Atmospheric continental relative humidity is an important climate parameter poorly constrained in global climate models. Model-data comparisons are essential to progress on this issue. However, there is a lack of proxies for quantitative reconstruction of past continental relative humidity.

Phytoliths are micrometric amorphous silica particles that form continuously in living plants. Here we present a growth chamber monitoring of the water cycle at the soil/plant/atmosphere interface. The triple oxygen isotope composition of the water compartments (including water vapor), and of grass phytoliths, are measured for different conditions of relative humidity, temperature and pCO₂. The results show a clear control of relative humidity on the triple oxygen isotope composition of plant water and phytoliths while temperature and pCO₂ do not have any significant impact. Measured and modelled triple oxygen isotope compositions evolution in the water cycle are compared. This study brings us closer to an accurate proxy of past continental relative humidity.

Modelling of the oxygen isotopic composition (δ¹⁸O) of tree-ring cellulose rely on the isotopic equilibrium assumption between the atmospheric water vapor and the tree source water, which is frequently assimilated to integrated precipitation. We explore the veracity of this assumption based on observations collected (δ¹⁸O of rain, rivers, leaves, tree-rings) or monitored (δ¹⁸O of water vapor) during a field campaign in Río Negro province, Argentina, in late summer 2017 (February-March). We examine, firstly, how the δ¹⁸O of water vapor deviate from the equilibrium with precipitation and, secondly, what is the impact of the isotopic equilibrium assumption on the calculation of the isotopic composition of tree-ring cellulose.

For oxygen, the isotopic disequilibrium between rain and vapor range between -1.9 and 4.2‰. Rain drops re-evaporation during their fall, evaporation of soil water and vegetation transpiration (resulting in transpired water accounting for 14 to 29% of ambient water vapor) could produce this disequilibrium. The small value of the disequilibrium at the study site is likely due to the high level of relative humidity (from 70 to 96%) favoring the isotopic diffusive exchanges between the two water phases and thus promoting the isotopic equilibrium.

A perfect agreement between observed and calculated isotopic composition of cellulose is obtained if the source water is assumed to be in isotopic equilibrium with the measured water vapor. This hypothetical source water has a significantly higher d¹⁸O than the expected averaged isotopic composition of precipitation over the growing period or than the groundwater (river value). The veracity of the hypothesis of the isotopic equilibrium between water vapor and source water in tree-ring paleoclimate studies is discussed in light of these results.

L’occupation des grottes par les Chiroptères sur des périodes pouvant couvrir des milliers d’années permet, dans des conditions d’absence d’altération par ruissellement, l’accumulation de guano en couches sur plusieurs mètres. En raison des fortes teneurs du guano en nutriments, (ie. N, P), ces gisements ont été intensément exploités au 19ème siècle pour la fertilisation agricole. Au 20ème siècle, des recherches scientifiques (Des Marais et al., 1980), ont révélé le potentiel de l’étude géochimique du guano de chauves-souris insectivores comme archives paléoclimatique et paléoenvironnementale (Mizutani et al., 1992). La matière organique contenue dans le guano renferme des informations sur le réseau trophique auquel appartiennent les chiroptères (ie. plantes-insectes-chiroptères). Ainsi, il est théoriquement possible de caractériser l’environnement et la biodiversité pour l’actuel et passé, améliorant ainsi la compréhension des réponses des écosystèmes et leur résilience face aux changements climatiques et anthropiques (Ie. Cleary et al., 2016). Depuis plusieurs décennies, les chauves-souris connaissent une situation très critique (Mickleburgh et al., 2002) alors qu’elles représentent un maillon très important pour le bon fonctionnement des écosystèmes terrestres consommant jusqu'à 70 % de leur poids en insecte par nuit (Kunz, 2011). Leur déclin constitue une perte de biodiversité et de service rendu à l’homme. Un regain d’intérêt pour les études du guano se manifeste depuis 2010 ouvrant de nouvelles perspectives sur l’utilisation de cette archive organique dans différents domaines scientifiques (i.e. Ecologie, écologie trophique, biogéochimie, palynologie, génétique, biodiversité des insectes et bactéries). Ici nous présenterons et interpréterons les résultats d’études isotopiques (C,N) et des profils de Pb210 et C14 et d’autres proxies obtenus à la fois sur le guano actuel et fossile de différentes régions.

The reconstruction of seawater paleo-pH based on the boron isotopic composition (δ¹¹B) of fossil carbonate shells requires the knowledge of the δ¹¹B_sw of the seawater in which the calcifying organisms lived. Boron has a long residence time in the ocean (14 Myr) and its δ¹¹B_sw has fluctuated throughout the Phanerozoic, resulting from changes in the source (continental weathering) and sink (adsorption onto ocean floor sediments and oceanic crust alteration) fluxes (1). Here we provide direct determinations of the δ¹¹B_sw variations from the historical collection of primary halites (2), that allowed the reconstruction of the ocean paleochemistry over the Phanerozoic.

