Paleohydrology of tropical South America since the Last Glacial Maximum. Insights from the δD of algal and terrestrial molecular markers in lake sediments.

There is renewing evidence that the Tropics might strongly influence climate dynamics on millennial time-scales. Part of this "tropical forcing" is related to changes in the water cycle that impacts atmospheric and oceanic processes on a broad scale. Past variations of the continental hydrology are poorly documented due to the few available records and the lack of quantitative data on climate parameters. The deuterium/hydrogen ratio (δD) of algal derived biomarkers captures the isotopic composition of meteoric waters (Huang et al., 2002; Sachse et al., 2004). In turn, terrestria lly-derived biomarkers captures the isotopic composition of meteoric waters through their δD but with a strong influence of the evapotranspiration. A combination of these two factors should thus allow the quantification of the variations in relative humidity (i.e. precipitation–evaporation; P-E). We applied such an approach to estimate hydrological changes in Northern Brazil during the last 20,000 yr. The δD of algal (n-C18) and land plant (n-C30) fatty acids (FA) have been measured on 30 samples selected on a 6 m long lacustrine sediment core. In a first approximation, we considered a mean hydrogen isotope fractionation of -157 ‰ between the n-C18 FA and water and between the n-C30 FA and water of -128 ‰ (e.g. Sachse et al., 2004). Because the amount of precipitation is the major control on the isotopic composition of meteoric waters in tropical systems, we used the ΔDwat-alg (δD of the water used by algae for lipid synthesis, estimated from the δD of the n-C18 FA) as a proxy of precipitation amount. The δDwat-hp (δD of the water used for land plant lipids synthesis) is measured from the ΔD of the n-C30 FA and used to estimate relative moisture (P-E). The difference in isotope fractionation between land plants and phytoplankton (δDwat-hp - δDwat-alg) is used to quantify evapotranspiration (evaporation from soils and transpiration from plants). These results allowed to distinguish five contrasted periods in our 20,000 yr record (see below). The 20-19 kyr period is characterized by high precipitation associated with high evapotranspiration, i.e. a semi-arid climate. By comparison, from 19 to 17 kyrs, both precipitation and evapotranspiration are both reduced. The resulting climate is nevertheless dryer than during the previous stage. During the Lateglacial interval, i.e. from 17 up to 13.5 kyrs, evapotranspiration is reduced but the precipitation which remains at the same level than before entails a more humid climate. The Younger Dryas interval (YD) shows higher precipitation levels but stronger evapotranspiration, thus a dryer climate than during the Lateglacial but nevertheless more humid than at the end of the Last Glacial Maximum (LGM). Finally, the Holocene shows a decreasing trend in the amount precipitation and with few variations of the evapotranspiration that finally delineate a drying trend. These results are coherent with independent data produced by palynology and biomarker analysis (Ledru et al., 2001; Jacob et al., 2004) and give clue information on the variations in water cycling in the Tropics since the LGM

Distribution et état de préservation de la matière organique sédimentaire des sédiments superficiels du Lac Caço (Maranão, Brésil). Production/diagenèse organique précoce et remplissage sédimentaire lacustre

Le Lac Caço est situé au Nord-Est du Brésil, dans l'Etat de Maranhaõ, sous l'Equateur (2°58S 43°25 W), en bordure de la forêt amazonienne et à 80 km de la côte Atlantique. Son altitude ne dépasse pas les 80m. Ce lac est largement influencé par le climat intertropical humide (1500 à 1750mm/an), caractérisé par une saison pluvieuse de 6 mois, de décembre jusqu'au mois de mai. La température annuelle moyenne est de 26°C. Sa situation à l'entrée de le zone de convergence intertropicale lui confère une importance majeure dans les études paléoenvironnementales et paléoclimatiques quaternaires du continent sud américain. L'objectif principal de ce travail était d'étudier la nature, l'état de préservation et les sources actuelles de la MO sédimentaire d'un bassin lacustre équatorial, par le moyen d'analyses globales en géochimie et pétrographie organiques

Enregistrement des variations paléoenvironnementales durant le Quaternaire récent en domaine intertropical (Lac Caço, Brésil) : Apports de la géochimie organique globale et moléculaire.

