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Waziers (France) : les isotopes de l’oxygène des dents de grands mammifères pour reconstruire les paléotempératures de l’avant‑dernière transition glaciaire/interglaciaire (SIM 6/5)

Waziers (France): oxygen isotopes of large mammal teeth to reconstruct paleotemperatures of the penultimate glacial/interglacial transition (MIS 6/5)
Chloé Maréchal, Christophe Lécuyer, Romain Amiot, François Fourel, Pierre Antoine, Patrick Auguste, Laurent Deschodt et David Hérisson
p. 323-339

Résumés

La dernière période interglaciaire (Last Interglacial, LIG, ou Stade Isotopique Marin 5.5, SIM 5.5), comprise entre environs 129 et environs 16 milliers d’années avant aujourd’hui (ci-dessous ka), est peu documentée, en particulier en domaine continental en raison de la rareté des dépôts attribuables à cette période qui correspond à l’Eemien dans la chronostratigraphie de l’Europe du nord-ouest. Le manque de documentation est encore plus prononcé pour la déglaciation qui précède le LIG, la Transition SIM 6/5 ou Terminaison 2, qui a duré une dizaine de milliers d’années. Dans ce contexte, le site de Waziers, localisé en Europe occidentale (France), présente une séquence exceptionnelle constituée de dépôts successifs fins limono-calcaires couvrant l’avant-dernière déglaciation (SIM 6/5) et des tourbes riches en restes végétaux contemporaines du dernier interglaciaire (SIM 5.5). L’analyse isotopique de l’oxygène du phosphate de l’émail de dents de grands mammifères herbivores (cheval, Equus sp. ; mégalocéros, Megaloceros giganteus ; chevreuil, Capreolus capreolus) présents dans ces dépôts a permis de reconstituer les paléotempératures de l’air du vivant des animaux. Les résultats donnent des températures moyennes annuelles de 4,7 ± 0,6°C pour une première phase de la déglaciation (5 dents d’un même individu), de 6,9 ± 0,5°C pour une phase médiane de la déglaciation (1 dent), et de 8,6 ± 0,5°C pour une phase précédant l’établissement du dernier interglaciaire, le SIM 5.5 (1 dent). Des artefacts paléolithiques (silex) ont été découverts dans les dépôts contemporains de cette dernière phase - ainsi que dans ceux attribués au SIM 5.5. En accord avec les données palyno- logiques, les paléotempératures mettent en évidence un réchauffement progressif au cours d’une partie de la transition glaciaire/ interglaciaire, la Transition SIM 6/5. L’écart de environ 4°C entre la température minimale et la température maximale reconstituées ici permet de minorer l’écart de température entre la période glaciaire SIM 6.2 et la période interglaciaire SIM 5.5 sur le site de Waziers.

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Texte intégral

Les auteurs remercient Mathilde Devidet pour l’aide apportée à la réalisation de cette étude dans le cadre de son stage de Master 2.

1- Introduction

1L’avant-dernière transition glaciaire/interglaciaire ou Transition SIM 6/5 (Stade Isotopique Marin 6/5) succède à l’avant-dernière phase glaciaire, le SIM 6 (environs 185 à environs 140 ka, Jouzel et al., 2007), qui s’achève par un maximum glaciaire autour de environs 140 ka, le SIM 6.2 (Waelbroeck et al., 2002). Cette phase de transition SIM 6/5 précède la dernière phase tempérée interglaciaire, qui s’ouvre sur la période la plus chaude, le SIM 5.5 (environs 129 à environs 116 ka, Masson-Delmotte et al., 2013 ; Capron et al., 2017) (Eemien). Les transitions glaciaire/interglaciaire au cours des derniers cycles climatiques sont caractérisées par de grands changements en surface du globe terrestre, en particulier par le retrait des immenses calottes de glace de l’hémisphère nord (Amérique du nord et Eurasie), la montée du niveau marin de plus de 120 mètres (Waelbroeck et al., 2002 ; Lambeck et al., 2014) et les changements majeurs de biomes et d’assemblages fauniques en milieu marin et continental. En Europe de l’Ouest, par exemple, ces transitions sont marquées par une évolution nette de la végétation depuis un milieu ouvert de toundra vers un milieu forestier (de Beaulieu et al., 2006). L’écart de température moyenne annuelle entre le pic des conditions glaciaires et celui des conditions interglaciaires sur les cinq derniers cycles climatiques a été estimée entre 4°C et 8°C (Otto-Bliesner et al., 2006 ; Shakun and Carlson, 2010 ; Snyder et al., 2016 ; Fischer et al., 2018).

2Les études centrées sur l’établissement progressif de la Transition SIM 6/5 sont rares, en particulier en milieu continental. En Europe de l’Ouest, le site de Waziers (France) offre un cadre remarquable pour une telle étude. Le travail présenté ici se situe dans la perspective de caractériser la Transition SIM 6/5 à Waziers. Les dépôts sédimentaires sont en effet exceptionnels car ils couvrent les différentes étapes de cette avant-dernière transition glaciaire/interglaciaire avec une résolution temporelle élevée. Par ailleurs, leur nature a permis une excellente conservation de restes organiques (macro-restes végétaux, graines, bois, ossements de mammifères et d’oiseaux, mollusques, insectes). Enfin, le site est remarquable du fait de la présence avérée de l’Homme de Néandertal à la fois durant la transition glaciaire/interglaciaire SIM 6/5 et durant l’interglaciaire du SIM 5.5 (Hérisson et al., 2022). Notons qu’un autre site remarquable pour l’étude de l’établissement et du développement de l’interglaciaire du SIM 5.5 existe en France septentrionale : il est situé à Caours (Baie de Somme, France), à environ 90 km à l’est de Waziers (fig. 1A). Sur ce site, les dépôts de tuf, comprenant plusieurs niveaux archéologiques, ont déjà livré de nombreuses données pour les reconstitutions paléoclimatiques (Antoine et al., 2006 ; Dabkowski et al., 2015) et continuent d’être étudiés en détail.

3L’étude de la stratigraphie et des bio-indicateurs (palynologie, malacologie) des dépôts de Waziers permet de reconstituer l’évolution climatique et paléoenvironnementale au cours du réchauffement contemporain de cette transition (Gauthier, 2022 ; Limondin-Lozouet, 2022). Une méthode de reconstitution du climat, parmi d’autres, repose sur l’analyse de la composition isotopique de l’oxygène du phosphate de dents de certaines espèces de grands mammifères fossiles. Cette méthode permet de reconstituer la température de l’air au moment de la vie de l’animal (Longinelli, 1984 ; Delgado Huertas et al., 1995 ; Lécuyer et al., 2021). Elle est particulièrement puissante dans la mesure où elle offre la possibilité de proposer des valeurs bien calibrées pour ces températures. Elle est utilisée ici, en s’appuyant sur les échantillons de dents de mammifères disponibles sur le site de Waziers.

4Parmi l’ensemble des fossiles fauniques du site de Waziers, plusieurs dents de grands mammifères appartenant à trois niveaux stratigraphiques distincts, contemporains de la Transition SIM 6/5, et pouvant être exploitées pour la reconstitution des paléotempératures, ont été identifiées. L’objectif de ce travail est de présenter et de discuter les paléotempératures de l’air obtenues au cours de phases successives de la Terminaison SIM 6/5.

Fig. 1 : Localisation du gisement de Waziers « Bas-Terroir » (France).

Fig. 1 : Localisation du gisement de Waziers « Bas-Terroir » (France).

(A) Localisation de la plaine de la Scarpe en Europe du nordouest. Coordonnées UTM. (B) Localisation du gisement de Waziers dans la plaine de la Scarpe. Coordonnées en mètres Lambert 93. (C) Localisation du gisement de Waziers « Bas-Terroir » sur un MNT issu du Lidar Scarpe (Source DREAL).

