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Dossier: Environnement et sociétés
A/ Reconstitution du climat, nouveaux paléo-indicateurs

Les biosphéroïdes calcitiques de vers de terre

Un nouvel indicateur paléoenvironnemental et paléoclimatique des séries lœssiques
Charlotte Prud’homme, Pierre Antoine, Olivier Moine, Élodie Turpin, Laure Huguenard, Vincent Robert et Jean-Philippe Degeai
p. 5-8

Résumés

Les biosphéroïdes calcitiques (Bcv) sont des granules produits par les vers de terre et majoritairement excrétés dans la partie supérieure des sols. Les Bcv ont été récemment mis en évidence dans les dépôts carbonatés du Quaternaire, et plus particulièrement dans les séquences loessiques. Dans cet article, nous présentons leurs variations d’abondance provenant d’une séquence du Dernier Glaciaire du nord de la France. Ces variations sont ensuite comparées à la stratigraphie, à la malacologie et aux données sédimentologiques pour évaluer le potentiel de ce nouveau bio-indicateur paléo-environnemental en contexte loessique. Les variations des Bcv révèlent un lien entre leur abondance et la nature des unités pédostratigraphiques. On observe une forte concentration dans les niveaux de gleys de toundra et les paléosols et une absence dans les unités loessiques, similaires à celles des mollusques. Dans un second temps, nous exposons une nouvelle méthode basée sur l’application d’analyses isotopiques sur les granules afin de quantifier les paléotempératures. Les Bcv peuvent donc être utilisés comme nouvel indicateur paléoenvironnemental et paléoclimatique.

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Texte intégral

Introduction

1Le lœss est défini comme une accumulation de limon d’origine éolienne caractéristique des environnements périglaciaires et des maxima glaciaires du Quaternaire. Les séquences lœssiques se déposent en marge des calottes glaciaires, principalement dans l’hémisphère nord entre 30 et 60°N. Ces séquences couvrent plus de 10 % de la surface de la terre.

2L’étude de ces séries lœssiques en Europe de l’Ouest a mis en évidence l’impact de la variabilité climatique millénaire caractéristique du Dernier Glaciaire sur les paléo-environnements continentaux (Antoine et al. 2009 ; 2014 ; Meszner et al. 2011 ; Moine et al. 2011). Dans ces dépôts carbonatés, cette variabilité se traduit par une alternance d’unités de lœss et de niveaux de gleys de toundra. Ces successions peuvent être corrélées avec les cycles de Dansgaard-Oeschger (cycles stadiaire-interstadiaire) mis en évidence dans les carottes de glace du Groenland (Rousseau et al. 2002 ; 2011 ; Antoine et al. 2009).

3Le pollen n’étant pas préservé dans le lœss en raison de sa trop grande porosité, c’est l’analyse à haute résolution des changements de la faune de mollusques terrestres qui permet d’étudier l’impact de la variabilité climatique millénaire sur l’environnement à l’échelle locale (Remy 1969 ; Schiermeyer 2002) ou régionale (Moine et al. 2008 ; 2011). En effet, les études malacologiques révèlent que le développement des niveaux de gleys de toundra est associé à des hausses de l’humidité et leur dégradation à des augmentations de température.

4Lors de tamisages malacologiques, des petits granules de calcite ont souvent été récoltés dans des dépôts calcaires du Quaternaire (Meijer 1985 ; Preece et al. 1995 ; Antoine 2012) et notamment dans les séquences lœssiques (Bronger 1966 ; Mazenot 1968 ; Becze-Deak et al. 1997). Ces granules, constitués de cristaux de calcite rhomboédriques (fig. 1, C-E), sont produits par des vers de terre (Darwin 1881 ; Bräm 1956 ; Canti 1998), principalement de la famille des Lombricidae, qui les excrètent en majorité à la surface et dans la partie supérieure des sols (Canti & Piearce 2003). Dans les séquences lœssiques, une forte augmentation de granules a été constatée dans les niveaux de gleys de toundra et de sols bruns, coïncidant avec les pics d’abondance en coquilles de mollusques (Moine et al. 2008 ; Antoine et al. 2009).

5Dans cet article, après avoir présenté brièvement les biosphéroïdes calcitiques de vers de terre (Bcv), nous décrivons l’évolution de leur concentration dans une série lœssique typique du Dernier Glaciaire (Weichselien) du nord de la France, Havrincourt, comprenant un niveau archéologique datant du début du Paléolithique supérieur. L’enregistrement à haute résolution de l’abondance en Bcv sera ensuite comparé avec ceux des autres paramètres analysés (stratigraphie, malacologie, sédimentologie) afin d’évaluer le potentiel des Bcv comme nouveau bio-indicateur paléoenvironnemental en contexte périglaciaire lœssique. Nous abordons enfin l’application de la géochimie isotopique sur les Bcv dans le but de quantifier les paléotempératures.

