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  • Quel temps faisait-il, il y a 20’000 ans ?

    Quel temps faisait-il, il y a 20’000 ans ?

    Pendant le dernier maximum glaciaire, il y a environ 20’000 ans, il faisait froid. Mais à quel point ? Actuellement, les estimations de la température moyenne de l’air en surface varient pour cette période de -1,8 à -8 °C par rapport à aujourd’hui. Ce qui reste peu précis. Développer une méthode applicable globalement (à toute latitude et à toute altitude) pour estimer les températures du passé, c’est l’ambition de Christoph Schmidt et Georgina King dans un nouveau projet FNS, qui débute le 1er juillet 2022.

    Une méthode « globale » – de la Lune au pied du Mont-Blanc

    Cette méthode se base sur un matériel presque omniprésent : le quartz et le feldspath. L’idée a été introduite pour la première fois dans les années 1960 pour des applications terrestres, puis dans les années 1970 pour les échantillons lunaires de la mission Apollo 12. Elle n’a été relancée et développée que récemment, notamment grâce à un groupe de la FGSE : Frédéric Herman et Rabiul Biswas (aujourd’hui professeur en Inde) y ont en effet consacré beaucoup d’efforts et de temps. « Ils l’ont développée au point qu’il nous est maintenant possible de nous baser sur elle et d’essayer de l’appliquer à plus grande échelle » précise Christoph Schmidt. « Il reste des questions ouvertes et des problèmes auxquels nous devons faire face, mais nous avons des idées sur la façon de les surmonter ». Cette méthode pourra s’appliquer à toutes les régions du monde où ces minéraux sont présents, et pourquoi pas, à d’autres planètes !

    La trace des paléotempératures piégée dans les minéraux

    Reconstruire les températures du passé, comment est-ce possible ? Le quartz et le feldspath piègent des électrons générés par le rayonnement environnemental. L’équipe exploite le fait que la charge piégée dans ces minéraux dépend de la température ambiante. Dans la machine à luminescence (visible sur la vidéo), l’échantillon est exposé à la chaleur ou à la lumière, ce qui déclenche la libération du signal de luminescence. Un dispositif très sensible, le photomultiplicateur, est alors capable d’enregistrer des photons individuels libérés par le minéral – à un niveau de lumière invisible pour l’œil humain. 

    Nous essayons de mesurer le niveau relatif du signal en réponse à deux processus concurrents : rayonnement et température. Nous pourrons ainsi trouver l’histoire thermique qui explique le mieux le signal que nous observons expérimentalement

    Christoph Schmidt
    L’un des principaux défis est de caractériser le comportement des échantillons de quartz et de feldspath avec précision. Pour pouvoir extrapoler les observations en laboratoire à une échelle de temps plus grande, il s’agit en effet d’être aussi précis que possible. Car de petites imprécisions vont sérieusement affecter une extrapolation dans le passé lointain.

    Notre objectif est de reconstruire la température absolue de différentes périodes de temps, de 30 à 40’000 ans à des échelles de temps plus courtes. Mais cette méthode aura d’autres utilisations possibles : par exemple estimer la température subie par une roche pendant une éruption volcanique ou tout autre type de catastrophe thermique.

    Christoph Schmidt

    Il y a 20’000 ans, de l’équateur au Grand Nord

    Reconstruire la série temporelle de température absolue, du dernier maximum glaciaire à nos jours, est une chose. Or, l’équipe ambitionne de couvrir également un gradient latitudinal aussi large que possible. « Nous commençons en Norvège, par l’endroit le plus au nord qui n’était pas recouvert par un glacier pendant la dernière période glaciaire – sachant que comme c’est la température de l’air qui nous intéresse, la roche (ndlr: et donc les minéraux qu’elle contient) doit avoir été au contact de l’air. Au point le plus au sud, près de l’équateur, nous irons sur les monts Ruwenzori en Ouganda. C’est le seul massif montagneux non volcanique d’Afrique centrale, ce qui ne nous laisse pas trop le choix ! L’origine non volcanique est importante, car les échantillons volcaniques présentent des propriétés de luminescence très spéciales que nous essayons d’éviter. »

    Monts Ruwenzori, Ouganda (© Martin Mwaura | Dreamstime.com)
    Mont-Blanc, France (© Christoph Schmidt)

    Deux massifs, l’un dans les tropiques l’autre en région tempérée vont permette d’estimer à quel point l’air se refroidissait en fonction de l’altitude durant la dernière période glaciaire (il y a 26 500 à 19 000 ans). Ce gradient adiabatique, de 1000 à 4000 m, est une information importante pour modéliser le climat atmosphérique. Le gradient thermique adiabatique est la variation de la température de l’air en fonction de l’altitude, liée à la seule pression atmosphérique.

    Reconstruire les températures du passé, pour mieux connaitre l’avenir ?

    La connaissance des températures passées de l’air de surface en fonction de la latitude et de l’altitude est essentielle pour comprendre les oscillations climatiques de la Terre et la circulation atmosphérique. Dans le contexte du réchauffement climatique, c’est un élément clé pour esquisser les scénarios futurs. Ces données de température servent de paramètres d’entrée cruciaux pour évaluer les modèles climatiques et tenter de déterminer la sensibilité du climat. « Ces informations peuvent être intégrées dans des modèles climatiques qui nous renseigneront sur notre avenir sur cette planète, c’est-à-dire sur la température qui régnera dans les 50 ou 100 prochaines années. »

    Il n’y avait personne avec un thermomètre il y a 20’000 ans. Nous essayons donc d’extraire cette information des roches pour les transmettre aux climatologues.

    Georgina King

    Référence bibliographique

    • Biswas, R.H., Herman, F., King, G.E., Lehmann, B., Singhvi, A.K., 2020. Surface paleothermometry using low-temperature thermoluminescence of feldspar. Climate of the Past 16, 2075-2093.
      doi.org/10.5194/cp-16-2075-2020
  • Voyage de solutions en milieux poreux : du flux microscopique au transport macroscopique

    Voyage de solutions en milieux poreux : du flux microscopique au transport macroscopique

    Une importante étude parue dans Nature Communications décrypte par une modélisation l’influence physique des microstructures dans les milieux poreux sur le transport global de particules entraînées par des fluides.

    Cette avancée fondamentale dans le domaine de la dynamique des fluides est tout sauf banale en regard de ses très nombreux domaines d’application, de l’environnement à la médecine, du charriage dans les rivières en passant par la reminéralisation ou décontamination des sols, au flux sanguin ou au transport de molécules dans les membranes et tissus biologiques.

    Quelques gouttes de sérendipité

    Comment les Dr Ankur D. Borodoloi et David Scheidweiler, deux postdocs de l’Institut des sciences de la Terre (ISTE), ont-ils réussi à modéliser le transport de fluides dans des milieux poreux ? 

    Au cours de leurs travaux au sein du Laboratoire de mécanique des fluides,  étudiant le transport de particules à l’intérieur d’un substrat artificiel reproduisant au plus près les structures de milieux poreux, ces deux jeunes chercheurs ont constaté que leurs observations ne correspondaient pas aux prédictions des modèles établis (basés essentiellement sur des principes de diffusion passive). Ils ont surtout constaté que les particules (colloïdes) mettaient notablement plus de temps à traverser le milieu qu’attendu.

    Ils ont donc approfondi leur étude en observant les flux de ces colloïdes au cœur même des microstructures constituant le substrat. En compilant des milliers d’images de microscopie à fluorescence, ils ont pu identifier que des courants de convection se créaient à l’intérieur de pores « en cul de sac » (dead-end pores), maintenant « prisonnières » une partie des particules. Ce résultat était inattendu, car on n’imaginait pas que de tels courants puissent se créer à une aussi petite échelle.

    Un modèle mathématique a ensuite été établi, afin de pouvoir décrire et prédire la vitesse de transport de microparticules et le temps qui leur est nécessaire pour traverser un milieu poreux. Les facteurs clés de ce modèle sont l’épaisseur du milieu et la distribution de la taille des pores qu’il contient. Le fait de pouvoir mieux connaître ces mécanismes subtils ouvre de nombreuses perspectives de développement. L’équipe de Pietro de Anna se penche sur plusieurs projets liés à ce sujet, dont la dynamique de croissance de bactéries dans de tels milieux. La compréhension de ces phénomènes est particulièrement intéressante, considérant par exemple, que les cellules de la paroi de l’intestin ou du rein élaborent des microvillosités créant un milieu analogue à ceux étudiés ici. Ainsi la dynamique d’absorption ou de diffusion de molécules médicamenteuses dans ces organes pourrait être abordée sous un nouvel angle.

    Le Laboratoire de mécanique des fluides

    Le Laboratoire de mécanique des fluides travaille principalement à identifier les mécanismes qui relient des phénomènes observables au niveau macroscopique, aux processus existants au niveau microscopique.

    Vous avez dit sérendipité ?

    La démarche adoptée par ces chercheurs cadre bien à la définition donnée par Sylvie Catellin de la sérendipité, « l’art de découvrir ou d’inventer en prêtant attention à ce qui surprend et en imaginant une interprétation pertinente » 1; une démarche à l’origine de nombreuses découvertes scientifiques, comme le « Aha ! » d’un fameux Prix Nobel lausannois.  

    Ce n’est pas le hasard qui est à l’origine des découvertes (ce qui atténuerait le mérite du chercheur) : le hasard apporte juste l’opportunité pour le scientifique de faire preuve de sagacité, de son aptitude à trouver une solution, une explication, une méthode, une loi ou une règle scientifiques face à ce qui le surprend ou l’interpelle au cours de ses travaux. Surmonter l’interpellation du hasard est au cœur des compétences du chercheur et fait appel à sa créativité, à sa culture générale, à ses compétences transversales ou spécifiques et le plus souvent à son intelligence à établir, au niveau cognitif, des liens inédits menant à des solutions nouvelles.

    1 Sylvie Catellin (préf. Laurent Loty), Sérendipité du conte au concept, Paris, Éd. du Seuil, coll. « Science ouverte », 2014

    Pour aller plus loin, en dialogue avec le Prof. Pietro de Anna

    Pietro de Anna, Institut des sciences de la Terre

    Pourquoi la circulation des fluides dans un milieu poreux n’était-elle pas mieux connue jusqu’ici ?

    Les flux à travers les milieux poreux sont très lents (quelques microns par seconde). De ce fait la plupart des scientifiques estimaient que les liquides et microparticules les traversaient passivement sans dynamique particulière et qu’il suffisait de déterminer une vitesse moyenne d’écoulement et de diffusion pour décrire leur transport. Les structures très complexes de ces milieux ont également représenté un frein à des études plus approfondies. En effet aucun dispositif expérimental existant ne permettait de recréer cette complexité ou d’obtenir une observation fine des flux au sein des microstructures.

    Quelles ont été les étapes clés pour réussir à définir ce modèle ? 

    Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous avons travaillé à la réalisation d’un milieu synthétique permettant à la fois de recréer la complexité d’un milieu poreux et d’observer les flux au sein des microstructures. Nous avons réussi à réaliser des plaquettes transparentes en polymère (i.e. microfluidiques) dotées d’une structure interne que nous pouvons façonner selon nos besoins. Les microfluidiques se présentent sous la forme de lames minces dans lesquelles nous faisons passer des suspensions de colloïdes.

    Schéma de l’expérience réalisée : a. plaquette de microfluidique contenant une solution de colloïdes. b. Zoom sur les microstructures composant le microfluidique.