2- Site d’étude

2.1- Localisation et contexte climatique actuel

5Waziers est une commune d’Europe occidentale située à 50°23’14’’N, 03°06’47’’E dans le Nord de la France (région des Hauts de France), à environ 110 km des côtes de la mer de la Manche et à environ 85 km de celles de la Mer du Nord (fig. 1A). Le gisement fossilifère de Waziers, au lieu-dit « Le Bas Terroir », est localisé sur la bordure sud-ouest de la plaine de la Scarpe, à une altitude d’environ 21 m NGF (fig. 1B,C).

6La région des Hauts de France est caractérisée par un climat de type océanique tempéré. A Waziers, les précipitations sont de 748 mm en moyenne annuelle (entre 1999 et 2019) et distribuées de façon relativement uniforme au cours de l’année (Climate-data.org, basé sur les données ECMWF). La température, quant à elle, est de 11,0°C en moyenne annuelle sur la période 1999-2019, avec des moyennes mensuelles saisonnières variant de 4,0°C en janvier à 18,6°C en juillet (Climate- data.org). La température moyenne annuelle est typique des moyennes latitudes en milieu continental tempéré dans l’hémisphère nord.

2.2- Le gisement fossilifère de Waziers

2.2.1- Intérêt du gisement

7Observé une première fois en 2011 puis mis en évidence en 2013 lors d’un diagnostic archéologique, le gisement paléolithique de Waziers a fait l’objet de fouilles programmées de 2013 à 2015, puis en 2017 (pour l’historique des observations et opérations, voir Hérisson et al., 2022). La séquence de dépôts fluviatiles et tourbeux du dernier interglaciaire au site de Waziers correspond au remplissage d’un large paléoméandre localisé sur la bordure sud-ouest de la plaine de la Scarpe (fig. 1B-C) (Deschodt et al., 2022). Cette séquence est constituée de limons organiques carbonatés et de tourbes attribuées à l’avant-dernière transition glaciaire/interglaciaire (SIM 6/5) et à la dernière période interglaciaire (SIM 5.5). Ces dépôts ont été fortement érodés puis préservés par une épaisse couverture de dépôts éoliens périglaciaires (loess) de plus de 3 m d’épaisseur, attribués à la dernière période glaciaire (SIM 4 à 2, ou Weichselien). Les pollens, les bois, les macro-restes végétaux, les mollusques, les restes de mammifères et d’insectes y sont particulièrement bien conservés (Locht et al., 2014 ; Hérisson et al., 2015, 2017). Enfin, des artefacts (silex taillés dont des éclats Levallois, et des os portant des traces de découpes et de combustion) attestent d’une occupation humaine néandertalienne dans ce lieu à différentes périodes autour du dernier interglaciaire et, à ce titre, font de Waziers un site majeur.

2.2.3- Stratigraphie

8La stratigraphie au droit de la fouille 2014 (d’où provient le matériel étudié) et de la fouille 2015 est synthétisée sur la figure 2 (pour une présentation plus détaillée voir Deschodt et al., 2022). Le substrat géologique du gisement de Waziers est constitué de formations tertiaires (Thanétien) surmontant la craie sénonienne. Au-dessus de la craie, les niveaux fossilifères sont encadrés par deux types de dépôts grossiers. Le plus ancien (US3, « US » signifiant « Unité Stratigraphique ») correspond à un dépôt de nappe alluviale sablo-graveleuse mis en place sous un régime périglaciaire attribué à l’avant- dernière période glaciaire (SIM 6). Ce dernier comprend, en particulier, l’avant-dernier maximum glaciaire (SIM 6.2). Le plus récent consiste en un dépôt nettement érosif (US6) qui ravine les dépôts fossilifères. Ce dépôt est recouvert par des sédiments sablo-crayeux (US7a) puis des limons sableux (US7b), enfin des lœss (US7c). Les unités US6 et US7 sont attribuées à la dernière période glaciaire (SIM 4 à 2, Weichselien). La transition glaciaire/interglaciaire du SIM 6/5 et la dernière période interglaciaire du SIM 5.5 sont donc enregistrées dans les unités US4 et US5.

9L’US4 (fig. 2) est caractérisée par des dépôts fluviatiles fins à dominante minérale. Localement, quand l’unité est bien dilatée, on y distingue cinq sous-unités aux limites diffuses : US4a, les limons gris inférieurs (gris vert) ; US4b, les limons intermédiaires légèrement organiques (gris brun) ; US4c, les limons gris supérieurs ; US4d, les limons supérieurs légèrement brunâtres ; US4e, le limon brun avec des traits pédogénétiques présents sur la seule fouille de 2015 (amorce probable d’une rive).

10L’US5 est dominée par des dépôts fluviatiles fins à dominante organique et se divise en cinq sous‑unités : US5a, les limons bruns inférieurs ; US5b, la tourbe inférieure (dite tourbe « à canards ») ; US5c, le limon gris en large chenal; US5d, le limon gris en petits chenaux (qui érodent localement US5b et US5c) ; US5e, les limons bruns et la tourbe supérieure (dite tourbe « à castors »).

Fig. 2 : Synthèse stratigraphique du site de Waziers sur la fouille 2014-2015.

Fig. 2 : Synthèse stratigraphique du site de Waziers sur la fouille 2014-2015.

Les unités stratigraphiques (US) sont indiquées pour chaque niveau. US1 : Substrat antéquaternaire (sable éocène), US2 : Formation de versant, US3 : Dépôts grossiers fluviatiles (craie, sable glauconieux, grès glauconieux), US4 : Dépôts fluviatiles fins à dominante clastique (4a : Limon gris inférieur, 4b : Limon légèrement organique, 4c : Limon gris supérieur, 4d : Limon brunâtre, 4e : Horizons pédologiques), US5 : Dépôts fluviatiles fins à dominante organique (5a : Limon brunâtre inférieur, 5b : Tourbe laminée inférieure, riche en avifaune, 5c : Limon gris laminé, remplissage d’un large chenal, 5d : Limon gris, remplissage de chenaux étroits, 5e : Limon brunâtre supérieur et tourbe, riche en bois et en os de castors), US6 : Dépôts fluviatiles remaniés, graviers d’argile et figures thermokarstiques, US7 : Dépôts de couverture (7a : Graviers de craie, 7b : Sable et limon lité, 7c : Lœss et pédogenèse). * : Unité exclusivement présente sur l’excavation 2015. Les « membres 1 à 3 » correspondent à des regroupements d’unités stratigraphiques.

2.2.3- Environnement des niveaux fossilifères US4 et US5

11L’US4 correspond à la zone malacologique locale WZM1 (Limondin-Lozouet, 2022) et aux zones palynologiques locales Waz-1 et Waz-2 (Gauthier, 2022). Biozones et lithologie traduisent un environnement principalement émergé (berge herbeuse et berge sèche) avec une tendance à une stabilisation des dépôts au cours du temps. L’US4 est attribuée à une première phase de période tardiglaciaire (encore appelée transition glaciaire/ interglaciaire).

12L’US5 est marquée par une sédimentation plus organique (US5a) voire franchement tourbeuse (US5b, US5e) entrecoupée de dépôts fluviatiles limoneux (US5c, US5d). Elle correspond à un environnement aquatique (eau calme) attribué à une période de climat plus chaud. Malacologie et palynologie confirment les changements d’environnement et de climat déduits de la lithologie. L’étude palynologique menée à la base de l’ensemble US5 dans l’US5a (palynozone locale Waz-3) et US5b (Waz-4) indique l’établissement d’une végétation aquatique et l’apparition d’arbres pionniers. Bien qu’entrecoupé de quelques niveaux stériles (correspondant aux alluvions clastiques), l’enregistrement malacologique indique une zone dulcicole pour l’ensemble de l’US5 (Ma2) et la présence de berges boisées dans la partie supérieure (US5e, malacozone Ma2b). La présence du gastéropode Belgrandia marginata dès la base de l’US5e, puis son développement, implique clairement des conditions interglaciaires. Ainsi les successions US5a à US5e traduisent la fin du tardiglaciaire saalien puis le développement du dernier interglaciaire (Eemien).

