Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie

1. Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires par l’analyse des isotopes stables (18O et 13C) des carbonates secondaires Sandrine Bonté Laboratoire d’Hydrogéologie

2. Travaux de corrélations stratigraphique • (JF. Berger) • -Matériel archéologique • Datations 14C Présence d’enregistrements carbonatés • Les carbonates pédologiques sont présents au cours de l’holocène : Travaux d’archéologie préventive (tracé du TGV-Méditerranée) Interactions entre dynamique des climats et évolution paléogéographique en MVR Données pluridisciplinaires • 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

3. Période moderne et contemporaine Niveau médiéval Niveau antique Age du Fer (milieu Vè/ milieu IVè siècle av. J.C.) Age du Bronze (1400-1120 av J.-C.) 4 m 50 Néolithique moyen/ancien (4649-4344 av. J.-C.) * * * * * * * * * * * * * * * * * * Niveau Holocène moyen/ancien Conditions climatiques plus chaudes et plus humides qu’aujourd’hui (Phénomènes évaporatoires plus importants) Tardiglaciaire (13300-11500 av. J.-C.) Séquence alluviale : Bollène-Pont de la Pierre (Tricastin) Alluvions du Lauzon Absence de carbonates Datations relative ou par extrapolation Datations 14C (sur charbons de bois) * CaCO3 Présence de carbonates : Phases de stabilisation des cours d’eau

4. Précisent le rôle d’archives paléoclimatiques et paléoenvironnementales des carbonates Domaine méditerranéen Utilisation des carbonates pédologiques méditerranéens à des fins de reconstitutions paléoclimatiques ? 1/ Compréhension des fluctuations des teneurs isotopiques en contexte méditerranéen 2/ Traduction de ces fluctuations Caractérisation des climats et des environnements postglaciaires rhodaniens Depuis 1984 (Cerling) Approches pétrographiques et géochimiques • - Analyses des variations latitudinales de • la limite nord des systèmes méditerranéens • Identification des mécanismes à l’origine • de l’évolution du signal isotopique

5. 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 (18O et 13C) des carbonates • Compréhension du signal : création d’un référentiel actuel • (carbonates, gaz du sol, pluies locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

6. 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  

7. 2 - Plaine alluviale du Tricastin Limite nord actuelle du climat méditerranéen 2 210 km 3 - Plaine d’Orange 3 4 4 – Basse vallée du Vidourle - Résolution fine et continue 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Situation géographique Micro-régions concernées : Sur le Transect du TGV-Méditerranée : 1 – Bassin valdainais 1 • Informations des carbonates rendent • compte de la spatialisation des • phénomènes étudiés: • Mise en évidence de tendances • régionales • - signatures plus locales Hors Transect du TGV-Méditerranée : • Signal isotopique caractéristique • des régions côtières

8. Valdaine : 3 Séquences 305 mg/L 281 mg/L Tricastin : 9 Séquences 288 mg/L 320 mg/L 274 mg/L Plaine d’orange 2 Séquences 315 mg/L [HCO3-] 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (la MVR)

9. 705 mg/L 640 mg/L Séquences Vidourle 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Localisation des sites (le Vidourle) Vidourle Aimargues Lunel Montpellier Marsillargues Aigues-Mortes

10. 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Facteurs climatiques Montélimar T moy = 13°C P annuelles = 913 mm Orange T moy = 13,8°C P annuelles = 695 mm Aigues-Vives T moy = 14°C P annuelles = 652 mm Flux de nord-ouest (Atlantique nord) Valence Massif Central Flux d’ouest (Mélange) Montpellier Delta du Rhône • Malgré une saison sèche marquée : • bas étiage des principales rivières • seuil de sécheresse biologique franchi Flux de sud (Méditerranée) Pas de carbonatations actuelles