    Une fois ce dispositif mis en place, nous avons réalisé plusieurs expériences de mesures du transport de particules à travers les microfluidiques, afin de déterminer si les modèles simples utilisés jusqu’ici se vérifiaient. Nous avons constaté des anomalies par rapport aux résultats attendus avec des retards de diffusion.

    Les structures poreuses sont constituées de réseaux de canaux remplis de particules ou microorganismes en suspension qui sont entrecoupés de pores “en cul-de sac“ dans lesquels ces flux sont interrompus. Ces structures sont présentes notamment dans les sols, les filtres industriels, les membranes ou les tissus biologiques. Les microfluidiques sont façonnées de manière à recréer les conditions des milieux poreux avec une distribution homogène de canaux et pores isolés.  Cette méthode est décrite plus en détail dans l’article du Géoblog : Journée d’un chercheur – Pietro de Anna

    « Nous avons donc conçu une expérience nous permettant d’observer les mécanismes de transport se produisant au niveau microscopique, afin de comprendre les effets inattendus observés au niveau macroscopique. »

    Prof. Pietro de Anna
    Flux de particules observées à la sortie des microfluidiques (points bleus) par rapport au flux attendu (ligne verte). Un temps plus long que prévu est nécessaire pour que les colloïdes traversent le milieu.

    Les microfluidiques ont été remplies d’une suspension de colloïdes et une solution de lavage a été injectée à une extrémité de la plaque. Le mouvement des colloïdes en suspension a été déterminé en enregistrant des images à intervalles réguliers à l’aide d’un microscope à fluorescence. Ces images ont été ensuite superposées afin d’évaluer le déplacement ou au contraire la stagnation de colloïdes en suspension.

    Images des colloïdes en suspension au début de l’expérience et après 6h de traitement. Les colloïdes présents dans les canaux (en vert) sont majoritairement lavés, alors que ceux dans les pores (en rouge) restent prisonniers.

    Au terme de l’expérience et de la superposition de milliers d’images, nous avons pu observer qu’un mouvement de convection se crée dans les pores « en cul de sac », ce qui retient les particules à l’intérieur. Ceci est tout à fait inattendu car on ne pensait pas que de tels mouvements pouvaient se former à une si petite échelle (une vingtaine de microns).

    Image de colloïdes tourbillonnant dans un pore (en bleu). Cette photo a été sélectionnée pour le concours [Figure 1.A.] 2022 et sera exposée à l’Hôtel de Ville de Lausanne du 21 septembre au 3 octobre 2022. 
    Schéma des courants de convection observés.

    A partir de ces observations nous avons réalisé un modèle mathématique permettant de décrire ces phénomènes de tourbillons. Ce modèle permet de décrire le transport de particules au travers d’un milieu poreux à n’importe quel stade du transport. Les éléments déterminants de ce modèle sont la longueur du matériau traversé et la distribution de la taille des pores.

    Référence bibliographique

    • Bordoloi, A.D., Scheidweiler, D., Dentz, M. et al. Structure induced laminar vortices control anomalous dispersion in porous media. Nat Commun 13, 3820 (2022).
      doi.org/10.1038/s41467-022-31552-5
  • Deux fois plus d’eau dans les magmas des zones de subduction : les secrets des roches plutonique de Kohistan (Pakistan) – et des Alpes ?

    Deux fois plus d’eau dans les magmas des zones de subduction : les secrets des roches plutonique de Kohistan (Pakistan) – et des Alpes ?

    Othmar Müntener, Institut des sciences de la Terre

    Des scientifiques du MIT et Woods Hole Oceanographic Institution ont publié un article dans la revue Nature Geosciences, dans lequel il est démontré que les magmas de profondeur situés dans les zones de subduction contiennent jusqu’à deux fois plus d’eau que ce qui avait été mesuré jusqu’ici. Cette découverte a pu être réalisée grâce à l’analyse d’échantillons de roches plutoniques récoltés par Othmar Müntener (Professeur ordinaire à l’Institut de des sciences de la Terre) et son équipe.

    Pourquoi s’intéresser à la teneur en eau des magmas ?

    Les magmas ayant la plus haute teneur en eau se trouvent dans les zones de subduction, où l’eau océanique peut être entraînée dans les profondeurs du manteau et se mélanger au fluide magmatique. Dans ces régions, on observe des éruptions volcaniques violentes, car plus le magma est hydraté plus les éruptions sont explosives. L’eau contenue dans ces magmas pourrait également être à l’origine de divers gisements métallifères (cuivre, l’or ou argent) enrichissant les éléments initialement en solution dans les fluides magmatiques. 

    La teneur en eau des magmas a été estimée jusqu’ici à environ 4% du poids total. Ce pourcentage semble trop faible pour expliquer ces phénomènes de manière convaincante, et plusieurs modèles décrivant la formation de la croûte terrestre laissent penser que l’eau devrait y être plus abondante. Urann et ses collègues ont émis l’hypothèse que les roches volcaniques étudiées jusqu’ici pour estimer la teneur en eau des magmas sont trop déhydratées (notamment lors de la phase d’éruption), pour que l’on puisse pour reconstituer de manière fiable la composition du magma dans lequel elles se sont formées.

    Les roches plutoniques : éléments clés de la découverte

    L’objectif de cette recherche a donc été de travailler sur des roches peu dénaturées et n’ayant pas subi de phénomène éruptif. Othmar Müntener et son équipe s’étaient déjà intéressés à de telles roches et avaient mené une expédition en 2007 dans la région du Kohistan (Pakistan) afin d’en observer. Ce site remarquable renferme des roches ayant été formées en profondeur par cristallisation lente, et qui sont remontées à la surface lors de la surrection de l’Himalaya (roches dites plutoniques). Les minéraux qu’elles contiennent et leur composante hydrique représentent des témoins fidèles de la composition du magma profond dans lequel elles ont été formées. Les sites du Pakistan étant devenus difficilement accessibles aux chercheurs européens ou américains, ce sont les échantillons récoltés lors de l’expédition de 2007 qui ont été analysés dans cette étude. Les principaux auteurs de l’article de Nature Geosciences relèvent l’incroyable fraîcheur de ces roches qui ne montrent aucun signe de perturbation évident dans les cristaux qu’elles renferment.

    Roches plutoniques utilisées dans l’étude d’Urann et al. : grenats (en rouge) et clinopyroxène et amphibole (en noir)  (photo : O. Müntener)

    Résultats et perspectives

    L’analyse des échantillons de roches plutoniques a été réalisée par sonde ionique et leur teneur en eau mesurée indirectement après l’établissement de divers standards. Les résultats obtenus indiquent que les magmas dans lesquels ces roches ont été formées renferment une teneur en eau deux fois supérieure à celle estimée jusqu’ici, soit 10 à 12% du poids total. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’interprétation de la formation et de la composition de la croûte terrestre. On peut imaginer par exemple, la présence de minerais dans des zones plus profondes que celles identifiées actuellement. De même certaines observations de roches magmatiques dans les Alpes peuvent être expliquées par la présence de roches ayant une teneur en eau élevée (voir encadré).

    Les roches plutoniques récoltées par O. Müntener font actuellement l’objet de deux autres projets de recherche.

    Dans un article publié en février 2021, Othmar Müntener et ses collègues avaient déjà émis l’hypothèse qu’il devait exister des magmas superhydriques dans les zones de subduction Alpine. Des observations réalisées sur des roches magmatiques des Alpes (notamment dans la région de Adamello, Italie) indiquent la prédominance de roches plutoniques sur les roches volcaniques et donc une activité volcanique réduite au moment de la collision des plaques Adriatique et Eurasie. O. Müntener explique ce volcanisme limité dans la chaine Alpine par un taux de convergence faible entravant la convection dans le coin du manteau. Par conséquence, la libération pulsée des fluides dans la plaque subductant a contrôlé la formation des magmas superhydriques.  La découverte d’une teneur en eau des magmas des zones de subduction nettement supérieure à celle estimée jusqu’ici, vient conforter cette hypothèse.

    Référence : O. Müntener, P. Ulmer, J. Blundy : Superhydrous Arc Magmas in the Alpine Context, Elements, Vol 17 – number 1, février 2021 [abstract]

    Référence bibliographique

    • B.M. Urann, V.  Le Roux, O.  Jagoutz, O. Müntener et al. High water content of arc magmas recorded in cumulates from subduction zone lower crust. Nat. Geosci. (2022).
      doi.org/10.1038/s41561-022-00947-w
  • Characterizing conodont bioapatite from the early-triassic: an analytical and palaeoclimatological approach

    Characterizing conodont bioapatite from the early-triassic: an analytical and palaeoclimatological approach

    Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 29 juin 2022 par Zoneibe Augusto Silva Luz, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

    Face au changement climatique du siècle à venir, il est devenu essentiel de mieux comprendre les systèmes naturels de la Terre et leur fonctionnement. Une bonne approche pour ce faire consiste à étudier des conditions « extrêmes » similaires dans le passé géologique, sans influence anthropogénique. Dans cette optique, les événements d’extinction de masse représentent une bonne possibilité d’améliorer la compréhension des impacts du changement climatique contemporain, dès lors qu’ils peuvent représenter des périodes de changements environnementaux relativement rapides, comme ceux auxquels on peut s’attendre aujourd’hui (par exemple, des intervalles avec des changements relativement rapides des concentrations de CO2).

    Dans cette perspective, j’ai étudié la période du Trias inférieur (252 à 247 Ma). Cet intervalle de temps est la conséquence du plus catastrophique de tous les événements d’extinction massive sur Terre : L’extinction de masse de la limite Permien-Trias. Cette crise biotique a été déclenchée par les conséquences liées au volcanisme des Trappes de Sibérie, où des niveaux significatifs de gaz à effet serre ont été répandus dans I’atmosphère. Pour cette raison, il a été considéré que le Trias inférieur était défavorable à la vie de manière générale. C’était en effet le cas pour la faune benthique, mais les consommateurs secondaires ont connu des périodes de récupération et d’extinction pendant le Trias précoce, la plus remarquable de ces extinctions s’étant produite à la limite entre le Smithian et le Spathian. Afin de complémenter nos connaissances sur le paléoclimat du Trias inférieur, tout en améliorant notre compréhension des changements climatiques, une étude géochimique a été réalisée dans cette thèse.

    Pour ce faire, j’ai utilisé la bioapatite des conodontes, un groupe de vertébrés fossiles omniprésent du Cambrien jusqu’au Trias (541 à 485 Ma). Pour élucider les dérèglements climatiques enregistrés par les conodontes, la méthode d’analyse des isotopes stables de I’oxygène (delta18O) a été choisie de deux manières : un échantillonnage en vrac pour analyser par réduction à haute température ; et une analyse in-situ par spectrométrie de masse à ions secondaires. Bien qu’étant un outil très précieux pour les études paléoclimatiques, la petite taille des conodontes (environ un demi-millimètre) a limité les applications antérieures utilisant ceux-ci à partir de sections où ils étaient rarement présents.

    Pour contourner cela, la première partie de cette thèse consiste à évaluer les conodontes en utilisant les deux méthodes d’isotopes stables et des techniques supplémentaires pour révéler la microstructure et la distribution des éléments de nos échantillons. Ce travail a fourni des informations intéressantes et a permis d’établir un protocole analytique efficace, qui a été appliqué pour I’analyse des rares conodontes disponibles à ce projet.

