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7 mai 2015, 14h | Séminaire EDYTEM

New paleoclimate results for the Northern Levant inferred from Lebanese speleothems

Bât. Pôle Montagne, campus du Bourget du lac, Université Savoie Mont Blanc

Paleoclimatic reconstructions for the Levant region : Stable isotopic signatures in cave water, recent calcite and speleothems from the Jeita and Qadisha caves, Lebanon.


S. Verheyden , F. Nader, R. Swennen and D. Genty

Holocene oxygen and carbon isotopic profiles from the JeG-stm 1 stalagmite, Jeita cave (Verheyden et al., 2006) showed generally high δ18O and δ13C values during the late-glacial (resp. -3.9 and -9.2 ‰ vpdb), low values during the early Holocene (resp. -6.5 and -11.0 ‰ vpdb), and again high values after 5.8 ka, suggesting a transition from wet conditions in the early Holocene towards drier conditions in the mid-Holocene. Additional work on a speleothem of the Jeita cave covering the period of 0.9 to 0.4 ka (Before 2012) indicates slightly decreased δ18O and δ13C values ; around 5.5 ‰ and -10.7 ‰ vpdb resp., suggesting a return to slightly wetter conditions. A positive anomaly in δ18O and δ13C values at ∼1250AD and ∼1280AD resp. could be due to anthropogenic pressures on the vegetation cover and soil. Annual growth-layers can be used during this period to refine the U-series dating.

Located higher in altitude ( 1750 masl), the Qadisha stalagmite Qa-stm-1 of 15cm long and diameter of ∼3cm grew between 6482±32 a and 3247±127 a without any clear hiatus. Its δ18O is ∼2.5‰ lower than the Jeita cave calcite of similar age, in agreement with the ∼1400 m higher altitude of the Qadisha Cave. Its 18O record fits well the increasing trend of Jeg-stm1 between 6.4 and 3.2 ka.

Cave water isotopic composition from both caves closely follows the local meteoric waterline. The depleted Jeita cave river water isotopic composition compared to dripwater isotopic composition is in agreement with the mountainous source of the Jeita river. The differences in spreading of the isotopic composition of drip waters and recent calcite from Jeita and Qadisha illustrates the differences in ‘isotopic functioning’ of the caves with slightly more evaporation and/or degassing processes going on in the Jeita cave.

These ‘in-situ’ studies suggested a warm/wet interpretation of the isotopic composition of the Jeita cave speleothem. The similar trend observed in the Qa-stm1 stalagmite, while currently the cave exhibits a different isotopic functioning suggests a common rainwater signature for the 18O of the stalagmites from both caves.

Electronique et géosciences : développement de capteurs environnementaux adaptés à la haute atmosphère et aux milieux souterrains.


Burlet C., Vanbrabant Y., Piessens K., Welkenhuysen K., Verheyden S

Les technologies liées à l’automatisation et au traitement numérique du signal d’instruments de mesure se sont largement démocratisées ces dernières années. C’est en partie dû à la prolifération des plateformes d’échange en électronique et aux progrès constants de miniaturisation et d’intégration des circuits. De plus, l’accès aisé à des catalogues de composants en ligne et à des services de prototypage de carte électroniques permettent aujourd’hui à des scientifiques, non professionnels en électronique, de concevoir et fabriquer eux-mêmes des équipements de mesure adaptés aux milieux naturels qu’ils étudient.

À titre d’exemple, un petit capteur de température autonome, le « Niphargus » a été développé à l’Institut des Sciences naturelles de Belgique (Service géologique de Belgique, Direction Terre et Histoire de la Vie) dans le but de surveiller l’évolution en température de milieux naturels (grottes, sols et rivières). L’instrument est basé sur un capteur de température à diode de silicium monolithique, cette technologie allie la stabilité de mesure d’un thermomètre de laboratoire à résistance de platine avec la sensibilité des thermistances habituellement intégrées aux instruments miniaturisés. Le Niphargus est conçu pour être produit à faible coût, est capable d’enregistrer la température avec une résolution inférieure à 0.01°C entre -50°C et +125°C, dispose d’une autonomie de plusieurs années, et peut-être calibré facilement à ±0.1°C entre 0 et 30°C. Ils ont été notamment déployés dans plusieurs grottes belges et étrangères. Dans le cas de la grotte de Han-sur-Lesse (Belgique), par exemple, des enregistrements effectués au printemps 2013 ont permis détecter un cycle diurne de variation de la température de l’air de la salle du Dôme d’une amplitude de 0,005°C.[1]

Le « Stratochip » est un autre exemple de développement basé sur l’intégration de technologies récentes dérivées des aéronefs civils autonomes (microcontrôleur puissant, centrale inertielle et récepteur GNSS miniatures, transmissions de données longue portée). Cet équipement permet l’observation de la terre et de l’atmosphère à des altitudes allant de 1.000 à 32.000 mètres, et sur des distances de plusieurs dizaines de kilomètres. Son principe de fonctionnement est simple et innovant : la sonde d’observation transportée par deux ballons gonflés à l’hélium. À une altitude prédéterminée, un des ballons est largué, stabilisant rapidement le taux de montée de l’équipement et permettant un vol en plateau au-dessus d’une zone prédéfinie. Le système peut ensuite se détacher du deuxième ballon et atterrir au moyen d’un parachute. Le profil de vol, les territoires survolés et la zone d’atterrissage peuvent être calculés de façon très précises avant et pendant le vol grâce aux modèles de prédiction de directions et vitesses des vents (données NOAA), affinés par les mesures effectuées en temps réel par la sonde. Cet équipement a notamment été utilisé dans la cartographie d’un plateau karstique de la Sierra Arana (Andalousie, Espagne), et a produit une mosaïque d’images ortho-rectifiées et un modèle d’élévation du terrain sur une surface de plus 200km2 avec une résolution d’1 mètre par pixel.[2]

[1] Burlet, C, Mateos, R.M., Azañón, J.M., Perez, J.V., Vanbrabant Y. (2015), Aerial imagery and structure-from-motion based DEM reconstruction of region-sized areas (Sierra Arana, Spain and Namur Province, Belgium) using an high-altitude drifting balloon platform. Conference paper in : EGU General Assembly, vol. 2015, pp. id.11030-1, Vienna, Austria.

