Teneurs en deuterium le long d'un profil de 106 m dans le neve antarctique. Application a l'etude des variations climatiques

EARTH AND PLANETARY SCIENCE LETTERS 4 (1968) 237-244. NORTH-HOLLAND PUBLISHING COMP., AMSTERDAM

TENEURS EN DEUTERIUM LE LONG D'UN PROFIL DE 106 m DANS LE NEVE ANTARCTIQUE. APPLICATION A L'ETUDE DES VARIATIONS CLIMATIQUES C. L O R 1 U S C.E.G.R.A.A., Face au 22 quai Carnot, Saint-Cloud (92), France et R. H A G E M A N N , G. N I E F et E. R O T H Services des Isotopes Stables, CEN. Saclay, B.P. No. 2 - Gif S/Yvette (91), France

Re~u le 2 Avril 1968

The structurographic properties and deuterium content of ice have been measured continuously to a depth of 106 m on core samples from the coastal region of Adelie Land (accumulation zone). The results indicate a slight decrease of the deuterium content of the locally accumulated layers between the surface and a depth of 52 m. This isotopic effect seems to show that the possible drift of the temperature which would have occurred during the last two centuries is not greater than + 0.3 4- 0.3oc. Deeper the observed variations are probably associated with ice flow phenomena but they can also be related to the cooling period which preceded 'little ice age'. In those cores included between 98 and 106 m, the great decrease of the deuterium content and the pronounced structurographic properties associated with it are due to the presence of ice coming from more central areas of Antarctica; this confirms the results already obtained from the study of the two core drillings taken from the ablation zone. The possibility of errors of interpretation that may be introduced by the discontinuity of the analyses of the cores are discussed.

Les propri6t~s structurographiques de la glace et les teneurs en deuterium ont 6t6 mesur6es de fa~on continue dans un carottage de 106 m de profondeur, r~alis6 dans la r6gion cbti~re de Terre Ad61ie (zone d'accumulation). Les r~sultats mettent en 6vidence, entre la surface et 52 m de profondeur, une faible d6croissance de la teneur en deut6dum des couches accumul6es localement. Cet effet isotopique semble indiquer que l'6ventuelle d6rive de temp6rature qui se serait produite depuis un peu moins de deux si6cles n'a pas d6pass6 + 0.3 + 0.3oc. Plus en profondeur, ies variations observ6es sont vraisemblablement li6es aux ph6nom~nes d'6coulement de la glace, mais pourrait aussi &re influenc6es par la p6riode de refroidissement qui a pr6c6d6 le 'petit age de la glace'. Dans la pattie du forage comprise entre 98 m et 106 m, la tr~s forte d6croissance de la teneur en deut6rium et les propri6t6s strueturographiques marqu6es qui lui sont associ6es, sont dues A la pr6sence d'une glace qui provient des r~gions plus centrales de l'Antarctique, ce qui eonfirme les r~sultats obtenus lors de l'6tude de deux carottages r6alis~s darts la zone d'ablation. Les erreurs d'interpr6tation qui auraient pu ~tre introduites par des analyses discontinues des carottes sont discut6es.

1. I N T R O D U C T I O N La t e n e u r e n i s o t o p e s stables des p r 6 c i p i t a t i o n s d6p e n d de n o m b r e u x p a r a m 6 t r e s ; p o u r t a n t , les v a r i a t i o n s

n a t u r e U e s observ6es, e n p a r t i c u l i e r d a n s les r6gions polakes, c o n d u i s e n t h d e u x c o n c l u s i o n s principales: d ' u n e p a r t , e n u n e s t a t i o n d o n n 6 e , il existe u n e variat i o n saisonni6re de la c o m p o s i t i o n i s o t o p i q u e [ 1-3] et

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C. LORIUS et al.