3- Matériel

3.1- Matériel fossile utilisé

3.1.1- Sélection du matériel

13Une très grande variété de restes fauniques (ossements et dents) en excellent état de conservation a été découverte dans les différentes unités du site de Waziers (Auguste et al., 2022). Plus d’une quinzaine de taxons ont pu être identifiés : l’aurochs (espèce la mieux représentée), l’ours brun, le castor, la loutre, divers rongeurs, le chevreuil, le cheval, le rhinocéros de prairie, le cerf élaphe, le mégalocéros, le daim, plusieurs espèces de canards, le cygne, le grand échassier et la tortue. L’extraordinaire état de conservation du matériel fossile végétal (bois, macro-végétaux) mais aussi animal (mammifères, mollusques, insectes) au sein des sédiments fluviatiles du site de Waziers montre que celui-ci n’a subi qu’une altération très marginale, garantissant une exploitation optimale des compositions isotopiques enregistrées dans les dents des vertébrés.

14La méthode de reconstitution des paléotempératures utilisée dans ce travail s’appuie (1) sur l’analyse isotopique du phosphate de l’émail dentaire de mammifères ainsi que (2) sur des équations de fractionnement isotopique pour certaines espèces de mammifères, disponibles dans la littérature. Parmi les restes fossiles en place sur la zone fouillée en 2014-2015, seules trois séries d’échantillons appartenant à trois espèces de mammifères satisfont ces deux conditions, dans l’ensemble des niveaux stratigraphiques. Ainsi, seuls trois ensembles de dents bien conservées ont pu être étudiés. Il s’agit d’un ensemble de cinq dents de cheval (Equus sp.) provenant d’un même individu dans le dépôt US4, d’une dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) en limite US4-US5a, et d’une dent de chevreuil (Capreolus capreolus) provenant du dépôt US5b (figs. 2 & 3). Sur le site, ces divers éléments sont distants de plusieurs mètres les uns des autres.

15Ces grands herbivores ont des caractéristiques particulières :

  • Les chevaux (Equus sp.) ont été présents sur de larges zones géographiques en Eurasie et en Amérique du nord au cours du Pléistocène. Les équidés sont adaptés aux environnements ouverts et froids de type toundras, steppes, taïgas, aussi bien qu’aux environnements tempérés de prairies, voire de forêt.

  • Les mégalocéros (Megaloceros giganteus Blumenbach 1799), parfois appelés « Grands cerfs des tourbières », sont les plus grands cervidés connus et ont été présents sur une grande partie de l’Eurasie durant le Pléistocène. Ces cerfs géants vivaient en milieu ouvert, sec, et froid, de type toundra ou steppe, mais aussi dans des prairies, avant de s’éteindre il y a environ 11 000 ans.

  • Les chevreuils (Capreolus capreolus Linné 1758) ont colonisé l’Europe et l’Asie au cours du Pléistocène. Ils vivent en milieu fermé, dans des forêts de feuillus ou de forêt mixtes (feuillus et conifères). Ils consomment les feuilles de nombreux arbres feuillus (ex. : chêne, charme, érable) et des graminées. Le chevreuil est une espèce considérée comme pionnière des climats tempérés inter- glaciaires.

3.1.2- Position stratigraphique précise et description

3.1.2.1- WBT19 et 22, cheval (Equus sp.), US4c-d

16Les cinq dents du cheval (Equus sp.) sont des prémolaires et des molaires supérieures provenant du maxillaire d’un même individu, enregistrées sous les numéros WBT19 à WBT22 (figs. 4 & 5). Elles ont été découvertes en connexion anatomique et l’examen des facettes de contact, des stades d’usure et la cohérence de la géométrie de l’arcade dentaire confirment cette appartenance à un même individu (Auguste et al., 2022).

17Les pièces ont été observées dans la coupe 2A avec une dispersion modérée au sommet de l’US4. Outre des pièces en connexion anatomique (fig. 5), les fragments récoltés ont une dispersion horizontale maximum de 61 cm et verticale de 22 cm (fig. 4). Après la fouille, le recul de la coupe a donné lieu à un nouveau levé utilisé dans l’assemblage des coupes et la synthèse stratigraphique (Deschodt et al., 2022). À cet endroit, l’unité est moins développée qu’au sud-est de l’emprise où ont été définies les sous-unités US4a à US4e. Cependant, les dents sont localisées vers le haut de l’unité US4, à proximité de l’US5 et au-dessus d’une unité un peu plus sombre (coupe 2B, unité de détail « ud »136) qui de proche en proche (coupe 8, « ud »1) peut être corrélée avec la zone de passage plus sombre du log 6 (« ud »251) où a été définie l’US4b. Les dents étudiées sont donc postérieures et appartiennent à l’US4c ou à l’US4d.

18Les dents WBT22.1 et WBT22.2 sont des molaires supérieures droites M1 et M2. Les dents WBT19, WBT22.3 et WBT22.4 sont des prémolaires supérieures droites P2, P3 et P4, respectivement. Les chevaux ont des dents hypsodontes, avec un taux de croissance dentaire d’environ 4 cm/an (Hoppe et al., 2004).

Fig. 3 : Position du matériel analysé sur l’assemblage des coupes 2A, 3 et 8, de la fouille 2014‑2015.

Fig. 3 : Position du matériel analysé sur l’assemblage des coupes 2A, 3 et 8, de la fouille 2014‑2015.

(A) Coupe stratigraphique synthétique. Les dents analysées en δ18O dans cette étude sont indiquées par la zone pointillée correspondant aux restes WBT18 à WBT23 (cheval), l’étoile correspondant à la dent WBT138 (mégalocéros), et l’étoile correspondant à la dent WBT147 (chevreuil). (B) Coupe schématique des différentes unités stratigraphiques (US). Les étoiles vertes représentent les restes de cheval (de dents et de mandibule WBT18 à 23, dont les cinq dents analysées), la dent de mégalocéros (WBT138) et la dent de chevreuil (WBT147).

Fig. 4 : Os et dents du cheval WBT19 à WBT23.

Fig. 4 : Os et dents du cheval WBT19 à WBT23.

19(A) Os et dents du cheval en place dans l’unité stratigraphique US4c-d de la coupe 2A de Waziers « Bas-Terroir ». La réglette posée sous les fossiles mesure 10 cm au total (Locht et al., 2014). (B) Vue vestibulaire et (C) vue occlusale de la série dentaire supérieure droite du cheval comprenant les trois prémolaires et les deux premières molaires (dents WBT19, 22.4, 22.3, 22.2 et 22.1, de gauche à droite) (photos N. Sévêque).

Fig. 5 : Photographies des dents de cheval (Equus sp.) WBT22.1, WBT22.2, WBT22.3, WBT22.4 et WBT19, de la dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) WBT138, et de la dent de chevreuil (Capreolus capreolus) WBT147.

Fig. 5 : Photographies des dents de cheval (Equus sp.) WBT22.1, WBT22.2, WBT22.3, WBT22.4 et WBT19, de la dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) WBT138, et de la dent de chevreuil (Capreolus capreolus) WBT147.

Les vues correspondent à la face linguale. Barres noires verticales : 1 cm.

3.1.2.2- WBT138, Mégalocéros (Megaloceros giganteus), US4-US5a

20La dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus), WBT138, est localisée en limite US4-US5a (pour la projection de la dent sur un levé détaillé, voir fig. 7 Deschodt et al., 2022). C’est une troisième prémolaire supérieure droite (fig. 5). Cette espèce éteinte de grand cervidé possède des dents brachyodontes.

