanien : reconstitution des bilans hydriques réalisée à partir de l'analyse des lithofaciès et de la granulométrie des dépôts alluviaux). (Arnaud-Fassetta et Provansal, sous presse).
Contact : M. Provansal (provansal@cerege.fr)




7 - Reconstitution qualitative des flux hydriques dans le bassin de la Durance au Tardi-glaciaire et au cours de l'Holocène.
Contact: C. Miramont (c-miramont@upgeo.univ-aix.fr)




8 - Reconstitution de l’évolution climatique et de l’impact anthropique dans la région d’Annecy depuis 5000 ans, d’après les signaux sédimentaires organiques, magnétiques et polliniques (carotte du Petit Lac d'Annecy).
Contact : H. Noël (Herve.Noel@univ-orleans.fr)

Pourquoi étudier la paléoclimatologie en domaine continental? Quelles sont les questions posées et les thématiques majeures développées par les équipes françaises sur les différentes zones climatiques? Un aperçu partiel des différentes avancées est présenté ci dessous en ce qui concerne les latitudes tempérées. Les chantiers développés en Afrique et Amérique du Sud font l’objet d’autres articles dans ce numéro.

Les vingt dernières années ont été marquées par un développement important des programmes de recherche sur les sédiments océaniques et les calottes de glace. En marge de ces programmes, de nombreuses équipes ont travaillé sur la reconstitution des paloenvironnements continentaux sur différents sites (Europe, Afrique, Amérique du Sud, Asie) en utilisant des approches différentes (lacs, loess, sols, spéléothèmes, remplissages fluviatiles...)

Quatre grandes thématiques sont actuellement développées en recherche paléocontinentale par la communauté française :
- l'étude des transitions majeures entre épisodes glaciaires et interglaciaires au cours des derniers cycles climatiques,
- le dernier maximum glaciaire et les événements abrupts de la dernière déglaciation,
- la variabilité intra-Holocène à des échelles de temps diverses de 10 à 1000 ans,
- l'étude des relations (impact et/ou interactions) entre le climat et l'anthropisation.

Nous illustrons ci-dessous certains de ces points dans le cadre des latitudes tempérées sans pour cela retracer de façon exhaustive l’ensemble de la recherche française dans ce domaine.

A - Les cycles climatiques et le dernier maximum glaciaire

L’évolution de la végétation en Europe durant les grands cycles climatiques

Le dernier cycle climatique étudié à l’aide des spéléothèmes

L’extension du pergélisol au dernier maximum glaciaire

B - Déglaciation et Holocène

La complexité de la déglaciation et de l'Holocène a été mise en évidence par les géologues continentalistes depuis longtemps : avancées et reculs des glaciers alpins, façonnement des cours d'eau et des terrasses fluviatiles, évolution des sédiments lacustre, des sols... Les exemples ci-dessous illustrent ces différentes approches.

La déglaciation : les archives du Grand Lac d’Annecy
Le programme CLIMASILAC (responsable F. Berthier, BRGM) regroupe de nombreuses équipes scientifiques et différents organismes sur le territoire du bassin versant du lac d'Annecy, avec le soutien notamment du syndicat inter-communal du lac et de la Région Rhône-Alpes. Ce programme a pour but de retracer l'histoire et le fonctionnement passé du lac d’Annecy. Une attention particulière est portée sur le milieu naturel : indicateurs climatiques, géodynamiques, sismiques et érosifs. Une autre approche concerne l'impact des activités anthropiques : sylvicoles, agricoles et industrielles. Les quatre premières années ont été consacrées à la caractérisation du milieu (structure du remplissage sédimentaire, nature des dépôts, environnement géodynamique, taux d'érosion, occupation des rives, confrontation de marqueurs sédimentaires).

Les travaux ont été réalisés à partir de trois grands types de techniques : campagnes sismique et acoustique, carottage des sédiments lacustres sondages, sondages et prélèvements à terre (sols du bassin versant, séries lacustres des anciens Interglaciaires). Les principaux résultats sont présentés dans un volume spécial de la revue Journal of Paleolimnology (Editions J.L. De Beaulieu & J. Casanova) ainsi que dans un disque compact de vulgarisation scientifique.