d'autre part, p o u r des stations diff6rentes, les compositions isotopiques moyennes observ6es sont li6es h la temp6rature moyenne anuelle au sol [3-6]. L'existence de ces relations a permis d'utiliser les isotopes stables pour la d6termination de l'accumulation de la neige [7-9] et la mise en 6vidence d'6coulements de glace de l'int6rieur dtr continent vers la c6te [4, 6, 10, 11]. Enfin, quelques r6sultats concernant les relations entre temp6ratu~e moyenne de formation et titres isotopiques des pr6cipitations en une station donn6e ont 6t6 publi6s [12-14]. Faisant suite aux travaux glaciologiques effectu6s depuis plusieurs ann6es en Terre Ad61ie, une campagne de forages a 6t6 r6alis6e au cours de la mission 19641966 organis6e par les Exp6ditions Polaires Fran~aises. En particulier, deux carottages d'une centaine de mStres de profondeur ont 6t6 faits dans la glace c6ti6re,

pour lesquels les conclusions d'6tudes physico-chimiques syst~matiques ont 6t6 publi6es par ailleurs [ 11, 15]. Le pr6sent travail a pour objet l'~tude des cristaux et la mesure continue de la teneur en deut6rium dans un troisi~me carottage effectu6 dans le n6v~ de la station A3, sur 106 m de profondeur. Cette station est situ6e h 2.8 km de la c6te (66o40'S et 139OE) une altitude de 220 m; la temperature moyenne annuelle est de l'ordre de -15oc. La longueur totale des carottes repr6sente 96% de la profondeur atteinte lors du forage; les 6chantillons analys~s ont ~t6 pr61ev6s de faqon continue, chacun d'eux repr6sentant une profondeur qui est en g6n6ral de l'ordre de 0.90 m. Les teneurs en deut6rium ont ~t~ d6termin6es par spectrom6trie de masse suivant la technique en usage au Service des Isotopes Stables de Saclay [16], les r6sultats 6tant exprim~s en valeurs absolues (parties par million,

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Fig. 1. Station A3. Teneur en deut6rium en fonction de la profondeur.

I

TENEURS EN DEUTERIUM DANS LE NEVE ANTARCTIQUE

ppm) et en 8 %0 par rapport au S.M.O.W.; la pr6cision des mesures est de 0.1 ppm. La valeur adopt6e pour le S.M.O.W. est 161.7 ppm. Cette teneur est certainement trop 61ev6e, comme le montrent les 6tudes en cours dans le cadre d'un contrat avec l'Agence Atomique Internationale. Sa valeur d6finitive pourra s'6tablir aux environs de 157 ppm. Notons que ce d6calage ne change enrien l'interpr~tation des r~sultats.

239

repr6sent6es en fonction de la profondeur sur la figure la; les figures lb et lc sont obtenues fi partir des valeurs moyennes calcul6es pour des intervalles de 2.5 et 5 m e n tenant compte des longueurs de chaque 6chantillon. L'observation de ees courbes conduit aux remarques suivantes: a) Sur la figure la on observe des fluctuations de l'ordre de 4- 2 ppm dues aux variations saisonni6res. En effet, on constate des fluctuations du m~me ordre de grandeur lorsqu'on moyenne sur le m~me intervalle de profondeur les valeurs obtenues dans le cas d'un ~chantillonnage fin destin~ ~ l'6tude des variations saisonni6res (r6sultats non publi6s), b) En dessous de 98 m e t jusqu'~ la profondeur de 106 m, la teneur isotopique d6cro~t de 139 ~ 131 ppm. Une 6tude fine ef-

2. DESCRTPTION ET INTERPRETATION DU PROFIL ISOTOPIQUE Les concentrations isotopiques mesur6es sont

Crisfoux. Surface ('ram 2)

Nb. I~lles/cm z o

20

t_ O i x I/I "tO

4C

60

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o

4

I 100

Fig. 2. Station A3. Stru ~'ure de la glace.

