Reconstitution de la variabilité naturelle climatique et océanographique dans l’estuaire et le golfe du Saint-Laurent au cours des 10,000 dernières années

RÉSUMÉ: L’estuaire et le golfe du Saint-Laurent (EGSL, Est du Canada) sont des milieux très dynamiques d’un point de vue sédimentaire. Pourtant, les voies de propagation des sédiments fluviaux ainsi que l’origine et le mélange des apports sédimentaires en milieu marin ne sont pas bien documentés dans cette zone. Or, ces connaissances sont fondamentales pour déterminer les sources principales des apports terrigènes et mieux comprendre la dynamique de ce système sédimentaire. Dans ce contexte, les propriétés physiques, la distribution granulométrique, la minéralogie, les éléments majeurs et traces, et les isotopes radiogéniques (néodyme et strontium) d’un ensemble de sédiments de surface et de carottes sédimentaires de l’EGSL ont été étudiées dans cette thèse afin d’évaluer et mieux documenter la variabilité climatique et océanographique naturelle au cours des 10000 dernières années (période Holocène). L’ensemble des données obtenues dans cette thèse permettent de : (1) documenter à long terme les relations qui existent entre les changements au sein de la dynamique sédimentaire et les changements climatiques et océanographiques majeurs survenus dans l’EGSL au cours de l’Holocène, et (2) d’améliorer la compréhension globale des principaux processus sédimentologiques et géochimiques opérants dans l’EGSL. Dans le Chapitre 1, les données de minéralogie et de géochimie (éléments majeurs) ont permis de reconstituer la nature, l’origine et le transport des sédiments détritiques dans l’EGSL au cours de l’Holocène. L’analyse et la comparaison des différents traceurs détritiques ont permis de mettre en évidence deux régimes sédimentaires distincts dans l’EGSL au cours de l’Holocène. Au début de l’Holocène (10–8,5 cal. ka BP) les fortes décharges d’eau issues de la fonte de la calotte de glace Laurentienne contrôlent la dynamique sédimentaire dans l’EGSL. Cependant, à partir de 8,5 cal ka BP, les variations du niveau marin relatif provoquées par le rebond isostatique postglaciaire de la croûte continentale exercent un contrôle significatif sur le transfert de sédiment dans l’EGSL. Dans le Chapitre 2, la comparaison entre les compositions isotopiques en néodyme (Nd) et strontium (Sr) ainsi que la distribution des terres rares (REEs) extraites des échantillons d’eau de mer et dans la fraction authigénique et détritique de plusieurs échantillons de sédiments de surface recueillis dans le chenal Laurentien ont permis d’évaluer le potentiel qu’ont les isotopes du Nd comme traceurs isotopiques des masses d’eau profonde dans l’EGSL. Les résultats obtenus suggèrent que la composition isotopique en Nd dans l’EGSL ne permet pas de tracer l’origine et/ou le mélange des masses d’eau, mais plutôt d’identifier l’origine des différentes sources sédimentaires (ex. sédiments dérivés des roches métamorphiques et ignées du bouclier canadien vs. sédiments dérivés des roches sédimentaires appartenant aux Appalaches). De ce fait, nos résultats attestent que les isotopes radiogéniques forment de puissants outils pour retracer l’évolution des conditions d’altération continentale dans l’EGSL au cours du temps. Dans le Chapitre 3, nous avons reconstitué l’évolution des conditions d’altération continentale dans l’EGSL au cours de l’Holocène à partir de la composition isotopique du Nd obtenue dans la fraction authigénique de deux carottes sédimentaires recuillies dans le chenal Laurentien. Les valeurs εNd très peu radiogéniques enregistrées dans les sédiments au début de l’Holocène sont caractéristiques des sédiments provenant de la Côte-Nord. Ces données très peu radiogéniques sont en lien avec les très fortes décharges d’eau de fonte de la calotte de glace Laurentienne au début de l’Holocène qui érodent principalement le socle rocheux du bouclier canadien. Les résultats obtenus dans ce chapitre prouvent que les compositions isotopiques en Nd obtenues dans les sédiments de l’EGSL constituent un outil robuste pour évaluer les changements océanographiques et sédimentaires majeurs au cours de l’Holocène. Dans l’ensemble, la contribution principale de cette thèse est en premier lieu l’établissement d’une nouvelle base de données grâce à laquelle il est possible de mettre en évidence l’évolution de la dynamique sédimentaire dans l’EGSL au cours de l’Holocène. De plus, ces résultats permettent d’identifier les