Un exemple des résultats acquis est présenté figure 1 et se rapporte à la grande carotte prélevée au centre du lac. La base de la carotte remonte au dernier maximum glaciaire. Cette carotte intègre l’histoire régionale de la déglaciation. Les différentes unités présentes sont interprétées en fonction des mécanismes successifs de dépôt des sédiments. On constate un épisode particulier commun dans de nombreux lacs périalpins (façade nord-ouest) d’une durée de 5 à 6 siècles environ qui a donné lieu à un dépôt de sédiments varvés avec très fort taux de sédimentation. Ces apports correspondent à une fraction lithologique fine d’origine lointaine (bordure Belledone/Mont Blanc). Ils résultent du désenglacement des vallées et du lessivage des produits d’érosion glaciaires. La fin de cet épisode se situe au début du tardiglaciaire (environ 14 500 cal. BP).

La déglaciation : les ostracodes du Lac Ammersee (Bavière)
Les rapports isotopiques de l’oxygène, mesurés dans les coquilles des ostracodes benthiques peuvent permettre, dans certains cas, une quantification des rapports isotopiques de la précipitation atmosphérique, lorsque le bilan du lac est bien contraint : l’évaporation doit restée négligeable dans le bilan hydrique du lac et la température de l’eau au lieu de formation des coquilles, constante. C’est le cas du lac Ammersee (près de Munich) où cette hypothèse s’avère vérifiée sur la période glaciaire-Holocène (Von Grafenstein et al., 1999) : il est alors possible de reconstituer la signature isotopique de la précipitation pour le bassin versant moyenné sur cette période à partir des carottes lacustres (figure 2).

Les variations enregistrées ressemblent de façon frappante à celles trouvées dans les carottes de glace au Groenland. Ce résultat est le premier qui indique que la signature des masses d'air qu'on pensait restreinte au régional (site de Summit au Groenland) est en fait un indicateur climatique beaucoup plus vaste qui traduit un caractère homogène à grande échelle des masses d'air. La corrélation semble excellente pour le court terme, c’est à dire pour des échelles de temps de quelques centaines d’années. Par contre, on trouve des différences significatives entre Groenland et Europe pendant la dernière déglaciation sur l'échelle du millier d'année. Alors qu'à Summit l'épisode froid du Dryas Récent est précédé d'une décroissance prononcée de l'isotope ¹⁸O, indiquant un refroidissement progressif des masses d'air nordiques, en Europe l'¹⁸O reste stable. Le Dryas Récent est initié par une évolution qui a lieu à l’Ouest de l’Atlantique, et se traduit soudain à l’Est, interrompant l'équilibre qui y régnait. Un scénario mettant en jeu fusion des calottes polaires, déplacement du front polaire et interactions avec la circulation profonde Nord Atlantique est présenté par les auteurs de cette étude.

Reconstitution des flux d'érosion dans deux lacs du Jura
Un des objectifs du programme DBT "Dynamique et Bilan de la Terre-Fleuves et Erosion" de l'INSU (Institut National des Sciences de l'Univers) était de quantifier les flux de matières et les stocks sédimentaires accumulés pendant les périodes Tardiglaciaire et Holocène dans plusieurs bassins de moyenne latitude (lac de Chambon, lac de Chaillexon...) en fonction de différents paramètres (nature du bassin versant, climat, végétation, action humaine). L’exemple suivant, relatif à deux lacs du Jura, illustre comment la réponse sédimentaire à une même évolution climatique régionale peut être différente selon le type de fonctionnement du lac.

La figure 3 présente l’évolution des sédiments déposées dans deux paléolacs du Massif Jurassien : le lac de Chaillexon et le lac de Cerin. Il apparaît que la réponse sédimentaire de chaque bassin versant aux fluctuations climatiques est très différente d'un géosystème à l'autre. Les dépôts fortement dilatés à Chaillexon sont les plus réduits à Cerin, en particulier pour les dépôts de l'interstade Bölling-Alleröd et pour le Subboréal. Tandis que Chaillexon enregistre des flux presque exclusivement détritiques, Cerin à l'exception du Dryas Récent ne se comble que de dépôts lacustres ou palustres autochtones (formation . Les deux épisodes de plus forte sédimentation carbonatée du Préboréal/Boréal et de la 2ème moitié de l'Atlantique ancien coïncident respectivement avec le réchauffement du climat entre 10 000 et 8000 ans B.P. et avec l'optimum climatique de l'Holocène.