240

C. LORIUS et al.

fectu6e sur cette section du carottage montre que cette d6croissance est continue et qu'il n'existe pratiquement plus de variations saisonni6res. L'6tude structurographique (fig. 2) met en 6vidence un accroissement tr~s net de la section moyenne des cristaux, qui passe de 30 &90 mm2; de plus, on note une augmentation brusque du nombre des inclusions gazeuses et une orientation pr~f~rentielle marquee des cristaux. Ces diff6rentes observations sont coh6rentes [15] si l'on admet une origine non locale pour cette glace, ce qui implique une concentration isotopique plus faible et des propri6t6s structurographiques marqu6es par suite des tensions exerc6es lors du d6placement [17-19]. Si l'on se rapporte h l'interpr6tation des mesures effectu6es pour les deux carottages de glace c6ti6re G1 et G2 [11, 15], on constate dans les trois forages une variation brusque de concentration isotopique de l'ordre de 1 ppm pour 1 m6tre. On retrouve ainsi en profondeur la m~me discontinuit6 due l'6coulement de glace provenant de l'int6rieur du continent (fig. 3). c) Entre 98 et 65 m de profondeur, on note une d6croissance des teneurs isotopiques (les valeurs moyennes observ6es figure lb passent d'environ 139 136.5) suivie d'un accroissement net entre 65 et 60

m. En dessous de 52 m, l'apparition d'une orientation pr6f6rentielle marqu6e des cristaux et la pr6sence de bulles allong6es sugg~rent que les couches de glace ont subi certaines tensions: les variations isotopiques observ6es entre 98 et 60 m pourralent ~tre influenc6es par la pr6sence d'une touche form6e en amont, c'esta-dire plus pauvre en deut6rium. d) Entre 60 m de profondeur et la surface, il n'existe pas de variation syst6matique importante de la concentration isotopique; la valeur moyenne est 6gale 138.2 ppm. Cette teneur est tout h fait caract6ristique des pr6cipitations locales, ce qui confirme l'6tude structurographique des 6chantillons, tout au moins au-dessus de 52 m.

3. CONSIDERATIONS SUR L'ETUDE DES VARIATIONS CLIMATIQUES I1 semble donc que seuls les 52 premiers m~tres repr6sentent l'accumulation locale de la neige au cours du temps. Une 6tude syst6matique des variations saisonni~res en f'onction de la profondeur n'a pas 6t6 entreprise pour l'instant; il semble, en effet, d'apr6s les r6sultats obtenus par ailleurs ([3] et mesures en cours),

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GLACE LOCALE

62

100 G1

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R O C H E

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Fig. 3. Terre Ad61ie. Coupe de la glace cSti6re.

TENEURS EN DEUTERIUM DANS LE NEVE ANTARCTIQUE que la r6partition de raccumulation (fortement influenc6e par le r6gime des vents) est trop irr6guli6re en fonction du temps pour permettre une stratigraphie isotopique satisfaisante. Pour 6tablir une chronologie des d6p6ts en fonction de la profondeur, on dispose de relev6s d'accumulation sur rep~res depuis pros de 10 ans et de mesures de radioactivit6 qui ont permis de caract6riser le niveau constitu6 d6but 1955 par les premi6res retomb6es radioactives artificielles importantes [20]. On obtient ainsi une valeur moyenne annuelle d'environ 21 cm d'eau; les r6sultats obtenus par la m6thode du plomb 210 [21] dans cette r6gion montrent que l'accumulation n'a pas vari6 de faqon syst6matique depuis 70 ans. Par ailleurs, d'autres mesures ont conduit ~ la m~me conclusion en ce qui concerne d'autres secteurs de l'Antarctique [22], la p6riode 6tudi6e couvrant jusqu'h 200 ans [23]. Compte tenu des corrections de densit6, on peut ainsi raisonnablement estimer que les premiers 52 m de n6v6 repr6sentent un peu moins de deux si6cles d'accumulation (environ 180 ans). La chronologic ainsi 6tablie est indiqu6e sur la figure 1. Le fait de disposer d'un 6chantillonnage continu des pr6cipitations sur environ 2 si6cles, conduit utiliser les teneurs isotopiques comme t6moin du climat. Jusqu'~ pr6sent, outre celle de Dansgaard et al. [14] qui signale au Gro6nland une d6croissance de la temp6rature moyenne de l'ordre de 1 ~ 3oc de 1940 1956 pr6c6d6e d'un r6chauffement sur une cinquantaine d'ann6es, les seules 6tudes de variations climatiques ~ partir des teneurs isotopiques ont 6t6 publi6es par Epstein [12] et Gonfiantini [13]. Epstein compare ~ la station Byrd la teneur moyenne en 180 des couches de surface ~ celle d'une couche situ6e ~ 288 m de profondeur, caract6ris6e par une cinquantaine d'6chantillons repr6sentant environ une ann6e d'accumulation; il conclut h un r6chauffement de 2 h 4 o c depuis la p6riode consid6r6e (1700 ans A 309 m de profondeur, d'apr~s Gow [24]). Les conclusions de Gonfiantini sont bas6es sur l'analyse d6taill6e de trois sections d'un forage, repr6sentant environ 8, 17 et 10 ann6es. En particulier, la couche de surface a une teneur isotopique moyenne 5 180 = -20.5%0, alors que la couche accumul6e il y a environ un si~cle a une teneur moyenne 8 18 0 = _ 22.4%0. L'auteur associe cette diff6rence h u n accroissement de la temp6rature moyenne annuelle et (ou) h u n d6placement des p6riodes d'accumulation vers les saisons chaudes au