3.1.2.3- WBT147, Chevreuil (Capreolus capreolus), US5b

21La dernière dent, WBT147, provient d’un limon alluvial clastique (unité de détail « ud » 11) qui remanie une partie de la tourbe US5b. L’« ud » 11 est distincte toutefois des unités limoneuses US5c ou US5d et est intégrée à l’unité de synthèse US5b (pour la position exacte de la dent sur un levé détaillé, voir fig. 7 Deschodt et al., 2022). WBT147 est une troisième molaire supérieure droite de chevreuil (Capreolus capreolus) (fig. 5). La dentition du chevreuil est également brachyodonte. La dent est peu usée, ce qui indique que l’individu était jeune au moment de son décès.

3.2- Datation du matériel fossile

22Des datations par ESR-U/Th ont été réalisées sur les dents de cheval et de mégalocéros analysées dans cette étude. Les dents du cheval WBT20 du dépôt US4c-d (WBT19, WBT22.1 et WBT22.2) donnent un âge moyen de 128 ± 20 ka ( ± 2σ), tandis que la dent de mégalocéros (WBT138), à la limite US4-US5a, un âge moyen de 132 ± 8 ka ( ± 2σ) (Bahain et al., 2022). Ces deux résultats sont cohérents. Notons qu’ils sont en accord avec un âge U/Th minimal de 103 ± 3,5 ka obtenu sur des oogones de Characée provenant des niveaux tuffacés de l’unité 14 sous-jacente à la tourbe dans le puisard 2013 (Deschodt et al., 2022 ; Bahain et al., 2022b). Les résultats sur les dents de cheval confirment que la séquence représentée par les unités US4 et US5 s’est bien mise en place au cours d’une phase comprenant la dernière période interglaciaire. Ils montrent également que la déglaciation précédente a pu être enregistrée dans les faciès limoneux formant la transition entre la nappe alluviale grossière et la base des tourbes, en accord avec les données stratigraphiques, malacologiques, palynologiques, et fauniques.

4- Méthodes

4.1 - Préparation des échantillons et analyses par spectrométrie de masse

23Les échantillons de dents ont été nettoyés mécaniquement, lavés à l’eau distillée, puis placés dans une cuve à ultrason afin d’éliminer les traces possibles de sédiment, enfin séchés à l’étuve. Environ 20 mg de poudre d’émail ont été collectés à l’aide d’une micro- foreuse ©Dremel équipée d’une pointe diamantée. L’émail a été prélevé parallèlement à l’axe de croissance de la dent, de l’apex au cervix. Pour chaque dent, une analyse a été réalisée.

24Les poudres d’émail ont été traitées chimiquement dans le but d’analyser les isotopes de l’oxygène du groupement phosphate, selon le protocole de Crowson et al. (1991) modifié par Lécuyer et al. (1993). La préparation chimique des échantillons ainsi que du matériel de référence NBS ont été réalisées au LGL-TPE à l’Université Claude Bernard Lyon 1.

25Les analyses isotopiques d18O des échantillons ont été réalisées sur la Plateforme d’Ecologie Isotopique du LEHNA (membre du réseau RéGEF) à l’Université Claude Bernard Lyon 1 par un analyseur élémentaire de type varioPYROcube (Elementar GmbH). Cet analyseur élémentaire, qui fonctionne en mode « purge and trap », est couplé en ligne et en flux continu à un spectromètre de masse isotopique (Elementar IsoprimeTM ; EA-PY- CF-IRMS) selon la technique décrite par Fourel et al. (2011). À haute température (1450°C, obtenue dans un four vitrifié), le carbone du réacteur réagit avec le phosphate d’argent pour former du monoxyde de carbone (CO). Ce gaz est ensuite introduit par un flux continu d’hélium dans la source du spectromètre de masse isotopique pour déterminer le rapport 18O/16O. Une calibration est effectuée par rapport aux standards NBS120c d18Ov-smow = 21,7 ± 0,14 ‰) et NBS127 (d18ov‑smow = 9,3 ± 0,40 ‰). Les valeurs de α 18O sont normalisées au V-SMOW. Les statistiques sur les mesures répliquées des échantillons et du standard NBS120c fournissent une incertitude analytique globale sur le α18O de ± 0,25 ‰.

4.2- Relation entre le d18O des phosphates dentaires et le d18O de l’eau de l’environnement

26De nombreux travaux, s’inspirant de ceux de Longinelli (1984), ont montré qu’il existe des relations étroites entre la composition isotopique de l’oxygène de l’émail dentaire de mammifères et la composition isotopique de l’oxygène de l’eau de l’environnement de ces mammifères. Ces relations expriment que le δ18O de l’eau de l’environnement, dont l’origine sont les eaux météoriques (pluie, neige), contrôle principalement le δ18O de l’eau consommée par les vertébrés, qui lui-même se reflète dans le δ18O du phosphate de leur émail dentaire (d18Op), avec un fractionnement isotopique dépendant de la physiologie et de l’écologie des animaux. Ces effets écophysiologiques sont intégrés dans les équations (Longinelli, 1984 ; Luz & Kolodny, 1985 ; Kohn et al., 1996 ; Langlois et al., 2003). Ces équations ont été établies à partir de mesures du δ18O du phosphate osseux ou dentaire réalisées sur plusieurs individus d’une même espèce, et parfois sur plusieurs individus d’espèces différentes, vivant actuellement dans différentes régions sous des conditions climatiques et environnementales variées. Des couples de valeurs (i) composition isotopique de l’oxygène du phosphate dentaire d’un individu actuel et (ii) composition isotopique moyenne de l’oxygène de l’eau de l’environnement local actuel de cet individu (mesures directes sur le terrain - précipitations, etc. – ou valeurs extraites de bases de données référencées, telle que la base GNIP de l’IAEA ; IAEA/WMO, 2021) ont été établis. L’ensemble de ces couples de valeurs a ainsi permis de déterminer une équation empirique. En faisant l’hypothèse que ces relations sont extrapolables dans le passé, le d18Op des phosphates dentaires permet donc de déterminer le δ18Ow des eaux météoriques au temps de vie de l’animal. Cette méthode, en dépit des limites qu’elle peut présenter (Lécuyer et al., 2021), se révèle particulièrement intéressante pour la reconstruction des paléoclimats.

27Les équations utilisées dans ce travail ont été établies à partir de données disponibles dans la littérature en utilisant la méthode « transposed fit » décrite dans Pryor et al. (2014) et Skrzypek et al. (2016). Ce sont les suivantes :

28- Pour le cheval (Equus sp.) :

29Cette équation a été établie par compilation des données de Bryant et al. (1994), Sanchez Chillon et al. (1994), Delgado Huertas et al. (1995) sur Equus caballus, E. burchelli, E. asinus, E. zebra, E. przewalskii. Notons que comme dans Delgado Huertas et al. (1995) deux valeurs aberrantes ont été extraites de la base des données originales de Bryant et al. (1994). Naturellement nous obtenons une équation différente de l’équation (8) de Delgado Huertas et al. (1995) car nous cherchons une relation d18Ow vs d18Op

30- Pour le mégalocéros (Megaloceros giganteus) :

31L’espèce du « Grand cerf des tourbières » étant une espèce éteinte de cervidés, nous avons utilisé par convention et homologie de forme le cerf élaphe (Cervus elaphus). La reprise des données D’Angela et Longinelli (1990) permet d’établir (Lécuyer et al., 2021) :

32- Pour le chevreuil (Capreolus capreolus) :

33Cette équation a été obtenue à partir des données de Delgado Huertas et al. (1995) sur Capreolus capreolus, Capra ibex, Capra sp., Ovis ammon musimon.

4.3- Relation entre le d18O de l’eau de l’environnement et la température moyenne annuelle de l’air

34La température moyenne annuelle de l’air (Tair, en °C) est calculée, par la suite, grâce à la relation linéaire empirique établie entre le d18O de l’eau météorique et la température de l’air, en Europe, à l’époque moderne (Skrzypek et al., 2011) :

35Pour le site de Waziers, proche du littoral et en zone de plaine, les masses d’air humides ne sont pas affectées par des effets de fractionnement de Rayleigh continentaux ou altitudinaux. Nous faisons l’hypothèse que cette relation, déterminée pour les temps modernes, s’applique à la période étudiée, comme cela a été discuté dans des travaux analogues (e.g. Lécuyer et al., 2021).