    Dans la deuxième partie, les conodontes omanais ont été analysés à partir de deux sections offshore, censées mieux représenter les conditions marines que les sections côtières où traditionnellement les conodontes ont été étudiés. L’une des sections présente la meilleure résolution de la limite du Smithian-Spathian à ce jour et a révélé un aspect « oscillant » plutôt qu’un changement climatique « unilatéral ».

    Enfin, la dernière partie de cette thèse a compilé les compositions isotopiques de I’oxygène de toutes les sections, qui représentaient des paléolatitudes basses à élevées. On peut noter que les valeurs des sections côtières peuvent être fortement affectées par les processus qui se produisent près de la côte (par exemple : ruissellement continental), mais elles donnent une perspective sur la paléosalinité. Tous ces résultats complémentent bien non seulement les connaissances sur le Trias inférieur, mais fournissent également des données fiables utilisables par les modèles climatiques qui veulent prédire les irnpacts futurs du changement climatique moderne.

  • Depuis l’espace, les Alpes verdissent étonnamment vite

    Depuis l’espace, les Alpes verdissent étonnamment vite

    « Du blanc au vert… » : un article paru dans Science le 3 juin 2022 démontre que la productivité de la végétation au-dessus de la limite des arbres a augmenté dans près de 80 % des Alpes ces 40 dernières années. Comme l’Arctique, la chaîne de montagnes devient plus verte, et cela de manière impressionnante. Grégoire Mariethoz et Antoine Guisan nous parlent du travail qu’ils ont mené pour arriver à ce résultat frappant, basé sur des millions de données satellites.

    Ces découvertes changent-elles notre regard sur les Alpes ?

    Antoine Guisan : On n’imaginait pas que le signal de verdissement des Alpes allait être aussi fort. Ce travail est très factuel, il repose sur des données satellites. Les résultats sont là et ils sont spectaculaires. 

    Grégoire Mariethoz : On savait que la forêt prenait du terrain, mais pour les prairies, ce n’était pas du tout évident pour moi que le verdissement était si important. On s’est focalisé sur les zones non-forestières et non-glacières : l’augmentation de la productivité végétale est très claire. La neige diminue légèrement, surtout en basse altitude. En haute altitude, la couverture neigeuse subsiste en raison de l’augmentation des précipitations.

    En quoi ces résultats sont-ils nouveaux ? 

    GM : 40 ans d’images satellites à très forte résolution (sur des pixels de 30m x 30m), une série temporelle si longue et précise est inédite. L’analyse de cette série n’a été possible que grâce à la puissance de calcul actuelle. Beaucoup d’études ont fait ce type de travail par le passé, mais plutôt à l’échelle kilométrique. Dans les Alpes, cela ne veut rien dire : dans 1 km2, neige et végétation, haut et bas de la montagne sont confondus.

    (Photo prétexte, il ne s’agit pas du satellite utilisé pour l’étude © Dennis Thompson | Dreamstime.com)

    Comment est-il possible de mesurer la productivité végétale par satellite ? Ce que l’on mesure dans un instantané satellite c’est la quantité de rouge absorbé (par rapport à l’infrarouge). Ce rouge n’est pas reflété parce qu’il est absorbé par les plantes, et transformé en énergie dans la photosynthèse. C’est donc un indice de la productivité et indirectement de la biomasse. 

    « Cela fonctionne très bien. Dès que la plante flétrit, on voit qu’elle absorbe moins de rouge. Alors qu’en phase de croissance, la productivité est maximum. »

    Grégoire Mariethoz

    Vous venez de disciplines différentes, comment êtes-vous venus à travailler ensemble ?

    AG : D’après nos reviewers, cela faisait longtemps qu’on attendait cet article. Pourtant le projet n’était associé à aucun financement, il a émergé en flottement entre les équipes. Suite à l’article sur le verdissement de l’Arctique, on a réalisé qu’il n’y avait pas grand-chose sur les autres régions froides. Mais analyser les images des satellites Landsat, c’est se retrouver face à une immense mosaïque de petites images, un puzzle difficile à assembler. Et entre deux passages du satellite, d’énormes trous de données, sans compter si c’est nuageux. Tout d’un coup les perspectives se sont ouvertes en collaborant avec Grégoire. Sans lui, Google Earth Engine – lequel permet la reconstruction du puzzle – serait resté une nébuleuse inutilisable. 

    GM : Et je ne me serais pas intéressé à la végétation sans l’apport d’Antoine. Au départ, j’ai simplement proposé un travail de bachelor sur le sujet. Finalement, ce projet s’est étendu sur très longtemps, les équipes ont changé, mais notre persévérance a payé.

    «La mosaïque des images satellites, c’est un casse-tête auquel beaucoup de biologistes ne se sont pas essayés» AG

    Ce mot reflète assez comment ce projet a démarré. Réunis dans un projet interdisciplinaire FNS, Antoine Guisan et Grégoire Mariethoz ont lancé cette idée, qui n’avait rien à voir avec le sujet de départ. En mettant ensemble des groupes, le projet a été le catalyseur, et a fait germer tout autre chose.

    « Si on planifie, on va faire ce qu’on planifie. Il faut laisser la place à la surprise. »

    Grégoire Mariethoz

    Quel était le principal défi ?

    GM : Un défi est d’harmoniser les satellites entre eux, pour avoir une série cohérente. Sur 40 ans, quatre satellites différents ont envoyé des données. On a dû faire des ajustements, ou plutôt vérifier que les ajustements de la NASA étaient vraiment corrects. Cela a été demandé par un reviewer de Science, ce qui nous a permis de vérifier que la NASA avait bien fait son travail !

    Le code de départ, par contre, c’est Mathieu Gravey qui l’a écrit en 10 min à mon bureau, mais c’est parce qu’il connaît très bien l’outil ! Le plus long a été de convertir le temps en seconde depuis la naissance de JC…

     «La sérendipité qualifie bien comment ce travail est né»

    Antoine Guisan
    Plus le vert est foncé, plus la productivité végétale a augmenté ces dernières décennies. Sur cette image, on voit déjà à quel point le verdissement concerne de larges zones. « Sur le long terme, nous ne savons pas si ce verdissement va continuer. En ce moment, les glaciers fondent, donc procure de l’eau régulièrement tout l’été à la végétation. Il est possible que dans 20 ans cela soit différent » GM. (Photo : GM, l’image comprend ici des zones de forêts qui étaient exclues de l’analyse)

    Les changements sont massifs, quelles en seront les retombées ?

    AG : En poussant, la végétation absorbe plus de carbone, ce qui est positif. Mais même si le changement est impressionnant, la biomasse en haute montagne ne sera jamais énorme. Et surtout, ce petit effet positif ne contrebalance pas tous les effets négatifs du réchauffement ! Glissement de terrain, fonte du permafrost, perte de l’eau à long terme, perte d’un certain nombre d’espèces alpines… 

    GM : Une autre implication est économique. Le tourisme d’hiver va être impacté, bien entendu. Mais le tourisme d’été aussi. Si la végétation change en haute montagne, que devient le paysage typique suisse ? 

    Votre méthode peut-elle être utilisée dans d’autres parties du monde ?

    GM : La couverture satellite varie beaucoup dans le monde. Il y a plusieurs décennies, les images n’étaient pas systématiquement enregistrées, surtout dans certaines régions. Elle est très bonne en Amérique du Nord, moins bonne en Afrique. L’Europe n’est pas le meilleur endroit : il y a un trou de 10 ans sur la moitié des Alpes ! Ce n’est que sur les 10 dernières années que la couverture est bonne partout, à toutes les résolutions. Sur l’Himalaya, il serait intéressant de faire le même type de travail. C’est une région beaucoup plus grande que les Alpes, et qui a les mêmes problématiques.

    Publication originale
    • Sabine Rumpf, Mathieu Gravey, Olivier Brönnimann, Miska Luoto, Carmen Cianfrani, Grégoire Mariethoz and Antoine Guisan. From white to green: Snow cover loss and increased vegetation productivity in the European Alps, Science (2022)
      doi: 10.1126/science.abn6697
  • Prix de l’European Geosciences Union attribué à Mikhail Kanevski

    Prix de l’European Geosciences Union attribué à Mikhail Kanevski

    Mikhail Kanevski, Institut des dynamiques de la surface terrestre

    La Médaille Ian McHarg 2022 de l’EGU a été décernée à Mikhail Kanevski pour son exceptionnel travail dans le domaine du traitement des données environnementales, intégrant des géostatistiques, des algorithmes issus du machine learning et d’autres transformations numériques.

    Mikhail Kanevski est professeur honoraire de l’IDYST dans le groupe de recherche Geosciences and Knowledge Discovery in Data.

    Les intérêts scientifiques du prof. Kanevski couvrent un large éventail de sujets : la science de l’information géographique, la modélisation environnementale, les statistiques spatiales, la prévision des séries chronologiques, l’apprentissage automatique (machine learning) et l’exploration de données. Les principales applications concernent les risques naturels, la pollution et les analyses et évaluations des énergies renouvelables. A l’occasion de l’attribution de cette médaille, M. Kanevski nous parle de son domaine de recherche.

    Vous êtes titulaire d’un doctorat en physique des plasmas. Pour quelle raison vous êtes-vous orienté vers les géosciences par la suite ?

    L’événement déclencheur a été l’accident de la centrale nucléaire Tchernobyl. À la suite de cet événement, de nombreuses questions ont été adressées aux scientifiques afin de déterminer comment gérer les dégâts occasionnés et la pollution qui s’en est suivie. J’ai ainsi été amené à modéliser les risques environnementaux de pollution par la radioactivité.

    Ensuite la curiosité scientifique et l’aspect très interdisciplinaire du domaine des géosciences et de l’environnement m’ont incité à rester dans ce domaine. Douze ans après ma thèse, j’ai effectué une habilitation dans le domaine de l’environnement et analyse de données. 

    Quel a été votre parcours au sein de la FGSE ?

    Dès 1993, j’ai beaucoup collaboré avec Michel Maignan, (actuellement professeur honoraire de l’ISTE), avec lequel nous avons développés de nombreux projets en lien avec l’analyse de données environnementales et risques. En 2004 j’ai été engagé à l’UNIL dans la FGSE nouvellement créée. Mes projets FNS étaient orientés vers des questions fondamentales  d’analyse et modélisation de données en utilisant statistique, géostatistique et apprentissage par machine. Les applications des projets était suivantes: modélisation topo-climatique et différents types de risques naturels: les avalanches, les feux de forêt, les glissements de terrain, les pollutions (l’air, les sols, indoor radon). Nous avons notamment établi des cartes de risques  qui ont pu servir de référence pour les décisions prises dans les organes de gestion du territoire. Ensuite les projets ont évolué en parallèle avec les technologies et outils à disposition pour s’orienter vers le traitement de données de plus en plus nombreuses et l’intelligence artificielle. 

    Comment votre domaine de recherche a-t-il évolué durant ces 10 dernières années ?

    Les outils ont bien sûr beaucoup évolué : le nombre de données à disposition ainsi que leur qualité a fortement augmenté grâce aux satellites et aux réseaux de monitoring. En Suisse notamment la densité et la qualité des données est très bonne. En parallèle les outils informatiques et les potentiels de calcul ont permis de traiter ces données de manière de plus en plus complexe et de plus en plus fine. Durant ma carrière en FGSE, le domaine des data sciences a connu différentes vagues alternant enthousiasme et désappointement. Actuellement il est devenu un outil « de base » pour beaucoup de chercheurs.

    Quelles sont les limites des data sciences ?

