Proposition de sujet de thèse 2020

Proposition de sujet de thèse 2020
(A remplir par les équipes d'accueil et à retourner à Isabelle HAMMAD : hammad@cerege.fr
*à renseigner obligatoirement pour la validation du sujet, (1) : A remplir lors de la campagne d'attribution des
allocations, à l'issue de la session de juin des Masters

Sujet de doctorat proposé *: Reconstruction paléoclimatique depuis les derniers 40 000
ans à partir de chronologies glaciaires sur l’archipel Kerguelen, établies à l’aide du
nucléide cosmogénique chlore-36.
Encadrant(s), nom, prénom, adresse mail *: SCHIMMELPFENNIG, Irene (schimmel@cerege.fr), JOMELLI,
Vincent (vincent.jomelli@lgp.cnrs.fr)
Laboratoire *: CEREGE

Tableau récapitulatif du sujet

Candidat(e)(1)
Nom - Prénom :
Date de naissance :
Licence (origine, années, mention) :
Mention et classement au Master 1 année (Xème sur Y)

Mention et classement au S3 du Master 2 (Xème sur Y)
Mention et classement au S4 du Master 2 (Xème sur Y)
Mention et classement au M2 (année) (Xème sur Y)
MASTER (nom, université)
Sujet de doctorat proposé*                                      Reconstruction paléoclimatique depuis les derniers
                                                                40 000 ans à partir de chronologies glaciaires sur
                                                                l’archipel Kerguelen, établies à l’aide du nucléide
                                                                cosmogénique chlore-36.
Encadrants (2 max, indiquer si HDR ou pas)*                     Irene SCHIMMELPFENNIG (non-HDR), Vincent
                                                                JOMELLI (HDR)
Laboratoire*                                                    CEREGE
Programme finançant la recherche (indiqué si obtenu ou          Obtenus : IPEV Kessaco (2010-2018, LEFE
envisagé) (1)                                                   Glacepreker (2017-2020), Labex Les Envahisseurs
                                                                (2020-2022), SOUTHERN OCEAN (financement
                                                                norvégien, 2018-2023)
                                                                Soumis AAP INEE (2020-2023)
                                                                Envisagé IPEV et ANR

Sujet de doctorat proposé*
Intitulé* : Reconstruction paléoclimatique depuis les derniers 40 000 ans à partir de chronologies glaciaires sur
l’archipel Kerguelen, établies à l’aide du nucléide cosmogénique chlore-36.

Descriptif *:

