Ce qu’il faut comprendre et retenir du δ18O (delta 18 O) en tant qu’indicateur paléoclimatique

Je vous propose ici de quoi faire le point sur l’utilisation du δ18O comme indicateur paléoclimatique. Beaucoup d’erreurs sont souvent commises là dessus… (Si vous en voyez dans l’article, n’hésitez pas à me le signaler)

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Comme de nombreux éléments sur Terre, l’oxygène existe sous la forme d’isotopes, c’est à dire un même élément mais dont le noyau atomique possède un nombre différents de neutrons. On a ainsi, pour l’oxygène, 3 isotopes : l’isotope 16 (8 protons, 8 neutrons) qui est le plus abondant, l’isotope 17 (8 protons, 9 neutrons) et l’isotope 18 (8 protons, 10 neutrons).

1 Le δ18O, qu’est-ce que c’est?

Le δ18O est un indicateur qui quantifie la quantité d’isotope 18 de l’oxygène par rapport à l’oxygène 16 dans un échantillon. Afin de pouvoir comparer les différentes valeurs de ce rapport, on choisit un standard qui fera office de référent universel. Ainsi, tous les rapports (18O)/(16O) seront comparés à un standard ce qui permettra ensuite de comparer les différentes valeurs entre elles.

En pratique, le δ18O est calculé à partir de la formule suivante après avoir mesuré le rapport (18O)/(16O) d’un échantillon par un spectromètre de masse :

Formule du delta 18 OEtant donné qu’on multiplie le résultat obtenu par 1000, le δ18O s’exprime donc en ‰ (pour mille). De façon simple, le δ18O quantifie donc la quantité d’isotope 18 de l’oxygène par rapport à l’oxygène 16. Si la quantité d’isotope 18 dans l’échantillon est importante, alors le numérateur est grand et donc le δ18O est élevé. Au contraire, s’il y a peu d’oxygène 18 dans l’échantillon, alors le numérateur est petit et le δ18O est donc faible.

2 Pourquoi y a-t-il des variations du δ18O?

A priori, quel que soit l’échantillon, il devrait y avoir toujours la même quantité d’oxygène 18 par rapport à l’oxygène 16 puisque dans les deux cas, il s’agit du même élément. Cependant, il existe une légère différence de masse à cause de la présence, pour l’oxygène 18 de 2 neutrons supplémentaires : l’oxygène 18 pèse donc plus lourd. Cette différence peut donc être à l’origine d’un fractionnement isotopique qu’on dit dépendant de la masse puisque du à cette différence de masse.

3 Qu’est-ce que le fractionnement isotopique et comment se produit-il?

Nous l’avons dit, étant donné la différence de masse entre les deux isotopes, ceux-ci ne vont pas avoir exactement la même réaction lors des processus physico-chimiques. Prenons un exemple : l’évaporation.

Si on considère un océan au-dessus duquel flottent des nuages, il y a des processus d’évaporation qui se produisent de l’océan vers les nuages et qui permettent leur formation. Etant donné que l’oxygène 18 est plus lourd que l’oxygène 16, l’oxygène 18 s’évapore moins facilement. En terme physique, il s’agit d’une différence d’énergie d’activation permettant la vaporisation. L’énergie necessaire à la vaporisation de l’oxygène 16 (en fait de l’eau contenant de l’oxygène 16) est plus faible que celle nécessaire à la vaporisation de l’oxygène 18 puisque la molécule d’H 2 16O est plus légère que celle d‘H2 18O. Comme cette énergie de vaporisation est plus faible, pour une même température, l’énergie de vaporisation d’H2 16O sera plus souvent atteinte que celle d’H 2 18O. Les nuages seront donc plus riches en H2 16O qu’en H 2 18O donc plus riches en oxygène 16 qu’en oxygène 18. Il se produit donc lors de l’évaporation un fractionnement isotopique au profit de l’isotope léger. A l’inverse, la condensation et donc les pluies seront plus chargées en oxygène 18 qu’en oxygène 16.
Ceci explique par exemple que les nuages ait un δ18O plus faible (comprendre plus négatif) que celui de l’océan puisqu’il y a moins d’oxygène 18 dans les nuages.

