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Géomorphologie, stratigraphie et reconstructions paléoenvironnementales au Pléistocène dans le détroit de Fram

 Marjolaine Sabine¹, Sébastien Zaragosi¹, Frédérique Eynaud¹, Elodie Marches², Jimmy Daynac¹, Alexie Cogné¹, Linda Rossignol¹, Thierry Garlan²

¹ UMR EPOC 5805, Université de Bordeaux.
² Service Hydrographique et océanographique de la marine (Shom), Brest.

Résumé

Le détroit de Fram est la seule connexion directe actuelle entre les eaux chaudes et salées de l’Atlantique Nord et les eaux froides et plus douces de l’Arctique. Le courant atlantique remonte par l’est, le long de la marge ouest de l’archipel du Svalbard et entre en Arctique le long du plateau de Yermak, entrainant le dépôt de corps contouritiques sur le fond du détroit (Howe et al., 2007). Les sédiments qui se déposent enregistrent à la fois les changements de circulation océanique (dont la circulation thermohaline), mais aussi les variations du couvert de glace de mer et d’apports terrigènes des calottes glaciaires (Howe et al., 2007; Müller and Stein, 2014). Les données des carottes sédimentaires issues de ce détroit remontent rarement au-delà du dernier glaciaire (environ 30 ka cal BP) ou la dernière déglaciation (Howe et al., 2007; Müller and Stein, 2014; Stein and Fahl, 2013; Zamelczyk et al., 2012). De plus, les conditions environnementales très particulières et difficiles de cette zone compliquent la préservation des microfossiles et donc l’élaboration d’échelles stratigraphiques précises.

Pour cette étude, quatre carottes sédimentaires profondes issues de la mission SHOM MOCOSED 2017 (n.o. Pourquoi Pas ?) sont analysées. Elles sont idéalement situées au cœur du détroit de Fram et permettent d'améliorer le travail stratigraphique déjà réalisé sur la base des sites ODP 911A et 912A (Grøsfjeld et al., 2014; Stein and Fahl, 2013). La période de temps couverte par ces carottes remonte à plus de 400 ka BP. Elles permettent également de mieux caractériser l’évolution des processus sédimentaires en jeu dans le détroit selon l’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires ; mais aussi les changements dans les échanges de masses d’eau entre l’océan Arctique et les mers nordiques.

Ce travail présente la compilation des données d’analyses sédimentaires (X-Ray Fluorescence (XRF), imagerie aux rayons X (SCOPIX), comptages de foraminifères et IRD, mesures microgranulométriques laser, analyse de lames minces, identification de zones d’acmé de coccolithophores de 35,5 m de sédiment, ainsi que le traitement des données bathymétriques multifaisceaux et des données sismiques THR (CHIRP). La variation de l’intensité des glaciations, du couvert de glace de mer, du niveau marin et du rejeu isostasique sont autant de paramètres qui ont influencés l’intensité des échanges entre l’Arctique et les mers nordiques, et donc de la circulation océanique globale.

Mots clefs : contourites, turbidites, glace de mer, détroit de Fram, périodes glaciaires/interglaciaires, Pléistocène.

Contenu de la présentation

Bonjour et Bienvenue !

Ce qui va suivre est une présentation que j'ai faite lors de la 26ème Réunion des Sciences de la Terre, qui s'est déroulée à Lille entre le 22 et le 26 octobre 2018. Cette présentation a eu lieu le 23 octobre 2018, durant la session Climatologie et Paléoclimatologie, dirigée par Laurent Riquier.

Cette vidéo fait office d’archive, je n’ai donc pas modifié son contenu par rapport à cette conférence. Les données les plus récentes sont présentées dans ma soutenance thèse de février 2021 que vous pouvez consulter sur la page correspondante. 

Références bibliographiques

 

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Bonjour et Bienvenue !