                                                  Contexte et problématique

Les glaciers sont connus pour être de très bons indicateurs du climat et de ses fluctuations (IPCC, 2013). Leurs
bilans de masse et hydrologique dépendent des températures et des précipitations. L’évolution du bilan de
masse au cours du temps induit un changement de la position du front. Ces variations du front forment des
dépôts de roches tels que des moraines et des roches erratiques qui peuvent être observées dans le paysage et
datées par les nucléides cosmogéniques comme le chlore-36 (36Cl) quand il s’agit d‘une lithologie volcanique.
En reconstituant le paléo bilan de masse correspondant à des stades glaciaires documentés à partir des moraines
on peut ainsi reconstituer les conditions de température et de précipitation régionales et étudier les forçages
externes et internes associés (Oerlemans, 2005; Jomelli et al., 2011, 2014).
Les glaciers de l’hémisphère sud connaissent actuellement un recul sans précédent. La calotte Cook dans
l’archipel des Kerguelen (Fig. 1 ; 49°S, 69°E, 552km² en 2001, soit 8% de la surface totale de l'archipel)
représente la plus large étendue glaciaire dans l’Océan indien et de manière plus générale de l’ensemble des
régions subantarctiques. Or, cette calotte montre actuellement des pertes de masse parmi les plus fortes à
l'échelle planétaire (Berthier et al., 2009 ; Verfaillie et al., 2015 ; Favier et al., 2016). Comprendre précisément
les relations climat-glaciers pendant les périodes anciennes est une des clés pour caractériser les forçages
climatiques impliqués dans ce recul actuel des glaciers, notamment le rôle de l’homme (Favier et al., 2016).
Kerguelen est en outre le seul archipel présentant des moraines terrestres anciennes correctement conservées
permettant de documenter l’évolution des glaciers depuis la période Marine Isotope Stade 3 (MIS-3 ; il y a 60-
25 ka) et les changements climatiques régionaux associés (Hodgson et al., 2014 ; Jomelli et al., 2018).
Cependant, à ce jour la reconstruction des paléostades glaciaires reste très mal contrainte en dehors des âges
36
   Cl de quelques dépôts glaciaires formés entre la période MIS-3 et le dernier millénaire (Jomelli et al., 2017,
2018). La comparaison de ces chronologies glaciaires établies récemment avec celles développées à partir du
nucléide cosmogénique béryllium-10 (10Be) en Patagonie et en Nouvelle Zélande (Fogwill et al., 2015 ; Kelley
et al., 2014) a mis en évidence une évolution asynchrone des glaciers entre ces régions sub-antartiques depuis la
période MIS-3. Sur l’archipel Kerguelen, l’évolution des glaciers semble avoir tantôt été synchrone avec une ou
plusieurs régions de l’Océan Austral tantôt asynchrone avec toutes les régions (Jomelli et al. 2107, 2018)
soulignant des disparités climatiques insuffisamment comprises. Par ailleurs, le minimum des températures en
Antarctique est enregistré autour de 25 ka (WAIS Divide members, 2015) et correspond fréquemment à
l’extension maximale des glaciers à l’échelle du globe (LGM). On pourrait donc s’attendre à ce que la calotte
Cook sur l’archipel Kerguelen ait connu une extension maximale à cette époque. Or, si l’extension maximale
terrestre de la calotte reste encore inconnue à Kerguelen nos études préliminaires suggèrent qu’elle a eu lieu au
moins ~10 000 ans plus tôt. Quand a-t-elle eu lieu exactement ? Et quelle en est la cause ? L’analyse
d’échantillons prélevés en 2018 sur des moraines dans la péninsule Courbet (Fig. 1) les plus éloignées de la
calotte permettront de contraindre plus finement l’extension maximale et de répondre à ces questions.
Un autre point original porte sur l’extension des glaciers pendant l’Holocène à Kerguelen. Dans les autres
régions de l’hémisphère sud, les glaciers ont connu une extension de plus en plus faible au cours du temps. A
Kerguelen, les datations de tourbe réalisées dans les années 1990 dans une vallée (Ampere, Fig. 1) suggèrent
l’évolution inverse. Avant d’identifier les causes possibles de cette évolution unique, d’autres datations
s’avèrent nécessaires pour confirmer/ réfuter cette hypothèse. Par ailleurs, il existe à Kerguelen différent types
de glaciers : front de la calotte à terminaison marine ou terrestre, petit glacier de montagne ou glacier couvert.
On pourra mesurer le rôle de ces caractéristiques géomorphologique dans leurs fluctuations holocènes et leur
sensibilité aux variations climatiques. Ces dernières problématiques sont partiellement adressées dans les
travaux actuels du master de Joanna Charton, mais pour arriver à des conclusions solides davantage d’analyses
seront nécessaires.
La reconstitution chronologique de ces paléostades est cruciale pour pouvoir compléter notre connaissance de
l’évolution paléoclimatique régionale et des forçages climatiques associés intervenant à des pas de temps
différents, tels que la position et l’intensité des westerlies, l’AMOC, l’insolation ou/et le CO2. Cet archipel
constitue en effet un cadre exemplaire pour étudier les relations climat-glaciers dans l’hémisphère sud en raison
du suivi glaciologique réalisé ces dernières années.

Par ailleurs, la justesse et la précision des chronologies glaciaires aux Kerguelen fondées sur la datation par le
36
   Cl dépendent d’une connaissance approfondie des taux de production du 36Cl (nombre d’atome de l’isotope
produit par gramme d’élément cible par an). Or, les calibrations de ces taux de production effectuées à
différents endroits autour de la planète sont rares et souffrent encore de précision et de cohérence
(Schimmelpfennig et al., 2011; Schimmelpfennig et al., 2014; Marrero et al., 2016). La caractérisation de taux
de production locaux aux Kerguelen minimiserait les incertitudes sur les chronologies glaciaires et permettrait
une comparaison plus significative des évolutions glaciaires dans les régions sub-antarctiques. Le principe de la
calibration consiste à mesurer la concentration du 36Cl dans des échantillons prélevés d’une surface rocheuse
bien préservées et dont l’âge du dépôt de la roche est connu, ce qui permet de remonter aux taux de production
du 36Cl.

