L'enregistrement des changements du climat à l'échelle de la colonie corallienne

Les coraux ScléractiniairesScléractiniaires possèdent un squelette composé de carbonate de calciumcarbonate de calcium (CaCO₃) ayant cristallisé sous la forme d'un minéralminéral appelé l'aragonitearagonite. Au cours de l'édification du squelette, d'autres éléments ou composés chimiques peuvent s'incorporer dans les réseaux cristallins de l'aragonite ou simplement imprégner le squelette.

Ainsi, divers éléments chimiques, comme le strontium, le magnésium, le baryum, l'uranium, par exemple, peuvent, à l'état d'ionsions, se substituer au calcium dans les cristaux aragonitiques. Certains cristaux auront donc pour formule : SrCO₃, Mg CO₃, BaCO₃, UO₂CO₃. De même, la nature des atomesatomes d'oxygèneoxygène et de carbonecarbone participant à la formation du carbonate (CO₃) est susceptible de varier ; les atomes d'oxygène peuvent se présenter sous la forme d'isotopesisotopes possédant 16 ou 18 nucléonsnucléons (protonsprotons et neutronsneutrons) dans leurs noyaux (notés ¹⁶O et ¹⁸O), alors que les atomes de carbone peuvent correspondre aux isotopes à 12, 13 voire 14 nucléons (notés (¹²C, ¹³C et ¹⁴C). En outre, certaines matièresmatières organiques apportées dans la mer depuis les terres émergées, en particulier les matières humiques, peuvent imprégner l'aragonite corallienne.

L'ampleur des substitutions ioniques, les types d'isotopes incorporés et les imprégnationsimprégnations organiques sont contrôlés par les conditions de milieu. Les coraux récifaux ont des exigences écologiques très strictes ; ils vivent dans des eaux à des températures comprises entre 18 et 30°C, à salinitésalinité normale (35-36 g/l) et pauvres en éléments nutritifs (nitrates et phosphatesphosphates), à des profondeurs dépassant rarement 50 m. Aussi, ces organismes sont-ils sensibles à toute perturbation de leur environnement. Ils réagissent en modifiant la structure et la composition chimique de leur squelette. Analyser l'évolution des caractéristiques physico-chimiques des coraux permet ainsi de suivre, de « tracer » les changements environnementaux et climatiques subis par les écosystèmesécosystèmes coralliens, en particulier, l'évolution des températures, de la pluviométrie et de l'ensoleillement.

Parmi les Scléractiniaires constructeurs de récifs, les espècesespèces les plus communément utilisés dans les reconstitutions paléoclimatiques sont celles produisant des colonies massives (principalement les genres Porites dans la région indo-pacifique (Figure 3), et Montastrea dans la région caraïbe). Les coraux massifs présentent le triple avantage de pouvoir vivre pendant plusieurs siècles, de croître à des vitessesvitesses moyennes de l'ordre de 10 mm/an et, du fait de la présence de sclérobandes à périodicité annuelleannuelle, de définir un cadre chronologique précis. Cependant, certains Scléractiniaires profonds, malgré le fait qu'ils présentent un port branchu, font actuellement l'objet d'une attention particulière de la part des chercheurs; capables de vivre à des profondeurs comprises entre la surface et plus de 6 000 m, ils constituent d'excellents indicateurs des variations physico-chimiques affectant les eaux océaniques intermédiaires et profondes et des variations de la circulation océanique globale.

1 - La température.

Le géologuegéologue dispose de plusieurs outils pour mesurer la température des eaux à partir de coraux, notamment, la mesure du rapport entre les isotopes 18 et 16 de l'oxygène, la mesure des rapports strontium/calcium, magnésium/calcium, uranium/calcium et "borebore/calcium".