Le Lac Caço (Etat de Marañhao, Brésil), situé dans la zone équatoriale, fait l'objet d'études pluridisciplinaires (de sédimentologie, palynologie, microbiologie, géophysique et géochimie) destinées à compléter les travaux antérieurs réalisés sur d'autres lacs sud-américains (revue dans Sifeddine et al., 2001). L'ensemble de ces recherches s'inscrit dans une problématique générale d'estimation des fluctuations climatiques en Amérique du Sud pendant le Quaternaire, ainsi que des modalités de leur enregistrement en milieu lacustre. Le caractère oligotrophe actuel du lac Caço fournit en outre un cadre privilégié pour l'étude de la diagenèse précoce de la matière organique (MO) dans un contexte oxique. Cette MO sédimentaire lacustre offre, au niveau moléculaire, une sensibilité évidente aux variations paléoenvironnementales conséquentes aux changements climatiques, sensibilité qui a été décrite en milieu tempéré comme en milieu intertropical (Huang et al, 1999). Toutefois, peu d'études ont concerné des lacs du domaine intertropical en Amérique du Sud (Lac Valencia, Jaffée et al., 1995), ce qui augure la découverte de nouveaux biomarqueurs indicateurs de modifications bioclimatiques. Nous rapportons ici les informations déduites de l'étude des cortèges moléculaires identifiés dans la fraction aliphatique extraite de sédiments échantillonnés sur une carotte de 6 m de long, prélevée au centre du lac. Ces échantillons ont été sélectionnés à la lumière des données de pyrolyse Rock Eval obtenues sur 300 échantillons, ainsi que des analyses pétrographiques (études dites des palynofaciès). Cinq intervalles, reprenant les quatre faciès sédimentologiques majeurs, ont été différenciés sur la carotte grâce à la confrontation des paramètres Rock Eval. La partie inférieure, constituée de sables fins, présente de faibles valeurs de carbone organique (COT<5%) et des IH variant entre 300 et 400 mg HC.g-1COT. Des intercalations de matériel ligno-cellulosique sont à l'origine de faibles valeurs de Tmax enregistrées sur cet intervalle. Les sédiments sont ensuite constitués de silts dont la MO diffère de celle des sables par des Indices d'Hydrogène (IH) en moyenne plus élevés. La transition entre la moitié inférieure de la carotte à dominante détritique et la partie supérieure à dominante argilo-organique montre une chute drastique de l'IH associée à une nette augmentation des Indices d'Oxygène (IOCO et IOCO2). Ces derniers décroissent ensuite de façon continue avant d'augmenter brusquement vers 2,30m en réponse à la présence de sidérite mise en évidence par un pic de carbone minéral (Cmin). Enfin, les sédiments argilo-organiques du sommet de la carotte sont caractérisés par des teneurs en COT croissant jusqu'à 15% avant de se stabiliser à 10% sur le dernier mètre. La pétrographie organique est en accord avec les résultats de géochimie qui indiquent, dans la partie supérieure de la carotte, la prépondérance d'un matériel amorphe supposé caractéristique d'un remaniement microbien alors que la partie inférieure présente un matériel ligno-cellulosique plus ou moins préservé. Dans la partie supérieure de la carotte, la présence de débris de charbon de bois témoigne d'un réchauffement climatique ou plus sûrement de l'installation des hommes dans la région. Enfin, la pyrite identifiée dans les silts pourrait indiquer des conditions plus réductrices dans la colonne sédimentaire associées à un plus fort taux de sédimentation comme l'atteste la différence de granulométrie. Les premiers résultats de l'analyse moléculaire portent sur des composés hopaniques d'origine microbienne, des triterpanes pentacycliques hérités de végétaux supérieurs, ainsi que les produits de dégradation de ces derniers, les des-A-triterpanes. Les hopanes (C27 à C32) présentant la configuration Β,Β dominante sauf pour le composé en C31, représentent la majeure partie des composés identifiés dans l'intervalle argilo-organique. En revanche, dans la partie inférieure de la carotte, les composés dominants sont des des-A-triterpanes associés à quelques triterpènes pentacycliques. La variété de ces produits de dégradation de triterpènes pentacycliques tels que les oléananes, lupanes, arboranes... souligne la très grande diversité de leurs précurseurs végétaux. La série détritique contient également de l'onocérane, composé dont le précurseur végétal appartient probablement à la famille des graminées. Ce composé a par ailleurs été décrit (Pearson et Obaje, 1999) dans des sédiments du Crétacé avec les mêmes types d'associations moléculaires que dans nos échantillons (abondance de triterpanes, de Β,Β hopanes et prédominance des alcanes linéaires à longue chaîne). La MO témoigne, en relais de la lithologie, de changements majeurs intervenus dans le milieu de sédimentation du Lac Caço. La participation des végétaux supérieurs à la MO sédimentaire se signale par des triterpanes et triterpènes dégradés dans la partie supérieure et des triterpanes pentacycliques mieux conservés dans la partie inférieure. La présence d'onocérane dans l'horizon détritique inférieur pourrait indiquer un couvert végétal réduit de type savane avant le développement de conditions plus humides conduisant à la végétation actuelle de type cerrado (savane arbustive). Cette hypothèse est supportée par les apports initiaux en sédiments grossiers puis plus fins à la faveur de la stabilisation du bassin par la végétation. L'analyse d'autres familles de composés (hydrocarbures aromatiques, cétones, éthers et alcools) doit aboutir à l'identification d'autres précurseurs biologiques ainsi qu'à celle de termes encore plus dégradés des triterpènes pentacycliques

