Le GRI ZPA à l’UPMC : une étude intégrée

Le projet de Groupement Recherche et Industrie Zones Péri-Arctiques (GRI ZPA, PI L. Labrousse 2011-2015) est né de la convergence des intérêts académiques et pétroliers pour la région arctique.
La connaissance limitée de la géodynamique des grands bassins arctiques est aujourd’hui un frein à l’évaluation des ressources arctiques. Les discussions entre les chercheurs de l’UPMC et les collègues du département « Bassins Thématiques Frontières » de TOTAL ont permis de préciser les recouvrements entre des problématiques fondamentales et des questionnements industriels.
Parmi les questions de premier ordre, deux font l’objet de ce projet :

1- La signification paléoclimatique des accumulations de matière organique (M. O.) dans le domaine arctique. Le point de départ de cette recherche est la mer de Laptev, système de rifts cénozoïques dans le prolongement du bassin océanique eurasien et développé sur l’avant-pays de la chaîne de collision des Verkhoyansk.
L’objectif est la caractérisation des accumulations de M.O. paléogènes dans le domaine péri-Laptev, leur corrélation possible aux indices d’huiles connus régionalement, mais aussi et surtout leur interprétation en terme de paléo-climat avec comme point de référence les données du forage IODP 302A ACEX sur la ride Lomonosov.
La comparaison de ces données à l’enregistrement continental des îles canadiennes doit permettre à terme de contraindre les modèles d’évolution du climat arctique au cours du Cénozoïque à l’échelle régionale. Les modalités de transport et de préservation de cette M.O. sont aussi à décrire et à mettre en relation avec les spécificités de la sédimentation arctique.
Cette étude est menée en collaboration avec des instituts russes (VSEGEI, MGU) et allemands (BGR). La participation à l’expédition internationale dans les îles de Nouvelle Sibérie (CASE13 BGR/VSEGEI 2011) s’inscrit dans ce projet.

2- Le lien entre les ouvertures des grands bassins et le système de subduction Pacifique. Le bassin amérasien est sans doute le dernier bassin dont le substratum reste indéterminé (croûte continentale amincie, croûte océanique ou manteau exhumé) et dont on ne connaît pas a fortiori le mode d’ouverture. Quoi qu’il en soit, le seul processus géodynamique local d’échelle lithosphérique capable d’expliquer cette ouverture est le système de subduction Pacifique. Mettre en évidence les couplages entre géodynamique péri-Pacifique et dynamique du bassin canadien doit permettre de contraindre son histoire.
Dans le cadre du GRI ZPA deux thèses s’attachent à mettre en évidence l’évolution de ces couplages à travers l’étude de la chaîne des Brooks Ranges. Deux profils de datation U-Th/He à travers les Brooks alaskans et les Brittish Mountains au NYukon permettent de préciser les phases d’exhumation et d’incision majeure subie par la chaîne polyphasée des Brooks et leurs liens possibles avec l’histoire de la subduction Pacifique d’une part et l’évolution du climat arctique d’autre part.
Le couplage entre subduction au S et collision au N est aussi enregistré par les roches métamorphiques des zones internes (Schist Belt). Contraindre leur histoire PTt-déformation et déterminer si leur exhumation fut ou non associée à une extension aux limites est l’enjeu de la seconde thèse du projet.
Cette recherche se fait dans le cadre de collaborations avec les collègues américains (USGS), canadiens (YGS) et européens (BGR). La co-organisation de l’expédition internationale CASE 15 2013 (YGS-BGR-UPMC) au Nord Yukon s’inscrit dans ce projet.

Pour répondre à ces questions de premier ordre le GRI ZPA a été conçu comme un projet pluri-disciplinaire intégrant paléoclimatologues, géomorphologues, sédimentologues, géochimistes et tectoniciens. Le poids de la logistique de terrain en domaine Arctique est un motif supplémentaire d’intégration, cette fois dans des opérations internationales, qui rassemblent alors des disciplines encore plus éloignées.

Le projet Malina (2008-2012, ANR-LEFE-NSERC-NSF-CNES-ESA-NASA, Site Malina) s'est intéressé à la production et au devenir de la matière organique dans l'Océan Arctique dans le contexte actuel de changement climatique. Deux sources de MO dissoute et particulaire ont été quantifiées et caractérisées: 1) la production locale par le phytoplancton, et 2) les apports de MO terrigènes par les grands fleuves. Leur transport vertical et horizontal, et leur transformation dans la colonne d'eau et dans les sédiments superficiels ont été décrits sur le plateau du Mackenzie. Les activités expérimentales auront permis de développer un modèle couplé physique-biogéochimie pan-Arctique, ainsi que des algorithmes rendant possible le suivi de la production et le transport de MO par télédétection (voir par exemple: Scientific Reports). Par ailleurs, les fluctuations des flux de MO au cours des 2 derniers millénaires ont été examinées grâce à l'analyse de carottes de sédiments. Un numéro spécial de la revue Biogeosciences, en cours de préparation, présente plusieurs des résultats du projet Malina (Numéro spécial Malina).