11. 269 mg/L Les carbonates secondaires sont présents : Tmoy =14.7° P = 573 mm 188 mg/L Lorsque les températures sont supérieures à 14°C 290 mg/L Tmoy = 14.3 °C P = 817 mm Précipitations annuelles: Inférieures à 700 mm 180 mg/L Tmoy = 14.8 °C P = 688 mm Tmoy = 16.2 °C P = 530 mm 189 mg/L Tmoy = 15.3 °C P = 609 mm Implication d’un paramètre Supplémentaire : Tmoy = 15.1 °C P = 693 mm 244 mg/l 1/ Caractérisation de la zone d’étude : extension de la zone d’étude Béziers N 50 km FRANCE Agly Perpignan ESPAGNE Dosquers CATALOGNE Ter Gerona Barcelone Ebre El Catlar Montroig Présence de carbonates [HCO3-] > 290 mg/L Benifallet Absence de carbonates La Senia

12. 1/ Caractérisation de la zone d’étude : Bilans hydriques 4 4 3 3 2 2 1 Précipitations ETP ETR 1 - Surplus alimentant l'écoulement Excédent climatique (ETP < P) 2 - Reconstitution de la RU 3 - Evaporation (au détriment de la réserve) Déficit climatique (ETP > P) 4 - Déficit hydrique

13. 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) Supérieures à 290 mg/l (nécessité d’un bassin versant dominé par les roches calcaires) 1/ Caractérisation de la zone d’étude: conclusions Paramètres climatiques : rôle important dans la précipitation des carbonates pédologiques Teneurs en bicarbonates

14. 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 (18O et 13C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies • locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

15. 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) 

16. Manchons 1 cm 0,5 cm Rhizolithes 0,5 cm 1 cm Agglomérats 0,5 cm 0,5 cm Nodules 0,5 cm 0,5 cm 0,5 cm 2/ Approche morphologique et sédimentologique: Comparaisons Matériel fossile (Espeluche-Lalo) Matériel actuel Dosquers

17. 2/ Approche morphologique et sédimentologique : Comparaisons Caractérisation minéralogique : Spectres rayons X Matériel fossile : Espeluche-lalo (Valdaine) Matériel actuel: Dosquers (Espagne) • 40000 60000 Spectres comparables Deux composants essentiels : - la calcite (CaCO3) - le quartz (SiO2)

18. 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 ?

19. Rhizolithe Agglomérats Nodule Eléments constitutifs de la matrice → matériel jeune 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 Matrice constituée de calcite (traces de Si, Al, Fe, Mg) Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al, Mg, Ti) Matrice constituée de calcite (traces de Si, Fe, Al) Présence d’Albite → transport faible ou sur de courtes distances Présence de grains détritiques dans matrice → précipitation « in situ » (Ségal & Stoops, 1972; Verrecchia, 1989)

20. 370 µm Rhizolithes 280 µm 250 µm Partie externe 14 µm 100 µm 100 µm Nodules 2/ Approche morphologique et sédimentologique: étude du matériel fossile MEB : Observations de la partie externe du matériel Agglomérats • Empreintes de cellules • (moulage racine) - Matrice micritique, grains détritiques - Présence de filament de calcite

21. Spectres actuels et fossiles comparables • Présence majoritaire de calcite Caractérisation minéralogique 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 Modes et conditions de formation étroitement liés Cohabitation 2/ Approche morphologique et sédimentologique: Conclusions

22. MODE DE FORMATION EN 2 ETAPES 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  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 ?