Fig.1 : Localisation de l’archipel Kerguelen. A : Carte des régions antarctique et sub-antarctique avec la position des
fronts océaniques polar (violet) et sub-polar (rose) modernes. B : Image satellite de l’île principale des Kerguelen avec
les extensions modernes de la glace et les sites d’études de la thèse.

                                                      Objectifs
Les objectifs de cette thèse se déclinent en trois points
  1- Calibration des taux de production locaux du 36Cl.
  2- Cartographie et datation de a) l’extension maximale de la calotte de glace sur l’archipel Kerguelen
      antérieure au globale LGM et b) des extensions glaciaires pendant l’holocène.
  3- Compréhension des conditions climatiques et mécanismes climatiques atmosphériques et océaniques
      régionaux associés à ces évolutions glaciaires. L’étudiant(e) cherchera la caractérisation du rôle des
      principaux forçages comme l’insolation, le CO2, le SAM, ou encore l’AMOC et leurs liens avec
      l’évolution des deux calottes Antarctique et Groenlandaise.

Au cours d’un programme IPEV (Glacioclim-KESAACO) et d’un programme LEFE (Glacepreker), plus de
350 échantillons de roche ont été prélevés dans différentes zones de l’archipel, afin de compléter les datations
déjà acquises (Jomelli et al., 2017, 2018) et de calibrer les taux de production locaux du 36Cl.
1- Des échantillons d’une lithologie particulière ont également été collectés à Kerguelen. Il s’agit de syénites
qui contiennent à la fois des amphiboles et pyroxènes (riches en Ca), des apatites et feldspaths (riches en K) et
des cristaux de quartz. L’étudiant(e) séparera les grains de quartz et les utilisera pour la datation par le 10Be,
dont le taux de calibration est aujourd’hui très bien contraint dans ces régions sub-antarctiques (Putnam et al,

2010 ; Kaplan et al., 2011 EPSL), pour dater les dépôts glaciaires. Ensuite, l’étudiant(e) séparera les minéraux
riches en Ca et K pour mesurer leurs concentrations en 36Cl. Il/elle établira ensuite les taux de production
locaux du 36Cl par spallation du Ca et du K, qui sont les éléments cibles les plus importants pour la production
du 36Cl (Schimmelpfennig et al., 2009).
2- L’étudiant(e) utilisera la cartographie digitale pour représenter la répartition spatiale des traces
géomorphologiques laissées dans le paysage par les fluctuations glaciaires passées. Il/elle déterminera les âges
36
   Cl de dépôts glaciaires à partir de ~80 échantillons qui sont déjà récoltés mais actuellement non-datés. Ces
nouvelles datations permettront de compléter et d’affiner notre connaissance de l’évolution de la calotte de
glace et des glaciers locaux sur l’archipel depuis la période MIS-3. Des lacunes importantes existent notamment
en ce qui concerne a) la chronologie des extensions glaciaires pendant le maximum glaciaire local, mais aussi
pendant la déglaciation du tardiglaciaire, et b) les fluctuations de la glace pendant l’holocène, pour laquelle
l’étudiant(e) comparera spécifiquement les chronologies des glaciers avec terminaison terrestre versus marine
en travaillant à partir des moraines latérales échantillonnées, et les glaciers blancs versus glaciers couverts. La
calibration des taux de production locaux du 36Cl réalisée dans le cadre de cette thèse permettra également à
l’étudiant(e) de recalculer les âges déjà obtenus sur l’archipel et d’ainsi contribuer à l’affinement des
chronologies glaciaires.
3- Pour mieux comprendre les mécanismes climatiques qui étaient responsables de l’évolution glaciaire
observée sur l’archipel Kerguelen, l’étudiant(e) se basera sur les cartographies et datations effectuées et
utilisera des modèles glaciaires afin de reconstituer l’ELA associée aux différents paléostades de la calotte
glaciaire et des glaciers locaux. Ceci permettra de remonter aux conditions climatiques pouvant potentiellement
expliquer cette évolution (température, précipitation). A l’aide d’une analyse approfondie des enregistrements
glaciaires et paléoclimatiques dans la région subantarctique et antarctique en comparaison avec les nouveaux
résultats, l’étudiant(e) explorera, en collaboration avec des modélisateurs du climat (D. Swingedouw, Epoch ;
D. Verfaillie et H. Gosse Université de Louvain, M. Menegoz IGE), les principaux forçages climatiques qui
pourraient expliquer l’évolution climatique dans la région. Ces informations seront confrontées aux sorties de
simulations climatiques disponibles afin de mesurer dans les modèles le point de chacun de ces forçages au
cours du temps.
                                                               Méthodes
Préparation physique et chimique d’échantillons, cartographie digitale, calculs statistiques, modélisation
glaciaire, mission sur le terrain sous réserve d’un financement IPEV
                                                           Environnement
L’étudiant(e) sera inscrit(e) à AMU et travaillera au CEREGE.