Because B is almost absent in the halite matrix and is enriched in brine inclusions, bulk halite analysis yields an average δ¹¹B value of the brine inclusions within the sample. This has been validated by the analysis of modern halite samples having the actual seawater δ¹¹B_sw value (39.6 ‰), as shown by the pioneering work of (3). Our results (assessed through the measurements of ten aliquots of each salt sample) reveal a relative homogeneity of the δ¹¹B for each halite sample but large variations in the δ¹¹B through the geologic time: the δ¹¹B value was 39.2 ± 3.8 ‰ for the Plio-Pleistocene, 17.2 ± 1.5 ‰ for the Permian, 32.5 ± 3.8 ‰ for the Devonian, 11.2 ± 6.8 ‰ for the Cambrian and 28.3 ± 2.3 ‰ for the Late Proterozoic. Using a numerical model, we propose a set of explanations for the δ¹¹B_sw evolution during the Phanerozoic.

(1) Lemarchand et al., 2002, Chem. Geol 190, 123-140,

(2) Horita et al., 2002. GCA 66, 3733-3756

(3) Paris et al., 2010, Geology 38, 1035-1038

In the Bolivian Altiplano, Laguna Pastos Grandes is the only salar to host a 40-km² carbonate platform composed of a great diversity of facies (including pisoliths, ooids and microbialites) mainly fed by thermal springs. It provides a spectacular natural laboratory for studying carbonate precipitation in a continental province dominated by volcanism. As a first step toward understanding the origin of carbonates in Laguna Pastos Grandes, we analyzed the liquid and gas that feed the laguna. The content of major elements and stable isotope compositions (δ²H-δ¹⁸O, δ³⁷Cl, δ⁷Li, δ¹¹B and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) of brine and freshwater inputs were used to trace the source of both water and solutes in the laguna. The stable isotope compositions (δ¹³C, δ¹⁵N) and noble gas isotope ratios of outgassings at the laguna’s floor were analyzed to trace the origin of the gas. The results show that thermal springs are close to saturation with calcite. PHREEQC modeling of the hydrological system, together with gas geochemistry results and temperature estimated from a combination of geothermometers, indicates that Ca in these springs is inherited from the alteration of the volcanic bedrock by aqueous fluids heated at ~225 °C and highly enriched in magmatic mantle-derived CO₂. Our results clearly show that the ultimate driver for the massive deposits of modern carbonates in the Central Andes is the deeply sourced CO₂, which boosts the alteration of sulfide-poor volcanic rocks at depth. This laguna is now being further studied to better understand the biotic versus abiotic controls on carbonate facies, some of them remarkably similar to ancient equivalents such as Cretaceous Presalt carbonates.

Afin d'évaluer la durabilité des systèmes de production agricole, une condition préalable fondamentale est de quantifier les taux d'érosion des sols et de les comparer avec les pertes de sol tolérables. L’utilisation du radionucléide artificiel ¹³⁷Cs est l’une des rares techniques disponibles pour reconstituer les taux de redistribution des sols pendant la période de Grande Accélération (de 1960 à nos jours) et a montré son efficacité dans de nombreux bassins versants contrastés du monde. De façon générale, l'évaluation des taux d'érosion et de dépôt sédimentaire est basée sur la comparaison des inventaires en ¹³⁷Cs dans des profils de sol non perturbés (non soumis aux processus d’érosion et d’accumulation sédimentaire depuis la période principale des retombées radioactives) et des inventaires mesurés aux endroits soumis à la redistribution des sols dans les bassins versants. Du fait du changement rapide de l’occupation des sols de ces dernières décennies en Amérique du Sud, l’existence de sites non perturbés devient de plus en plus rare, limitant le potentiel d’application de cette technique dans des bassins versants soumis à une agriculture intensive. L'objectif de cette étude consiste à déterminer et cartographier les retombées initiales du ¹³⁷Cs à l'échelle de l'Amérique du Sud, à partir de mesures effectuées sur des profils de sol non perturbés et de co-variables spatialisées. Cette nouvelle carte sera utile à la communauté scientifique et aux pouvoirs publics pour évaluer la durabilité des systèmes de production agricole, en particulier dans la partie Est de l'Amérique du Sud où les pratiques agricoles intensives sont prédominantes. De plus, la méthodologie présentée dans cette étude pourrait être appliquée à l’échelle de l’ensemble de l’hémisphère sud dans le but d'éviter l'échantillonnage systématique des sites de référence indispensables à la conduite des études sur l'érosion des sols utilisant la technique du Césium-137.

