B/Ca ratio of foraminifers : a proxy for the carbon cycle in the ocean
Le rapport B/Ca des foraminifères : un proxy pour le cycle du carbone dans l’océan
Résumé
It has been shown recently that the B/Ca ratio of planktonic foraminifers depends on the seasurface water pH, while benthic foraminifer B/Ca depends on the carbonate ion saturation of deep water. This new tracer could allow to better constrain the variations of oceanic carbon cycle, especially during the glacial-interglacial transitions (G/IG) of the Pleistocene. The objectives of this thesis were therefore : (1) to develop the foraminiferal B/Ca analysis by mass spectrometry (ICP-QMS) at LSCE, (2) to identify some potential biases of this tracer to assess its limits and (3) to apply the B/Ca proxy to paleoceanographic reconstructions. Contaminations and the ease with which the boron may be adsorbed (memory effect) make it difficult to analyze it in foraminifer’s shells, which have low B/Ca, typically in the range ~40-120 µmol/mol for planktonic foraminifers and ~100-250 µmol/mol for benthic foraminifers. Foraminifers cleaning techniques and analysis by ICP-QMS that I used and improved now allow the foraminiferal B/Ca measure with an accuracy of about 3.5%. Based upon the study of surface sediments collected along a depth transect in the Atlantic (Sierra Leone Rise), I was able to show that dissolution of the planktonic species Globigerinoides sacculifer results in the preferential loss of boron. The increasing G. sacculifer dissolution with depth of deposition results, therefore, in a ~0.1 units decrease of the seasurface pH estimated from B/Ca, an order of magnitude similar to the expected G/IG variations. To overcome this dissolution effect, I propose a correction procedure based on the B/Ca of benthic foraminifera (bottom water ΔCO₃²⁻). However, the dissolution effect is not the only problem. When trying to reconstruct surface water paleo-pH, we also have to deal with the severe contradictions between recent studies which dealt with the calibration of the apparent boron partition coefficien (KD) in the calcite of planktonic foraminifers. To overcome the co-variance of temperature, salinity and CO₃²⁻ in Atlantic surface waters, which can mask the real important(s) factor(s) for KD calibration, I analyzed the B/Ca of Globigerinoides ruber picked from both Atlantic and Indo-Pacific core-tops. My data suggest that there is no robust relationship between KD and temperature or CO₃²⁻ water surface. To emphasize the uncertainties on the reconstruction of paleo-pH since the last glacial stage, I conducted a sensitivity test based on G. ruber B/Ca data from a Mozambic Channel core. I propose several ways to try to improve our understanding of the B/Ca proxy in planktonic foraminifers. If the use of planktonic foraminifer B/Ca is complex and still requires some dedicated work to understand the problems and improve the calibrations, the use of benthic foraminifer B/Ca is more simple, the B/Ca being directly related to the carbonate ion saturation of bottom waters. Analyses of Cibicidoides wuellestorfi B/Ca through two G/IG transitions (MIS16/15 and MIS12/11) on ODP Site 849 (equatorial Pacific) allowed me to show that changes in deep water chemistry estimated from the sedimentological dissolution proxies (e.g. %CaCO3, foraminifer shell weight and fragmentation, …) display incorrect amplitudes and temporal biases. Based on the comparison of benthic foraminifer B/Ca and δ¹³C, I was able (i) to highlight the link between oceanic CO2 degassing and deep-sea carbonate preservation in the Pacific and (ii) better unravel the dynamics of pelagic carbonate compensation.
Il a été récemment montré que le rapport B/Ca des foraminifères planctoniques dépend du pH des eaux de surface, tandis que celui des foraminifères benthiques dépend de la saturation en ions carbonates des eaux de fond. Ce nouveau traceur pourrait permettre de mieux contraindre les variations du cycle océanique du carbone, en particulier lors des changements glaciaire-interglaciaires (G/IG) du Pléistocène. Les objectifs de cette thèse étaient donc (1) de développer l’analyse du B/Ca des foraminifères par spectrométrie de masse (ICP-QMS) au LSCE ; (2) d’identifier certains biais potentiels de ce traceur pour en apprécier les limites; et (3) d’appliquer le B/Ca à des reconstructions paléocéanographiques. Les contaminations et la facilité avec laquelle le bore s’adsorbe (effet mémoire) rendent difficile son analyse dans les coquilles de foraminifères où le rapport B/Ca est faible, typiquement compris autour de ~ 40-120 µmol/mol pour les foraminifères planctoniques et ~ 100-250 µmol/mol pour les foraminifères benthiques. Les techniques de nettoyage des foraminifères et d’analyse par ICP-QMS que j’ai employées et améliorées permettent au final de mesurer le B/Ca des foraminifères avec une précision de l’ordre de 3.5%.A partir de l’étude de sédiments de surface prélevés le long d’un profil bathymétrique dans l’Atlantique (Sierra Leone Rise), j’ai pu montrer que la dissolution des tests de l’espèce planctonique Globigerinoides sacculifer se traduit par une perte préférentielle du bore. La dissolution croissante des coquilles de G. sacculifer le long du profil se traduit ainsi par une diminution de ~ 0.1 unités dans les estimations du pH des eaux de surface à partir du B/Ca, un ordre de grandeur similaire aux variations G/IG. Pour s ‘affranchir de cet effet de la dissolution, je propose une procédure de correction basée sur le B/Ca des foraminifères benthiques (ΔCO₃²⁻ des eaux de fond). Cependant, au-delà de l’effet de la dissolution, la reconstruction du paléo-pH des eaux de surface se heurte surtout aux contradictions des études récentes concernant la calibration du coefficient apparent de partition (KD) du bore dans la calcite des foraminifères planctoniques. Pour s’affranchir de la co-variance de la température, de la salinité et du CO₃²⁻ dans les eaux de surface Atlantique, qui peut masquer le(s) facteur(s) important(s) pour la calibration du KD, j’ai réalisé l’analyse du B/Ca de l’espèce Globigerinoides ruber sur des sommets de carottes de l’Atlantique et de l’Indo-Pacifique. Mes données suggèrent qu’il n’y a pas de relation robuste entre le KD et la température ou le CO₃²⁻ des eaux de surface. Pour souligner les incertitudes sur les reconstructions de paléo-pH depuis le dernier stade glaciaire, j’ai effectué une étude de sensibilité basée sur les données B/Ca de l’espèce G. ruber prélevée dans une carotte du Canal du Mozambique et je propose plusieurs pistes pour tenter d’améliorer, à terme, la compréhension du proxy B/Ca dans les foraminifères planctoniques.Si l’utilisation du B/Ca des foraminifères planctoniques est complexe et demande encore un gros travail de compréhension et de calibration, celle du B/Ca des foraminifères benthiques est plus simple, le B/Ca étant directement lié à la saturation en ions carbonates des eaux de fond. L’analyse du B/Ca de Cibicidoides wuellestorfi à travers deux transitions G/IG (MIS16/15 et MIS12/11) au site ODP 849 (Pacifique équatorial) m’a permis de montrer que les changements de la chimie des eaux de fond estimés à partir de traceurs sédimentaires de la dissolution (e.g. teneur en CaCO3, poids et fragmentation des foraminifères,..) ont des amplitudes erronées et présentent des biais temporels. Les profils de B/Ca et du d13C des foraminifères benthiques permettent de mettre en évidence i) le lien entre dégazage océanique de CO2 et préservation des carbonates et ii) la dynamique de la compensation des carbonates sédimentaires marins.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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