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cours du dernier si6cle. Par ailleurs, ~ partir de mesures de temp6rature effectu6es au sol et dans la neige, Wexler [25] conclut h u n r6chauffement compris entre 0.8 et 2.1oc dans la r6gion de Little America pour la pdriode allant de 1912 h 1957. Ce rfchauffement semble affecter l'Antarctique de faqon g6n6rale [26]; ainsi, au voisinage de la base de Mirny, il serait de 3.6oc pour une p6riode de 47 ans (1912 1959). En ce qui concerne A3, il est tr~s net que les irr6gularit6s des accumulations saisonni6res influencent encore notablement les teneurs moyennes correspondant h des p6riodes d'accumulation importantes. Sur la figure lc, ces fluctuations sont de l'ordre ± 0.5 ppm alors que les pdriodes d'accumulation correspondantes varient de 12 ~ 24 ans selon la profondeur. La comparaison de pr61~vements faits au hasard et repr~sentant une dizaine d'ann6es peut donc faire appara~tre des variations extr6mes de 1 ou m6me 2 ppm. En consid6rant la figure 1, il est difficile, du fait des fluctuations, de mettre en 6vidence d'une mani6re sore, une tendance continue vers un enrichissement ou un appauvrissement en fonction du temps. Comme les fluctuations sont al6atoires, il parait raisonnable de chercher par le calcul quelle est la droite moyenne (droite des moindres carr6s) rendant compte des r6sultats. Nous avons utilis6 l'ensemble des mesures faites entre la surface et 52 m de profondeur en tenant compte de la longueur de chaque 6chantillon et de l'augmentation continue de la densit6 de 0.44 h 0.85. La droite obtenue a une pente 6gale ~ -0.0059 ppm/m6tre (valeur en eau), ce qui correspond h un 6cart de + 0.2 ppm entre la surface et la profondeur de 52 m. Compte tenu des fluctuations des teneurs moyennes, il semble raisonnable d'admettre une variation possible 6gale 0.2 4- 0.2 ppm. La graphique trac6 ~ partir des moyennes effectu6es pour des intervalles de I0 et 20 m de profondeur confirme d'ailleurs cet ordre de grandeur. Le fair d'utiliser les isotopes stables comme indicateurs climatiques repose sur rexistence d'une relation entre teneurs isotopiques des pr6cipitations et temp6ratures de pr6cipitation ou temp6ratures moyennes annuelles au sol. I1 nous a sembl6 int6ressant de calculer, dans le cas particulier de la base Dumont d'Urville, l'ordre de grandeur des variations de teneurs isotopiques dans les pr6cipitations qui pourraient 6tre dues une 6volution climatique, en appliquant les modules

C. LORIUS et al.

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Tableau 1 Teneurs en deuterium en ppm des precipitations calculies pour diffirents processus de refroidissement. Evaporation de l'ocian ~ + 5oc Refroidissement isobare (1000 nab) de 5oc ~t0oc