Cette disparité s'explique par une différence fondamentale dans la manière dont fonctionnent les 2 systèmes. Cerin est un système aux dimensions réduites, la surface initiale du lac est de 14 ha et celle du bassin versant ne dépasse pas 2 km². A la différence de Chaillexon, le lac n'est pas alimenté par un vecteur hydrologique puissant mais par des eaux de ruissellement à la surface du bassin. La charge détritique apportée au lac est donc très faible. En revanche le contexte est particulièrement favorable à la sédimentation carbonatée et organique autochtone. Ces dépôts apparaissent comme de bons indicateurs des évolutions climatiques dont ils sont avant tout dépendants. Par contre, c'est dans l'étude de la fraction détritique allochtone produite par le bassin versant et piégée par les cuvettes lacustres qu'il faut chercher les éléments de réponse à l'impact anthropique.

Reconstitution du niveau des lacs jurassiens et périalpins
Une méthode mise au point au laboratoire de Chrono-Ecologie de Besançon (Magny, 1998) permet de reconstituer les variations du niveau des lacs à partir de l'étude sédimentologique des concrétions carbonatées littorales. Il a ainsi été établi une courbe moyenne des variations du niveau des lacs jurassiens et périalpins depuis 14 500 ans (soit depuis 12 700 ¹⁴C BP). Cette courbe est basée sur des séquences sédimentaires bien datées, échantillonnées dans près de 30 lacs différents (figure 4) et permet de documenter aux moyennes latitudes européennes les variations hydrologiques (ressource en eau). Les hauts niveaux lacustres apparaissent associés aux épisodes d’avancée des glaciers alpins et d’abaissement de la limite de la forêt. La première partie de l'Holocène (avant 6000 ans) serait sous la double influence du forçage océanique (circulation thermohaline) et du forçage solaire, alors que la seconde partie, plus récente, de l'Holocène serait sous le seul contrôle du forçage solaire. Cette interprétation est proposée sur la base d'une comparaison des données de flux hydriques avec les variations du ¹⁴C résiduel dans l'atmosphère en particulier.

Rapport Bassin Versant / Lac : les flux de matière organiques
L’étude de la composition organique des sédiments et la quantification des flux organiques sédimentaires - aquatiques et terrestres - soulignent également une forte variabilité climatique de l'Holocène aux échelles pluri-millénaire et pluri-séculaire.

L'étude de la dernière transition Tardi-Glaciaire - Holocène au Lac du Bouchet a montré les points suivants :
- en période glaciaire, le déboisement total du bassin versant provoque un flux accru de matière minérale lié à la déstabilisation des sols; les flux aquatiques restent peu abondants (MO aquatique dégradée).
- en période interglaciaire (figure 5), la reprise du couvert végétal stabilise les sols et diminue le flux minéral. Le réchauffement se marque par une augmentation des flux de carbone organique lié à la matière organique terrestre et aquatique. Toutefois, les flux organiques aquatiques traduisant le niveau trophique (niveau d’activité biologique) du lac réagissent plus rapidement au réchauffement climatique que les flux organiques terrestres, caractéristiques du développement de la biomasse sur le bassin versant.
- au Sub-Boréal, vers 2500 ans BP, le début des déforestations anthropiques liées à l'industrie du bronze déstabilisent les sols, ce qui a pour effet d'augmenter le flux minéral puis de favoriser la production aquatique par apport de nutriments.

Les systèmes fluviatiles
Bassin de la Somme
Voir "L’évolution climatique du bassin de la Somme... "

Bassin Rhodanien
L'analyse des lithofaciès et de la granulométrie des dépôts alluviaux permet de reconstituer des variations de bilans hydriques. Les études menées dans le bassin rhôdanien français permettent de reconstituer l’évolution des derniers 3000 ans (figure 6). Le Petite Age Glaciaire est clairement mis en évidence dans entre 1500 et 1850 AD par une intensité supérieure des crues par rapport aux autres phases humides. Celles-ci, plus faibles, sont nettement décelables entre 800 et 400 av. JC, puis entre 400 et 700 AD).