23. 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 (18O et 13C) des carbonates • Création d’un référentiel actuel (carbonates, gaz du sol, pluies • locales) • Interprétation de l’évolution des teneurs (18O et 13C)

24. 3/ Approche Isotopique Interprétation du signal isotopique des carbonates pédologiques Objectifs : - Comprendre les variations du contenu isotopique (18O et 13C) 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 (18O et 13C) des redistributions carbonatées fossiles • Variabilité du signal à l’échelle de la zone d’étude • Variabilité du signal pour la période holocène  

25. 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Les données de terrain Signal du CO2 du sol (profondeur = 30 cm) Ripisylve (peupliers/frênes) (prélèvement sous frêne) Ripisylve (peupliers/frênes) (prélèvement sous frêne) Ripisylve (chênes verts/pins) (prélèvement sous pin) Chênaie/Buxaie (prélèvement sous buis) Chênaie/Buxaie (prélèvement sous chêne) Chênaie/Pinède (prélèvement sous pin) Chênaie pubescente (prélèvement sous chêne) Végétation basse de reconquête Pelouse à graminées Bas Languedoc/Espagne MVR Signal enrichi (paysages ouverts) Signal appauvri (paysages fermés) Signal intermédiaire (paysages semi-ouverts)

26. Lesteneurs en 13C du matériel carbonaté actuel : 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 sol colluvial Végétation reconquête Les données de terrain Signal du 13C des carbonates actuels Calcaire colluvial Chênaie Sols alluviaux Ripisylve Sol colluvial Pinède Petits rhizolithes Nodules Manchons Dépôts sur racines Petits nodules ronds - sont indépendantes du matériel ou du sol - semblent dépendantes de l’environnement végétal 

27. e e de l’ordre de 10,9 ‰ 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 Existe-t-il un lien entre d13CCO2 et d13Ccarbonates ? (milieu végétal fermé) -21,4 ‰ CO2 du sol : -11,1 ‰ à -10,7 ‰ CaCO3 : -10,5 ‰ Valeurs attendues Précipitation à l’équilibre isotopique Valeurs obtenues Les carbonates actuels semblent précipiter à l’équilibre isotopique avec le CO2 du sol

28. Les carbonates pédologiques semblent précipiter à l’équilibre isotopiques avec le CO2 du sol (une information sur l’ouverture du milieu végétal) : Le CO2 du sol Prudence lors de l’interprétation des teneurs en 13C des carbonates 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique du carbone-13 Conclusions : • 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 ! - des teneurs enrichies reflètent un milieu végétal ouvert - des teneurs appauvries reflètent un milieu végétal fermé

29. Précipitation horizons superficiels (prof. < 30 cm) Précipitation profondeurs > 30 cm Variations du signal pluie (Hseich et al., 1998) Moyenne (Signal pluie + signal nappe) (Quade et al., 1989a) 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 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

30. P = 824 mm d18O = -7,5 ‰ P = 599 mm d18O = -4,05 ‰ P = 660 mm d18O = -5,4 ‰ P = 688 mm d18O = -5,14 ‰ Gros épisodes pluvieux méditerranéens P = 592 mm d18O = -4,82 ‰ P = 609 mm d18O = -4 ‰ Stations côtières: recharge vapeur atmosphérique marine permanente (pluies enrichies) 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Distribution des d18O des pluies moyennes annuelles pour la zone d’étude Origine Atlantique nord d18O = - 8,48 ‰ LYON Origine mixte d18O = - 7,01 ‰ AVIGNON MONTPELLIER GERONE BARCELONE TORTOSA Origine méditerranéenne d18O = - 4,62 ‰ Celle, 2000 Stations continentales: vapeurs atmosphériques d’origine atlantique Signal pluie : origine des masses d’air

31. Précipitation à l’équilibre isotopique avec l’eau du sol ? Température de précipitation de l’ordre de 19°C (=moyenne bimensuelle mai/juin pour la région de Barcelone) 3/ Approche Isotopique : Traçage isotopique de l’oxygène-18 Nos carbonates enregistrent-il le signal des pluies locales (via la solution du sol)? d18OCaCO3 - d18Oeaudu sol = e Données de terrain (Catalogne) Et données I.A.E.A. : d18OCaCO3 - d18Opluie = +0,5 ‰ (e moyen) Estimation de l’enrichissement d18OCaCO3 et d18Oeaudu sol = -0,5 ‰ Région méditerranéenne : Enrichissement de +1‰ entresignal pluie et solution du sol Précipitation des carbonates à l’équilibre isotopique avec la solution du sol (enregistrement du signal pluie !)

