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Etude à haute résolution du radiocarbone des séries d’anneaux d’arbres des Alpes du Sud pour le Dryas Récent et l'Holocène: Une fenêtre sur le passé pour comprendre les variations rapides du cycle du carbone et de l'activité solaire – CARBOTRYDH

Améliorer le radiocarbone comme géochronomètre et comme traceur des paléoenvironnements

Le rapport 14C/12C de l’atmosphère varie dans le temps et dans l'espace en raison des fluctuations du taux de production du 14C (dues principalement aux variations de l'activité solaire et/ou de l'intensité du champ géomagnétique) et des modifications du cycle du carbone. Ceci rend nécessaire la correction des fluctuations atmosphériques du 14C afin de calculer des âges justes et précis.

La calibration du radiocarbone : état de l'art et points faibles

Le rapport 14C/12C de l’atmosphère varie dans le temps et dans l'espace en raison des fluctuations du taux de production du 14C (dues principalement aux variations de l'activité solaire et/ou de l'intensité du champ géomagnétique) et des modifications du cycle du carbone. Ceci rend nécessaire la correction des fluctuations atmosphériques du 14C afin de calculer des âges justes et précis. À cette fin, une courbe de calibration est obtenue en comparant les âges bruts 14C avec les âges calendaires obtenus par des méthodes de datation indépendantes. Diverses archives sont utilisées pour construire la courbe de calibration 14C, mais la meilleure est basée sur des séries de cernes d’arbres datées grâce à la dendrochronologie. Pour l'Holocène (˜ les 11 600 dernières années), les arbres subfossiles sont abondants, permettant la construction d'une courbe de calibration avec une résolution annuelle et datée de façon absolue (années calendaires). La comparaison du 14C dans des arbres subfossiles des hémisphères nord et sud permet aussi de quantifier le gradient interhémisphérique (GIH). Ce GIH du 14C reflète l'asymétrie entre les signatures 14C des flux de CO2 vers l'atmosphère dans les hémisphères sud et nord. Des variations du GIH interviennent lorsque le bilan N-S des flux de CO2 est perturbé à la fois pour les sources océaniques et terrestres. La précision de l'enregistrement des cernes des arbres permet aussi de comparer les variations du 14C avec les fluctuations de la production cosmogénique et les changements du cycle du carbone mis en évidence dans les carottes de glace polaire au cours de la période glaciaire tardive.

En quelques années seulement, l'Unité du radiocarbone du CEREGE, inaugurée en 2015 a atteint des performances similaires voire supérieures à celles de laboratoires installés depuis plusieurs décennies. En parallèle, un travail de terrain intensif a permis d'augmenter la collection d'arbres subfossiles stockée dans la dendrothèque de l'IMBE. Après avoir étudié une abondante littérature sur les prétraitements du bois, nous avons mis en œuvre différentes techniques afin d'optimiser un protocole adapté aux principaux types d'échantillons de bois (i.e. bois modernes et subfossiles de conifères et de feuillus). Pour cela, nous avons effectué de nombreux tests sur des bois d'âges connus. Le prétraitement acide-base-acide-bleaching (ABA-B) a été sélectionné comme un choix optimal en fonction de sa durée et de sa complexité, et en raison des résultats analytiques excellents et reproductibles (comme le montrent les résultats 14C, 13C/12C, % de carbone et rendement massique global). Nous avons ensuite utilisé notre méthode sélectionnée pour dater les échantillons de bois de la Sixième Intercomparaison Internationale du Radiocarbone (SIRI), afin de confirmer la méthode choisie en comparant les résultats de nos mesures avec les valeurs de consensus obtenues dans le cadre de SIRI. De plus, nous avons participé à une intercomparaison internationale sur des échantillons de cernes des arbres à résolution annuelle. Cette intercomparaison a montré que le CEREGE fait partie du groupe des huit laboratoires les plus précis et les plus exacts et précis au monde pour le radiocarbone. Ces laboratoires ont tous été impliqués dans l’effort analytique destiné à la nouvelle calibration du radiocarbone dans le cadre du groupe de travail IntCal.

Nos analyses de 14C sur les cernes d’arbres et d’autres archives ont été utilisés pour construire la nouvelle calibration du radiocarbone dans le cadre du groupe de travail IntCal, qui sera utilisé par l'ensemble de la communauté des utilisateurs du 14C au cours des cinq prochaines années. Les nouvelles données et leur intégration dans la base de données IntCal20 ont permis de réviser et de mettre à jour de manière significative l'utilisation du 14C comme géochronomètre et comme traceur de l'environnement. Par exemple, le nouvel enregistrement du gradient interhémisphérique en 14C montre des variations importantes, suggérant des périodes caractérisées par un flux de CO2 relativement ancien vers l’atmosphère de l’hémisphère nord. La chronologie correspond au début de la hausse du CO2 atmosphérique qui s'est produite au début de l’épisode climatique du Dryas Récent.
La nouvelle courbe de calibration du radiocarbone IntCal20 nous a également permis de calculer le gradient de la relation entre l'âge 14C et l'âge calendaire au cours des 55 derniers milliers d’années (ka). La nouvelle courbe du gradient présente un maximum prolongé entre 48 et 40 cal ka BP au cours duquel l'horloge radiocarbone a tourné presque deux fois plus vite qu'elle le devrait. Cette dilatation du temps radiocarbone est due à l'augmentation du rapport 14C/12C de l’atmosphère provoquée par l'augmentation de la production de 14C liée à la transition vers l'excursion géomagnétique de Laschamps, centrée autour de 41 cal ka BP. Cette découverte aura des impacts significatifs pour les communautés scientifiques, telles que la préhistoire et la paléoclimatologie.