principaux facteurs climatiques et océanographiques exerçant un contrôle sur le transfert de sédiments dans l’EGSL, rendant possible une reconstitution plus complète de son histoire environnementale depuis la dernière déglaciation. -- Mot(s) clé(s) en français : Estuaire et Golfe du Saint-Laurent ; Holocène ; calotte de glace Laurentienne ; niveau marin relatif ; dynamique sédimentaire ; minéralogie ; géochimie ; isotopes radiogéniques ; terres rares. -- ABSTRACT: The Estuary and Gulf of St. Lawrence (EGSL, Eastern Canada) are very dynamic environments from a sedimentary point of view. However, the origin, the mixing and the propagation of fluvial terrigenous sediments are not well understood in this area. Having a proper knowledge of these components is of primary importance to determine the main sedimentary sources as well as to understand the sedimentary dynamics in the EGSL. In this context, physical properties of sediments, grain-size, mineralogy, trace elements and radiogenic isotopes (neodymium and strontium) of surface sediments and sediment cores were analysed to evaluate and document the climatic and oceanographic variability over the past 10,000 years in the EGSL. The whole data acquired during this thesis will help (1) to document the potential long-term relationships between the variability in the sediment dynamics and major climatic and oceanographic changes during the Holocene, and (2) to improve the overall understanding of the main sedimentological and geochemical processes operating in the EGSL. In Chapter 1, mineralogical and geochemical data of major elements have led to reconstruct the changes in the origin and transport of detrital sediments in the EGSL during the Holocene. The analysis and comparison of our detrital proxies revealed two distinct sedimentary regimes in the EGSL during this period. At the beginning of the Holocene (10-8.5 cal. ka BP), the meltwater discharge from the deglaciation of the Laurentide Ice Sheet seems to control the EGSL sediment dynamics. Later on, from 8.5 cal ka BP up to present, changes in the relative sea level caused by isostatic postglacial rebound of the continental crust exert a significant control on EGSL sediment transfer. In Chapter 2, the comparison between the neodymium (Nd) and strontium (Sr) isotopic compositions and rare earth elements distribution (REEs) were analyzed in seawater samples and in the authigenic and detrital fractions of several surface sediment samples from the Laurentian channel. This was performed to evaluate the potential of Nd isotopes as a proxy to identify the bottom seawater masses in the EGSL. Our results suggest that the Nd isotopic composition recorded in the EGSL is not linked to the origin and mixing of seawater masses, but rather to the detrital particulates related to different continental sediment sources (e.g, sediments derived from metamorphic and igneous rocks of the Canadian Shield vs. sediments derived from Appalachian sedimentary rocks). Based on our results, the radiogenic isotopes represent powerful tools to trace the evolution of continental weathering in the EGSL over time. In Chapter 3, we retraced the evolution of the continental weathering conditions over the last 10,000 years in the EGSL using the Nd isotopic composition obtained in the authigenic fraction of two sedimentary cores from the Laurentian channel. The unradiogenic εNd values recorded in sediments at the beginning of the Holocene are characteristic of a north shore origin. These values are related to the meltwater discharge from the deglaciation of the Laurentide ice sheet, causing erosion and weathering of the continental rocks and sediments of the north coast. These results show that the Nd isotopic composition obtained in EGSL sediments constitute a useful proxy for assessing the major oceanographic and sedimentary changes during the Holocene. Overall, the main contribution of this thesis is the establishment of a new dataset, highlighting the sediment dynamics in the EGSL during the Holocene. Based on our results, it is possible to identify the main climatic and oceanographic forces acting on the sedimentary dynamics, allowing us to establish the global environmental history of the EGSL since the last deglaciation. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Estuary and gulf of St.Lawrence ; Holocene ; Laurentide Ice Sheet ; relative sea level ; sedimentary dynamic ; mineralogy ; geochemistry ; radiogenic isotopes ; rare earth elements