36Avant d’utiliser la relation entre le d18O de l’eau météorique et la température moyenne annuelle de l’air (équation (4)), établie pour la période actuelle, le d18O de l’eau météorique locale reconstitué à partir du d18O de l’émail dentaire des échantillons doit être corrigé de la signature isotopique de la source des précipitations à l’époque du dépôt de chaque série d’échantillons. En effet, toute variation de composition isotopique de cette source par rapport à l’actuel se répercute dans le cycle de l’eau. À Waziers, la source des eaux météoriques est l’eau de surface de l’océan Atlantique nord-est. Or, entre les climats glaciaires et interglaciaires, la composition isotopique en oxygène de l’océan global évolue suite à la croissance puis à la fonte des calottes de glace sur les continents nord-américain et eurasien, et secondairement antarctique. Dans le cadre d’une transition glaciaire/ interglaciaire, nous cherchons donc à évaluer la variation du d18O moyen de l’eau océanique résultant de la présence de ces calottes de glace aux époques échantillonnées, par rapport à l’actuel. Cette évaluation est basée sur la variation du niveau marin par rapport à l’époque moderne, pour chacune des trois époques où l’échantillonnage a été réalisé. Il nous faut donc estimer ces variations.

37Dans un premier temps, nous évaluons ainsi la baisse relative du niveau marin contemporaine des trois époques successives relatives à l’unité US4c-d, puis à la limite US4-US5a, enfin à l’unité US5b. À la période glaciaire du SIM 6.2 (non échantillonnée ici), l’abaissement du niveau marin relativement à l’époque moderne était compris entre 120 et 130 m (Waelbroeck et al., 2002), de l’ordre de grandeur de celui du SIM 2 (Waelbroeck et al.,2002 ; Lisiecki & Raymo, 2005 ; Lambeck et al., 2014). Le dépôt US4c-d étudié ici correspond, nous l’avons vu, à un début d’époque tardiglaciaire succédant à la glaciation du SIM 6.2, la limite US4-US5a à une époque tardiglaciaire intermédiaire, enfin le dépôt US5b à une époque tardiglaciaire avancée, précédant l’établissement du SIM 5.5. Par conséquent, pour le dépôt US4c-d (dents de cheval), qui a eu lieu après le maximum glaciaire SIM 6.2, nous estimons l’abaissement du niveau marin de l’ordre de 110 ± 10 m : il est en effet inférieur à 120‑130 m car la déglaciation a déjà débuté. Par ailleurs, au commencement de l’interglaciaire actuel, soit l’Holocène (SIM 1), le niveau marin était situé à une cinquantaine de mètres sous le niveau actuel suite à la dynamique de fonte des calottes glaciaires (Jouzel et al., 2007 ; Lambeck et al., 2014). Nous faisons l’hypothèse d’un décalage comparable lors de l’établissement de l’interglaciaire précédent, le SIM 5.5 (Maréchal et al., 2020). Compte tenu de cet élément, nous évaluons des eaux météoriques à Waziers était de +0,88 ± 0,25‰, +0,72 ± 0,25‰, et +0,48 ± 0,25‰ plus élevée que l’époque moderne, respectivement. Par conséquent, ces valeurs sont retranchées au d18O de l’eau météorique locale reconstitué pour chaque échantillon, au préalable de l’application de l’équation (4) qui permet d’établir la température de l’air.

4.4- Estimation de l’incertitude totale sur la température

38Il existe différentes sources d’incertitudes associées au calcul des paléotempératures moyennes annuelles de l’air. Des analyses de ces incertitudes sont disponibles dans Pryor et al. (2014) et Skrzypek et al. (2016). La méthode que nous avons employée est en accord avec les recommandations de ce dernier auteur. La reproductibilité externe du δ18Op mesuré dans les phosphates d’email dentaire ( ± 0,25 ‰) produit une erreur moyenne sur le δ18Ow de ± 0,26 ‰ (σw/p) (voir équations (1) à (3)). L’erreur moyenne sur la composition isotopique de la source océanique des eaux météoriques à Waziers pour les différentes époques étudiées est, d’autre part, de ± 0,25 ‰ (σoc) (voir section 4.3).

39Considérons maintenant l’incertitude σw/p eq associée aux régressions linéaires des données empiriques (y = mx + b), qui établissent les relations entre le δ18Op des phosphates dentaires des mammifères et le δ18Ow des eaux météoriques au temps de vie de l’animal (équations (1), (2) et (3)). L’incertitude n’est pas disponible dans les publications originales. Nous utilisons les fonctions «lm()» (régression linéaire) et «pred()» (utilisation des résultats de la régression) du langage R (Chambers & Hastie, 1992) et obtenons ± 0,75 ‰ pour l’incertitude associée à l’équation pour le cheval (Eq. (1)), ± 0,07 ‰ pour l’incertitude associée à l’équation pour le mégalocéros (Eq. (2)), et ± 0,13 ‰ pour l’incertitude associée à l’équation pour le chevreuil (Eq. (3)). Par conséquent, l’erreur sur le δ18Ow reconstitué après correction de la source océanique, σw corr, est de ± 0,83 ‰ pour les données du cheval, de ± 0,37 ‰ pour les données du mégalocéros, et de ± 0,38 ‰ pour les données du chevreuil. Elle est calculée comme suit :

40Ces erreurs donnent une incertitude σt de ± 1,2°C pour les températures reconstituées du cheval, et de ± 0,5°C pour les températures reconstituées du mégalocéros et du chevreuil, d’après l’équation (4).

41Enfin, nous considérons l’incertitude σt/w eq associée à la régression linéaire des données empiriques (y = mx + b), qui établit la relation entre le δ18Ow de l’eau météorique et la température de l’air en Europe (équation (4)). L’incertitude n’est pas disponible dans la publication originale. De la même manière que précédemment, nous utilisons les fonctions «lm()» et «pred()» du langage R (Chambers & Hastie, 1992) et obtenons ± 0,06°C (Eq. (4)). Cette incertitude est négligeable par rapport à σt et la valeur de l’incertitude totale est égale à σt.

5- Résultats

5.1 - Résultats δ18O des dents de grands mammifères

42Le δ18Op des dents de cheval, de mégalocéros et de chevreuil varient de 13,20 ± 0,25 ‰ à 16,36 ± 0,25 ‰ (tab. 1). Les cinq dents de cheval analysées ont des valeurs isotopiques remarquablement proches les unes et des autres, et fournissent une moyenne de 13,61 ± 0,43 ‰ (1σ). Ce résultat est cohérent puisqu’il s’agit d’un seul et même individu. L’incertitude sur la moyenne ( ± 0,43 ‰) est faible, ce qui montre la robustesse des résultats et de la méthode. De manière similaire, nous faisons l’hypothèse que l’analyse du δ18Op de la dent de mégalocéros d’une part, de la dent de chevreuil d’autre part, donne une bonne estimation de la valeur moyenne du signal des dents de chaque individu. La dent de mégalocéros (limite US4-US5a), située dans une unité stratigraphique reposant sur celle ayant livré les dents de cheval (US4c-d), donne une valeur de 14,53 ± 0,25‰. Enfin, la dent de chevreuil (US5b), dans une unité stratigraphique supérieure à celle du mégalocéros, donne une valeur de 16,36 ± 0,25‰. On observe donc une augmentation progressive des valeurs du δ18Op des dents échantillonnées entre ces unités stratigraphiques successives.

Tab. 1 : δ18Op (‰) mesurés et températures moyennes annuelles reconstituées (Tair , °C) au site de Waziers pour les différents échantillons de dents de grands mammifères.