La nouvelle calibration du radiocarbone IntCal20 sera utilisée par l'ensemble de la communauté des utilisateurs du 14C au cours des cinq prochaines années. Le groupe de travail IntCal prépare déjà la prochaine itération. Des travaux en cours et à venir sont et seront menés au CEREGE et à l'IMBE pour aller au-delà de la calibration IntCal20, notamment avec des arbres subfossiles correspondant aux périodes du Bølling et de l'Allerød.

Le projet CARBOTRYDH est remercié dans le cadre de quatorze articles publiés dans des revues à comité de lecture. L'impact de ce travail est illustré par le nombre de citations des articles IntCal20 et par les publications dans des revues de premier plan telles que Science et PNAS.
Le projet CARBOTRYDH est un projet de recherche fondamentale coordonné par Edouard Bard au CEREGE (UMR Aix-Marseille Université, CNRS, IRD, INRAE, Collège de France) en association avec Cécile Miramont de l’IMBE (UMR Aix-Marseille Université, CNRS, IRD, Avignon Université). Le projet a commencé en octobre 2017 et a duré 45 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 255.000 € pour un coût global de l’ordre de 800.000 €.

Le projet CarboTRYDH (Etude à haute résolution du radiocarbone des séries d’anneaux d’arbres des Alpes du Sud pour le Dryas Récent et l'Holocène: Une fenêtre sur le passé pour documenter et comprendre les variations rapides du cycle du carbone et de l'activité solaire) a deux objectifs principaux: le premier consiste à mesurer à haute résolution et utiliser un enregistrement du rapport atmosphérique 14C/12C au cours de certains événements climatiques importants afin d’identifier les rôles respectifs des changements de production des isotopes cosmogéniques et des variations du cycle du carbone global. Le deuxième objectif est une contribution cruciale à l'amélioration de la précision du géochronomètre radiocarbone en améliorant sa calibration au cours de la dernière déglaciation.
Ces dernières années, nous avons découvert de nombreux arbres subfossiles dans les Alpes du Sud (bassin versant moyen de la Durance). En parallèle, nous avons installé un spectromètre de masse par accélérateur (SMA) de dimension réduite (AixMICADAS) et mis en place une méthode de purification destinée à la datation 14C du bois à très haute précision.
Pour le projet CarboTRYDH, nous analyserons des séquences de bois provenant de la collection actuelle de l’IMBE, ainsi que de futures collectes sur le terrain, en focalisant notre intérêt sur trois fenêtres temporelles: 1 / entrée dans l'événement froid du Dryas Récent (DR), 2 / sortie de l'événement DR, 3 / événement climatique de 8200 ans cal. BP (8.2K).
Des comparaisons spécifiques seront étudiées avec d’autres séquences de 14C pour l'Hémisphère Nord et l'Hémisphère Sud (e.g. séquence du pin Kauri de Nouvelle-Zélande) ainsi qu’avec les enregistrements du 10Be mesurés dans des carottes de glace polaire, ceci afin de distinguer la composante de production (modulation héliomagnétique, événements de particules énergétiques solaires) des variations liées aux changements du cycle du carbone (en considérant notamment les enregistrements de pCO2 et pCH4 dans les carottes de glace à forte accumulation). Avec des modèles numériques du cycle du carbone global, nous prendrons en compte les spécificités de mélange et de dépôt du 14C (processus couplant l'atmosphère, l'océan et la biosphère).
Le deuxième résultat scientifique majeur du projet consistera à combler le « hiatus » du Dryas Récent en reliant la dendrocalibration absolue pour l’Holocène avec les chronologies « flottantes » plus anciennes (périodes du Bölling & Alleröd). L'objectif est de contribuer aux prochaines itérations de la courbe de calibration du 14C préparée dans le cadre du groupe de travail IntCal, pour être ensuite appliquée par tous les utilisateurs du 14C.
Comme test de faisabilité du projet CarboTRYDH, nous avons déjà analysé une séquence d'anneaux d'arbres de deux siècles provenant de deux pins subfossiles collectés sur le site de Barbiers. Le nouvel enregistrement à haute résolution (tous les 3 ans) a confirmé le potentiel du projet quant à ses deux objectifs principaux. Tout en étant encore préliminaire, notre nouvel enregistrement triennal sur des arbres du sud de la France peut déjà être comparé à celui disponible pour la Nouvelle-Zélande, ce qui nous a permis de réévaluer le gradient interhémisphérique en 14C, ainsi que ses variations rapides au cours d’une fenêtre temporelle incluse dans l'événement du Dryas Récent (Capano et al. 2017).

Coordinateur du projet

Monsieur Edouard Bard (CEREGE Collège de France (chaire de l'évolution du climat et de l'océan))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEREGE Collège de France CEREGE Collège de France (chaire de l'évolution du climat et de l'océan)
IMBE Institut méditerranéen de biodiversité et d'écologie marine et continentale

Aide de l'ANR 255 009 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 36 Mois

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