Je me présente, Marjolaine Sabine, actuellement en deuxième année de thèse au laboratoire EPOC en collaboration avec le Shom (Note : c'était en octobre 2018). Aujourd'hui, je vais vous présenter quelques résultats de ma thèse portant sur les mers nordiques en vous parlant de géomorphologie, de stratigraphie et de reconstructions paléoenvironnementales au Pléistocène dans le détroit de Fram.

Cette présentation est le fruit d'un travail collaboratif avec mes directeurs de thèse, Sébastien Zaragosi, Frédérique Eynaud, Elodie Marchès et Thierry Garlan, et deux stagiaires de licence, Jimmy Daynac et Alexis Cogné.

Je vais commencer dans un premier temps par une courte introduction sur la circulation océanique globale actuelle avant de me concentrer sur la circulation dans les mers nordiques et plus précisément encore dans le détroit de Fram, site de l'étude que vous allez voir. Ensuite, nous verrons les contextes bathymétriques et sédimentaires de ce détroit, majeur pour la circulation globale.

Les méthodes d'analyses employées seront rapidement évoquées avant de vous présenter les premiers résultats stratigraphiques et paléoenvironnementaux de cette zone clé du monde.

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Bien.

Lorsque l'on regarde la circulation océanique globale, on remarque que des courants froids et des courants chauds se retrouvent en plusieurs endroits du monde, mais s'affrontent rarement.

Dans le Pacifique, les upwellings le long de la marge américaine induisent des remontées d'eaux froides et riches en nutriments. Ces eaux sont emportées vers l'ouest en surface ce qui les réchauffe : c'est un changement continu d'une seule masse d'eau et non deux masses d'eau, l'une chaude et l'autre froide, qui s'affrontent.

Dans l'Atlantique, un océan plus petit et plus jeune, le fonctionnement est similaire.

L'océan Indien ne présente que des courants chauds, et à l'inverse, en Antarctique, le courant circum polaire est très froid mais si puissant et dynamique qu'il n'a pas l'occasion de rencontrer des eaux chaudes pour s'y mélanger.

La seule zone dans laquelle une telle confrontation peut se produire est dans les mers péri-arctiques et dans le bassin arctique lui-même. Le détroit de Béring, entre la Sibérie et l'Alaska est très étroit et ne permet que peu d'échanges. En revanche, dans les mers nordiques...

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...Les courants froids de l'Arctique descendent le long de la marge groenlandaise et les eaux chaudes de l'Atlantique nord remontent le long de la marge de Norvège. Ces deux masses d'eau indépendantes se rencontrent et peuvent se mélanger dans ces mers. Ce qui en fait une zone clé de l'océan mondial !

Zoomons sur cette zone pour la voir un peu plus en détails...

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Ces mers se composent :

• De la mer du Groenland, à l'ouest,
• De la mer de Norvège, à l'est et au sud-est,
• Et de la mer de Barents à l'est.

Ces mers sont enclavées entre l'océan Atlantique Nord au sud et l'océan glacial Arctique au nord.

Concernant la circulation océanique actuelle de cette zone...

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Un courant chaud et salé remonte depuis l'Atlantique Nord par le chenal des Féroés, longe le rebord de plateforme et pénètre dans l'Arctique par le détroit de Fram. Il s'agit du Norwegian Atlantic Current, le courant atlantique norvégien.

NwAC : Norwegian Atlantic Current.
NC : Norwegian Current.
WSpC : West Spitsbergen Current.
YSC : Yermak Slope Current.
SB : Svalbard Branche.

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À l'inverse, un courant froid et moins salé descend depuis l'océan glacial Arctique par la dérive transpolaire, traverse le détroit de Fram, et longe la marge est-groenlandaise jusqu'au détroit du Danemark entre le Groenland et l'Islande. Là ce courant, appelé l'East Greenland Current pour courant est-groenlandais, pénètre dans l'océan Atlantique.

Au sein des mers nordiques, plusieurs courants de recirculation induisent un mélange des eaux froides de l'Arctique et des eaux chaudes de l'Atlantique.

IC : Icelandic Current.
EGC : East Greenland Current.
GSG : Greenland Sea Gyre.
TPD : TransPolar Drift.