Une partie du consortium Malina, ainsi que de nouveaux partenaires canadiens et américains, développent actuellement un nouveau projet de recherche (Green Edge) qui se focalisera sur le devenir du bloom printanier de phytoplancton (source principale de MO produite localement) dans l'Océan Arctique. Est-ce que ce bloom sera plus, ou moins productifs? S'étendra-t-il plus au nord à mesure que la banquise d'été rétrécira? Sera-t-il plus intensif sous la banquise qu'avant (voir: Papier Science)? Quelles seront les conséquences sur l'export de carbone organique vers les sédiments marins, et sur l'écosystème? En plus d'étude de processus très détaillées, d'observations satellitales et développements de modèles, nous examinerons les fluctuations spatiotemporelles de ce bloom dans le passé (échelles de temps à préciser) grâce à l'analyse de carottes de sédiments récoltées sur différents sites (Baie de Baffin, nord de l'Ile d'Ellesmere, plateau de Sibérie orientale) et, surtout, à différentes latitudes (transects nord-sud) (Guillaume Massé coordonne ce volet).

Y'a-t-il matière à tirer parti de ces études de processus pour les activités sur la MO que tu décris? Y'a-t-il matière à coopérer au niveau de la récolte d'échantillons (carottage, ...)?

La connaissance de la production et du devenir de la matière organique dans l'Océan Arctique actuel est évidemment un élément de comparaison essentiel avec l'histoire paléoenvironnementale et paléocéanographique que nous essayons de reconstituer à partir des archives sédimentaires (et en particulier de la fraction organique) pour des périodes aussi anciennes que le Paléogène (65 à 55 millions d'années). Notre intérêt premier est de mieux comprendre les modalités de l'enregistrement dans le domaine arctique d'événements hyperthermiques qui ont émaillé cette période (événements qui ont alterné avec des interludes plus frais) et leur conséquence sur le cycle du C.

Les échantillons que nous étudions proviennent d'affleurements et de carottes dans des puits de forage de type pétrolier ou IODP 302A ACEX ... c'est à dire bien différents des sédiments qui peuvent être accessibles par des carottages 'gravité'. Ainsi, je vois mal comment comment coopérer au niveau de la collecte d'échantillons. En revanche, comparer le modèle d'apport et de transport de la MO à l'échelle du bassin Arctique tel que les données actuelles permettent de le contraindre, aux données plus ponctuelles que nous avons pour ces événements anciens serait sans doute riche d'enseignement.

En complément de la question 1 du GRI ZPA, il serait souhaitable de poursuivre et d’étendre les études entreprises ces dernières années en domaine péri-Laptev (e.g., Suan et al., 2011 ) en collaboration avec l’Académie des sciences de Russie sur la signification paléoclimatiques des dépôts riche en C organique du Jurassique inférieur. Les dépôts riches en C organique contemporains de l’évènement océanique anoxique du Toarcien sont notamment connus sur l’ensemble du domaine
arctique (Alaska, Est et Ouest Sibérien) ; ils représentent l’une des deux roches-mères du bassin Ouest Sibérien et à ce titre constituent une cible de choix pour caractériser l’une des principales ressources d’hydrocarbures arctiques.

Au delà de cet intérêt industriel, ces sédiments enregistrent des perturbations extrêmes et rapides du climat global et du cycle du carbone, et fournissent un atelier unique pour mieux comprendre les liens entre cycle du carbone, sédimentation et écosystèmes en domaine polaire en contexte de réchauffement climatique. En effet, les quelques données disponibles suggèrent que l’apparition de ces séries riches en C organique au Toarcien inférieur coïncide avec le passage d’un climat froid à subtropical, accompagné par un renouvèlement intense des faunes et flores marines sur l’ensemble du domaine arctique.

De fortes similitudes existent entre ces séries jurassiques et celles ciblées dans l’axe 1 du GRI ZPA : les données du forage ACEX
révèlent que les séries riches en C organique de l’Eocène inférieur (PETM, ETM2) ont elles aussi été déposées en contexte de réchauffement rapide et extrême des hautes latitudes, qui a vu l’installation provisoire de palmiers sur les masses continentales avoisinantes (e.g., Sluijs et al., 2009). Ces similitudes laissent envisager des forçages similaires (injection massive de CO2 et de CH4, augmentation du ruissèlement continental, etc.). La réponse du climat et des écosystèmes à ces perturbations demeure difficile à modéliser et doit être mieux caractérisée dans le domaine arctique, encore très largement sous étudié par rapport aux autres régions du globe