4 Pourquoi le δ18O varie-t-il avec la latitude?

Quand on regarde le trajet des nuages, ils vont globalement de l’équateur vers les pôles. Au niveau de l’équateur, ils se chargent en eau au cours de l’évaporation et l’eau des nuages a donc un δ18O plus négatif que celui de l’océan. Au fur et à mesure de leur migration vers les pôles, il va y avoir des précipitations qui vont donc appauvrir le nuage en oxygène 18 (puisque celui-ci précipite préférentiellement) : le δ18O des nuages devient donc de plus en plus négatif de l’équateur vers les pôles. Le δ18O varie donc avec la latitude.

La variation du delta 18 O en fonction de la latitude

Figure 1 La diminution du δ18O en fonction de la latitude s’explique par le déplacement des nuages et les précipitations.

5 Le δ18O des glaces peut être interprété comme un paléothermomètre

Nous avons vu que le δ18O variait avec la latitude. Pour pouvoir utiliser le δ18O comme un paléothermomètre, il faut donc toujours rester à la même laltitude et mesurer conjointement la température et le δ18O des précipitations neigeuses pour avoir une référence. C’est ce qui a été fait par Jouzel et collaborateurs aux pôles.

 

Corrélation entre delta 18 O et la température des glaces - Le thermomètre isotopique de JouzelFigure 2 Relation entre le δ18O et la température au niveau des glaces.

La figure montre que lorsque la température augmente, le δ18O des glaces augmentent et inversement, lorsque la température diminue, le δ18O diminue. Il est très important pour expliquer cela de bien comprendre la figure suivante et son explication.

Figure expliquant les variations du delta 18 O en fonction de la témpérature au niveau des pôles et au niveau de l'océan et des formainifèresFigure 3 La figure majeure pour comprendre l’utilisation du δ18O comme paléothermomètre.

  • En période froide, l’évaporation est faible. Il y a donc essentiellement du 16O qui part dans les nuages. Le rapport entre le 16O et le 18O est donc très fort : il y a beaucoup de 16O par rapport au 18O. Ainsi, le δ18O des nuages est très faible. Quand le nuage arrive aux pôles, il n’a quasiment que du 16O à précipiter, le δ18O des glaces est donc très faible (très négatif)
  • En période chaude, l’évaporation est forte. Il y a donc toujours essentiellement du 16O qui part dans les nuages mais aussi du 18O (car l’énergie de vaporisation est plus facilement franchie quand il fait chaud). Donc, le nuage est plus chargé en 18O qu’en 16O pendant une période chaude que pendant une période froide. Ainsi, le δ18O du nuage en période chaude est plus élevé qu’en période froide. En arrivant au pôle, le nuage relargue du 16O mais aussi du 18O puisqu’il en contient. Ainsi, le δ18O de la glace sera donc plus élevé pendant la période chaude que pendant la période froide. Il en va de même pour le δ18O de l’atmosphère au dessus des pôles.

En utilisant le thermomètre isotopique de Jouzel et collaborateurs, on peut donc connaître à partir du δ18O des glaces, la température qui régnait à l’époque des précipitations au dessus des pôles. On fait l’interprétation que s’il fait plus froid aux pôles, alors il faisait plus froid sur Terre. On effectue cette mesure de δ18O sur une même carotte de glace pour être toujours à la même latitude et donc pour que notre mesure de δ18O ne renseigne bien que sur la température.

C’est ainsi qu’on obtient la fameuse courbe de variation de la température au cours du quaternaire.

Courbe du delta 18 O et du delta D dans la carotte GRIP du Groenland et dans la carotte de Vostok

Figure 4 La courbe du δ18O mesurée dans une carotte de glace du Groenland (GRIP) et du δ2H ou δD dans la carotte de Vostok en Antarctique. (Le δD fonctionne de la même façon que le δ18O.)