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 Nous allons nous intéresser tout particulièrement au détroit de Fram, étroit corridor où les eaux froides et les eaux chaudes se croisent.

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Le courant chaud atlantique, appelé dans cette zone le West Spitsbergen Current pour courant ouest Spitzberg, est clairement dominée par la bathymétrie du détroit. Il se scinde en deux branches à l'entrée de l'Arctique, l'une longe la marge de Svalbard, la Svalbard Branch, l'autre longe le plateau de Yermak, le Yermak Slope Current, pour courant de pente de Yermak. Cela implique une circulation des eaux chaudes entre 1000 et 1500 m de profondeur.

Inversement, le courant froid de l'Arctique arrive dans le détroit de Fram par la plateforme est-groenlandaise et circule au-dessus de la plateforme, donc à moins de 500 m de profondeur d'eau.

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D'un point de vue structurel, le détroit de Fram est la zone de séparation entre deux plaques tectoniques. Plusieurs dorsales océaniques profondes influencent la bathymétrie de la zone, comme vous pouvez le voir sur cette carte.

SPFZ : Spitsbergen Fracture Zone.
MR : Molloy Ridge.
MFZ : Molloy Fracture Zone.

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Le plateau continental nord-est groenlandais, plutôt large, et le plateau continental de Barents contraignent ce détroit de part et d'autre.

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  Les bassins profonds de Boréas et du Lofoten arrivent jusqu'aux portes du détroit.

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Et il y a le le plateau de Yermak qui influence la circulation océanique.  

D'un point de vue sédimentaire, plusieurs structures profondes ont été identifiées...

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... Certaines d'entre elles entaillent les plateaux continentaux en formant des gouttières peu profondes appelées des paléo-ice streams (PIS) marquant le zones d'écoulement préférentiel des calottes lors des maxima glaciaires.

Aux débouchées de ces paléo-icestreams se trouvent des éventails sédimentaires : les Trough Mouth Fans (TMF). Ces TMF sont les zones d'accumulation de sédiment transportés par les calottes. 

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 Au centre du détroit de Fram, des drifts contouritiques, donc des accumulations sédimentaires liées à des courants de contour, ont été identifiés. Ils témoignent d'une activité intense des courants profonds dans ce goulot d'étranglement.

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La banquise actuelle, ici représentée pour septembre 2017, montre clairement l'influence des deux courants dominants que nous avons vu : à l'est, contre la marge de Svalbard, le courant chaud Atlantique empêche la formation de glace de mer et maintient une zone libre de glace.

À l'ouest en revanche, le long de la marge du Groenland, la banquise s'étend au-dessus de la plateforme continentale, la formation de glace de mer étant favorisée par le courant froid et moins salé du courant est-groenlandais.

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 Connaissant tout cela, nos objectifs ont été de : 

• Identifier le type de sédimentation s'étant produit dans le détroit de Fram en fonction des périodes climatiques,
• En déduire les conditions de glace de mer et l'extension des calottes,
• Et établir une stratigraphie préliminaire des sédiments sur la base des faciès identifiés.

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Pour répondre à ces questions, une étude bathymétrique a été menée, exploitant les données fournies par l'IBCAO : l'International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean.

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Mais aussi par les données bathymétriques haute précision acquises durant la mission MOCOSED 2017.

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Des données sédimentaires ont également été traitées, avec notamment l'exploitation d'une carotte sédimentaire, la KC14, prélevée dans le center du détroit de Fram.  

Plusieurs analyses ont été réalisées sont la carotte :

• Des analyses XRF,
• De l'imagerie aux rayons X,
• Des mesures de susceptibilité magnétique (SM),
• Des frottis à raison de 1 par section, pour déterminer les assemblages de coccolithophoridés,
• Des lames minces ont été faites dans certains faciès sédimentaires,
• Des échantillonnages pour lavages ont également été faits, avec dénombrement des Ice Rafted Detritus (ou débris transportés par la glace), appelés des IRD, et de foraminifères benthiques de plus de 1 mm.