Processus de refroidissement

Tempirature de pricipitation

Tempirature de precipitation

- 15oc

- 20oc

Evaporation de l'ocian h 0oc Tempirature de pricipitation - 20oc

Pseudo adiabatique humide Equilibre liquide-vapeur

144.5

139.2

143.4

Pseudo adiabatique humide Equilibre solide-vapeur

141.8

134.1

138.2

Isobare (1000 mb) Equilibre liquide-vapeur

140

133.3

137.2

Isobare (1000 mb) Equilibre solide-vapeur

136.1

127.2

131

proposis par Dansgaard [4, 5] qui rendent compte convenablement des phinom~nes naturels. Le tableau 1 riunit les teneurs en deutirium des pricipitations calcul~es pour diff~rents processus de refroidissement. La deuxi~me colonne correspond sensiblement aux conditions actuelles: ivaporation des eaux ocianiques/l + 5oc, pricipitations ~ -15oc. La troisi~me colonne correspond ~ un refroidissement local de 5oc et la quatri~me colonne ~ un refroidissement de 5 o c fi l'~vaporation et fi la precipitation, c'est-~-dire g~niralisi. Rappelons que les calculs prlcidents supposent vlrifiies les hypotheses suivantes: la condensation (ou la sublimation) s'effectue dans les conditions de Rayleigh, le volume d'air consid~ri ne subit pas d'ichanges de masse avec d'autres masses d'air. L'exploitation de ces calculs implique, en outre, les points suivants: l) l'ivaporation pendant la chute est nigligeable, 2) il n'y a pas au sol de variations de concentration dues fi la fusion, ou fi l'ivaporation, ou a un diplacement. 3) l'histoire des masses d'air donnant lieu fi des pricipitations ne change pas. La comparaison des colonnes 2, 3 et 4 du tableau prlcident montre que la variation AC du titre des pricipitations, entrain~e par une variation de loC de la templrature de pricipitation entre - 1 5 o c et ~20oc, est telle que 1 ppm/oC < AC < 1.8 ppm/oC dans le cas d'un refroidissement local, et entre 0.2 ppm/OC <

A C < 1 ppm/oC dans le cas d'une variation identique des tempiratures d'ivaporation et de pricipitation. En fait, dans la zone c6tiire de Terre Adilie, il semble raisonnable de.considirer seulement le processus faisant intervenir l'iquilibre solide-vapeur; la variation de teneur par oC est alors: 0.7 ppm/oC < AC < 1.8 ppm/OC Ce calcul montre que l'effet d'une variation climatique sur les teneurs isotopiques des pricipitations est sensiblement amorti si cette variation s'itend ~ la fois ~t la zone d'ivaporation et/l la zone de pricipitation. La validit6 des modules utilis~s est justifi~e par raccord satisfaisant qui existe entre les relations expirimentales trouvies dans la nature sous des climats tr~s diffirents [5] (y compris l'Antarctique [11 ]) et les relations obtenues par le calcul [5]. Darts les conditions de Terre Adilie, les points 1 et 2 ~numiris pricidemment, sont probablement virifiis. Pourtant, l'effet isotopique observi pourrait itre influenci par la presence, en profondeur, de glace plus pauvre en deuterium, formic en amont du point de forage. Aucune mesure de diplacement n'a i t l effectuie en A3; avec un gradient de tempirature de 1o c par 100 m~tres d'altitude et compte tenu de l'effet isotopique en fonction de la tempirature, calculi ci-dessus, la variation de 0.2 ppm pourrait itre associie ~ une dinivellation de 10 ~ 30 m~tres par rapport fi l'altitude de la station; la zone situ~e en amont de celle-ci ayant une pente de 4%, la vitesse de diplacement correspondante serait de l'ordre de quelques m~tres par an; il est diffierie d'exclure la possibilit~ d'un tel d~placement,