6 Le δ18O des foraminifères benthiques peut être interprété comme une indication du volume des glaces

Le δ18O des foraminifères ne renseignent pas sur la valeur absolue de la température comme peut le faire le δ18O des glaces.

Les foraminifères utilisent l’oxygène présent dans l’eau environnante dans la formation de leur test carbonaté. Ainsi, le δ18O des foraminifères dépend donc d’une part du rapport oxygène 18-oxygène 16 de l’océan ainsi que de la température de ce même océan. Pour s’affranchir de la température de l’océan, on utilise les foraminifères dit benthiques qui vivent sur le fond : la température y est constante et le δ18O de ces foraminifères benthiques ne dépend donc que du δ18O des océans.
Regardons à nouveau la figure 1↑. Lorsqu’un nuage se forme, il prélève préférentiellement du 16O par rapport au 18O. Ainsi, lorsque le nuage se forme, la quantité d’oxygène 18 dans l’océan augmente et donc son δ18O aussi. Maintenant, regardons attentivement la figure 3↑. En période froide, il y a peu d’évaporation. Donc, l’essentiel de l’oxygène 18 reste dans l’océan. Donc le δ18O de l’océan augmente. Donc, celui des foraminifères benthiques augmente aussi. Au contraire, en période chaude, il y a beaucoup d’évaporation. Il y a donc un fort prélèvement par les nuages de 18O. Donc le δ18O de l’océan diminue. Donc le δ18O des foraminifères benthiques diminuent aussi.

Ainsi, le δ18O des formanifères benthiques augmente lorsque la température diminue et le δ18O des formanifères benthiques diminue lorsque la température augmente. Pour autant, la valeur du δ18O ne donne pas de température. Il nous dit simplement si on était en période plus chaude ou plus froide. Le δ18O des foraminifères est en fait un indicateur de la quantité de glace présente aux pôles : si la période est froide, alors il y a beaucoup de glace aux pôles et donc l’essentiel de l’oxygène 16 est stocké dans la calotte de glace des pôles. Consécutivement, l’essentiel de l’oxygène 18 est présent dans les océans : le δ18O des océans est élevé, celui des foraminifères benthiques aussi.

7 Que retenir de tout ça?

  1. Le δ18O est une mesure de la quantité d’oxygène 18 par rapport à la quantité d’oxygène 16.
  2. Il existe un fractionnement isotopique entre l’oxygène 16 et l’oxygène 18 car ils n’ont pas la même masse.
  3. Le fractionnement isotopique entre oxygène 16 e oxygène 18 est fonction de la température.
  4. Le δ18O des glaces renseignent sur la température qu’il fait aux pôles : lorsque la température augmente, le δ18O augmente.
  5. Le δ18O des foraminifères benthiques renseignent sur la quantité de glace stockée aux pôles : lorsque le δ18O augmente, cela signifie qu’il y a plus de glace aux pôles (car elle stocke l’isotope léger) et donc qu’il fait plus froid.
FIGURE POUR REPONDRE AUX DEUX COMMENTAIRES MONTRANT QUE LA TEMPERATURE EST LE FACTEUR ESSENTIEL DE VARIATION DU DELTA18O ET NON LES PRÉCIPITATIONS SAUF AU TRÈS BASSES LATITUDES

Commentaire

Ce qu’il faut comprendre et retenir du δ18O (delta 18 O) en tant qu’indicateur paléoclimatique — 26 commentaires

  1. Merci pour cet article clair et précis! Votre site est une aide précieuse, appréciable et appréciée!

  2. Merci beaucoup pour cet article! Voilà de quoi clarifier mes idées!

  3. Bonjour,

    concernant la figure 3, vous prenez comme évènement fondateur du fractionnement une différence dans l’intensité de l’évaporation aux basses latitudes, la condensation progressive en remontant vers les hautes latitudes n’intervient pas.
    Peux t-on la considérer de même ampleur dans les deux périodes?

    Si oui, peux t-on envisager l’inverse avec une évaporation + ou – de même intensité et une condensation d’intensité variable, plus forte dans les périodes froides?

    merci pour votre réponse, et votre excellent site et ressources disponibles.

