Varved lake sediments as archives for high-resolution millennial-long climate reconstructions: from sedimentation processes to paleoclimatology - Two case studies from the Northern Swiss Alps and North-eastern Poland
Sédiments varvés de lacs comme archive paléoclimatique à haute-résolution sur le dernier millénaire: depuis les processus de sédimentation à la paléoclimatologie – Deux cas d’étude des Alpes Suisses au nord-est de la Pologne
Résumé
The recent warming of the global climate is well recognized. Many of the observed changes
are unprecedented over decades to millennia. This conclusion could be drawn because an increasing
number of paleoclimate time series with the detail needed, have and are being developed.
At the same time, it is also recognized that further advances in this field of research are still
limited by the scarcity of well calibrated and quantified time series of reconstructed variables from
natural paleoclimate archives that cover the last Millennium. For instance, the interaction between
temperature and precipitation, and its influence on the flood properties remain an open question.
For this thesis, two lakes were investigated for their potential as paleoclimate archives:
Proglacial Lake Oeschinen in the Bernese Alps that contains clastic varves
Glacial Lake Żabińskie in northeast Poland that contains biochemical varves
The following three research questions were addressed: (i) Can we use information from
rapid surface scanning reflectance spectroscopy in the visible light range (VIS-RS) as a quantitative
proxy for the composition of lake sediments? (ii) Can we calibrate sediment proxy data and VIS-RS
data with climate variables in the instrumental period? (iii) Can we produce a 1000-year long
quantitative climate reconstruction from sediment proxy data and VIS-RS data?
Scanning VIS-RS methodology was explored on the biochemical varves of Lake Żabińskie and
the clastic varves of Lake Oeschinen. In Lake Żabińskie, the absorption trough centred at 660-670nm
(RABD660;670) could be calibrated to the total concentration of chlorins (chlorophyll-a degradation
products = {Pheophytin-a + Pyropheophytin-a}; r = 0.75, p< 0.01) as measured by High Performance
Liquid Chromatography (HPLC). In Lake Oeschinen, mean 1stderivative VIS-RS spectra were calibrated
to the proportions of calcite/siliciclastics (r = 0.96, p< 0.01) as measured by loss on ignition.
The study from Lake Oeschinen revealed that varve thickness could be used as a quantitative
predictor for cumulative alpine warm-season precipitation (rMJ = 0.71, rMJJA = 0.60, pc< 0.01; AD 1901-
2008). This calibration model was used to produce a record of precipitation and flood frequency back
to AD 884. Beyond answering research question (ii) and (iii), this millennial-long record enabled
assessing the relationship between temperature, precipitation and floods over the past 1000 years.
In the study of Lake Żabińskie, multivariate statistics were performed on a multi-proxy data
set of sedimentary pigments and other biochemical proxies. Results showed the recent lake
eutrophication could be quantitatively discriminated from climate-driven changes for the period AD
1907-2008. Sedimentary pigments related to chlorophyll-a (Chl-a and degradation products) were
not affected by the eutrophication-based processes, but responded to spring March-to-May
temperature (r = 0.63, pc< 0.05). This suggested that sediment photopigments from Lake Żabińskie
can be used for a climate reconstruction.
Le réchauffement global de la planète est aujourd’hui reconnu et sans précédent sur une
échelle de temps décennale à millénaire. Cette conclusion a pu être formulée grâce notamment au
recours à des données climatiques sur le passé de très bonne qualité, qui ont été et sont encore
produites. Dans le même temps, il est de plus en plus admis que de nouvelles avancées dans ce
domaine de la Recherche restent restreintes par la rareté des variables climatiques couvrant les 1000
dernières années et produites de manière quantitative à partir d’archives naturelles du paléoclimat.
Pour exemple, l’interaction entre les températures et précipitations, ainsi que leur influence
mutuelle sur les propriétés et le contrôle des crues restent à examiner.
À travers ce projet de doctorat, deux lacs ont été sélectionnés pour l’étude du paléoclimat:
Lac d’Oeschinen, un lac d’altitude des Alpes Suisses qui présente des varves de type clastique
Lac Żabińskie, au Nord-est de la Pologne qui présente des varves de type biogéochimique
Nous avons adressé les trois questions de recherche suivantes: (i) est-il possible d’utiliser la
spectroscopie à lecture optique (VIS-RS; 380-730nm) afin de déterminer de manière quantitative la
composition des sédiments lacustres? (ii) Peut-on calibrer les données proxy et VIS-RS de ces
sédiments avec les données climatiques pour la période instrumentale, et cibler le proxy à utiliser
pour reconstruire le climat passé? (iii) Peut-on produire un jeu de données climatiques, à partir des
informations proxy et VIS-RS, qui soit quantitatif et couvrant les 1000 dernières années?
Les résultats obtenus à partir de la spectroscopie à lecture optique sur les varves ont révélé
que cette technique est un outil solide à la caractérisation d’éléments spécifiques (quantité et
composition). Pour le lac Żabińskie, la bande d’absorption VIS-RS à 660-670 nm a pu être étalonnée
aux concentrations en Chlorins (produits de dégradation de la chlorophylle-a = {Phéophytine-a +
Pyrophéophytine-a}; r = 0.75, p< 0.01) mesurées par Chromatographie en phase Liquide à Haute
Performance (CLHP). Pour le Lac d’Oeschinen, la dérivée première du spectre VIS-RS a pu être
étalonnée aux proportions en calcite/siliciclastics (r = 0.96, p< 0.01) mesurées par perte au feu.
L’enregistrement varvé du Lac d’Oeschinen a été utilisé pour reconstruire les précipitations
d’été (Mai à Août) et reconstituer l’évolution de la fréquence des crues pour le Nord-ouest des Alpes
jusqu’en 884 (rvarve thickness;MJJA = 0.60, pc< 0.01; AD 1901-2008). Au-delà d’avoir répondu aux questions
de recherche (ii) et (iii), cet enregistrement nous a également permis d’étudier les relations qui lient
température, précipitation et fréquence de crue à travers ce millénaire.
Nous avons réalisé une étude statistique multi-variée à partir de pigments et autres proxy
biochimiques des sédiments du lac Żabińskie afin de séparer quantitativement le signal climatique du
signal d’eutrophisation pour la période 1907-2008. Plus particulièrement, les données pigmentaires
relatives à la chlorophylle-a (matière première et produits de dégradation) ont montré une
corrélation significative avec les températures printanières (Mars à Mai, r = 0.63, pc< 0.05). À des fins
de perspectives, ces résultats peuvent servir à reconstruire le climat en Pologne
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