Dans un premier temps, nous allons voir les faciès sédimentaires identifiés.

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Premier faciès sédimentaire : le diacmicton. Ce faciès est très riche en IRD, sans microfossiles ou quasiment. Vous pouvez voir ici une photographie et une imagerie rX correspondant à la lame mince présentée.

Une photographie prise au microscope permet de clairement discerner une matrice argileuse dans laquelle flottent des grains détritiques, de taille variée, globalement anguleux : les IRD. Un seul microfossile est visible sur cette photographie.

Ce faciès correspond à une sédimentation glaciaire. Il implique la présence d'un ice-shelf, donc d'une langue de glace, au-dessus ou à proximité de la carotte sédimentaire.

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 Ce faciès pourrait étayer l'hypothèse de Jakobsson et al. (2016) suggérant l'existence d'un immense ice-shelf recouvrant la totalité de l'océan Arctique et des mers nordiques durant les pics des glaciaires. Notamment durant le MIS 6 soit 140 000 ans avant aujourd'hui.

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 Si l'on se concentre sur la zone du détroit de Fram suivant cette hypothèse de travail...

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On peut alors proposer un modèle conceptuel de reconstitution paléoenvironnementale comme celui-ci :

La calotte s'étend sur la mer, râcle les plateaux continentaux et forme une langue de glace permettant aux calottes du Groenland et de Svalbard de se rejoindre. La glace qui recouvre le détroit est chargée en éléments détritiques terrigènes qui, lorsqu'elle fond, sont libérés et s'accumulent au fond du détroit. 

Les conditions de surface ne permettent pas une production primaire élevée, et la colonne d'eau se stratifie, empêchant la prolifération des organismes benthiques.

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Ensuite, le faciès sédimentaire 2 correspond à une hémipélagite. Ce faciès est composé d'une argile globalement homogène, marquée de quelques très rares IRD, de rares microfossiles calcaires et de rares bioturbations.

Ce faciès suggère des dérives d'icebergs éparses et des conditions rudes pour la vie planctonique et benthique.

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Le modèle conceptuel paléoenvironnemental proposé suggère un environnement avec un fort couvert de glace de mer.

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Ensuite, nous avons identifié un troisième faciès sédimentaire, à la fois riche en IRD et en microfossiles calcaires. Ce faciès implique des décharges d'icebergs régulières avec une productivité de surface intense.

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Cela nous amène à suggérer un environnement avec des calottes étendues, donnant régulièrement des débâcles d'icebergs apportant leur cortège de grains détritiques grossiers sur le fond marin.

La surface du détroit devait être libre de glace avec une circulation océanique active apportant des nutriments, donnant des conditions favorables pour les foraminifères planctoniques et benthiques.

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Le quatrième faciès sédimentaire correspond aux boues laminées. Ce faciès dénué d'IRD suggère des conditions libres de glace associées à des courants de fond et/ou des courants de contour.

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Cela nous amène à proposer un modèle paléoenvironnemental avec des calottes restreintes sur les continents, des conditions de glace de mer éparse, et l'action d'un courant de fond dynamique.

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Maintenant que ces quatre faciès sédimentaires majeurs ont été identifiés et décrits, nous pouvons nous intéresser à l'ensemble des données sédimentaires dont nous disposons.

Ici vous sont présentées les données de la carotte KC14 avec, de gauche à droite :