  4. Merciiii beaucoup pour cette explication précise et concise !! Votre site est une mine d’or !

  5. Complétement d’accord avec ce que sous-entend Lamiche, pour moi la condensation progressive (Qui dépend de la température) en remontant vers les hautes latitudes est le principal facteur de variation du Delta18O dans les glaces !!!!

  6. Bonjour,

    Je n’ai jamais dit le contraire. Il est exact que la variation isotopique en 18O dans les glaces des pôles est liée à la condensation progressive des pluies en provenance de l’équateur. Cependant, la composition isotopique des précipitations dépend avant tout de la température de précipitation. En effet, quand il fait froid en général, le fractionnement isotopique lié à la température est important, quand il fait chaud, celui lié à la température est faible et à ce moment là, on note une nette importance de la quantité de précipitation. Cependant, l’importance des précipitations dans le fractionnement isotopique ne se fait sentir que pour des latitude très faible (VOIR DERNIÈRE FIGURE QUE JE VIENS D’INTÉGRER À L’ARTICLE)

  7. Bonjour,

    je tiens à préciser que je ne suis l’auteur que du message du 05 Mai. Mon nom a été usurpé malgré moi ^^.

    Je tiens à assurer que ma question ne sous-entendait rien de spécial, c’était une simple question visant à m’aider à clarifier l’ensemble.

    Je vous remercie pour votre précision.

  8. Un article très bien fait sur l’intérêt de l’utilisation de l’oxygène 18. Ce qu’est cet isotope; Comment ça fonctionne…tout est très clairement expliqué.
    merci

  9. Merci beaucoup pour cet article qui est très bien fait et très bien détaillé (de plus les schémas sont très clair et facilitent la compréhension). C’était le seul passage en spé svt que je ne comprenais pas et la tout est clair!!

  10. Bonjour,
    Un petit mot de remerciement pour cet article clair et précis ! Il m’a permis de mieux comprendre le lien entre le delta 18O et la température.

  11. Enfin une explication à la fois claire, avec de vraies phrases explicatives (ce qui change des raccourcis habituels :
    Delta18O ? quand T°C ? … employés par tant d’enseignants pour qui cela semble limpide). Mais peut être n’ont-ils pas votre aisance pour partager de façon écrite ces connaissances. Merci à vous.

  12. Merci pour ces explications claires que je vais pouvoir mettre à profit

  13. merci, c’était très clair.
    ma question est simple: comment fait-on pour différencier foraminifères benthiques et planctoniques? ils finissent tous au fond…

  14. Ca, c’est le travail des paléontologues qui sont capables de reconnaitre les espèces. Pour les espèces actuelles, c’est relativement facile. Pour les espèces fossiles, il faudrait demander aux paléontologues comment ils savent si telle ou telle espèce est planctonique ou benthique…

  15. Merci pour cet article, cela m’a permis de comprendre ce que je n’avais pas assimilé. C’est bien clair ! Merci beaucoup.

  16. Bonjour,

    Je vous remercie grandement pour cet article, il m’a permis de beaucoup avancer sur la compréhension du delta 18O. Cependant, j’ai encore quelques doutes qui m’empêchent de comprendre d’une manière plus grande certaines choses dont vous parlez. Voici mes interrogations :

    – n’existe-t-il pas des températures où 16 O et 18 O s’évaporent avec la même facilité ? Cela se passe-t-il sur Terre, s’est-il passé ?

    – quels sont les arguments qui nous permettent de considérer qu’une température plus ou moins élevée/froide sur Terre entraîne les mêmes variations de températures le long des latitudes, et donc les mêmes probables évaporations/précipitations globales de l’équateur jusqu’aux pôles ?

    – comment détermine-t-on une paléotempérature grâce au thermomètre isotopique ? Faut-il faire un produit en croix avec le d180 d’un échantillon de neige qui tombe aujourd’hui et qui correspond à une température, et un d18O d’un échantillon de glace aux pôles pour obtenir la température de précipitation du 18O de cet échantillon (ces 2 échantillons étant à la même latitude) ? Ou bien le détermine-t-on graphiquement ? Ou bien… ? D’ailleurs mesure-t-on vraiment la température de précipitation, où celle au sol, où la neige ne fond pas et pourra ainsi se transformer en glace ? Si oui, dans quelle mesure sont-elles différentes ?

