Etude du rapport iotopique 18O/16O
L’Oxygène présent dans l’eau comprend entre autre des atomes de masse atomique 16 et 18. Ce sont des isotopes stables de l’Oxygène. La proportion de ces deux isotopes varie selon que l’eau est à l’éat gazeux, ou à l’état solide, et aussi en fonction de la température, ce qui en fait un marqueur des conditions climatiques dans lesquelles évoluent les eaux marines. Ces isotopes se trouvent piégés dans les calottes glaciaires, dans les coquilles carbonatées d’organismes vivant dans l’eau des océans ou des lacss.
On peut donc sur une serie continue de coquilles de certaines especes de foram étudier les variations du rapport 18O/16O et reconstituer les fluctuations climatiques du passé.
Le fractionnement isotopique de l’Oxygène:
Lors d’une évaporation, la vapeur d’eau est moins concentrée en H218O que le liquide dont elle est issue. Inversement, lors d’une condensation, les précipitations (pluie et neige) sont plus concentrées en H218O que la vapeur. La vapeur formée au-dessus des océans est dite appauvrie (en H218O par rapport à H216O) par rapport à l’eau de mer. Lors du transport de cette vapeur des basses vers les hautes latitudes, et des océans vers les continents, les condensations successives appauvrissent encore plus la vapeur. A chaque condensation, les précipitations sont enrichies par rapport à la vapeur, mais ceci ne compense pas l’appauvrissement acquis progressivement par la vapeur. Les précipitations sont donc de plus en plus appauvries (δ18O de plus en plus négatif).
Relation entre refroidissement et diminution du delta18O des precipitation donné (thermomètre isotopique)
Le refroidissement en période glaciaire a été global, mais il a été plus important aux hautes latitudes qu’aux basses. L’appauvrissement en vapeur et en H218O des nuages lors de leur transport a été plus intense, car avec des températures plus basses on condense plus de vapeur, et donc il en reste moins pour les précipitations suivantes. Pour un site donné, ce refroidissement conduit donc a une diminution du δ18O des précipitations.
Relation entre volume de glaces polaires et δ18O des océans.
La glace des calottes polaires est donc toujours appauvrie en H218O de 30 à 40 ‰ (δ18O ~ -40 ‰ = -4 %) environ par rapport à l’eau des océans (avec de petites variations selon la température, cf paragraphe précédent). Comme la quantité totale de H218O (océans + calottes) est constante, plus les calottes sont volumineuses (à δ18O constant), plus l’eau de mer est, par différence, concentrée en H218O. Volume des calottes et δ18O de la mer varient donc dans le même sens, proportionnellement.
Relation entre δ18O des océans et δ18O des Foraminifères benthiques.
Les Foraminifères benthiques sont des Protozoaires qui vivent au fond des océans et synthétisent une coquille carbonatée (un test) dont la composition isotopique dépend de la température de l’eau et du δ18O de l’eau. Comme la température de l’eau est varie peu à grande profondeur, les variations du δ18O des tests ne dépendent plus que de celles de l’eau : pour une température au fond des océans (typiquement de 1°C), le δ18O des Foraminifères benthiques est toujours supérieur de 3 ‰ environ à celui de l’eau.
D’où la relation entre δ18O des Foraminifères benthiques et volume de glaces polaires.
Par l’analyse des carottes de sédiments carbonatés marins, on peut donc estimer le volume des glaces sur les derniers millions d’années.
Relation entre δ18O des glaces et volume de glaces polaires
En période glaciaire, le refroidissement du climat diminue le δ18O des glaces ; et la formation de calottes de glace fait augmenter le δ18O des océans. La reconstruction des variations de ces δ18O (dans les glaces et les sédiments marins) montre une très bonne corrélation sur les derniers millions d’années.