Paleohydrological changes during the last deglaciation in Northern Brazil

International audienceWe here report a reconstruction of hydrological balance variations in Northern Brazil for the last 20 ka deduced from the ΔD values of aquatic and land plant molecules extracted from the sediment infill of Lake Caçó. Our reconstructed precipitation, lake water isotope ratio and evaporation-evapotranspiration isotope effect allow us to obtain an estimate of moisture balance, and, to a lesser extent, precipitation amount and seasonality changes. During the end of the Last Glacial Maximum (LGM, between ca. 20 and 17.3 ka), high ΔD values and smaller fractionation of leaf waxes indicate an arid to semi-arid climate with a long lasting dry season. An abrupt change towards much wetter conditions occurred within ca. 500 years from 17.3 to 16.8 ka, as shown by a 50 ‰ decrease in D/H ratios and a marked increase in H isotopic fractionation of leaf waxes. This abrupt isotopic change coincides with a major transformation from savanna-dominated vegetation to humid rain forest around the lake, based on pollen data. Comparisons with other paleo-precipitation records from South American sites indicate that late glacial humid conditions were controlled by intensification of the ITCZ and/or a southward shift of its mean position across our study site. Our isotope data show only a small rise in aridity during Younger Dryas event (13 to 11.5 ka). Although the Holocene was not screened in details, D/H ratios of terrestrial and aquatic compounds show near constant offsets, suggesting stable and relatively humid climate conditions during this period

Diatom assemblage in a tropical lake of northeastern Brazil

The composition and spatial variation of diatom assemblage in surface sediments of Caçó Lake (shallow, mesotrophic and weakly acid lake - Maranhão State, Brazil) were analyzed in order to know the distribution pattern of the species along the lake during rainy season (April 1999). Four zones were established in the lake based on 21 diatoms species and habitat affinities. The first three zones (prime three meters deep to six meters deep) were marked by the occurrence of Pinnularia gigas, Frustulia rhomboides, Encyonopsis krasskei, Eunotia camelus, E. femoriformis and E. monodon. Zone IV (seven to nine meters deep) was inhabited mainly by Surirella biseriata and Fragilariforma floridana. During the beginning of the rainy season, the diatom assemblage in Caçó Lake was composed mainly by benthic and epiphytic forms that reflected the low lake levels and the abundance of littoral vegetation present in this lake.Com o objetivo de se conhecer a dinâmica espacial e a distribuição das diatomáceas contidas no sedimento superficial do lago Caçó, durante o período de chuvas (abril de 1999) foram realizadas coletas em um "transect" horizontal. A partir da observação destas coletas efetuadas a cada 1 metro pode-se observar que a distribuição das diatomáceas esteve fortemente ligada a ocorrência do banco de macrófitas da sua margem, com a ocorrência maciça das espécies epifíticas e bentônicas. A análise de agrupamento de dados permitiu uma melhor visualização, da sua distribuição a cada profundidade e também das associações específicas em cada zona. Os resultados deste estudo permitiram concluir que a ocorrência e distribuição das diatomáceas do Lago Caçó está fortemente ligada ao banco de macrófitas localizado em suas margens, definindo assim zonas características dentro do lago

Estimation des variations d'humidité dans le nord-est du Brésil depuis 20 000 ans au moyen du D/H de biomarqueurs moléculaires