32. Grande cohérence avec les schémas préalablement établis Carbonates pédologiques méditerranéens actuels Précipitation à l’équilibre isotopique avec : → le CO2 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 3/ Approche isotopique : Conclusions traçage isotopique des carbonates Hypothèse : modes de formations comparables entre carbonates fossiles et actuels : Utilisations des précédents résultats pour reconstitutions paléoclimatiques et paléoenvironnementales en contexte méditerranéen

33. (phénomènes évaporatoires) Nécessité d’effectuer une correction sur les nodules (de -0,25 ‰) 3/ Approche isotopique : Evolution du signal Distribution des teneurs isotopiques moyennes (18O et 13C) pour les formes de carbonatations fossiles les plus fréquentes (458 analyses) Résultat confirmés par les mesures effectuées sur les carbonates actuels : le signal des nodules est systématiquement enrichi d’environ 0,25 ‰

34. SYNTHESE Evolution du signal isotopique des carbonates pédologiques (Tricastin et Plaine d’Orange) Flux de sud majoritaires (plus chaud) Fermeture des paysages Petit Age Glaciaire Période chaude du Haut Moyen Age Période chaude du début de l’Empire romain Crise climatique du Bronze ancien Crise climatique du néolithique récent/final Période plus fraîches et fermeture du milieu végétal (Holocène ancien) d18O d13C Phase de réchauffement postglaciaire (apparition des carbonates dans les sols)

35. Age (14C années cal. BC) 2000 AD 1000 AD 1000 10000 11000 12000 13000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 Influences méditerranéennes plus marquées (plus chaud) Gradient latitudinal Enrichissement avec la proximité de la côte Influences Atlantiques plus marquées (plus froid) Mise en place du climat méditerranéen dans le Tricastin et la plaine d’Orange Vidourle Tricastin/Orange Valdaine Effet de continentalité Existence de conditions climatiques comparables au climat actuel (Tricastin, plaine d’Orange) et pour la première fois en Valdaine ! Signal pluie 3/ Approche Isotopique : Evolution du signal (SYNTHESE) Constantin Pancrace Espeluche-Lalo Pont de la Pierre Bol. Bartras Les Malalones Mond. le Duc Brassières (nord) Brassières (sud) Mond. Les Ribauds Julièras La motte le Chêne Plaine d'orange Aimargues Marsillargues v Age (14C années cal. BC) -3 -4 d18O (‰ vs PDB) -5 -6 -7 Gradient isotopique : 1 ‰ par degré de latitude

36. Indications produites par les carbonates conformes aux schémas établis par les paléoenvironnementalistes pour la MVR Gradient isotopique latitudinal Echantillons du Vidourle enrichis : Echantillons valdainais appauvris : • effet de continentalité moins marqué et vapeurs athmosphriques méditerranéennes • Mais • tendances comparables à celles de la MVR : impact régional - 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

38. Equilibres complexes entre paramètres climatiques et teneur en HCO3- des nappes Détermination des paramètres favorables à la formation des carbonates Mise en évidence de liens étroits entre les différents traits carbonatés Compréhension du signal du 13C et du 18O Précisions sur les fluctuations de position du front méditerranéen au cours de l’Holocène Schéma d’évolution global Carbonates pédologiques Traceur fiable Liens possibles entre fluctuations du 14C et 18O des carbonates Caractérisation des climats et des environnements Rhodaniens postglaciaires Conclusions générales 1/ Caractérisation du climat actuel 2/ Approche morphologique et sédimentologique 3/ Approche isotopique

39. Interprétation affinée sensibilité 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 13C des carbonates) Comparaisons avec données lacustres (bilans hydriques)