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Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 19 septembre 2023 par Franziska Blattmann, rattachée à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.
La présente thèse vise à mieux comprendre les perturbations du cycle du carbone suite à l’extinction Permien-Trias il y a environ 252 millions d’années, aujourd’hui considérée comme l’extinction la plus massive dans l’histoire de la Terre en raison de l’énorme perte de faune qu’elle a entraînée. Le Trias inférieur, l’époque après l’extinction Permien-Trias, est marqué par un rétablissement biotique ralenti et de grandes perturbations du cycle du carbone.
Le cycle du carbone est l’ensemble d’une multitude de processus de déplacement du carbone dans le système terrestre. Il inclut le transfert du carbone entre les organismes vivants, l’atmosphère, le sol, les océans et la géosphère, également appelés des réservoirs de carbone. Le carbone existe sous différentes formes, notamment le dioxyde de carbone, la matière organique et le carbone inorganique. Le déplacement du carbone entre les réservoirs est essentiel pour réguler le climat sur la Terre et pour la vie sur notre planète. Les perturbations du cycle du carbone peuvent entraîner des changements considérables du climat et des écosystèmes. L’étude de perturbations du cycle du carbone survenues dans le passé, en particulier celles liées à des extinctions massives, permet de comprendre comment le climat de la Terre et les écosystèmes ont réagi à ces perturbations. Ces connaissances sont d’autant plus importantes parce qu’elles peuvent contribuer à anticiper et à atténuer potentiellement les effets du changement climatique actuel et futur.
Aujourd’hui comme dans le passé géologique, les perturbations du cycle de carbone se manifestent par les fluctuations des isotopes de carbone. Les isotopes sont défini par le nombre de neutrons dans le noyau d’un élément. Les isotopes stables de carbone sont 12C et 13C, le premier étant le plus commun et le plus léger isotope de carbone, le deuxième plus rare et plus lourd, car il contient un neutron de plus. Cette différence de poids entraîne une incorporation préférentielle de 12C dans les réactions chimiques telles que la photosynthèse. Dans la photosynthèse, lorsque les organismes vivants absorbent le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère pour les transformer en sucres (c.-à-d. en carbone organique), l’isotope de carbone 12C, plus léger, est plus susceptible d’être incorporé. Il en résulte un rapport 13C/12C caractéristique, le δ13C. Cette absorption préférentielle s’appelle fractionnement, et elle permet d’utiliser les isotopes de carbone pour retracer l’origine, les flux et les rapports entre les différents réservoirs de carbone au sein du cycle du carbone.
Ma thèse porte sur les sous-étages stratigraphiques du Smithien et du Spathien du Trias inférieur, environ 2 million d’années (Ma) après l’extinction Permien-Trias et s’étendant sur quelques 2,5 Ma. Les travaux réalisés par le passé ont montré que la transition du Smithien au Spathien est marquée par une variation positive de δ13C à l’échelle globale, le passage d’un climat « de serre » à un climat « glaciaire », la radiation biologique, des vagues d’extinction d’organismes marins et un changement de la végétation terrestre. Les résultats de ma thèse approfondissent nos connaissances en montrant que la séquestration du carbone de l’atmosphère vers les réservoirs plus lents, tels que l’océan profond, s’est produite plus tôt et plus rapidement que ce que l’on pensait auparavant. Les systèmes marins et terrestres semblent avoir contribué différemment au cycle global du carbone par l’émission et la séquestration du carbone atmosphérique au cours de la période étudiée. C’est ce que montrent les différences entre les valeurs δ13C des réservoirs terrestres et marins. Ces différences peuvent être liées à divers mécanismes qui ont une influence sur la production, le stockage et la destruction de carbone organique, notamment la productivité primaire, qui est associée au cycle des éléments nutritifs, mais aussi des facteurs biotiques et abiotiques contrôlant la préservation de la matière organique dans les sédiments marins et les sols, et des facteurs physiques liés à la température tels que la circulation océanique. Le cycle terrestre du carbone était soumis à des fluctuations probablement en raison du changement de la végétation dominante, de l’augmentation du carbone piégé dans les sols par le biais de la création hypothétique de pergélisol et du ralentissement de la décomposition de la matière organique. Quant au système marin, l’efficacité de la pompe biologique du carbone a déterminé la séquestration du carbone dans l’océan profond et les sédiments marins. La pompe biologique du carbone désigne le processus par lequel les organismes marins facilitent le transport du carbone de la surface vers les fonds marins.Pour résumer, les résultats de cette thèse reflètent un changement irréversible des cycles terrestre et marin du carbone au cours de la période étudiée. Les changements observés du cycle du carbone sont étroitement liés à et ont des effets positifs sur d’autres cycles biogéochimiques et la température. Comme pour la plupart des recherches, il reste beaucoup de travail à faire afin d’atténuer davantage les effets du changement