[2] Burlet, C, Vanbrabant, Y, Piessens, K, Welkenhuysen, K, and Verheyden, S (2015). Niphargus : a silicon band-gap sensor temperature logger for high-precision environmental monitoring, Research article in Computers & Geosciences, Vol. 74, pp. 50—59.

La reconstruction paléoclimatique du Stade Isotopique 5 dans la région du Levant à partir des analyses géochimiques et de la croissance d’une stalagmite de la grotte de Kanaan.


Carole Nehme, Sophie Verheyden, Stephen Noble, Andrew Farrant , Jean-Jacques Delannoy, Philippe Claeys

Le Levant est une région privilégiée pour l’étude des climats passés. Sa position entre deux systèmes climatiques, l’oscillation Nord Atlantique et les Moussons, le gradient de précipitation et de température Nord-Sud et ses particularités topographiques rendent la reconstitution du climat passé complexe et intéressante à la fois pour mieux appréhender l’évolution des fronts des deux systèmes climatiques et leurs influences sur l’anthropisation très précoce de cette région.

Le Mont Liban, massif montagneux calcaire de plus de 3000 m d’altitude et située sur la bordure Est de la Méditerranée, est caractérisée par la richesse de son paysage exo-et endokarstique. La diversité des cavités libanaises se manifeste par un large spectre de formes, de dépôts et de concrétions qui y sont contenues. Le Mont-Liban constitue un espace-clé pour développer des référentiels paléoclimatiques et environnementaux qui peuvent être appliquées sur la région Levantine.

Une stalagmite (K1-2010) de 23 cm de long a été prélevée de la grotte de Kanaan en 2010 dans le cadre d’une étude géomorphologique exhaustive de la cavité et du Karst de la vallée d’Antelias. Cette cavité de 162 m de développement est située à 100 m d’altitude et à 1.3 km de la cote. Onze datations de la calcite à l’Uranium/Thorium (U-Th) effectuées au NIGL Isotope Laboratory (British Geological Survey, UK) ont permis de développer un modèle d’âge de la stalagmite allant de 129,7 ± 0,8 ka à 84.1 ka (date extrapolée). La courbe isotopique de l’oxygène et du carbone est reconstruite à partir de 204 échantillons prélevés à une résolution de 1 mm et analysés au Laboratoire de géochimie de la Vrije Universiteit Brussels (Belgique).

Les courbes isotopiques de l’oxygène et du carbone datées de la stalagmite de Kanaan sont comparées aux variations de diamètre et du taux de croissance. Les profils montrent des valeurs généralement très négatives de δ18O et δ13C au cours du dernier interglaciaire, généralement comparé au Stade Isotopique MIS 5e, avec un taux de croissance de 0.15 cm/100a, le plus élevé de tout le profil. A partir de 124 ka, un enrichissement du δ18O de plus de 2‰ est observé jusqu’à 120 ka, avec un taux de croissance diminuant jusqu’à 0.03 cm/100a. Les valeurs du δ18O sont plus positives de 120 ka et jusqu’à 84 ka, avec deux pics négatifs entre 100 et 103 ka et entre 90-94 ka, couplés avec un taux de croissance modéré (0,09 cm/100a). Les valeurs isotopiques du carbone restent négatives et varient entre -10‰ et -12.5‰ vpdb, tout au long de la croissance de la stalagmite. A la base d’une bonne corrélation entre la pétrographie, les taux de croissance et les analyses isotopiques de la stalagmite de Kanaan, les conditions climatiques du dernier interglaciaire indiquent un climat chaud et humide avec une bonne couverture bio-pédologique au-dessus de la cavité ainsi qu’une bonne circulation de l’eau dans la zone vadose du karst. Le changement significatif du signal isotopique de l’oxygène à partir de 124 ka et jusqu’à 120 ka peut-être expliquée via différentes hypothèses indiquant : i) une diminution des quantités de précipitations, ii) et/ou un changement du signal isotopique de la Mer Méditerranée, principale source de l’évaporation, et/ou du changement des trajectoires des masses d’air.

La comparaison des courbes isotopiques de la stalagmite de Kanaan avec d’autres archives continentales et marines de la région proposent certaines similitudes et différences quant aux timing et amplitudes des variations climatiques. D’un côté, La stalagmite de Kanaan montre durant l’optimum climatique (Eemien), des conditions chaudes et humides comparables avec celles proposées par les archives polliniques du paleolac de Yammouneh (Nord-Liban) et les stalagmites de Soreq et Peqiin au Sud du Levant mais diffère significativement des conditions plus arides dans le bassin de la mer morte. D’un autre côté, la fin de l’optimum interglaciaire est précoce (130- 124 ka) au Levant Nord et diffère de l’optimum interglaciaire proposée par les courbes isotopiques des stalagmites du Sud du Levant (Frumkin, 1999 ; 2003 & Bar-Mathews et al., 2000 ; 2003) et du Nejev (Vaks et al., 2010).

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