    Quelle que soit la performance d’analyse, le plus important est la question et l’hypothèse de départ. Il faut que le problème soit clairement identifié et la question posée correctement pour que le traitement des données apporte une réponse valable. Ensuite il faut veiller à la qualité et à la pertinence des données récoltées, et savoir comment interpréter les relations obtenues entre les divers paramètres étudiés. Les liens de cause à effet  aujourd’hui peuvent  être déduits automatiquement des résultats obtenus via le traitement des données et les algorithmes avancés. Dans ce sens il est important de pouvoir s’appuyer sur une bonne connaissance des règles et équations de géophysique, géochimie ou autre, qui définissent les mécanismes et permettent une bonne interprétation des résultats. L’interprétabilité et l’explicabilité des résultats de la science des données (comment et pourquoi un algorithme prend une décision en particulier), notamment ceux obtenus par le machine learning, constituent l’un des principaux défis actuels.

    Ce prix est une reconnaissance pour le travail de toute une équipe qui a beaucoup contribué au domaine. Les nombreuses thèses et projets encadrés ont continuellement fait avancer ma recherche. Je me réjouis de voir la nouvelle génération de chercheuses et chercheurs qui arrive maintenant avec un bagage très intéressant et une formation complète à la fois en géosciences et en analyse des données. Cela va sans doute faire évoluer le domaine et la manière d’appréhender les questions. Au cours de ces années, l’accompagnement des jeunes chercheurs a été autant un plaisir qu’un travail. 

    Assemblée générale de l’EGU

    Mikhail Kanevski recevra sa médaille le 23 mai prochain, lors de l’assemblée générale de l’EGU qui se tiendra à Vienne.

  • Resolving coupled physical processes in porous rocks: From linear quasi-static and dynamic phenomena to non-linear instabilities

    Resolving coupled physical processes in porous rocks: From linear quasi-static and dynamic phenomena to non-linear instabilities

    Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 4 mai 2022 par Yury Alkhimenkov, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.

    La majorité des processus physiques sur Terre sont couplés. Un processus physique peut en induire un autre, ce qui est le cas d’une onde se propageant dans une roche poreuse saturée de fluide, ce qui induit un écoulement de fluide. Dans un milieu biphasique, l’interaction entre les phases solides et fluides conduit à des effets physiques qui ne sont pas observés dans un milieu monophasique. Ainsi, une description satisfaisante de systèmes physiques complexes nécessite un traitement particulier.

    L’application des théories décrivant les processus physiques couplés dans les roches poreuses fracturées est d’une grande importance dans les scénarios impliquant la séquestration géologique du CO2, l’élimination des déchets nucléaires, l’exploration et la production d’énergie géothermique et les hydrocarbures. Le développement de méthodes géophysiques non invasives de détection et de surveillance de ces formations géologiques est crucial. La recherche scientifique vise à faire progresser la description quantitative et qualitative des processus physiques couplés dans les roches poreuses.

    Conformément à ces objectifs, les contributions présentées ici sont réparties dans quatre disciplines différentes : la micromécanique, la géophysique, la mécanique computationnelle et la poroélasticité computationnelle, et la théorie des instabilités non linéaires. Différentes méthodes analytiques et numériques sont utilisées pour résoudre la physique aux micro- et macro-échelles. Cela comprend l’étude des processus linéaires quasi-statiques et dynamiques. Ce travail de recherche contient également des résultats basés sur la théorie des processus physiques non linéaires.

  • Le paléoenvironnement du Chengjang Biota : une étude sédimentologique conduit à un résultat inattendu

    Le paléoenvironnement du Chengjang Biota : une étude sédimentologique conduit à un résultat inattendu

    Romain Vaucher, Institut des sciences de la Terre

    Le Chengjang Biota est un assemblage fossilifère très important, notamment en regard de sa richesse faunistique et de la qualité de conservation des espèces qu’il renferme. Romain Vaucher, post-doctorant à l’ISTE, a contribué aux recherches menée par Farid Saleh (Université de Yunnan) ayant permis de déterminer que le paléoenvironnement de ce site était un delta. Ce résultat totalement inédit a valu à l’équipe de recherche une publication dans le journal Nature Communications.

    Le Chengjang Biota : un témoin privilégié de l’Explosion du Cambrien

    L’Explosion du Cambrien (ou big bang zoologique) s’est produite il y a un peu plus de 500 millions d’années. Au cours de cet événement-clé dans l’évolution des espèces, de nombreuses formes végétales et animales se sont différenciées en un laps de temps relativement court (quelques dizaines de millions d’années). Plusieurs sites fossilifères témoignent de cette période charnière, l’un des plus connu étant le Burgess Shale découvert en 1909 en Colombie Britannique (Canada).

    En 1984, un autre site fossilifère remarquable a été découvert dans l’actuelle province du Yunnan en Chine. Ce site renferme la faune du Chengjang Biota ayant également vécu durant l’Explosion du Cambrien. Il s’agit de l’un des plus anciens gisements de fossiles identifiés (~ 518 millions d’années), renfermant plus de 250 espèces animales à préservations exceptionnelles. Ce site de haute importance scientifique a été classé au Patrimoine mondial de l’UNESCO en 2012.

    De nombreuses recherches ont permis de documenter précisément la faune de ce site. Cependant l’environnement dans lequel ces animaux ont évolué n’est toujours pas identifié. Les affleurements étudiés jusqu’ici ont été altérés par l’érosion naturelle, empêchant l’analyse minutieuse des dépôts sédimentaires. L’interprétation de ces affleurements indique que l’environnement devait correspondre à un littoral marin, mais jusqu’à présent il n’y a pas de consensus sur la nature de ce littoral et des conditions de vie qui y régnaient (influence des vagues, des marées, de la profondeur, etc.), ni sur les conditions ayant favorisé la préservation exceptionnelle des fossiles.

    Deux exemples de fossiles exceptionnellement préservés au Chengjang Biota : à gauche Cricocosmia (ver marin, embr.Priapulida) et à droite Fuxianhuia (embr.Arthropodes) (photos © Xiaoya Ma)
    L’étude des sédiments fins pour déterminer le paléoenvironnement 

    L’importance du site du Chengjang Biota, et les progrès réalisés en sédimentologie au cours des 20 dernières années ont motivé le forage d’une carotte de plus de 130 mètres de long dans des roches sédimentaires contenant le Chengjiang Biota, afin d’étudier la structure et la dynamique des dépôts successifs et mieux comprendre la nature de son paléoenvironnement. Une équipe de recherche internationale comprenant des taphonomistes, des géochimistes et des paléontologues s’est penchée sur l’étude de ces sédiments. Romain Vaucher a joué le rôle d’expert pour l’interprétation des structures sédimentaires. Au cours de son doctorat, une partie de son travail a porté sur les schistes des Fezouata (Maroc), un site fossilifère à préservation exceptionnelle datant de l’Ordovicien.

    Les analyses des couches sédimentaires de la carotte ont révélé des conditions de sédimentation très variables. Les auteurs ont notamment relevé des indicateurs de turbidités pouvant correspondre à une zone côtière sujette aux vagues et aux tempêtes, et des dépôts correspondant à des apports de boue plus ou moins intenses. Le niveau de salinité s’est également avéré variable entre les différentes couches. Ce schéma de succession sédimentaire a pu être attribué à l’influence conjointe des processus fluviaux et marins, menant à la conclusion que l’environnement du Chengjang Biota au Cambrien correspondait à un delta. Les structures sédimentaires observées le long de la carotte correspondent d’ailleurs à celles que l’on peut observer sur des deltas actuels.

    Représentation schématique de chaque dépôt sédimentaire observés dans la carotte de forage ainsi que la reconstitution générale de l’environnement dans lequel vivait le Chengjiang Biota. Les animaux ont habité un front de delta riche en oxygène et ont été transportés par différents types d’écoulement vers un milieu plus distal où la préservation s’est faite dans des conditions appauvries en oxygène. HCS : hummocky cross-stratification (stratification entre-croisée en dôme)
    Le résultat inattendu de cette étude : les organismes du Chengjang Biota ont évolué dans une zone de delta apparemment peu propice au développement la vie

    Les sites fossilifères riches et bien préservés sont généralement décrits comme ayant bénéficié de conditions environnementales stables, tels que des littoraux marins assez profonds. Ces conditions semblent avoir été favorables au développement de la vie au Cambrien et être une constante pour les sites fossilifère à préservations exceptionnelles de conservation des fossiles.

    Le fait que la vie animale se soit développée de façon aussi prolifique dans une zone de delta était tout à fait inattendu. En effet, ce milieu représente un niveau de stress très élevé pour les organismes vivants, tant au niveau des variations de salinité ou d’oxygénation de l’eau, qu’au niveau des apports irréguliers et massifs de sédiments charriés par les crues du fleuve. Ces conditions environnementales difficiles se reflètent dans la composition des fossiles du site. Par exemple, on y trouve de nombreux fossiles d’organismes juvéniles, qui ont certainement été enfouis par l’apport brutal de boues charriées lors de crues du fleuve, et l’absence de fossiles d’échinodermes indique un taux de salinité de l’eau trop variable pour ces organismes. 

    L’exceptionnelle préservation des fossiles dans un environnement aussi instable est également un fait nouveau. Selon les observations effectuées sur la carotte de sédimentation, la zone dans laquelle les fossiles ont été le mieux conservés est celle correspondant au pro-delta (entre l’embouchure du fleuve et le fond marin). A cet endroit la turbidité est relativement faible et un apport de sédiment régulier par le fleuve favorise l’enfouissement rapide des carcasses. 

    A l’heure actuelle le Chengjang Biota est le seul site lié à l’Explosion du Cambrien pour lequel un environnement de type delta est décrit. L’analyse plus fine des sédiments de sites équivalents pourrait révéler des conditions de vie et de fossilisation moins figées que celles admises actuellement. 

    Référence bibliographique

    Farid Saleh, Changshi Qi, Luis A. Buatois, M. Gabriela Mángano, Maximiliano Paz, Romain Farid Saleh, Changshi Qi, Luis A. Buatois, M. Gabriela Mángano, Maximiliano Paz, Romain Vaucher, Quanfeng Zheng, Xian-Guang Hou, Sarah E. Gabbott & Xiaoya Ma (2022) The Chengjiang Biota inhabited a deltaic environment. Nature Communications

    *Dr Farid Saleh est post-doctorant à l’Université de Yunnan en Chine. En 2020, Il a reçu son doctorat de l’Université Lyon 1 (France), pour ses contributions sur la préservation exceptionnelle de l’Ordovicien Inférieur du Maroc. Actuellement, il étudie la préservation exceptionnelle du Cambrien Inférieur en Chine.

  • Quels seront les impacts environnementaux du changement climatique dans les fjords du sud du Groenland ?

    Quels seront les impacts environnementaux du changement climatique dans les fjords du sud du Groenland ?

    Un projet de recherche interdisciplinaire sera initié en été 2022

    Laine Chanteloup, Institut de géographie et durabilité
    Samuel Jaccard, Institut des sciences de la Terre

    Dans le cadre du projet financé par le Swiss Polar Institute, Greenlandic Fjord ecosystems in a changing climate: Socio-cultural and environmental interactions, Laine Chanteloup (Institut de géographie et durabilité) et Samuel Jaccard (Institut des sciences de la Terre) feront partie d’une équipe interdisciplinaire de scientifiques, qui auront pour objectif de comprendre l’écosystème des fjords du Groenland dans le contexte du changement climatique.