Tab. 1 : δ18Op (‰) mesurés et températures moyennes annuelles reconstituées (Tair , °C) au site de Waziers pour les différents échantillons de dents de grands mammifères.

Les paléotempératures sont estimées d’après les valeurs δ18O (‰) mesurées dans le phosphate de l’émail dentaire de grands mammifères herbivores au site de Waziers : le cheval (Equus sp.), le mégalocéros (Megaloceros giganteus), et le chevreuil (Capreolus capreolus). L’incertitude analytique sur le δ18O est de ± 0,25 ‰ ; l’incertitude calculée sur les paléotempératures est indiquée dans la dernière colonne (Déviation Standard, SD (°C)). Les unités stratigraphiques (US) dans lesquelles ont été retrouvés les fossiles sont indiquées dans le tableau. Les δ18Ow (‰) des eaux météoriques au temps de vie de l’animal ont été calculés d’après les équations disponibles dans la littérature et sont exprimés ici corrigés de la source océanique des eaux météoriques

5.2 - Reconstitution des paléotempératures

43Les températures moyennes reconstituées varient entre 4,1 ± 1,2 °C et 8,6 ± 0,5 °C (tab. 1). Rappelons que les résultats présentés ici sont obtenus par un nombre limité d’échantillons, qui sont aujourd’hui les seuls disponibles pour le site de Waziers avec la méthode utilisée.

44La moyenne des températures des cinq dents du cheval, comprises entre 4,1 ± 1,2 °C et 5,5 ± 1,2 °C, est de 4,7 ± 0,6 °C (1 σ). Les dents de cheval, hypsodontes, se forment sur une période de temps comprise entre ≈1,5 et 2,8 ans selon le type de dent (Hoppe et al., 2004). La température reconstituée pour chaque dent est donc proche de la température moyenne annuelle. La faible dispersion de l’ensemble des températures obtenues à partir de chacune des cinq dents du cheval conforte cette analyse. Ainsi la valeur de 4,7 ± 0,6 °C représente une moyenne annuelle. Cette température moyenne annuelle de l’air correspond stratigraphiquement au dépôt US4c-d, qui marque la première phase mise en place après le début de la déglaciation. Un analogue actuel au climat de Waziers du vivant du cheval étudié est, par exemple, celui de Magerholm en Norvège, à 62°27’0’’N, 6°30’0’’E : la température moyenne annuelle est de 4,8 °C pour la période 1999-2019 (Climate-data.org). La température reconstituée par la dent de mégalocéros est de 6,9 ± 0,5 °C. L’échantillon provient de la limite US4-US5a : il est postérieur au dépôt US4c-d, et antérieur au dépôt US5b dans lequel est située la dent de chevreuil. La température associée à cette dernière dent est de 8,6 ± 0,5 °C.

45Le mégalocéros et le chevreuil, dont les dents étudiées ici sont respectivement une prémolaire et une molaire, ont des dents brachyodontes. Les données de la littérature relatives au cerf élaphe, qui possède également des dents brachyodontes, et qui est un bon homologue actuel au mégalocéros (espèce éteinte de cervidés), indiquent que la croissance des dents se déroule sur une période intégrant les deux saisons extrêmes (Stevens et al., 2011) et couvre souvent un cycle annuel (Fricke et al., 1998). Les prémolaires, notamment, ont une période de croissance qui s’étend entre 11 et 19 mois, voir jusqu’à 30 mois (Ecker et al., 2013). Ainsi, l’analyse isotopique d’une dent entière conduit à l’obtention d’une valeur proche de la température moyenne annuelle de l’air. C’est ce que confirment les travaux de Fabre et al. (2010) qui obtiennent des valeurs de températures annuelles

46comparables en travaillant sur l’émail des dents de cheval et de cerf élaphe fossiles, sur une époque allant de 145 ka à 33 ka. Nous assimilerons donc la température moyenne obtenue à partir de la dent du mégalocéros à une valeur moyenne annuelle. Pour le chevreuil, dont l’éruption des molaires a lieu au cours de la première année (Tomé et Vignes, 2003 ; Ecker et al., 2013), la certitude n’est pas acquise que toutes les saisons soient enregistrées par l’émail dentaire de la dent étudiée ici. Nous ferons néanmoins l’hypothèse que l’enregistrement de la molaire étudiée inclut les deux saisons extrêmes et que la température obtenue est proche de la température moyenne annuelle de l’air.

6- Discussion

6.1 - Chronologie et environnement des dépôts étudiés

47Les datations par ESR-U/Th, qui donnent des âges de 128 ± 20 ka pour les dents de cheval du dépôt US4c-d et 132 ± 8 ka pour la dent de mégalocéros à la limite US4-US5a (Bahain et al., 2022), sont cohérentes avec la stratigraphie et les données paléoenvironnementales, compte tenu de leur précision. La stratigraphie, établie de façon particulièrement fine sur l’ensemble du gisement, montre en effet que les dépôts étudiés n’ont pas été perturbés par des inversions de couches et qu’ils se situent dans une succession stratigraphique normale. D’autre part, le dépôt US4c-d, la limite US4-US5a, et le dépôt US5b, sont situés stratigraphiquement sous le dépôt US5e des limons bruns et de la tourbe supérieure (dite tourbe « à castors »), attribué à l’interglaciaire SIM 5.5 (Eemien). Ces résultats indiquent que les niveaux comprenant le matériel étudié (US4c-d, limite US4-US5a, et US5b) se sont mis en place au cours de la transition entre la glaciation SIM 6.2 et l’interglaciaire SIM 5.5.

48Les données malacologiques (Limondin-Louzouet, 2022) et palynologiques (Gauthier, 2022) sont cohérentes avec les reconstitutions de température de chacun des trois niveaux stratigraphiques étudiés ici, ainsi qu’avec les âges estimés par ESR-U/Th (Bahain et al., 2022). Les trois séries d’échantillons étudiés correspondent successivement :

  1. à un climat rigoureux, frais et sec, lors de la première phase de déglaciation (couverture végétale ouverte clairsemée de type toundra-steppe, palynozone Waz-2 ; dépôt US4c-d) (échantillons de dents de cheval ; température reconstituée de 4,7 ± 0,6 °C),

  2. à un climat rigoureux devenant un peu plus tempéré et moins sec (couverture végétale ouverte plus dense avec une disparition de la toundra et l’essor d’une prairie steppique plus ou moins arbustive, passage de la palynozone Waz-2 à Waz-3 ; limite des dépôts US4-US5a) (échantillon de dent de mégaloceros ; température reconstituée de 6,9 ± 0,5 °C),

  3. enfin à un climat moins rigoureux mais toujours frais (couverture végétale ouverte avec une évolution vers des prairies à hautes graminées et une quasi disparition des herbacées steppiques, présence de bosquets d’arbres pionniers, palynozone Waz-4 ; dépôt US5b) (échantillon de dent de chevreuil ; température reconstituée de 8,6 ± 0,5°C).

49Au final, les périodes échantillonnées succèdent à la période glaciaire du SIM 6.2 et précèdent la période interglaciaire du SIM 5.5 (en particulier l’optimum thermique de cette période).

50D’autre part, les trois espèces échantillonnées pour ce travail évoluent dans des milieux différents, qui sont compatibles avec les reconstitutions des paléotempératures. Le cheval occupe principalement les milieux ouverts. Cette espèce s’est largement développée aux moyennes latitudes durant les périodes glaciaires où régnaient les milieux ouverts. Le mégalocéros est caractéristique également des milieux ouverts des climats glaciaires, mais aussi interglaciaires. Le chevreuil, quant à lui, est une espèce caractéristique des milieux fermés à semi-fermés. Il possède une certaine plasticité adaptative lui permettant de jouer le rôle d’espèce pionnière au début des interglaciaires sans que le couvert végétal soit très développé. Notons que des restes de rhinocéros des prairies (Stephanorhinus hemitoechus) ont été trouvés dans le même dépôt que le chevreuil (unité US5b, voir Auguste et al., 2022) : la présence de cette espèce, au côté du chevreuil, confirme que le milieu était plutôt semifermé.