Littérature :
Berthier, et al., 2009 : J. Geophys. Res. 114, F03005
Favier et al., 2016 : Sci. Rep. 6, 32396
Fogwill et al., 2015. Sci. Rep. 5, 11673
Hodgson et al., 2014 : Quat. Sci. Rev. 100, 137-158
Jomelli et al., 2011 : Nature 474, 196-199
Jomelli et al 2014 : Nature, 513, 224-228
Jomelli et al., 2017 : Quat. Sci. Rev. 162, 128-144
Jomelli et al., 2018 : Quat. Sci. Rev. 183, 110-123
Kaplan et al., 2011: Earth Planet Sci. Lett. 309, 21-32
Kelley et al., 2014 : Earth Planet Sci. Lett. 405, 194-206
Marrero et al., 2016 : Quat. Geochronol. 31, 199–219
Oerlemans, 2005: Science, v. 308, p. 675–677, doi:10.1126/science.1107046
Putnam et al., 2010 : Quat. Geochronol. 5, 392-409
Schimmelpfennig et al., 2009. Quat. Geochronol. 6, 441-461
Schimmelpfennig et al., 2011. Geochem. Cosmochim. Acta 75, 2611-2632
Schimmelpfennig et al., 2014. J. Quat. Sci. 29, 407-413
Verfaillie et al., 2015 : J. Geophys. Res. 120, 637-654.
WAIS Divide Project Members, 2015 : Nature 520, 661-665

Détail du Programme finançant la recherche* :

Obtenu : Programme Ipev kesacco, Programme Lefe Glacepreker. Ces programmes étalés sur ces 8 dernières
années ont permis de caractériser le fonctionnement actuel de la calotte et la collecte des échantillons utilisés
pour la thèse proposée ici, leur rapatriement au CEREGE. SOUTHERN OCEAN (financement norvégien 2018-
2023) et Labex dynamite Les envahisseurs (2020-2022). Ces projets permettront de financer le traitement des
échantillons et la valorisation des résultats (conférences, publications).
Soumis : CNRS INEE MI Défi AAP (Adaptextreme) (2020- 2023). Si accepté ce projet permettra de financer si
nécessaire le traitement d’échantillons et la valorisation des résultats (conférences, publications). Un projet
IPEV soumis en collaboration avec le LESE (Saclay) permettra également si financé de réaliser une éventuelle
campagne d’observation et le traitement d’échantillons et la valorisation des résultats. Si accepté ce projet sera
alors élargi et soumis à l’ANR fin 2020.

Directeur(s) de thèse proposé(s)*
(limiter au plus à deux personnes principales, dont au moins une titulaire de l'HDR)

Directeur HDR proposé*
Nom - Prénom : Jomelli Vincent
Corps : DR2
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) : CEREGE
Adresse mail : vincent.jomelli@lgp.cnrs.fr
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) :

Biette, M., Jomelli, V., Chenet, M., Braucher R., Rinterknecht V., Lane T., ASTER Team. (2020). Mountain glacier fluctuations
   during the Late Glacial and Holocene on Clavering Island (Northeastern Greenland) from 10Be moraine dating. Boreas. Under
   review.

Jomelli V., Chapron E., Favier V., Rinterknecht V., Braucher R., Tournier N., Gascoin S., Marti R., Galop D., Binet S., Deschamps-
   Berger C., Tissoux H., ASTER Team (2020). Glacier fluctuations during the Late Glacial and Holocene on the Ariege valley,
   northern slope of the Pyrenees and reconstructed climatic conditions. Mediterranean Geoscience Reviews. In press.

Verfaillie D., Favier, V., Gallee H., Fettweis, X., Agosta, C., Jomelli, V. (2019). Regional modeling of surface mass balance on the
   Cook Ice Cap, Kerguelen Islands (49S, 69E). Climate Dynamics 53, 1-17.