• la profondeur, en mètres,
• la photographie de la carotte KC14, sur laquelle est posée, en blanc, la courbe de colorémitrie du a*,
• l'imagerie aux rayons X, sur laquelle est posée, en noir, la courbe de susceptibilité magnétique,
• le dessin de la carotte (basé sur la couleur et l'imagerie rX),
• le log lithologique de la carotte,
• le poucentage massique de sédiment en fonction de la gamme de tailles (pourcentage de matériel de plus de 1 000 µm, entre 125 et 1 000 µm et inférieur à 125 µm), 
• le nombre de grains détritiques grossiers (IRD) de plus de 1 mm par gramme de sédiment sec mis en parallèle du taux de sédimentaiton,
• la présence ou l'absence de foraminifères planctoniques dans la gamme de taille 125 - 1 000 µm,
• deux courbe de données XRF :
  • le rapport de Fer sur Silicium,
  • le rapport de la somme des éléments marqueurs d'une sédimentation terrigène (Titane, Silicium et Fer) sur la somme des éléments chimiques marqueurs d'une sédimentation biogénique (calcium et strontium)

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Les frottis n'ont aboutis qu'à un seul résultat : un niveau donnait l'assemblage de coccolithes correspondant au MIS 5, donc à l'avant-dernier gros interglaciaire. Tous les autres se sont révélés non concluants, voire dénué de coccolithes.

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Le faciès sédimentaire 1, le diamicton sans microfossiles calcaires,  domine la sédimentation sur toute la partie inférieure de la carotte.

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 C'est interprété comme l'enregistrement de la présence d'un iceshelf au-dessus du détroit de Fram à trois reprises.

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 Le faciès sédimentaire 2, montrant des hémipélagites, est récurant dans la carotte.

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 Témoignant de la redondance de périodes avec très peu de débris ice-raftés malgré une absence de microfossiles calcaires.

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Ces deux faciès ensemble pourraint indiquer des conditions glaciaires alternant entre des phases très froides durant lesquelles un ice-shelf viendrait recouvrir l'intégralité du détroit, et des phases un peu plus chaudes où les icebergs ne seraient pas présents ou presque pas, mais où un couvert de glace de mer quasi-permanent empêcherait la prolifération de microorganismes planctoniques calcaires.

Ces deux faciès ensemble suggèrent que la carotte KC14 nous permet potentiellement de remonter jusqu'au stade isotopique 8.

 

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La répartition du faciès sédimentaire 3, correspondant à un diamicton riche en microfossiles, montre qu'il a dominé la sédimentation de toute la moitié supérieure de la carotte KC14.

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 Ce faciès indique des conditions de surface du détroit libre de glace et favorables à la vie planctonique et benthique.

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Le faciès sédimentaire 4, redondant dans la carotte, marque des conditions plus chaudes, avec des courants de fond assez intenses et réguliers pour permettre la formation de dépôts laminés.

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Ce faciès, totalement dénué d'IRD, suggère des conditions libres de glace avec des calottes réduites, associées à un courant de fond ou de contour très actif.

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Ces deux faciès peuvent être interprétés comme correspondant à des périodes interglaciaires, marquées par une alternance de périodes plus chaudes (le faciès laminé) et d'autres plus froides (le faciès de diamicton très riche en microfossiles calcaires).

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 Si l'on replace l'ensemble de ces faciès sur la carotte KC14, on peut alors produire un log lithologique simplifié...

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Dans lequel l'alternance des paléoenvironnements peut être présentée. Deux cycles se dinstinguent : la partie inférieure de la carotte montre des sédiments très pauvres en microfossiles alors que la moitié supérieure de la carotte est plus riche en microfossiles calcaires.

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 En conclusion,

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 Le détroit de Fram enregistre des successions sédimentaires de façon cyclique :

• les périodes glaciaires sont marquées par des IRD, la récurrence d'un couvert de glace par un ice-shelf étendu sur tout le détroit, et la quasi-absence de courants profonds.

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• Et les périodes interglaciaires sont marquées par des dépôts laminés marqueurs de courants de fonds, et une abondance générale de microfossiles calcaires, même si des périodes plus froides au sein des interglaciaires peuvent induire des débâcles d'icebergs donnant des IRD dans le détroit.

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À présent, afin de savoir si le scénario que je viens de vous présenter est juste ou s'il contient des inexactitudes, il faut continuer les analyses et approfondir les recherches, notamment par l'utilisation d'autres proxies et d'autres carottes sédimentaires.

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 Merci de votre attention !

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