51La succession stratigraphique des dépôts étudiés, les conditions climatiques déduites par les séries polliniques de ces dépôts, enfin les habitats caractéristiques des espèces étudiées dans ces dépôts sont cohérents entre eux, ainsi qu’avec les paléotempératures reconstituées ici par analyse isotopique. La période étudiée comprend le début de la déglaciation puis son développement progressif au cours de la Terminaison SIM 6/5, avant l’entrée en période interglaciaire SIM 5.5.

6.2 - Paléotempératures de la transition glaciaire/interglaciaire SIM 6/5

52Les résultats de cette étude montrent une augmentation progressive des températures moyennes annuelles, de 4,7 ± 0,6 °C, à 6,9 ± 0,5 °C, puis à 8,6 ± 0,5 °C, durant les trois phases qui se succèdent au cours de la déglaciation SIM 6/5 (figs. 6 & 7). Situons ces données par rapport aux paléotempératures estimées dans la littérature.

53Les reconstitutions des températures glaciaires en Europe de l’ouest concernent principalement le dernier maximum glaciaire (SIM 2, ≈23 à ≈19 ka BP). Nous nous baserons sur ces données comme analogues au maximum glaciaire de l’avant-dernière période glaciaire (SIM 6.2). En effet, les données disponibles dans la littérature permettent de supposer que la température moyenne annuelle globale au SIM 6.2 est du même ordre de grandeur que celle du SIM 2 (Jouzel et al., 2007 ; Fischer et al., 2018). Au SIM 2, Brulhet & PetitMaire (1999), Gornitz Ed. (2009), Antoine et al. (2014, 2016) et Bertran et al. (2017) mettent en évidence des structures associées à un pergélisol continu dans le Nord de la France. De façon comparable, le site de Waziers aurait donc été affecté par un pergélisol au cours du SIM 6.2. Ceci implique une température moyenne annuelle inférieure à 0°C, plus généralement inférieures à -6 °C par comparaison avec les données actuelles dans le Nord du Canada (Marchand, 2017). Or la température reconstituée pour le dépôt US4c-d est de 4,7 ± 0,6 °C, indiquant que le pergélisol avait disparu lors de ce dépôt. Cette situation est cohérente avec le fait que les sédiments se sont mis en place après l’avant-dernier maximum glaciaire du SIM 6.2.

54Replaçons maintenant les températures déterminées dans notre étude dans le cadre des températures reconstituées lors de l’interglaciaire du SIM 5.5. Des paléotempératures ont été déterminées en Europe de l’Ouest pour cette période. Basées sur des proxys polliniques, les reconstitutions de Brewer et al. (2008) sur les sites d’Eiffel Maar et Hoher List (Allemagne de l’est) localisés aux mêmes latitudes que Waziers affichent une anomalie comprise entre +3 °C et +4,5 °C il y a 127 ka par rapport aux valeurs modernes, à une époque correspondant au maximum thermique de l’Eemien (SIM 5.5). La température moyenne annuelle moderne à Waziers (11,0 °C) permet de déduire une température comprise entre 14,0 °C et 15,5 °C durant l’Optimum climatique de l’Eemien en ce lieu (fig. 6 et 7). Une autre reconstitution utilisant un modèle statistique basé sur des proxys de pollens et de macrofossiles donnent des anomalies de températures au site de Waziers pour la « phase du Corylus (noisetier) à l’Eemien » d’environ -1 °C en janvier et +2 °C en juillet par rapport à la période 1961-1990 (Gebhardt et al., 2007), soit une anomalie proche de +0,5 °C pour la température moyenne annuelle à l’Optimum climatique de l’Eemien par rapport à 19611990, ou 1975 ± 15. Environ trente-cinq ans séparent cette date des années 2009 ± 10 (période 1999-2019) pour lesquelles la température moyenne annuelle de 11,0 °C a été déterminée à Waziers. Or la température moyenne annuelle a augmenté d’environ 1,2 °C en France métropolitaine entre les années 1975 et les années 2010 (données Météo France). Il en résulte que, d’après les données de Gebhardt et al. (2007), la température avoisinait ≈10,3 °C à l’Optimum climatique à Waziers au cours du SIM 5.5. Enfin, le modèle de Kaspar et al. (2005) fournit des anomalies de températures dans la zone de Waziers de +2 °C à +3 °C en juillet et de l’ordre de +0,5 °C en janvier il y a 125 ka par rapport à la période préindustrielle, soit une moyenne annuelle de l’anomalie de température d’environ +1,5 °C. Les données Météo France pour la France métropolitaine montrent que le réchauffement en France a été d’environ 1,5 °C entre l’époque préindustrielle et les années 2010. On déduit que la température moyenne annuelle à Waziers était de ≈11,0 °C au SIM 5.5 d’après les travaux de Kaspar et al. (2005). Les températures issues des travaux de Gebhardt et al. (2007) et Kaspar et al. (2005) pour Waziers au dernier interglaciaire (de ≈10,3 °C et ≈11,0 °C, respectivement) sont très probablement sous-évaluées. L’anomalie de température moyenne sur l’ensemble du globe au SIM 5.5 est en effet estimée à ≈+2,0 °C par rapport à l’optimum de l’Holocène (Fischer et al., 2018), ce qui donne, ramené au local, une température moyenne annuelle >13 °C à Waziers au dernier interglaciaire. Au final, l’exploitation des données des études précédemment citées donne une température moyenne annuelle à Waziers lors du dernier interglaciaire s’échelonnant entre ≈10,3 °C et ≈15,5 °C.

55La paléotempérature de 8,6 ± 0,5 °C calculée pour l’US5b à Waziers est inférieure à celles issues de la littérature pour le dernier interglaciaire SIM 5.5. D’autre part, la température moyenne annuelle actuelle à Waziers, de 11,0 °C, supérieure à celle du dépôt US5b (8,6 ± 0,5 °C), indique que ce dépôt est contemporain d’une période plus froide que celle du présent interglaciaire, l’Holocène. Comme ce dernier est répertorié pour être plus frais que le dernier interglaciaire, ceci corrobore le fait que le dépôt US5b précède le dernier interglaciaire (SIM 5.5).

56Ainsi, les températures reconstituées dans ce travail, en accord avec les données stratigraphiques, palynologiques, malacologiques et les datations ESR-U/ Th, montrent que les deux extrêmes climatiques de l’avant-dernière période glaciaire (SIM 6.2) et de la dernière période interglaciaire (SIM 5.5) n’ont pas été échantillonnés à Waziers - en raison de l’absence, à ce jour, de dents de mammifères pouvant être utilisées pour les reconstitutions de paléotempératures pour ces deux périodes climatiques extrêmes.

57La température à la limite US4-US5a est de 6,9 ± 0,5 °C. Cette limite est postérieure au dépôt US4c-d (température reconstituée de 4,7 ± 0,6 °C) et antérieure au dépôt US5b (température reconstituée de 8,6 ± 0,5 °C). La température de 6,9 ± 0,5 °C s’inscrit donc bien dans le réchauffement progressif du climat au cours de la déglaciation SIM 6/5.