Le rapport ¹⁸O/¹⁶O a été identifié comme un thermomètrethermomètre dès les années 1950, dans les squelettes d'organismes planctoniques (foraminifèresforaminifères). Il a été appliqué aux coraux dans les années 1970. Ce rapport varie de façon inverse avec la température : à toute élévation de la température des eaux correspond une baisse du rapport, et inversement. En d'autres termes, à partir d'une eau marine de composition isotopique donnée, l'élévation de température tend à favoriser l'incorporation des isotopes 16 , alors que la chute de température favorise l'incorporation des isotopes 18 dans les squelettes coralliens. La Figure 4 montre l'étroite correspondance entre une courbe des températures des eaux se surface (SSTSST) établie à partir de relevés par thermomètre et une courbe des variations du rapport ¹⁸O/¹⁶O (exprimé selon la notation conventionnelle ∂ ¹⁸O ‰ ) mesuré dans un corailcorail Porites (récif de Tuléar , sud-ouest de Madagascar). Ainsi, par calibragecalibrage des variations du rapport ¹⁸O/¹⁶O sur un corail actuel en fonction des variations de la température mesurées instrumentalement, on obtient une équationéquation qui peut être transposée, dans un site donné, à des coraux fossilesfossiles.

De même, dans les années 1980, on a constaté que la substitution du calcium par le strontium au niveau des cristaux d'aragonite corallienne était contrôlée par la température des eaux ambiantes. Il existe une relation directe ente les variations de la température des eaux dans les quelles baignent les coraux et les variations de la teneur en strontium dans ces mêmes coraux. La Figure 5 illustre la relation linéaire qui existe entre les variations du rapport Sr/Ca et celles de la température des eaux ambiantes. Les chiffres 1 à 8 réfèrent à 8 colonies de Porites massifs prélevés dans des sites différents de l'Océan Pacifique. La baisse de la température favorise l'incorporation di strontium, alors que le réchauffement la limite. Noter que, malgré le caractère linéaire de la relation température-Sr/Ca, la pente et la position graphique de chaque droite diffère fortement ; ces différences sont imputables à la variabilité des conditions environnementales qui régissent la croissance corallienne dans chaque site. Il ne faut donc utiliser que des droites de calibrage obtenues à partir de Porites vivant dans le même site que celui dans lequel ont été prélevés les coraux fossiles servant de support aux reconstitutions paléoclimatiques.

Au début des années 1990, on a constaté que l'introduction du magnésium et de l'uranium dans les réseaux cristallins de l'aragonite corallienne était en grande partie contrôlée par la température des eaux. Ainsi, les concentrations en Mg augmentent dans les squelettes coralliens avec l'élévation de la température ambiante.

La Figure 6 illustre la relation existant entre la température des eaux et les valeurs du rapport Mg/Ca dans deux colonies de Porites issues de sites différents. En revanche, les concentrations en uranium décroissent avec l'élévation de température ; la Figure 7 présente deux exemples de relation linéaire entre température et rapport U/Ca chez des Porites. Là encore, l'applicationapplication des thermomètres « magnésium » et « uranium »

pour les reconstitutions paléoclimatiques requiert un calibrage sur la base de coraux actuels.

En 1998, les travaux expérimentaux sur les variations de la teneur en bore dans les aragonites coralliennes ont démontré que ces variations avaient une signification climatique. A pH constant, l'incorporation du bore dans les squelettes coralliens dépend de la température des eaux baignant les coraux. La Figure 8 présente la droite de corrélation entre les variations du rapport B/Ca et les températures dans un Porites.

2 - La pluviosité.

Les squelettes coralliens renferment plusieurs traceurs géochimiques assimilables à des pluviomètrespluviomètres. Par exemple, le rapport ¹⁸O/¹⁶O peut, sous certaines conditions, enregistrer les variations de la pluviosité locale. En effet, les eaux douces (dont les eaux de pluie) ont une composition isotopique en oxygène caractérisée par un fort déficit en oxygène 18. La vapeur d'eau formée à partir de l'évaporation des eaux océaniques est enrichie en ¹⁶O, car cet isotope, plus réactifréactif que la forme ¹⁸O, s'élève plus facilement dans les airsairs (de façon imagée, on dit que ¹⁶O est un isotope « léger » et ¹⁸O un isotope « lourd »). Suite à de fortes précipitationsprécipitations, en particulier en période cyclonique, les eaux marines dans les secteurs littoraux et peu profonds (lagons d'arrière-récif, par exemple) vont être partiellement diluées par l'apport des eaux météoriques ; le rapport ¹⁸O/¹⁶O dans les eaux baignant les récifs va chuter de manière marquée. Les coraux enregistreront, dans leurs squelettes, cette chute rapide. Dans les régions tropicales caractérisées par une très faible variabilité annuelle de la température des eaux marines, mais, en revanche, par une forte variabilité des précipitations, il est ainsi possible d'extraire la composante « pluviométrie » du signal ¹⁸O/¹⁶O.