Torrents sud-alpins
La variabilité du climat au Tardi-glaciaire et au cours de l'Holocène est également montrée par les études des remplissages de torrents sud-alpins. Elle s'exprime notamment par une alternance d'installations de forêts (ralentissement du flux hydrique) et des périodes d'alluvionnement (gonflement des flux hydriques, avec enfouissement de troncs). Les études menées ont ainsi permis de reconstituer l’évolution climatique dans le bassin de la moyenne Durance sur la période 14 000 - 7000 cal. BP (figure 7), mettant en évidence 5 périodes successives d’enfouissement de tronc.

Enregistrement des effets de l'anthropisation : l’exemple du Petit Lac d’Annecy
Ces études se basent sur des corrélations avec des résultats obtenus dans le cadre d'autres programmes comme Environnement de l'Homme (département SHS du CNRS) ou CLIVAR (PNEDC). Dans cette optique, plusieurs équipes regroupées au sein du programme CLIMASILAC étudient les interactions entre l'anthropisation du bassin versant et l'évolution climatique régionale.

Une collaboration récente entre organiciens, palynologues et géophysiciens, menée sur les sédiments du Petit Lac d'Annecy, a conduit à une approche combinée des signaux organiques, magnétiques et polliniques. Le signal magnétique majeur utilisé ici (Soft-IRM) signe les apports des horizons supérieurs des sols. Les analyses polliniques retracent la paléoécologie du bassin versant. La reconstitution de ces différentes données a été faite sur les 5000 dernières années (figure 8). Les auteurs découpent l’enregistrement en trois grandes périodes :
- de 5000 BP à 2000 BP : les apports pédologiques magnétiques sont peu importants et constants. A l’opposé la MO dérivée du bassin versant est très fluctuante et provient essentiellement des litières forestières. La très nette domination des pollens d’arbres (> 90%) indique que le couvert végétal était essentiellement forestier. Ce couvert végétal dense avait pour effet de stabiliser les sols et de limiter ainsi les apports d’origine pédologique. Cependant, des crises de fortes pluies ou de crues existaient comme l’atteste l’abondance de particules organiques provenant d’horizons superficiels. Après 3800 BP, la forte réduction des genres Abies et Picea au profit des taxons plus thermophiles et moins hygrophiles Fagus et Quercus, peut traduire une réduction des précipitations ou une augmentation des températures si elle n’est pas liée à une réduction anthropique des sapinières d’altitude à l’échelle régionale.
- de 2000 BP à 1000 BP: une augmentation progressive de l'érosion des sols est interprétée comme la conséquence des déforestations liées à l'occupation romaine.
- de 1000 BP à aujourd’hui: au début de l’an Mil, le défrichement important lié à l'activité monastique est remarquablement enregistré (Higgit et al., 1991). L’aménagement du bassin versant par l’Homme a eu pour effet de déstabiliser la cohérence mécanique des sols et de faciliter leur mobilisation. Il en découle une augmentation du taux de sédimentation moyen de 0,115 à 0,34 cm/an. Au plus fort des déforestations, l’érosion s’exprime par des apports pédologiques magnétiques et organiques continus et importants. Par la suite, à partir de 1400 AD, en raison de la mise en culture céréalière puis de la sylviculture arborée, les sols sont restabilisés. L’exportation de particules pédologiques ne se fait que de façon ponctuelle, probablement en liaison avec des périodes de fortes pluies à caractère événementiel.

Calibration avec l’Actuel
Les sédiments superficiels
Etudier les mécanismes mis en jeu dans la colonne d'eau, à l'interface eau-sédiment et dans les premiers centimètres de la colonne sédimentaire a notamment pour objectif de chercher à calibrer les signaux paléo-environnementaux lacustres, sensibles aux processus diagénétiques précoces et de comprendre comment s'archive le message sédimentaire. Ces recherches sont indissociables des problématiques de la Paléoclimatologie et souvent les deux approches sont menées de front sur le même site.