    © Biserko | Dreamstime.com

    Quel est l’objectif de ce projet ? 

    L’objectif du projet est de mieux comprendre l’écosystème des fjords du sud-ouest du Groenland et de son évolution possible dans le contexte du changement climatique. Il s’agira également d’établir des modèles capables de prédire l’évolution de cet écosystème et de son climat, et d’en dessiner les conséquences pour les communautés locales. De multiples analyses seront effectuées au niveau de la cryosphère, de l’océan, de l’atmosphère, des sols et de la biosphère. La population locale sera également impliquée et des entretiens seront menés afin d’évaluer sa relation et sa dépendance à l’écosystème des fjords. Ces nouvelles connaissances visent à proposer une vision systémique des conséquences de la fonte des glaciers sur la biodiversité, en analysant les enjeux que différentes transformations de l’écosystème peuvent avoir sur les communautés locales qui vivent en partie de la pêche et de l’agriculture tout en développant une meilleure modélisation des transferts de carbone entre les différents réservoirs naturels.

    Comment est né ce projet ? 

    Cette démarche a été initiée suite à l’appel à projet du Swiss Polar Institute SPI Flagship Initiatives, destiné à financer des projets de grande envergure et de nature interdisciplinaire. Cet appel a inspiré plusieurs chercheuses et chercheurs ayant déjà travaillé ensemble lors d’expéditions en régions polaires. Une fois la thématique et le lieu de recherche identifiés l’équipe s’est constituée au fur et à mesure de l’élaboration du projet. L’éventail disciplinaire couvert par les membres de l’équipe permettra une approche systémique et interdisciplinaire. 

    Pourquoi le sud du Groenland en particulier ?

    Le choix du projet s’est porté sur le sud Groenland pour diverses raisons : i) il s’agit d’une région où le réchauffement climatique est plus marqué que dans d’autres régions (en moyenne 2.5 à 3°C contre 1.1°C sur l’ensemble de la planète) et où ses conséquences sont particulièrement visibles; ii) le nord du Groenland a déjà fait l’objet de plusieurs études contrairement à la partie sud; iii) les fjords représentent des interfaces intéressantes entre milieux terrestres et océaniques, tout en étant soumises à l’influence de la fonte des glaciers ; iv) la présence de zones habitées permet d’intégrer une dimension supplémentaire à cette recherche et d’évaluer l’impact du changement climatique sur le mode de vie des sociétés locales et de leur perception de ce changement sur leur environnement. 

    Quels seront vos rôles respectifs dans l’équipe ?

    Laine Chanteloup : Je travaille depuis plusieurs années avec les peuples autochtones de l’arctique canadien sur l’évolution des relations socio-culturelles à l’environnement. Mon rôle dans ce projet sera dans un premier temps de mieux appréhender les manières de penser les relations entre les Groenlandais et l’environnement des fjords, puis nous nous intéresserons à leurs perceptions de l’évolution des paysages en contexte de changement climatique et comment ils vivent ces transformations. Un défi considérable dans cette démarche sera de pouvoir dialoguer avec les habitants puisque les deux langues les plus parlées au Groenland sont le Kalaallisut et le danois. 

    Samuel Jaccard : J’animerai la partie « océan » et en particulier la documentation du cycle du carbone dans les fjords : ce cycle dépend de nombreux facteurs dont la présence de micro-algues de surface qui captent le CO2 présent dans l’air.  Lorsque les glaciers fondent de la matière organique et des nutriments supplémentaires sont potentiellement transférés dans la mer. La question est de savoir comment cet afflux d’eau douce influence la circulation océanique des fjords et dans quelle mesure l’apport de nutriments affecte la captation du CO2. Sera-t-elle en augmentation avec l’augmentation des algues de surface ou au contraire en diminution ? Deux expéditions de 2 à 3 semaines sur un bateau de recherche sont prévues en 2023 et 2024. Lors de ces expéditions des mesures sur des facteurs océaniques et atmosphériques seront effectuées. Le navire étant un brise-glace, il sera possible de pénétrer assez loin dans les fjords et de se rapprocher des glaciers.

    Quels seront les défis de ce travail interdisciplinaire ? 

    Dans un premier temps, il sera nécessaire que les membres de l’équipe apprennent à bien comprendre les diverses approches disciplinaires de chacune et chacun.

    Les aspects logistiques seront également très importants. L’environnement du sud du Groenland est un environnement isolé où les conditions climatiques peuvent s’avérer changeantes pour la mise en œuvre de recherches de terrain ce qui appelle à une organisation minutieuse afin de garantir leur bonne marche. Comme beaucoup de personnes seront impliquées, il faudra bien planifier la gestion du matériel et la coordination des différentes activités sur place. 

    Une des premières actions à mener sur le terrain cet été sera de pouvoir bien informer et obtenir des retours de la population locale sur le contenu et les objectifs du projet. Le Groenland fait l’objet de diverses recherches dont certaines en lien avec les ressources minières et pétrolières du pays. Celles-ci ne sont pas toujours bien perçues par les habitants et créent parfois de la défiance envers les équipes de scientifiques. Des contacts ont déjà été établis avec les autorités groenlandaises afin d’expliquer le projet et d’obtenir les différents permis de recherche, mais ce travail d’explicitation des actions de recherche est nécessaire à différentes échelles des gestionnaires aux habitants.

    Finalement il sera également nécessaire de veiller à maintenir un équilibre entre le nombre de personnes sur place et la population locale. Il sera opportun que plusieurs membres de l’équipe se retrouvent sur le terrain pour partager leurs expériences et mener des actions communes, tout en essayant de créer des relations de confiance avec les habitants. 

    Les activités devraient se concentrer en juillet et août pour la plus grande partie des membres : à cette période, les conditions météo sont les plus favorables pour les expéditions en mer ou dans les fjords. C’est également à ce moment que la fonte des glaces est la plus importante et que l’on peut en mesurer les effets. Pour les études en lien avec la population locale il est parfois préférable de s’y rendre durant l’année, en dehors de la période estivale où les personnes sont très occupées et n’ont pas forcément beaucoup de temps à accorder aux chercheurs. 

    Cette première année de terrain va être très importante pour installer le projet, identifier les zones d’études intéressante, ainsi que pour entrer en contact avec les habitants et dialoguer autour de notre démarche.

    Quel est votre état d’esprit quelques mois avant la première étape sur le terrain ? 

    Laine Chanteloup : Je suis enthousiaste de pouvoir commencer à travailler avec les Groenlandais, la découverte de cette île et des communautés qui y vivent. C’est toujours plaisant de découvrir de nouvelles personnes et de dialoguer avec une société inuit différente des partenaires Nunavimmiut (habitant du Nunavik, région nord de la province de Québec) avec qui j’ai l’habitude de travailler. L’autre défi sera de s’intégrer dans une équipe avec de nouveaux collègues suisses en sciences environnementales et en sciences du climat qui travaillent sur des domaines assez éloignés de ma communauté de recherche. C’est un challenge motivant et je me réjouis de vivre cette expérience.

    Samuel Jaccard : Je me réjouis beaucoup de cette nouvelle expérience. J’ai déjà participé à plusieurs expéditions en régions polaires et c’est toujours un privilège de pouvoir participer à de telles recherches. Le sud du Groenland est encore relativement peu étudié ce qui confère un aspect de découverte à ce projet. De plus nous serons une équipe regroupant des compétences dans des disciplines variées, ce qui nous permettra de mener une recherche très complète de tous les aspects du changement climatique dans un environnement donné. Le fait que deux membres de la FGSE représentant deux instituts différents y participent est un bel exemple de collaboration et cette expérience sera peut-être inspirante pour les étudiant·e·s ou jeunes chercheuses et chercheurs.

    Le projet SPI Flagship Initiatives Greenlandic Fjord ecosystems in a changing climate: Socio-cultural and environmental interactions démarrera le 4 avril 2022 avec une première rencontre de tous les membres de l’équipe. Un programme de communication est prévu sur la durée du projet avec la présence de journalistes sur place et des compte-rendu réguliers des chercheuses et chercheurs sur un site web dédié.

    Swiss Polar Institute

    Le Swiss Polar Institute est une fondation reconnue par la Confédération. Son objectif est de faciliter les recherches dans les milieux polaires et de haute altitude (Andes, Himalaya, Alpes) afin d’observer et comprendre les mécanismes et effets du changement climatique dans ces zones sensibles. Divers financements sont régulièrement mis au concours pour soutenir principalement les aspects logistiques des projets ; une bourse est également spécifiquement dédiée aux étudiants en master ou en doctorat. 

  • L’écologie scientifique s’invite en ville

    L’écologie scientifique s’invite en ville

    Joëlle Salomon Cavin, Institut de géographie et durabilité

    « Quand l’écologie s’urbanise », que devient l’écologie ? Et que devient la ville ? À l’occasion de la parution de leur ouvrage aux multiples voix, Joëlle Salomon Cavin (IGD) et Céline Granjou (INRAE) nous parlent de l’émergence de l’écologie urbaine. Longtemps cantonnée à un cadre extra-urbain, l’écologie s’intéresse désormais aussi à la ville.

    Ce n’est pas sans conséquence sur la science écologique elle-même, interpellée par la ville dans sa définition, ses objets, ses méthodes. Et sur l’idée que la ville se fait d’elle-même. Le point sur ces influences réciproques.

    Qu’est-ce que l’écologie urbaine ? D’où vient-elle ?

    JSC : Depuis longtemps, on étudie la faune et la flore en ville. Mais, avec le développement de l’écologie, en tant que discipline scientifique, les scientifiques se sont éloignés de la ville, considérant que la vraie nature était ailleurs. Ils ont privilégié l’étude des espaces les plus naturels possibles, les moins impactés par l’homme. Quand l’écologie s’urbanise traite du regain d’intérêt, depuis les années 90, des questions d’écologie en ville.

    Le faucon pèlerin vient maintenant chasser au-dessus des immeubles, car il ne trouve plus ses petites proies dans les espaces agricoles. La ville présente une certaine biodiversité, et peut être refuge d’espèces repoussées ailleurs. La ville est ainsi un laboratoire à ciel ouvert pour étudier l’adaptation des espèces. (© Agami Photo Agency | Dreamstime.com)

    Qu’est-ce que la ville fait à l’écologie ?

    JSC : C’est une des questions centrales du livre. L’ouvrage recueille des témoignages d’écologues, à Marseille, Lausanne, Strasbourg… La ville a-t-elle fait évoluer les pratiques de terrain ? A-t-elle fait bouger la théorie ? Nous essayons de comprendre ce que l’entrée en ville des écologues provoque comme changements dans la science écologique elle-même… Par exemple, quand on travaille au milieu de beaucoup de monde, il y a plus d’interaction avec les habitants !

    CG : En général, les écologues travaillent sur des terrains éloignés, c’est même une de leur motivation pour faire de l’écologie… Voyager, aller dans des endroits reculés et non touchés par l’action de l’homme. En éditant cet ouvrage, on s’est intéressé à ce paradoxe qui consiste à déplacer leur regard et leur travail sur des espaces extrêmement anthropisés, parfois très proches de là où ils habitent.

    Qu’est-ce que ça fait à la pratique des écologues, à leur identité, de venir travailler en ville ?

    Céline Granjou

    Qu’est-ce que l’écologie fait à la ville ?