TENEURS EN DEUTERIUMDANSLE NEVE ANTARCTIQUE m6me si les propri6t6s structurographiques ne mettent pas en 6vidence l'existence de ph6nom6nes d'6coulement. En tenant compte des fluctuations observ6es sur les teneurs isotopiques moyennes, on peut estimer que les faibles effets isotopiques observ6s h la station A3 correspondraient hun r6chauffement d'une ampleur 6gale ~ 0.3 ± 0.3oc depuis environ deux si6cles, sans tenir compte des ph6nom6nes d'6coulement de la glace. La prise en consid&ation de eet 6eoulement ne peut conduire qu'~ une variation de temp6rature inf6rieure h + 0.3oc (h la limite, on est conduit h envisager la possibilit6 d'un refroidissement qui pourrait ~tre masqu6 par l'existence d'un mouvement important). Cette variation est plus faible qui celle annonc6e pour d'autres secteurs de l'Antarctique [25, 26]. Mais, en fait, ces valeurs semblent assez coh6rentes avec les conclusions donn6es pour l'ensemble clu globe par Mitchell [27]. De l'observation syst6matique des enregistrements m6t6orologiques qui existent, l'auteur conclut, malgr6 les fluctuations observ6es, ~ une augmentation de la temp6rature de rordre de 0.3 h 0.4oc entre 1880 et 1950, pour les latitudes entre 0 et 60os. De faqon plus pr6cise, l'ampleur du r6chauffement climatique diminue vers les latitudes Sud, comme le constate aussi Veryard [28], pour se r6duire h 0.05oc entre 20 et 50os et 0.04oc entre 30 et 50os pour les moyennes de 1890-1920 h 1920-1950; ceci donne une valeur de l'ordre de 0.15oc pour 100 ans, tout fait compatible avec nos r6sultats. Pour diff6rents auteurs [29], ce r6chauffement pourrait durer depuis environ 2 si6cles, ce que semble conFtrmer la courbe des concentrations isotopiques, en tout cas jusqu'~ 52 m de profondeur. En fair, les teneurs isotopiques moyennes d6pendent aussi de la reproductibilit6 des proeessus dans le temps, notamment de ceux qui concernent le d6p6t des pr6cipitations; dans les conditions locales, nous avons v6rifi6 que l'irr6gularit6 de l'aecumulation des couches saisonni6res entraine des fluctuations que seul un 6chantillonnage continu portant sur une p~riode suffisamment longue peut amortir. La d6croissance isotopique observ6e lorsque ron remonte de 98 m vers 60 m est vraisemblablement influenc6e par les ph6nom6nes li6s h l'6eoulement de la glace, qui se manifestent dans les propri6t6s structurographiques; mais cette d6croissance pourrait 6tre aussi ( o u e n partie) expliqu6e par la p~riode de refroidissement climatique qui semble avoir pr6c6d6 le

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'petit ~ge glaciaire' de nos r6gions alpines [29, 30]; ce refroidissement aurait pftse produire dans les deux si~cles pr6c6dant la p6riode de r6chauffement observ6e dans la partie sup6rieure du forage.

4. CONCLUSION L'6tude isotopique continue de carottages effectu6s dans la glace peut ~tre un outil pr6cieux pour la connaissance des variations climatiques. Des carottages profonds devraient ~tre r6alis6s dans des zones o/a les ph~nom~nes d'6coulement risquent d'etre minimes (par exemple la r6gion du p01e d'Inaccessibilit6); une 6tude aussi compl6te que possible, portant notamment sur les propri6t6s structurographiques de la glace, doit accompagner les d6terminations isotopiques. On doit, de plus, pouvoir 6tablir une chronologie correspondant au d6pft de ces couches. Dans le cas d'une station situ6e dans la r~gion c6ti~re de Terre Ad61ie, l'effet isotopique observ6 pourrait correspondre ~ une variation climatique depuis environ deux si~cles, qui n'a pas d6pass6 + 0.3 ± 0.3oc. Cette 16g6re croissance de la teneur isotopique succ~de des variations vraisemblablement li6es aux ph6nom6nes d'6coulement de la glace, mais peut-~tre aussi la p6riode de refroidissement qui a pr6c6d6 le 'petit ~ge de la glace'. Enfin, les faibles teneurs en deut6rium, observ6es dans la partie inf6rieure du forage, sont dues h la pr6sence d'une glace qui provient de r6gions plus centrales de l'Antarctique.

REMERCIEMENTS Nous remercions le Professeur Picciotto pour ses int6ressantes remarques sur le manuscrit.

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