    – enfin, pourquoi une baisse de l’évaporation en période froide, ainsi donc qu’une baisse des précipitations, entraînent-t-elles un plus gros volume de glace aux pôles ? La température aux pôles possède-t-elle une influence majeure dans la formation des précipitations aux pôles et donc de glace par rapport à la quantité évaporée et précipitée à partir de l’équateur jusqu’aux pôles ? –> même s’il y a peu d’évaporation, il y a plus de précipitations aux pôles lors d’une période froide par rapport à une période chaude ? Si oui, dans quelle mesure ?

    Je vous remercie grandement pour votre lecture

  17. Merci beaucoup pour ce point sur le delta 18 O.

    Il y a encore quelque chose que que je ne suis pas certaine d’avoir bien compris. Peut-être pourrez-vous m’aider ?

    Le thermomètre isotopique permet de retrouver la température qui régnait au pôle à l’époque de la précipitation en corrélant le delta mesuré sur un échantillon dans une carotte de glace avec la droite « étalon » obtenue par Jouzel à partir de mesures actuelles sur les précipitations au pôle. Par exemple un delta de – 30 pour 1000 correspond à une température de -24°C. On peut ainsi reconstituer les valeurs absolues passées de la température au pôle. C’est bien cela ?

    Je ne comprends pas pourquoi la figure 3 est nécessaire pour comprendre ce principe. Pour moi, cette figure permet de comprendre, de façon relative, une variation du delta pouvant être mise en relation avec avec un variation globale de la température terrestre. Par exemple, quand le delta des glaces polaires est très négatif, cela indique une période globalement plus froide (car l’eau des nuages arrivant aux pôles est très appauvrie en 18 O pendant une période froide). Ce raisonnement est-il également qualifié de « thermomètre isotopique » ?

  18. Bonjour,

    Votre remarque est tout à fait correcte. Mais l’objectif de cette figure est de montrer : 1) qu’une diminution du delta aux pôles peut être interprétée comme une diminution globale. Le thermomètre prend alors une ampleur mondiale en permettant de dire que s’il faut plus froid aux pôles alors, il faut plus froid partout 2) de pouvoir expliquer aussi la variation de delta dans les carbonates qui varient en sens inverse que j’aborde par la suite.

  19. Bonjour,

    – Etant donné que c’est un fractionnement dépendant de la masse, il n’y a jamais eu de températures pour lesquelles 16 O et 18 O se sont évaporées avec la même facilité.
    – C’est une hypothèse de départ : on suppose que s’il faut plus froid à l’équateur, alors l’ensemble de la Terre s’est refroidi.
    – Les deux méthodes sont équivalentes. Je crois que Jouzel et al. mesure la température au sol mais je dois dire que je n’en suis pas sûr.
    – En fait, en période froide il y a une fonte plus faible de la glace aux pôles donc un retour plus faible de 16O aux océans. C’est un peu un serpent qui se mord la queue mais en prenant comme pont de départ l’évaporation, je trouve le « schéma » général plus simple. La température aux pôles, particulièrement en été, contrôle la quantité de glace. Quant à la quantité de glace entre période froides et chaudes, pour moi c’est une question de conservation de volume des glaces.

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  21. Bonjour,
    Merci pour le temps que vous avez du mettre pour faire cet article !
    J’ai enfin compris le lien entre delta O 18 des Océans et des glaces-

  22. Merci pour ces explications. L’effort de vulgarisation permet à tout un chacun de comprendre la notion du taux Oxygène 18.
    Après la lecture de votre article on se sent moins bête, n’est ce pas là l’essentiel !

  23. Merci beaucoup pour cet article, qui m’a bien aidé à comprendre le phénomène pour mon DS de spé!
    Une élève de Terminale S

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