Massif central, Jura, Alpes
C'est le cas des études menées sur les lacs du Massif Central (lac Pavin, lac du Bouchet, lac d'Aydat) et également sur le lac d'Annecy. Ces études concernent les processus de formation, de diagenèse et de réactivité de la MO aquatique en relation avec les cycles des métaux, du phosphore et de l'azote. C'est également le cas des études menées sur certaines tourbières du Massif Central et du Jura, sur les mécanismes de dégradation/préservation des végétaux supérieurs cette fois (Laggoun-Défarge et al., 1998). Cette approche prend en compte l'aspect anthropisation par une analyse parallèle de zones drainées et non drainées.

Lacs de haute montagne
Récemment des campagnes de carottage se sont déroulées dans les lacs de haute montagne. L'objectif de cette recherche est de calibrer le signal "climatique" en comparant des lacs de moyenne et de haute altitudes. Ceci se fait par exemple à partir des diatomées dans la région du Brévent (Druart, INRA Thonon) mais aussi à partir de marqueurs chimiques et de radionucléides. Ces lacs sont situés dans le Massif des Aiguilles Rouges, dans la région de Chamonix (laboratoires LPCA, Chambéry; LGGE, Grenoble). Un volet "pollution"est également inclu.

Dendrochronologie et palynologie
Un programme européen appelé " Forest Response to Environmental Stress at Timberlines " étudie des analogues actuels de bois présentant une grande variabilité spatiale (de la Méditerranée aux pays nordiques en passant par les Alpes) pour obtenir des marqueurs climatiques calibrés régionalement et latitudinalement. Les paramètres météorologiques sont enregistrés en continu et les arbres (abondance des pollens, structure cellulaire et composition isotopique du bois, densité des aiguilles de pin et densité des stomates sur les aiguilles) sont étudiés en parallèle. Dans le même temps, ces paramètres sont étudiés dans des débris organiques provenant d'échantillons superficiels de sols, lacs et marais.

C - Perspectives
La communauté des paléoclimatologues continentalistes se reconnaît aujourd'hui et commence à se fédérer autour de plusieurs points :

- calibrer les différents marqueurs environnementaux et climatiques par l'analyse des processus actuel,
- développer le double aspect " interprétation - modélisation " en collaboration étroite avec l’observation, et en collaboration avec les communautés des archives océaniques et glaciaires,
- souder la communauté française continentaliste en créant un groupement de recherche de type GIS,
- cibler des chantiers fédérateurs permettant de mettre en parallèle plusieurs types d'archives paléoenvironnementales, et en favorisant les échanges avec les chercheurs des Sciences Humaines.

Proposition de Zones-Ateliers
Cible Rhône-Alpes. Ce chantier permettrait d'étudier les mécanismes de surface et les paléoenvironnements à partir de l'étude des sédiments du lac du Bourget, des terrasses et dépôts fluviatiles du Rhône et des torrents sud-alpins, des sols du bassin versant et des spéléothèmes. Ces dernières sont appelées à jouer un rôle essentiel tant par l’outil datation absolue par U/Th que par la résolution temporelle offerte. La région Rhône-Alpes dispose pour cela de nombreuses grottes.

Cible Nord-Ouest de la France (tourbières, vallées de la Seine et de la Somme - enregistrement côtier - Atlantique Nord). Cette deuxième cible permettrait une reconstitution de l’évolution climatique dans les domaines continentaux et océaniques, de leurs relations et de leurs dynamiques propres.

Une troisième cible, également envisagée, dépasse le cadre des moyennes latitudes et concerne cette fois le domaine tropical (comparaison lac africain - enregistrements océaniques de basses latitudes).

Ce travail résume une partie des présentations faites dans le cadre des journées de l’INSU " Climat et Environnement du Passé ", notamment celle du 01/04/99, organisée par A-M Lézine (chargée de mission à l’INSU) et F. Gasse (responsable du programme PEP3).

Contacts :
Elisabeth Lallier-Vergès
Institut des Sciences de la Terre d’Orléans
Université d’Orléans
45067 Orléans
Elisabeth.Verges@univ-orleans.fr

Marie-Antoinette Mélières
LGGE, UPR CNRS A5151
Université de Grenoble 1
BP 96 - 38402 St Martin d’Hères
melieres@glaciog-ujf.grenoble.fr