Les biosphéroïdes calcitiques de vers de terre en contexte périglaciaire

6La découverte de biosphéroïdes calcitiques de vers de terre dans les niveaux de gleys de toundra a mis en évidence la présence et donc la survie des vers de terre sous des conditions extrêmes (arides et froides) pendant le Weischelien en Europe de l’Ouest (Prud’homme et al. 2015). Les plus gros Bcv découverts dans les séquences lœssiques du nord de la France ont un diamètre supérieur à un millimètre. Canti & Piearce (2003) ont réalisé une étude sur des granules actuels provenant des huit espèces de vers de terre les plus courantes au Royaume-Uni. Ils ont constaté que seules deux espèces étaient capables de produire des granules de diamètre supérieur à 0,5 mm : Lumbricus terrestris et Lumbricus rubellus. Ces deux espèces sont actuellement présentes en France (Bouché 1972) et, en l’absence d’autres espèces actuelles connues produisant ce type de granule, nous supposons qu’elles l’étaient dans le nord de la France pendant le Dernier Glaciaire. Cependant, elles ne sont pas répertoriées dans les zones à pergélisol (Rasmussen & Holmstrup 2002 ; Holmstrup 2003). On les trouve néanmoins dans les régions périglaciaires actuelles : le sud-ouest de la Finlande (Nuutinen & Butt 2009), la Suède (Rundgren 1975) et la Russie (Tiunov et al. 2006 ; Meshcheryakova & Berman 2014). D’après Nuutinen & Butt (2009), L. terrestris peut hiverner pendant tout son cycle de vie et ses œufs protégés par un cocon peuvent survivre un mois dans un sol gelé. En effet, ils résistent mieux au froid grâce à une capacité de déshydratation pouvant atteindre 50 % de leur fluide corporel (Holmstrup 1994). Les œufs de L. terrestris et de L. rubellus peuvent ainsi respectivement survivre à des températures du sol de -5 et -35 °C (Meshcheryakova & Berman 2014). Ensuite, à l’âge adulte, ces deux espèces peuvent supporter des températures négatives du sol jusqu’à -1 °C et L. terrestris peut être actif juste au-dessus de 0°C (Rundgren 1975).

Dynamique de production des Bcv en contexte lœssique associé à un site archéologique

7Havrincourt est situé dans le département du Nord-Pas-de-Calais, à environ 80 km au nord-est d’Amiens, dans la zone lœssique du nord de la France. La séquence II-P5 d’Havrincourt est une série lœssique de 4 m d’épaisseur, typique du Weichselien supérieur (Pléniglaciaire). Cette séquence peut être divisée en six grandes unités (fig.1, A). La base est -composée d’un horizon de sol brun boréal (Weichselien moyen) représentant la partie supérieure du complexe de sols bruns boréaux (Bbs) de Saint-Acheul/Villiers-Adam. C’est dans cet horizon qu’a été découvert un niveau archéologique datant de l’extrême fin du Pléniglaciaire moyen, entre 34 et 35 milliers d’années (Antoine et al. 2014). Ce sol est recouvert par un horizon de gleys de toundra (unité I) connecté à un large réseau de fentes de glace résultant de l’installation d’un pergélisol. L’unité II correspond à un niveau de lœss calcaire homogène typique datant d’environ 31-32 milliers d’années (Locht et al. 2006 ; Antoine et al. 2014). Au-dessus de cette unité apparaît un complexe de deux niveaux de gleys de toundra cryoturbés séparés par un mince dépôt lœssique (unité III). Une unité de lœss calcaire (unité IV) recouvre ce complexe. L’horizon Bt formé pendant le Tardiglaciaire et l’Holocène (Van Vliet-Lanoë 1987) affecte la partie supérieure de la séquence (jusqu’à 1,8 m), où l’on retrouve une unité de lœss décalcifié (unité V).

Figure 1

Figure 1

Variations de l’abondance en Bvc (nombres de granules) de taille supérieure à 1 mm en fonction de la stratigraphie, de l’abondance en mollusques (nombres d’individus), de la teneur en carbone organique total (COT) et de la teneur en CaCO3 dans la séquence lœssique du Pléniglaciaire weichselien d’Havrincourt (nord de la France) (d’après Prud’homme et al. 2015, modifié).