    CG : Dans cet ouvrage, on s’intéresse à la manière dont l’expertise naturaliste est intégrée dans l’aménagement urbain. Je garde en tête un très bel exemple sur l’évolution des attentes qu’on peut avoir vis-à-vis de la nature en ville. Julie Scapino y raconte la mise en place d’une promenade dans la 15e à Paris. Elle montre très bien le passage d’objectifs très esthétiques, à un registre de biodiversité, où on essaye d’utiliser les espèces locales et de les laisser évoluer de manière spontanée.

    À Genève, un indice d’écopotentialité, mis au point par des chercheurs des conservatoire et Jardin botaniques, évalue l’impact de projets d’aménagement urbain sur la biodiversité. Dans un entretien, Pascal Martin et Nicolas Wyler expliquent comment l’expertise naturaliste intervient maintenant en ville pour des questions de protection des espaces, mais aussi dans la planification des quartiers (© Mario Krpan | Dreamstime.com)

    Quelle est la genèse de « Quand l’écologie s’urbanise » ?

    JSC : Ce livre est issu d’un projet de recherche FNS « Quand l’écologie entre en ville » qui étudie l’histoire de l’écologie urbaine en Suisse, 5 membres de l’IGD y sont associés. L’ouvrage est tiré du colloque international qui a inauguré le projet. Les auteur.e.s des chapitres y ont tous participé.

    CG : Ce livre est aussi une rencontre de problématiques et d’intérêts disciplinaires entre Joëlle et moi. Joëlle a ce regard sur les imaginaires de la ville, ancré en géographie humaine et culturelle. Je suis arrivée avec un regard de sociologue des sciences, m’intéressant à ce que cela veut dire pour l’écologie, pour les écologues eux-mêmes, d’étudier la ville – plutôt que des espaces plus naturels ou moins anthropisés. Nous avons construit un dialogue entre ces deux piliers disciplinaires, qui a permis au livre de se construire.

    La ville peut se révéler pleine de surprises pour les sciences de la nature. Il faut aussi que les écologues se tournent vers la ville, pour comprendre ce qui s’y passe.

    Joëlle Salomon Cavin

    Qu’est-ce que le « sauvage » (ou la wilderness) dans le contexte urbain ?

    JSC : Traditionnellement, la question du sauvage exclut la ville. Plusieurs chapitres reviennent sur le fait qu’on trouve de la nature sauvage en ville, si on la définit comme ce qui advient, ce qui se développe en dehors de la volonté humaine. Matthew Gandy aborde les friches urbaines, où toutes sortes d’espèces, en particulier végétales, se développent de façon spontanée. On peut aussi évoquer le retour de certains animaux sauvages, comme les sangliers ou les chevreuils dont on a beaucoup parlé pendant la COVID.

    CG : L’objectif de l’écologie urbaine est justement de dépasser cette catégorie de wilderness et peut-être d’expérimenter d’autres catégories. Un socio-écosystème ? Un anthropo-écosytème ? L’idée est de ne plus de se référer à cette wilderness d’espaces purement naturels, mais de s’intéresser à des lieux hybrides, à des assemblages socio-écologiques.

    À Grenoble, on a demandé aux jardiniers de la ville d’inventorier les papillons de jour des parcs. C’est un bel exemple qui montre la manière dont le métier de jardinier change et dont l’écologie est intégrée dans les pratiques (© Joanna Potok | Dreamstime.com)

    Quelle est la perspective de ce travail ?

    JSC : L’expertise naturaliste va être de plus en plus mobilisée dans la fabrique urbaine. Pas seulement dans la gestion des espaces verts, les questions de conservation, mais aussi dans la planification urbaine, la construction des quartiers. C’est une perspective passionnante, d’autant que je suis impliquée dans un Master en urbanisme.

    En parallèle, je travaille à une exposition sur les animaux en ville, plus précisément les espèces dites indésirables, comme les cafards, les punaises, les pigeons, les rats. Les pratiques de gestion, les désinfestations sont de plus en plus liées aux connaissances écologiques.

    CG : Ce qui m’a intéressé et que je voudrais poursuivre, c’est comprendre le développement de nouveaux agendas de recherche en écologie. Autrement dit, à quoi sert l’écologie ? L’idée n’est plus de cantonner l’écologie à des milieux naturels (au sens, protégés de l’action humaine), mais aussi de produire de la connaissance sur la façon dont les humains transforment leur environnement et peuvent créer des opportunités pour que des espèces se développent et s’adaptent à leur environnement.

     Les développements de l’écologie urbaine, c’est une transformation dans la manière dont les écologues et la société se représentent les objectifs de produire de la connaissance écologique.

    Céline Granjou
    Pour en savoir plus sur cet ouvrage

    Quand l’écologie s’urbanise. Joëlle Salomon Cavin et Céline Granjou (Ed.). 2021. UGA Éditions. 386 p.
    Dépôt institutionnel SERVAL

    Ont contribué à l’ouvrage : Isabelle Arpin, Sabine Barles, Valérie Bertaudière-Montès, Nathalie Berthier, Nathalie Blanc, Valérie Boisvert, Marine Canavese, Maud Chalmandrier, Denis Couvet, Magali Deschamps-Cottin, Marine Gabillet, Matthew Gandy, Jean-Yves Georges, Clément Gitton, Sandrine Glatron, Adeline Hector, Isabelle Laffont-Schwob, Marine Levé, Audrey Marco, Yves Meinard, Yves Petit-Berghem, Véronique Philippot, Anne-Caroline Prévot, Elisabeth Rémy, Christine Robles, Julie Scapino, Bruno Vila.

    On distingue souvent trois branches de l’écologie urbaine dans les sciences de la nature.

    L’écologie dans la ville s’intéresse aux espèces inventoriées dans la ville, et leur interaction avec l’environnement urbain.

    L’écologie de la ville se penche plutôt sur le fonctionnement de l’écosystème urbain, du « métabolisme urbain ». Sabine Barles décrit plus spécifiquement cette écologie de la ville dans un des chapitres.

    L’écologie pour la ville est plus interdisciplinaire, et propose des solutions pour améliorer la ville et sa durabilité.

  • Les micropyrites: une signature du vivant

    Les micropyrites: une signature du vivant

    Une équipe internationale coordonnée par Johanna Marin Carbonne (ISTE) a réussi à mesurer les micropyrites dans des tapis microbiens modernes à Cuba et au Mexique. Elle expose ses résultats dans une nouvelle publication de Geochemical perspective letters.

    L’activité biologique des microorganismes peut être responsable de la formation de certaines roches, appelées microbialites1. Actuellement, les microbialites se forment dans des environnements très variés, dans l’eau douce comme dans l’eau salée. Ces microbialites hébergent des communautés microbiennes très diverses, qui influencent les cycles biogéochimiques et induisent la précipitation de phases minérales particulières telles que la pyrite, un minéral composé de fer et de soufre. Étudier ces minéraux permet de mieux comprendre les interactions entre le vivant et les milieux à la surface de notre planète. 

    L’équipe a analysé à petite échelle les pyrites présentes dans des microbialites d’un lac volcanique alcalin du Mexique et d’une lagune hypersalée marine de Cuba. Une combinaison de techniques de pointe (dont la NanoSIMS) a permis d’observer ces pyrites à très fort grossissement et déterminer leurs compositions isotopiques (leurs teneurs en soufre léger et en soufre lourd). Ces efforts ont révélé que les pyrites présentes dans les deux environnements étudiés, pourtant très différents, étaient remarquablement similaires isotopiquement : elles ont les mêmes teneurs en soufre léger. Ce sont des compositions typiques d’une production par les microorganismes. 

     
    À gauche, les pyrites (FeS2) dans un microbialite apparaissent en blanc, grâce à des images en microscopie électronique à balayage (Cayo Coco, Cuba). À droite, une image des mêmes pyrites révélant le soufre isotopique grâce à la NanoSIMS. Les pyrites apparaissent en dégradé de bleu et rouge, car elles ont des compositions variables. La distribution en isotope est tracée en blanc. Cette composition est typique du résultat d’un métabolisme bactérien (réductions microbiennes des sulfates). Les pyrites ont donc enregistré l’activité biologique microbienne et peuvent être considérées comme des biosignatures (Crédit : J. Marin-Carbonne).

    Les pyrites formées par l’activité microbienne sont donc différentes des pyrites qui se forment sans intervention du vivant. Les auteur·rices proposent donc d’utiliser ces pyrites comme des biosignatures : leur identification dans des roches très anciennes pourrait révéler la présence de microorganismes à ces époques reculées. Cette approche offrirait une nouvelle lecture des environnements qui existaient à la surface de notre planète il y a très longtemps. Ce résultat souligne de façon corollaire les limites de l’utilisation des pyrites pour les reconstructions des paléoenvironnements globaux, puisque les pyrites issues d’une activité microbienne sont différentes des pyrites abiotiques.

    Les microbialites sont des sédiments formés d’un tapis microbien. Il y a 2,4 milliards, ces microbialites proliféraient déjà sur terre. Les stromatolites, une des plus anciennes traces de vie sur notre planète, en sont un exemple (Photo : microbialite de 2.5 Ga de la plateforme Malmani Campbellrand en Afrique du Sud. Crédit : J Marin-Carbonne)

    Cette étude a été coordonnée par Johanna Marin-Carbonne, professeure assistante à l’Université de Lausanne, grâce à une programme européen H2020 (ERC Starting Grant STROMATA) . Elle a impliqué deux doctorants (Marie Noëlle Decraene et Robin Havas) et plusieurs chercheurs post-doctoraux (Julien Alleon, Virgil Pasquier, Nina Zeyen). De nombreux partenaires y ont contribué : des laboratoires français (IMPMC, Paris, Biogéosciences, Dijon, Magma et Volcans, Clermont-Ferrand), l’Institut Weizmann (Israel), l’Université de l’Alberta (Canada), le laboratoire de Géochimie biologique de l’EPFL et l’Université de Lausanne. Le protocole analytique a été développé et calibré sur les NanoSIMS du MNHN (Paris) et du Centre conjoint UNIL-EPFL d’analyse de la surface (CASA).

    Référence bibliographique

    J. Marin-Carbonne, M.-N. Decraene, R. Havas, L. Remusat, V. Pasquier, J. Alléon, N. Zeyen, A. Bouton, S. Bernard, S. Escrig, N. Olivier, E. Vennin, A. Meibom, K. Benzerara et Ch. Thomazo (2022) Early precipitated micropyrite in microbialites: A time capsule of microbial sulfur cycling. Geochemical perspective letters.

  • Ecosystèmes clos artificiels, systèmes de support-vie et écologie industrielle

    Ecosystèmes clos artificiels, systèmes de support-vie et écologie industrielle

    Synergies de R&D terrestre et spatiale comme moteurs de la mise en œuvre de la durabilité

    Thèse en sciences de l’environnement, soutenue le 5 avril 2022 par Théodore Besson, rattaché à l’Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST) de la FGSE.

