L’objectif principal de cette thèse est de comprendre la coévolution des cycles biogéochimiques, du climat et de la biodiversité océanique à l’échelle géologique grâce à la modélisation numérique.
Actuellement les modèles numériques simulant l’évolution géologique du climat et des cycles géochimiques à long terme simulent la bioproductivité primaire océanique soit en inversant le signal δ13C mesuré sur les carbonates sédimentaires, soit en la modélisant d’une manière déterministe en la rendant uniquement dépendante des flux de nutriments disponibles. Il apparaît dès lors impossible de comparer l’évolution géochimique de l’atmosphère et des océans (e.g. CO2, δ13C) à l’évolution de la biodiversité (registre fossile).
Afin de proposer une piste permettant de combler cet écart entre les données paléontologiques et les modèles numériques biogéochimique-climat, un module écologique est introduit dans le modèle couplé climat-carbone GEOCLIM. Ce module additionnel permet le calcul de la productivité et des biomasses individuelles pour un nombre déterminé de producteurs primaires, de consommateurs primaires et secondaires et de prédateurs. Le tirage aléatoire d’une partie des paramètres utilisés dans ce calcul permet la création d’un assemblage unique de groupes à chaque simulation.
Les simulations ont été réalisées hors-équilibre, en se plaçant à la limite Permien-Trias avec le dégazage massif de CO2 lié à la mise en place de la province magmatique de Sibérie. La sensibilité à la température des différents assemblages de producteurs primaires génère une variété de réponses à la perturbation, dans l’intensité des taux d’extinctions, de l’excursion en δ13C et de la variation de bioproductivité primaire. Parmi l'ensemble des simulations, la bioproductivité primaire peut soit augmenter soit diminuer en réponse au réchauffement climatique, malgré une perte importante de biodiversité pour toutes les simulations. La réponse des groupes de producteurs primaires amplifie ou réduit l’amplitude du réchauffement climatique. La biomasse des groupes dans les niveaux trophiques supérieurs évolue en fonction de celle des producteurs primaires, à la base de la chaîne trophique.
Malgré des comparaisons limitées avec les données géologiques, le module écologique couplé à GEOCLIM a permis d’explorer pour la première fois les rétroactions entre l’évolution de la biodiversité et l’évolution du cycle du carbone et du climat à l’échelle des temps géologiques. |
The main objective of this thesis is to understand the co-evolution of biogeochemical cycles, climate and ocean biodiversity at the geological time scale through numerical modeling.
Currently numerical models simulating the geological evolution of climate and long-term geochemical cycles simulate the oceanic primary bioproductivity, this component being either forced by the inversion of the δ13C signal measured on sedimentary carbonates, or modelled in a totally deterministic way by making it only dependent on the available nutrient fluxes. It therefore appears impossible to compare the geochemical evolution of the atmosphere and oceans (e.g. CO2, δ13C) with the evolution of its biodiversity (fossil record).
In order to contribute to the filling of this gap between paleontological data and numerical biogeochemical-climate models, an ecological module is introduced in the GEOCLIM model. It allows the calculation of productivity and individual biomass for a prescribed number of primary producers, primary and secondary consumers and predators. The random selection of some of the parameters used in this calculation allows the creation of a unique assembly of groups for each simulation.
The simulations were carried out in a dynamic way across the Permian-Trias boundary, with the massive degassing of CO2 linked to the onset of the Siberian large igneous province. The temperature sensitivity of the different assemblages of primary producers leads to a variety of responses to the perturbation, in the intensity of the extinction rates, of the excursion in δ13C and of the variation in primary bioproductivity. Among the full set of simulations, primary bioproductivity can either increase or decrease in response to global warming, despite a significant loss of biodiversity for all simulations. The response of primary producer groups amplifies or reduces the magnitude of global warming. The biomass of the groups in the upper trophic levels evolves according to the biomass of the primary producers at the base of the trophic chain.
Despite limited comparisons with geological data, the ecological module coupled with GEOCLIM has made possible the investigation of the feedbacks between the evolution of biodiversity and the evolution of the carbon cycle and climate over geological time scales. |