A. Les unités stratigraphiques sont décrites dans le texte. B. Lame mince d’un granule provenant d’un paléosol de Villers-Adam datant du Pléniglaciaire moyen. C. Photographie au microscope électronique à balayage de la surface d’un granule d’Havrincourt. D. Photographie au microscope électronique à balayage de la structure cristalline interne d’un granule d’Havrincourt.

© Élodie Turpin

8Cette séquence a été échantillonnée en continu tous les 5 cm suivant le protocole d’Antoine et al. (2009). Quarante sacs de 10 litres de sédiment ont été prélevés. Les échantillons ont été tamisés à l’eau à 425 µm, puis nous avons extrait et compté les Bcv dont le diamètre était supérieur à 1 mm pour nous focaliser principalement sur le matériel produit par le genre Lumbricus (Canti 1998 ; Canti & Piearce 2003). Les mollusques ont été triés, identifiés et comptés en parallèle à partir des mêmes échantillons. La calcimétrie (CaCO3) a été réalisée sur 0,2 à 2 g de sédiments broyés très finement (200 µm) suivant la méthode volumétrique (calcimètre de Bernard). Le carbone organique total (COT) a été mesuré sur des sédiments secs (5-20 mg), tamisés à 200 µm et décarbonatés à l’acide chlorhydrique (HCl). Un analyseur élémentaire Thermo CHNS FlashEA 1112 a été utilisé pour mesurer la teneur en COT. La granulométrie a été effectuée en utilisant l’analyseur laser de particules en voie humide (Beckman Coulter LS-230), après avoir défloculé les argiles (agitation pendant 24h).

9Les principaux résultats sont synthétisés sur la figure 1A, montrant l’évolution de la concentration des Bcv en fonction de la stratigraphie, et comparés avec la malacologie et les données sédimentologiques. Les variations des Bcv sont très bien corrélées avec la pédostratigraphie, où l’on observe des pics d’abondance dans la partie supérieure du sol brun boréal (de 200 à 250 granules) et les niveaux de gleys de toundra (de 100 à 200 granules). Au contraire, la concentration dans les lœss typiques (unité II) est très pauvre, voire nulle. L’abondance en mollusques est très similaire, avec des valeurs plus élevées dans le paléosol et les gleys de toundra, et des valeurs basses dans les unités lœssiques. La teneur en COT est assez faible tout le long de la séquence (de 0,1 à 0,4 %) mais une légère augmentation est notable dans les horizons de paléosol et de gleys de toundra. Les variations de CaCO3 sont aussi comparables aux variations des Bcv.

10La très bonne corrélation des abondances en Bcv et en mollusques avec les teneurs en COT suggère un climat plus favorable et une amélioration des conditions environnementales pendant la formation des paléosols et des niveaux de gleys de toundra. Ceci est en accord avec les données malacologiques combinées à la sédimentologie de la séquence lœssique de référence de Nussloch (Vallée du Rhin, Allemagne) et confirme que le développement des gleys de toundra se produit pendant une période froide et humide suivie d’un court épisode plus chaud pouvant être corrélé avec les interstades du Groenland (Moine et al. 2008 ; Antoine et al. 2009). Les Bcv peuvent donc être considérés comme un nouveau bio-indicateur paléoenvironnemental, capable de mettre en évidence des événements climatiques millénaires au sein des séquences lœssiques du Dernier Glaciaire. Leur forte abondance dans les dépôts carbonatés du Pleistocène moyen, au moins jusqu’au MIS 11 (Antoine, com. pers.) permettra aussi de caractériser les changements climatiques au sein des interglaciaires plus anciens.

Utilisation de la géochimie isotopique pour développer un nouveau paléothermomètre

11Les isotopes stables du carbone (13C) et de l’oxygène (18O) sont les principaux marqueurs utilisés pour la reconstitution des paléoclimats, que ce soit en domaine glaciaire (carottes de glace), marin (foraminifères) ou continental (spéléothèmes, mollusques). Les teneurs en 18 des carbonates sont -contrôlées par deux paramètres : la température et la composition isotopique de l’eau. Les Bcv étant constitués de carbonate de calcium, leur rapport isotopique 18/16 peut être mesuré et utilisé dans le cadre de reconstitutions paléoclimatiques. Ce rapport isotopique (18) renseigne sur la température de cristallisation des granules à l’intérieur du ver et permet ainsi d’estimer les températures du sol. Sur la base d’élevage de vers de terre en conditions contrôlées, une équation a été établie entre ces trois paramètres : 18 des Bcv, température et 18 des précipitations (Versteegh et al. 2013). En partant de l’équation de Kim & O’Neil (1997) établie pour les carbonates synthétiques, Versteegh et al. (2013) ont montré l’existence d’un effet vital caractérisé par un enrichissement en 18O de l’ordre de 1,51 ‰.