Les systèmes hydrothermaux représentent une ressource énergétique qui a l’avantage d’un faible impact sur l’environnement. Dans le Nord-Ouest de l’Algérie, existent de nombreuses sources thermo-minérales, caractérisées par une large gamme de minéralisation (de moins de 1 à plus de 68 g/l) et de température (24 à 69 °C). Certaines de ces sources présentent des émanations gazeuses, avec une forte odeur de H₂S. Ce thermalisme est lié aux activités tectoniques et volcaniques, et en particulier aux grandes fractures à jeu récent, souvent injectées d’évaporites triasiques. Les principaux systèmes hydrothermaux se trouvent dans des formations carbonatées et gréseuses. L’étude a porté sur 25 sources thermales et 12 sources froides dans le but de déterminer l’origine des eaux et celle de leur minéralisation, d'évaluer leurs temps de résidence et d'estimer les températures atteintes en profondeur Les outils utilisés sont ceux de la géochimie élémentaire (ions majeurs, Br^-, Li, Si) et isotopique : ²H (H₂O), ¹⁸O (H₂O), ³⁴S (SO₄^2-), ¹⁸O (SO₄^2-), ¹³C (CITD) et ¹⁴C (CITD). L’oxygène-18 et le deutérium montrent que les eaux étudiées sont d’origine météorique avec un effet limité d’évaporation. Les analyses chimiques et isotopiques (Br^-, Cl^-, ainsi que la composition isotopique du sulfate dissous) convergent pour attribuer l'origine de la minéralisation à la mise en solution d'évaporites, probablement du Trias, pour la majorité des sources et en particulier celles qui écoulent les eaux les plus minéralisées. Les teneurs en ¹⁴C, combinées avec les teneurs en ¹³C, présentent des effets de décroissance nets (jusqu'à environ 4 périodes, 20 ka) pour certaines sources. Les rares géothermomètres chimiques utilisables dans ce contexte indiquent que les températures atteintes en profondeur ne sont pas beaucoup plus élevées que celles mesurées sur les sources.

Reactive transport modeling is now able to take into account stable isotopes and equilibrium as well as kinetic isotope fractionation. This gathers the advantages of both reactive transport and isotope geochemistry approaches, namely process based description of systems and highly accurate and process dependant data, and is an the opportunity to deepen the understanding of challenging and complex systems

Theoretical, algorithmic and numerical developments are in progress to implement equilibrium and kinetic stable isotope fractionation in HYTEC, the reactive transport code developed at MINES ParisTech. The objective is to build a flexible tool to handle a variety of applications as well as to be coupled to other biogeochemical or hydrogeological codes.

First a simple validation of the concepts and numerical developments is presented, with equilibrium fractionation of carbon isotopes in the aqueous carbonate system.

Then two types of applications are presented. On the one hand, carbon isotopes dynamics in the unsaturated zone is considered, with microbes mediated redox reactions but also abiotic reactions and the associated fractionations, mainly in aqueous but also in gaseous phases. On the other hand, isotope fractionation is investigated in the solid phase, with calcium isotope fractionation during calcite precipitation.

Other case studies can then be considered based on existing field or experimental data and depending on the opportunities.

Le réseau RENOIR ("Réseau français d'observation des isotopes dans les prévisions") est un réseau d’observation à long terme des teneurs en isotopes de la molécule d’eau (d¹⁸O et d²H) dans les précipitations à l’échelle de la France. RENOIR, labellisé en 2018 Service d'Observation Nationale par le CNRS-INSU, constitue la composante française du réseau mondial GNIP AIEA/OMM.

Avec 21 stations de prélèvements des pluies et 14 laboratoires associés sur la France, RENOIR a pour objectif de partager les pratiques et les méthodes, d’homogénéiser et valider les protocoles d’échantillonnage entre stations et d’analyse entre laboratoires, et de prendre en charge et mettre à disposition des communautés scientifiques les séries chronologiques isotopiques mensuelles sur le long terme.

Ces données permettront (i) d’établir les variabilités spatiales et saisonnières des teneurs isotopiques des précipitations sur toute la France (en incluant à court terme des stations en Outre-Mer), (ii) de déterminer les principaux facteurs qui affectent ces variabilités (incluant les événements extrêmes et l’origine des masses d’air) et (iii) d’avoir une référence isotopique actuelle de l'eau de recharge ou de l’eau de constitution des systèmes hydrologiques, hydrogéologiques et écologiques.

Le réseau RENOIR contribue aux grands thèmes de recherche d'une coopération à la fois en inter-laboratoires au sein de RENOIR mais également au niveau international, pour évaluer les changements environnementaux par le déchiffrage des impacts respectifs d'influences anthropiques et/ou climatiques sur les taux et les régimes de précipitations.

Une analyse préliminaire de résultats acquis sur quelques stations de ce réseau est présentée ici pour essayer de dégager les tendances temporelles et spatiales d’après les données mensuelles des valeurs isotopiques des pluies aux cours des dernières années, avec un focus sur la période 2008-2018.