La figure 9 présente, dans le cadre A, les variations d'amplitude du rapport ¹⁸O/¹⁶O (exprimées en notation ∂18O) mesurées dans un Porites (issu d'un récif frangeant de Papouasie Nouvelle Guinée), comparées à celles de la pluviosité régionale (moyennes annuelles) ; les variations des deux paramètres sont en phase, ce qui est mathématiquement exprimé par la droite de corrélation présentée dans le cadre B.

Les coraux qui poussent dans les eaux littorales peu profondes peuvent présenter des concentrations en baryum très élevées, souvent très supérieures à celles des colonies vivant en milieu plus ouvert. Le baryum proviendrait de l'altération de roches continentales riches en barytine. Il serait transporté par les rivières et les eaux de ruissellement vers la mer, notamment, pendant les périodes de fortes précipitations qui favorisent les crues fluviatiles. Le rapport Ba/Ca peut alors être considéré comme un traceur indirect de la pluviosité.

La Figure 10 montre la relation linéaire qui existe entre les variations du rapport Ba/Ca mesurée dans une colonie de Porites (prélevée sur le récif frangeant situé à proximité de la ville de Nouméa, Nouvelle-Calédonie) et les moyennes annuelles de la pluviométrie enregistrées à Nouméa.

En 1984, un chercheur australien a découvert que des sections de squelettes coralliens soumises à un lumièrelumière ultraviolette devenaient localement fluorescentes. La présence des bandes de fluorescence se sont révélées, après analyse, être imprégnées de composés organiques (acidesacides humiques). Ces acides sont spécifiquement produits par les végétaux en décomposition et s'accumulent dans les sols. La présence de ces dépôts dans les coraux a été attribuée à un apport de produits terrigènes vers la mer, par les eaux de rivière ou de ruissellement. En effet, en période de forte pluviosité, les sols sont intensément lessivés. Les produits résultants sont transportés sous forme particulaire ou dissoute jusqu'à la mer et incorporés dans la trame squelettique des coraux en cours de croissance. Aussi ces bandes de fluorescence ont-elles été considérées comme l'expression des variations du débitdébit fluviatile et/ou de la pluviosité pendant la duréedurée de vie de la colonie corallienne. Sur la Figure 11, les bandes les plus claires (à ne pas confondre avec les sclérobandes) correspondent aux parties de la colonie corallienne fortement fluorescentes, c'est-à-dire à celles ayant enregistré les plus forts apports d'eau de pluie (noter la bonne correspondance entre les pics de la pluviosité et les bandes fluorescente, pour les années 1980 à 1985)

3 - L'ensoleillement.

Les coraux constructeurs des récifs tropicaux possèdent dans les tissus constituant leurs polypes, des micro-organismesmicro-organismes symbiotiques (alguesalgues microscopiques du groupe de zooxanthelleszooxanthelles). La lumière, qui stimule l'activité photosynthétique des zooxanthelles, jouerait un rôle déterminant dans la composition isotopique en carbone de l'aragonite corallienne. Le rapport ¹³C/¹²C dans les squelettes tend à croître avec l'augmentation de la photosynthèsephotosynthèse des algues, et inversement, diminue avec son ralentissement. Les variations du rapport ¹³C/¹²C apparaissent positivement corrélées à celle de l'éclairement ; ce rapport augmente avec l'ensoleillement (Figure 12). Bien que la relation entre le rapport ¹³C/¹²C et l'éclairement puisse varier selon l'échelle de temps considérée, il reste possible d'estimer les taux d'ensoleillement dans le passé récent (dernières centaines d'années).