12L’estimation des paléotempératures en contexte lœssique est donc possible en mesurant le 18O des Bcv et en estimant le 18O des précipitations. Ce dernier paramètre reste le plus difficile à contraindre. Toutefois, grâce à la base de données de l’International Atomic Energy Agency (Iaea) qui répertorie plusieurs paramètres climatiques de nombreuses stations dans le monde, il est possible d’établir une relation entre les températures de l’air et le 18O des précipitations actuelles. En combinant les deux équations, l’application d’analyses isotopiques sur les Bcv doit permettre de reconstituer des paléotempératures.

13Une fois son développement mis au point, cette méthode sera donc appliquée, par exemple, sur la séquence de référence de Nussloch en Allemagne, riche en éléments de comparaisons. Après confirmation de la méthode, de nouvelles applications sont envisagées sur des échantillons provenant des niveaux archéologiques des séquences lœssiques du nord de la France comme par exemple Havrincourt et Renancourt. Les paléotempératures reconstituées, actuellement en cours de publication, contribueront à une meilleure caractérisation du climat et de l’environnement durant les phases d’occupation du territoire par les peuplements humains.

Conclusion

14La découverte de granules dans les séquences lœssiques nous a permis de mettre en évidence la survie des vers de terre du genre Lumbricus pendant le Dernier Glaciaire. La forte abondance des Bcv et des mollusques dans les niveaux de gleys de toundra et de paléosol montre que le climat est -sensiblement plus favorable pendant ces phases interstadiaires. L’exploitation de ce nouveau bio-indicateur permet donc de renforcer la caractérisation des changements climatiques et environnementaux millénaires au sein des séquences lœssiques du Dernier Glaciaire. De plus, les analyses isotopiques sur les Bcv devraient permettre de quantifier les paléotempératures de ces milieux. L’ensemble des approches réalisées ou en cours confirment donc leur statut d’un enregistreur paléoenvironnemental et paléoclimatique inédit en contexte continental lœssique carbonaté, disponible sur des sites archéologiques pour appréhender au mieux les relations Homme-milieu en période glaciaire et interglaciaire.

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Table des illustrations

Titre Figure 1
Légende Variations de l’abondance en Bvc (nombres de granules) de taille supérieure à 1 mm en fonction de la stratigraphie, de l’abondance en mollusques (nombres d’individus), de la teneur en carbone organique total (COT) et de la teneur en CaCO3 dans la séquence lœssique du Pléniglaciaire weichselien d’Havrincourt (nord de la France) (d’après Prud’homme et al. 2015, modifié).
URL http://nda.revues.org/docannexe/image/3269/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 595k
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Pour citer cet article

Référence papier

Charlotte Prud’homme, Pierre Antoine, Olivier Moine, Élodie Turpin, Laure Huguenard, Vincent Robert et Jean-Philippe Degeai, « Les biosphéroïdes calcitiques de vers de terre », Les nouvelles de l'archéologie, 142 | 2016, 5-8.

Référence électronique

Charlotte Prud’homme, Pierre Antoine, Olivier Moine, Élodie Turpin, Laure Huguenard, Vincent Robert et Jean-Philippe Degeai, « Les biosphéroïdes calcitiques de vers de terre », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 142 | 2016, mis en ligne le 18 janvier 2016, consulté le 24 mai 2017. URL : http://nda.revues.org/3269 ; DOI : 10.4000/nda.3269

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Auteurs

Charlotte Prud’homme

Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne, doctorante Labex DynamiTe rattachée à l’Umr 8591, Laboratoire de géographie physique : environnements quaternaires et actuels, Meudon,
charlotte.prudhomme@lgp.cnrs.fr

Pierre Antoine

Umr 8591, Laboratoire de géographie physique : environnements quaternaires et actuels, Meudon,
antoine@cnrs-bellevue.fr

Olivier Moine

Umr 8591, Laboratoire de géographie physique : environnements quaternaires et actuels, Meudon,
olivier.moine@lgp.cnrs.fr

Élodie Turpin

Umr 8591, Laboratoire de géographie physique : environnements quaternaires et actuels, Meudon,
elodie.turpin0@gmail.com

Laure Huguenard

Umr 8591, Laboratoire de géographie physique : environnements quaternaires et actuels, Meudon,
laure.huguenard@gmail.com 

Vincent Robert

Institut de physique du globe de Paris, Observatoire volcanologique et sismologique de la Guadeloupe,
robertv@ipgp.fr

Jean-Philippe Degeai

Umr 5140 Archéologie des sociétés méditerranéennes, Cnrs, Université de Montpellier, Lattes,
jean-philippe.degeai@cnrs.fr

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