    Cette thèse de doctorat se concentre sur la convergence de deux domaines de recherche principaux – l’écologie industrielle (EI) et les systèmes de support-vie (SSV) –, examinée dans le contexte du développement des écosystèmes clos artificiels (ECA). Un ECA est un écosystème simplifié et miniaturisé fonctionnant en circuit fermé. Il utilise des organismes biologiques (bactéries, microalgues, plantes, animaux, etc.) pour régénérer l’air, l’eau et la nourriture afin d’atteindre une autosuffisance complète. Un ECA reproduit et raccourcit les boucles de recyclage des nutriments et des ressources qui surviennent sur Terre. Les SSV sont des ECA avec équipage, conçus pour assurer à ses habitants la santé, la sécurité et le confort minimal dans des environnements extrêmes pour qu’ils puissent survivre en autonomie dans des habitats confinés et isolés durant des périodes prolongées. La succession des compartiments de support-vie (bioréacteurs, chambres de croissance de plantes, etc.) doit répondre aux besoins de l’homme et régénérer de manière ininterrompue des déchets organiques tels que le dioxyde de carbone expiré, l’urine, les excréments et les parties non comestibles des plantes, respectivement en atmosphère respirable, eau potable et biomasse comestible. Les SSV avancés ou ECA spatiaux sont nécessaires pour la survie de l’homme évoluant au sein d’habitats spatiaux durant des périodes prolongées, lorsqu’un réapprovisionnement depuis la Terre n’est logistiquement plus possible ou devient trop coûteux. 

    The novelty of this thesis lies in combining the hybridisation between conceptual and operational dimensions of the IE research domain together with the synergistic approach of the terrestrial and space dimensions of ACE along the LSS research domain. The three overall research questions of this thesis can be stated as follows:
    1. What is the relevance of ACE research to the conceptual foundations of IE?
    2. How to cross-fertilise the terrestrial and space dimensions of LSS development?
    3. What are the contributions of ACE development to the operationalisation of IE?

    La première partie de cette thèse vise à clarifier le potentiel, la pertinence et l’intérêt de la recherche sur les ECA afin de consolider les fondements conceptuels de l’EI. Des concepts clés pour l’analyse de l’ECA sont proposés, portant sur les interactions basées sur les symbioses, la cyclisation, la biodiversité, la compartimentation, la reproduction et l’évolution. Dans une société en expansion et un monde où certaines ressources sont devenues limitées, les ECA sont considérés comme des outils pertinents pour la maturation des écosystèmes industriels. Lorsqu’il fonctionne dans les conditions radicales de l’espace, un ECA spatial peut être envisagé comme un modèle d’écosystèmes industriels soumis à des contraintes extrêmes. Dans l’ensemble, cette étude démontre que le développement d’ECA représente un excellent compromis et offre un potentiel inexploité pour développer davantage la base théorique de l’EI. 

    La deuxième partie se concentre sur les moyens possibles de fertilisation croisée des dimensions terrestres et spatiales du développement des SSV. Elle montre comment un démonstrateur grandeur nature d’ECA, doté d’un équipage et destiné à préparer l’exploration planétaire habitée dans les conditions les plus réalistes, peut avoir un effet de levier et intensifier le développement de SSV en établissant des synergies de recherche à l’interface de ses dimensions terrestres et spatiales. Cette thèse fournit diverses études de cas liées au projet MELiSSA de l’Agence spatiale européenne sur les systèmes circulaires, et à la start-up suisse Earth Space Technical Ecosystem Enterprises SA (ESTEE) qui développe des composants, prototypes et applications basés sur les ECA. 

    La troisième partie de ce travail aborde les contributions du développement des ECA à l’opérationnalisation de l’EI. Elle analyse le potentiel des ECA pour le création d’habitats autosuffisants sur Terre et pour la mise en œuvre de la durabilité terrestre. Les applications terrestres relatives aux ECA comprennent la valorisation des déchets et la récupération des ressources combinées à la production locale de nourriture, la mesure des expositions (y compris les aliments, les médicaments, les micropolluants, etc.) et l’analyse de leurs effets sur la santé et l’environnement, par exemple pour le contrôle de la qualité de l’air intérieur, la surveillance de la santé à domicile et la téléassistance, ainsi que le maintien du bien-être des occupants d’un habitat. Dans le contexte de l’émergence du New Space, cette thèse met également en lumière que la prochaine frontière pour la durabilité est l’espace et considère les moyens possibles d’envisager la durabilité à l’échelle cosmique. 

    Les ECA et SSV sont des révélateurs des bénéfices de la bioinspiration. Ils ouvrent de nouvelles voies pour le contrôle et la régulation des écosystèmes débouchant sur de nouvelles facettes d’interprétation de la nature, et pour l’amélioration de la santé au sein d’habitat clos. La réalisation des ambitions liées au développement d’ECA dépendra du dialogue ouvert et constructif entre la médecine, la biologie, les sciences humaines et environnementales, facilité par l’ingénierie et la digitalisation. 

    Même si des missions spatiales habitées de longue durée et distance ne devaient pas être réalisées, la recherche sur les ECA spatiaux hyper efficients vaut la peine d’être menée, non seulement en raison des contraintes croissantes sur Terre, mais aussi du fait de leur potentiel pour la gestion durable des ressources sur Terre. Cette recherche anticipe que les composants d’ECA seront développés dans tous les cas pour leur pertinence en termes de durabilité terrestre, et leur application commerciale dans la vie quotidienne. 

    Comme le démontre cette thèse, la recherche sur les ECA et les SSV offre un excellent instrument pour forger un avenir durable, en élaborant des écosystèmes industriels davantage fermés, et plus durables face à la diminution des approvisionnements en matières premières et aux problèmes croissants liés à la gestion des déchets et à la pollution. Par conséquent, les synergies de la R&D terrestre et spatiale sur les ECA et les SSV peuvent accélérer la mise en œuvre de la durabilité, dans la perspective de l’EI.

  • Restauration de la biodiversité : des projets locaux sous la loupe

    Restauration de la biodiversité : des projets locaux sous la loupe

    Gretchen Walters, Institut de géographie et durabilité

    Quelle est l’efficacité des nombreux projets locaux de conservation et de restauration de la biodiversité ? Que pouvons-nous apprendre des initiatives menées par les peuples autochtones et les communautés locales ? Grâce à des méthodes écologiques, mais aussi sociales, Gretchen Walters (IGD), Olivier Hymas (CIRM) et Jenny Kelleher (IUCN) lancent au printemps 2022 « NARROW : Narratives on Restored Water », une recherche transdisciplinaire et transsectorielle. Elle examinera le fonctionnement des restaurations menées localement.

    NARROW est financé par une action ERA-NET COFUND, mise en place par deux réseaux européens : BiodivERsA et Water JPI. Ces réseaux visent à développer une collaboration durable et une vision commune des défis de la biodiversité et des écosystèmes aquatiques.

    Quel est l’objectif principal de « NARROW » ?

    GW : Nous voulons examiner l’efficacité de la conservation et de la restauration de la biodiversité menée par les peuples autochtones et les communautés locales. Nous déterminerons si ces projets locaux répondent aux critères des AMCEZ (« Autres Mesures Efficaces de Conservation par Zone »), désormais reconnus par la Convention sur la diversité biologique.

    Sur la base de cas en Finlande et en Suède, avec la collaboration de différents secteurs de la société (les communautés locales, comme le Peuple Sami, les universitaires, les acteurs étatiques), nous abordons une question critique : quelles sont les valeurs écologiques, culturelles, sociales et spirituelles qui incitent les communautés locales à restaurer et à protéger des écosystèmes ? Comment ces valeurs apparaissent et se déploient dans un certain contexte politique national et international ?

    Cette zone humide à Salojenneva (Finland) a été réensauvagée par SnowChange Cooperative, un partenaire du projet. (credits: Mika Honkalinna, Snowchange Cooperative)

    Les personnes et les communautés locales ont-elles un rôle à jouer dans l’atténuation du changement climatique ?

    GW : Bien sûr, surtout lorsqu’il s’agit de la restauration des terres et eaux communales ou autochtones. À un moment donné, un groupe de personnes prend la décision de restaurer ses terres et ses eaux. Lorsque cela se produit, elles contribuent directement à atténuer le changement climatique par leur action, mais cette initiative crée également un lien avec les terres et les eaux qu’ils restaurent. Dans ce projet, nous examinerons l’importance d’« espèces culturelles clés » dans la restauration. Ces espèces ont une valeur culturelle profonde pour les gens, les connectant aux écosystèmes et aux lieux.

    Vous utiliserez des « récits ». Qu’est-ce que cela signifie ?

    GW : Dans NARROW, nous considérons que les récits sont des histoires que les gens utilisent pour expliquer l’importance d’idées et de lieux. Comment les gens ont-ils perçu au fil du temps leurs liens avec les lieux qu’ils restaurent ? En plus des données de gouvernance et des données biologiques, nous identifierons les récits fondamentaux sur la nature restaurée qui s’expriment localement. Ces récits nous éclaireront sur le rôle que jouent les espèces culturelles clés, et comment les populations locales vivent les nouvelles relations et valeurs qui émergent de la restauration et du réensauvagement.

    Plutôt que d’imposer par le haut la création d’un parc, les projets locaux peuvent être qualifiés d’AMCEZs (Autres mesures efficaces de conservation par zone). Ils émanent directement de la « base » : des communautés, des municipalités ou du secteur privé. Ici vous pouvez voir le projet de restauration Trunsta (Suède). (Crédit: Håkan Tunón, Swedish University of Agricultural Sciences). 

    Comment l’idée de ce projet a-t-elle émergé ?

    GW : Ce projet est né du partenariat existant entre l’UNIL et l’IUCN (Union internationale pour la conservation de la nature). Il était clair, dès l’appel à projets, que la meilleure façon d’adopter une perspective de politique environnementale appliquée était de travailler ensemble.

    Nous réunissons donc une équipe de scientifiques et de praticiens interdisciplinaires de l’Université de Lausanne, de l’Université suédoise des sciences Agricoles, de la Coopérative Snowchange (Finlande) et de l’Union internationale pour la conservation de la nature (Suisse). Cette collaboration nous permet de faire converger les perspectives locales et internationales.

    En quoi ce travail est-il important pour la restauration de la biodiversité ?

    GW : Malgré les appels à inclure les points de vue culturels dans la restauration, cette prise en compte est rare. Grâce à NARROW, nous réunissons ces différents éléments : nous analyserons pourquoi et comment des gens décident à un moment donné de restaurer un lieu, et pourquoi cela compte pour eux. Mais nous évaluerons aussi si la restauration a un impact concret sur le flux des gaz à effet de serre et le stockage du carbone. 

    En examinant conjointement les valeurs culturelles et biologiques de la restauration, nous ancrons ainsi des objectifs globaux de politique environnementale dans des préoccupations locales – c’est-à-dire des préoccupations qui ont un sens pour les gens et leurs écosystèmes. 

    Nos résultats amélioreront la prise en compte des AMCEZs dans les milieux politiques internationaux et nationaux, ainsi que la manière dont elles sont mises en œuvre. Comme nous travaillons directement avec l’UICN, qui influence le travail mondial sur les AMCEZs, les résultats de NARROW auront un impact sur la politique et la pratique de la conservation internationale.

    D’ici 2030, de nombreux pays vont s’engager à porter à 30 % la superficie des zones protégées. Cette augmentation ne sera possible que si un changement stratégique s’opère. De nombreuses stratégies gouvernementales visant à renforcer la conservation de la nature proposent de favoriser les AMCEZs – notamment la Stratégie de l’UE en faveur de la biodiversité à l’horizon 2030 et le Cadre mondial de la biodiversité pour l’après-2020. Mais pour être bénéfiques à la biodiversité, les AMCEZs doivent faire la preuve d’une gouvernance efficace. D’où l’importance de notre projet, qui permettra de mieux les comprendre.

    Quel est le principal défi à relever ?

    GW : Nos équipes sont interdisciplinaires. Un des défis consiste à comprendre les méthodes des sciences sociales et biologiques et à les rassembler en un tout cohérent. 