Brun, F., Wagnon P., Berthier E., Jomelli V., Maharjan S.B., Shrestha F., Kraaijenbrink PDA (2019). Heterogeneous influence of
   glacier morphology on the mass balance variability in High Mountain Asia. JGR Earth Surface, 124: 1-15.

Palacios, D., Stokes, C., Phillips, F., Clague, J., Alcalá-Reygosa, J., De Andres De Pablo, N., Angel, I., Blard, PH., Briner, J., Hall,
   B., Dahms, D., Hein, A.S., Jomelli, V., Mark, B., Martini, M., Moreno, P., Riedel, J., Sagredo, E., Stansell, N., Vazquez-Selem,
   L., Vuille, M., Ward D. (2020). The Deglaciation of the Americas during the Last Glacial Termination. Earth-Science Reviews, in
   press

Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années*
Nom : Biette
Intitulé : Evolution des glaciers au Groenland au temps des Vikings
Type d'allocation : Université Paris 1
Date de début de l'allocation de doctorat : 2016
Date de soutenance (si la thèse est soutenue) : 13-05-20
Programme finançant la recherche : ANR
Situation actuelle du docteur (si la thèse est soutenue) : recherche d’emploi
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : 60%

Autre directeur proposé (éventuellement)*
Nom - Prénom : SCHIMMELPFENNIG, Irene
Corps : CRCN CNRS

Adresse mail : schimmel@cerege.fr
Laboratoire (i.e. formation contractualisée de rattachement, éventuellement équipe au sein de cette formation) : CEREGE,
équipe Climat
Choix de cinq publications récentes (souligner éventuellement les étudiants dirigés co-signataires) :

Protin, M., Schimmelpfennig, I., Mugnier, J.L., Ravanel, L., Le Roy, M., Deline, P., Favier, V., Buoncristiani, J.F.,
ASTER Team (2019): Climatic reconstruction for the Younger Dryas/Early Holocene transition and the Little Ice Age
based on paleo-extents of Argentière glacier (French Alps), Quaternary Science Reviews 221, 105863

Tylmann, K., Rinterknecht, V.R., Woźniak, P.P., Bourlès, D., Schimmelpfennig, I., Guillou, V., ASTER Team (2019):
The Local Last Glacial Maximum of the southern Scandinavian Ice Sheet front: Cosmogenic nuclide dating of erratics in
northern Poland. Quaternary Science Reviews 219, 36-46.

Styllas, M.N., Schimmelpfennig, I., Benedetti, L., Ghilardi, M., ASTER Team (2018): Late-glacial and Holocene history
of the northeast Mediterranean mountain glaciers - New insights from in situ-produced 36Cl-based cosmic ray exposure
dating of paleo-glacier deposits on Mount Olympus, Greece. Quaternary Science Reviews 193, 244-265.

Jomelli, V., Schimmelpfennig, I., Favier, V., Mokadem, F., Landais, A., Rinterknecht, V., Brunstein, D., Verfaillie, D.,
Legentil, C., Aumaitre, G., Bourlès, D., Keddadouche, K. (2018): Glacier extent in sub-Antarctic Kerguelen archipelago
from MIS 3 period: Evidence from 36Cl dating. Quaternary Science Reviews 183, 110-123.

Schimmelpfennig, I., Schaefer, J., Putnam, A., Koffman, T., Benedetti, L., Ivy-Ochs, S., ASTER Team, Schlüchter, C.
(2014): 36Cl production rate from K-spallation in the European Alps (Chironico landslide, Switzerland). Journal of
Quaternary Science 29, 407-413.

Thèses encadrées ou co-encadrées au cours des quatre dernières années*
Nom : PROTIN, Marie
Intitulé : Etude des fluctuations glaciaires et des taux d’érosion sous-glaciaires au cours de l’Holocène dans le
Massif du Mont Blanc à partir des nucléides cosmogéniques 10Be et 14C produits in situ
Type d'allocation : Contrat ANR
Date de début de l'allocation de doctorat : 1er Octobre 2015
Date de soutenance : 9 mai 2019
Programme finançant la recherche : Projet ANR Vip-Mont Blanc
Situation actuelle du docteur : postdoc au CRPG CNRS (Nancy)
Pourcentage de participation du directeur à l'encadrement en cas de co-direction : 80...%