National audienceLes Tropiques sont le siège des principaux transferts de chaleur et d'humidité terrestres, ce qui leur confère un rôle majeur dans la dynamique globale du climat. Alors que les mécanismes qui dirigent les changements rapides du climat étaient jusqu'à présent principalement recherchés aux hautes latitudes, des études récentes (Peterson et al., 2000) ont proposé que les modifications du cycle de la vapeur d'eau dans les Tropiques ont pu perturber la circulation thermohaline et donc le climat global. L'un des challenges méthodologiques des paléoclimatologues continentalistes est de définir des paramètres quantitatifs de ces variations d'humidité. Dans le cadre des études entreprises sur le Lac Caçó (NE Brésil), nous avons appliqué une technologie récente qui permet de mesurer la composition isotopique en hydrogène (ΔD) de molécules individuelles, extraites des sédiments. Selon cette approche, la signification du message isotopique est maîtrisée en réalisant la mesure sur des molécules dont l'origine biologique est contrainte. Ainsi, l'acide palmitique est principalement produit par le phytoplancton. Huang et al. (2002) ont montré que le ΔD de cette molécule capture le ΔD des eaux lacustres et permet donc de retracer les variations de ΔD des eaux météoriques. Sous les Tropiques, le ΔD des eaux météoriques est contrôlé par la pluviosité. Nous avons donc utilisé le ΔD de l'acide palmitique comme paramètre de pluviosité. Le ΔD des molécules produites par les végétaux terrestres, tel l'acide gras à 30 carbones (nC30 AG), capture également le ΔD des eaux météoriques mais est ensuite affecté par l'évapo-transpiration. Le ΔD du nC30 AG enregistre donc les variations d'eau disponible pour la plante ou humidité relative. La déconvolution du ΔD des eaux météoriques, obtenu par le ΔD de l'acide palmitique, et du ΔD du nC30 AG permet d'accéder aux variations d'évaporation et de transpiration. Nos résultats indiquent des conditions très sèches à la fin du Dernier Maximum Glaciaire (DMG, entre 20 et 17 kans) puis beaucoup plus humides pendant le Tardiglaciaire (TG, entre 17 et 13 kans) suivies d'un retour à des conditions plus sèches pendant le Dryas Récent (YD, entre 13 et 11,5 kans), en accord avec des données indépendantes. De façon surprenante, les périodes les plus sèches correspondent aux périodes de plus forte pluviosité. Cette apparente contradiction est levée en supposant des changements de saisonnalité des précipitations. A la fin du DMG et pendant le YD des précipitations abondantes pendant une courte saison humide ont/auraient favorisé le développement de communautés phytoplanctoniques opportunistes. Le ΔD des molécules qu'elles produisent enregistre alors un signal de forte pluviosité. Pendant la longue saison sèche qui suit, les végétaux terrestres sont affectés par une forte évapo-transpiration, ce qui est enregistré par le ΔD du nC30 AG. La comparaison avec d'autres enregistrements en Amérique du Sud tropicale souligne une forte disparité géographique des variations d'humidité. En particulier, on peut noter une relation d'anti-phase entre les sites localisés à l'ouest du Lac Caçó et les sites de l'extrême nord-est brésilien. Ces variations, et la zonalité des changements d'humidité sont en partie attribués aux déplacements des Zones de Convergence InterTropicale qui constituent le contrôle majeur des précipitations en Amérique du Sud. Nos résultats indiquent aussi que les variations d'humidité qu'ils enregistrent sont liées à des modifications de la saisonnalité des précipitations, un paramètre clé du climat qui demeure largement sous-estimé dans les études paléoclimatiques. HUANG, Y., SHUMAN, B., WANG, Y., ET THOMPSON WEBB III (2002). Hydrogen isotope ratios of palmitic acid in lacustrine sediments record late Quaternary climate variations. Geology,30 :103–1106. PETERSON, L.C., HAUG, G.H., HUGHEN, K.A. ET RÖHL, U. (2000). Rapid changes in the hydrologic cycle of the Tropical Atlantic during the Last Glacial. Science, 290 : 1947-195

BRAZILIAN ARCHIVES OF BIOLOGY AND TECHNOLOGY A N I N T E R N A T I O N A L J O U R N A L Diatom Assemblage in a Tropical Lake of Northeastern Brazil

ABSTRACT The composition and spatial variation of diatom assemblage in surface sediments of Caçó Lake (shallow, mesotrophic and weakly acid lake -Maranhão State, Brazil) were analyzed in order to know the distribution pattern of the species along the lake during rainy season (April 199