    Heureusement, plusieurs personnes dans l’équipe bénéficient d’une formation polyvalente. Un autre défi est l’éloignement entre le travail de terrain – effectué en Suède et en Finlande – et le travail politique – effectué en Suisse. Cette distance pourrait entraîner une difficulté à faire valoir les contextes locaux et leur valeur dans les forums internationaux. Nous surmonterons ce problème en organisant des visites conjointes sur le terrain dans chaque pays et en invitant les membres de la communauté à participer aux principaux événements politiques internationaux.

  • Les multiples facettes de la SIMS en Suisse

    Les multiples facettes de la SIMS en Suisse

    Prof. Marin-Carbonne, Prof. Meibom, Prof. Rubatto, Prof. Baumgartner, Dr Bouvier, Dr Escrig, Dr Bovay, et M. Plane devant la SwissSIMS dans le Centre de compétence en analyse de surface des matériaux (CASA) .

    Une publication récente de Johanna Marin Carbonne et coll. dresse un panorama de trois laboratoires SIMS suisses et ouvre des perspectives sur leur utilisation.

    Qu’est-ce que la SIMS ou spectrométrie de masse des ions secondaires (Secondary Ion Mass Spectrometry) ? En un mot, une technique quasi non invasive qui permet de révéler les propriétés d’une surface solide. Un faisceau d’ions (dits primaires) finement focalisé pulvérise la surface à analyser. Le spectre de masse de particules ionisées (dits secondaires) qui en résulte renseigne sur les propriétés moléculaires, élémentaires ou isotopiques de l’échantillon.

    En Suisse, plusieurs grands laboratoires offrent des instruments SIMS. L’article détaille le fonctionnement de trois de ces instruments et leurs applications. Un TOF-SIMS se trouve à l’Université de Genève, et le Centre de compétence en analyse de Surface (CASA), un centre conjoint UNIL-EPFL, accueille un NanoSIMS et un SIMS dynamique. Optimisés différemment, ces instruments ont une résolution spatiale et une sensibilité qui leur sont propres. Ils peuvent ainsi être utilisés de façon complémentaire. La gamme de leurs applications s’est fortement élargie ces dernières années.

    • La TOF-SIMS répond à un vaste éventail de besoins :  de la science des matériaux, la restauration et la recherche en art, la médecine légale ou les sciences de la terre, jusqu’à la cosmochimie (qui s’attaque aux origines et à l’évolution des nucléides dans l’Univers). Dans le domaine de la recherche biomédicale, le TOF-SIMS s’avère aussi de plus en plus utile.
    • La microsonde ionique SwissSIMS permet de déterminer les compositions en isotopes, ou de révéler des éléments traces et volatils à très faible concentration. Un nouveau protocole a permis, par exemple, de mettre en évidence un écosystème microbien complexe datant de 2,7 milliards d’années. Ceci a été possible grâce au ciblage de la matière organique des roches fossiles anciennes, les stromatolites du Précambrien.
    • Les études NanoSIMS ont fourni un aperçu unique sur des sujets de recherche variés comme le métabolisme du cerveau, la microbiologie environnementale, les interactions métaboliques dans les organismes symbiotiques comme les coraux, la paléoclimatologie et les processus dynamiques dans les chambres volcaniques.

    La SwissSIMS est une plateforme nationale acquise grâce à un consortium comprenant l’UNIL, l’UNIGE, l’UNIBE et l’ETHZ ainsi que via le soutien du FNS. L’instrument est donc ouvert à tous après examen et revues des projets de recherches. La SwissSIMS et le NanoSIMS font partie du Centre de compétence en analyse de surface (CASA), créé entre l’EPFL et l’UNIL et qui accueille aussi plusieurs microscopes électroniques, une sonde électronique et des spectromètres de masse ICPMS couplés à une ablation laser.  Au SwissSIMS, dans le bâtiment Géopolis de l’UNIL, une grande diversité de projets de Suisse et d’ailleurs a vu le jour.

    Pour en savoir plus

    J. Marin Carbonne, A. Kiss, A.-S. Bouvier, A. Meibom, L. Baumgartner, T. Bovay, F. Plane, Stephane Escrig, D. Rubatto (2022). Surface Analysis by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS): Principles and Applications from Swiss laboratories. Chimia 76 (2022) 26–33. doi:10.2533/chimia.2022.26 

  • L’origine de l’or: ce précieux métal dispose désormais de son passeport géoforensique

    L’origine de l’or: ce précieux métal dispose désormais de son passeport géoforensique

    Barbara Beck, Institut des sciences de la Terre

    Dans le cadre d’un projet Innosuisse, la Dr Barbara Beck, chercheuse à l’Institut des sciences de la Terre et spécialiste en archéométrie, a mis au point une méthode innovante, rapide et peu onéreuse permettant de valider l’origine des échantillons d’or traités par les affineurs en Suisse (projet mené en collaboration avec l’entreprise Metalor).

    Du commerce de l’argent valaisan à l’affinage de l’or

    Spécialiste en archéométrie, B. Beck avait développé durant sa thèse une méthode permettant de déterminer la signature chimique de minerais de plomb et d’argent issus des mines valaisannes. Grâce à cette signature, elle a pu retracer les circuits commerciaux établis dans cette région de l’Âge du Fer jusqu’au Moyen Âge.

    Après avoir adapté sa méthode à d’autres métaux comme le cuivre, B. Beck s’est intéressée au cas de l’or, la rapprochant ainsi d’enjeux plus actuels. En effet entre 50 et 60% de la production mondiale d’or est affinée en Suisse. Les diverses parties prenantes (Etat, affineurs, organes de contrôles) se préoccupent de pouvoir valider son origine, afin de pouvoir garantir qu’il provient d’une production éthique et contrôlée du point de vue environnemental (voir liens en fin d’article).

    Une collaboration entre recherche scientifique et entreprise privée

    Initié en 2016, puis concrétisé en 2019, un projet Innosuisse a été mené conjointement par Dr. Barbara Beck et l’entreprise Metalor (l’un des plus importants affineurs d’or mondial). L’objectif était de développer une méthode rapide et fiable permettant de confirmer l’origine de l’or traité dans les chaînes d’affinage. B. Beck a pu accéder à des échantillons d’or de diverses provenances ainsi qu’à une base de données d’analyses chimiques de dorés (lingots d’or non affinés) de l’entreprise. De son côté, Metalor a bénéficié de la mise au point de la méthode de confirmation de l’origine de ses dorés.

    Une méthode rapide et peu coûteuse

    La méthode utilisée se devait d’être rapide et peu coûteuse (=intégrée dans le processus d’affinage). Les dorés sont analysés par fluoresence rayons X (ED-XRF), ce qui permet de mesurer la proportion d’une vingtaine d’éléments composant l’échantillon. En comparant cette “signature“ chimique avec celles des échantillons enregistrés dans la base de données, l’origine du doré peut être confirmée et son passeport géoforensique est établi.

    Dans environ 10% des cas un doute subsiste quant à l’origine de l’échantillon. Il peut en effet y avoir des variations de composition de minerais d’or de même origine, selon les filons exploités ou le traitement des échantillons au sortir de la mine. Dans ces cas-là, une analyse isotopique est réalisée pour une évaluation plus précise.

    Passeport géoforensique d’un fournisseur : projection tridimensionnelle d’une analyse en composante principale (ACP) des échantillons analysés. L’analyse statistique totale comprend une quinzaine d’axes. Chaque point correspond à un doré de ce fournisseur. Les différentes couleurs renvoient à des dorés issus de différents filons. 

    La méthode repose sur des analyses statistiques complexes prenant en compte la vingtaine de facteurs décrivant la composition chimique des échantillons. B. Beck a conçu le modèle statistique et développé un programme informatique permettant l’interprétation quasi instantanée de la composition chimique des dorés qui confirme – ou non – l’origine de l’échantillon.

    Un intérêt multiple et international

    Les résultats obtenus confirment que cette méthode est efficace pour déterminer l’origine de l’or provenant de mines industrielles. Elle est rapide et peu coûteuse et permet aux affineurs d’avoir un certain contrôle sur leurs fournisseurs. Ces résultats ont fait l’objet de plusieurs publications dans des revues internationales. Plusieurs entreprises d’affinage, joailliers et autorités commerciales ont montré de l’intérêt pour cette méthode, dont la London Bullion Market Association (LBMA – association commerciale qui gère les règles du marché mondial de l’or) qui salue sa contribution à la confiance et la transparence du commerce des métaux précieux.

    Deux femmes sur des déblais de mine à La Rinconada au Pérou (photo B. Beck)

    Au-delà de la science et de la méthodologie cette expérience relève des enjeux sociologiques et éthiques liés à l’exploitation de ressources de valeur telles que l’or dans des régions souvent très pauvres : dans quelle mesure la population locale profite-t-elle de l’exploitation minière industrielle, souvent aux mains d’entreprises étrangères ? Quel est le bilan entre l’apport de revenus indispensables des mines artisanales et le bilan écologique de ces exploitations ?  

    L’expérience de terrain – une « ruée vers l’or » moderne

    B. Beck s’est rendue au Pérou pour récolter des échantillons. Elle a été soutenue par la Swiss Better Gold Association et l’ambassade de Suisse qui ont facilité le contact avec les mineurs artisanaux, souvent très méfiants envers les journalistes et chercheurs étrangers. Et pour cause, des conditions de vie parfois extrêmement difficiles (altitude élevée, pas d’eau courante, habitations de tôle), des structures étatiques aléatoires, une criminalité florissante, les rendant cible facile à toutes critiques extérieures. Pourtant, ces petites mines apportent un revenu modeste mais important à l’économie locale, qui évolue en contraste total avec les sociétés très peu développées des vallées proches. Malgré la réputation parfois très mauvaise de ces mines, elles apportent des perspectives aussi bien financières à une population souvent oubliée par l’Etat. Cette situation devient un réel casse-tête : une société grandissante mais délaissée, se débrouillant plus ou moins dans une chaîne d’approvisionnement illégale, ignorante parfois des défis environnementaux et sociaux.

    Boulette d’or après amalgamation
     
    Autel à l’entrée d’une exploitation artisanale d’or sur l’Altiplano péruvien
    Rue d’un quartier de La Rinconada, une cité minière créée autour de mines artisanales (photos S. Ansermet)

    Pour la suite, B. Beck aimerait davantage travailler sur l’or provenant de mines artisanales, et suivre l’évolution de sa composition chimique sur les différentes étapes depuis l’extraction jusqu’à l’affinage.  Ceci permettrait d’intégrer les filières artisanales dans une chaîne d’approvisionnement légal, et donner ainsi les bases pour des exploitations respectueuses de l’environnement et des standards sociaux. Elle souhaiterait également développer sa méthode sur d’autres ressources “critiques“ comme les terres rares.

    Pour mieux connaître Barbara Beck et ses projets de recherches

    Innosuisse est l’Agence suisse pour l’encouragement de l’innovation. Ses objectifs stratégiques sont définis par le Conseil fédéral et visent notamment à accélérer le transfert des connaissances de la recherche vers l’économie. Divers fonds d’encouragement sont proposés, afin de favoriser la mise en relation entre les entreprises et la recherche scientifique, ainsi que la mise en application de résultats de recherche. Ils sont présentés sur le site Georeka.

    Depuis 2021 Innosuisse et le FNS coopèrent étroitement en termes d’instruments d’encouragement.