58Enfin, l’écart de température reconstitué entre le dépôt US4c-d (la plus ancienne dans notre étude) et le dépôt US5b (la plus récente dans notre étude) peut être comparé aux données disponibles dans la littérature. Cet écart est d’environ 4 °C (= (8,6 °C - 4,7 °C)). Puisqu’il est relatif seulement à une partie de la période de la transition glaciaire/interglaciaire SIM 6/5, il permet donc d’établir que l’écart total de température entre la période froide de la glaciation du SIM 6.2 et la période tempérée de l’interglaciaire suivant, le SIM 5.5, est au minimum de 4 °C. Cette donnée n’est pas anodine : elle suggère que l’écart glaciaire/interglaciaire est vraisemblablement supérieur à cette valeur puisque les deux milieux extrêmes n’ont pu être échantillonnés. Elle contribuera ainsi à la validation des simulations réalisées par différents modèles climatiques sur l’écart de la température régionale à Waziers entre le SIM 6.2 et le SIM 5.5. Lécuyer et al. (2021) ont déterminé un écart de température entre le SIM 2 et la température préindustrielle (SIM 1) au site de Laugerie Haute (France ; 45°N, environ 625 km au sud-sud-est de Waziers) d’environ 6 °C. En faisant l’hypothèse (i) que l’écart de température moyenne annuelle entre le maximum glaciaire du SIM 6.2 et l’interglaciaire du SIM 5.5 est du même ordre de grandeur que celui entre le SIM 2 et le SIM 1, et (ii) que cet écart est comparable au premier ordre entre les sites de Laugerie Haute et de Waziers, l’écart de ≈4 °C déduit des dépôts échantillonnés ici, plus petit que ≈6 °C, est cohérent puisqu’il n’est relatif qu’à une partie de la période de la transition glaciaire/ interglaciaire.

Fig. 6 : Synthèse des températures moyennes annuelles reconstituées (Tair, °C) à Waziers en fonction du temps.

Fig. 6 : Synthèse des températures moyennes annuelles reconstituées (Tair, °C) à Waziers en fonction du temps.

Les paléotempératures ont été déterminées d’après les valeurs δ18O (‰) du phosphate de l’émail dentaire de grands mammifères herbivores au site de Waziers. Les valeurs de température de l’air déduites de l’analyse δ18O des 5 dents de cheval (Equus sp.) du dépôt US4c-d, de la dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) à la limite US4-US5a, et de la dent de chevreuil (Capreolus capreolus) du dépôt US5b sont représentées en noir par des cercles, triangle et carré, respectivement. Les incertitudes associées sont également reportées. En orange figurent les températures à Waziers pour l’Optimum climatique du SIM5.5 déduites des travaux de Kaspar et al. (2005), Gebhardt et al. (2007) et Brewer et al. (2008) (voir texte).

7-Conclusion

59La transition glaciaire/interglaciaire est une étape climatique importante à documenter tant les changements en surface du globe sont de large amplitude et relativement rapides. La Transition SIM 6/5 ou Terminaison 2 est difficile à documenter car elle est rarement enregistrée, notamment en domaine continental. Le site de Waziers dans le Nord de la France (Europe de l’Ouest) offre une grande diversité de dépôts sédimentaires fins comprenant des restes fauniques sur cette période, ainsi que durant l’interglaciaire du SIM 5.5. Ces dépôts s’avèrent également particulièrement intéressants car ils attestent de l’occupation des lieux par l’Homme de Neandertal à ces époques, notamment à travers la production d’artefacts lithiques. Le site, étudié en détail a permis d’identifier des séries stratigraphiques où les dépôts se succèdent chronologiquement. Les fouilles ont permis de prélever trois séries d’échantillons de dents de grands herbivores dont l’analyse isotopique de l’oxygène du phosphate de l’émail dentaire permet de reconstituer la température moyenne de l’air grâce à l’existence d’équations de fractionnement isotopique disponibles dans la littérature pour les espèces considérées. Les trois espèces se répartissent dans des couches successives correspondant à trois périodes de la transition : une période initiale correspondant à la première phase de la transition glaciaire/interglaciaire (dents de cheval, Equus sp.), une période médiane (dent de mégalocéros, Megaloceros giganteus), puis une période correspondant à une phase encore plus avancée de la transition (dent chevreuil, Capreolus capreolus) qui précède la dernière période interglaciaire (SIM 5.5). L’habitat de ces différentes espèces est cohérent avec les données polliniques recueillies sur le site. Les paléotempératures sont de 4,7 ± 0,6 °C, 6,9 ± 0,5 °C et 8,6 ± 0,5 °C, respectivement, pour chacun des trois dépôts. La première valeur (4,7 ± 0,6 °C) apparaît cohérente puisqu’elle caractérise une période postérieure au maximum glaciaire (SIM 6.2) où la température moyenne annuelle à Waziers serait responsable d’un sol gelé en permanence, et donc de température inférieure à 0 °C. La dernière valeur (8,6 ± 0,5 °C) est également cohérente puisqu’elle est relative à un dépôt situé stratigraphiquement en-dessous des dépôts de l’interglaciaire du SIM 5.5, qui, d’après les données de la littérature, affichaient une température comprise entre ≈10,3 °C et ≈15,5 °C : elle est en effet inférieure. Il est particulièrement intéressant de noter que des artefacts lithiques paléolithiques ont été trouvés dans la première et la dernière couche étudiée sur le site de Waziers, ainsi que dans les dépôts de l’interglaciaire du SIM 5.5. Ces résultats sont basés sur un nombre restreint d’échantillons, les seuls actuellement disponibles sur le site de Waziers pour la méthode utilisée. Ils pourraient être confortés à l’avenir si d’autres échantillons supplémentaires pouvaient être collectés.

60Enfin, nos mesures indiquent qu’un réchauffement d’environ 4 °C a eu lieu entre le début du tardiglaciaire étudié ici et l’entrée progressive en interglaciaire (fin du tardiglaciaire). Ce réchauffement ne couvre pas l’intégralité de la période de transition SIM 5/6 qui débute au maximum glaciaire du SIM 6.2 et se termine à l’Optimum thermique de l’interglaciaire du SIM 5.5 (Eemien). L’écart de 4 °C entre les températures moyennes annuelles mesurées correspond donc à une partie seulement du réchauffement lors de la précédente transition glaciaire/interglaciaire (Terminaison 6/5).

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : Localisation du gisement de Waziers « Bas-Terroir » (France).
Légende (A) Localisation de la plaine de la Scarpe en Europe du nordouest. Coordonnées UTM. (B) Localisation du gisement de Waziers dans la plaine de la Scarpe. Coordonnées en mètres Lambert 93. (C) Localisation du gisement de Waziers « Bas-Terroir » sur un MNT issu du Lidar Scarpe (Source DREAL).
URL http://journals.openedition.org/quaternaire/docannexe/image/17334/img-1.jpg
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Titre Fig. 2 : Synthèse stratigraphique du site de Waziers sur la fouille 2014-2015.
Légende Les unités stratigraphiques (US) sont indiquées pour chaque niveau. US1 : Substrat antéquaternaire (sable éocène), US2 : Formation de versant, US3 : Dépôts grossiers fluviatiles (craie, sable glauconieux, grès glauconieux), US4 : Dépôts fluviatiles fins à dominante clastique (4a : Limon gris inférieur, 4b : Limon légèrement organique, 4c : Limon gris supérieur, 4d : Limon brunâtre, 4e : Horizons pédologiques), US5 : Dépôts fluviatiles fins à dominante organique (5a : Limon brunâtre inférieur, 5b : Tourbe laminée inférieure, riche en avifaune, 5c : Limon gris laminé, remplissage d’un large chenal, 5d : Limon gris, remplissage de chenaux étroits, 5e : Limon brunâtre supérieur et tourbe, riche en bois et en os de castors), US6 : Dépôts fluviatiles remaniés, graviers d’argile et figures thermokarstiques, US7 : Dépôts de couverture (7a : Graviers de craie, 7b : Sable et limon lité, 7c : Lœss et pédogenèse). * : Unité exclusivement présente sur l’excavation 2015. Les « membres 1 à 3 » correspondent à des regroupements d’unités stratigraphiques.
URL http://journals.openedition.org/quaternaire/docannexe/image/17334/img-2.jpg
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Titre Fig. 3 : Position du matériel analysé sur l’assemblage des coupes 2A, 3 et 8, de la fouille 2014‑2015.
Légende (A) Coupe stratigraphique synthétique. Les dents analysées en δ18O dans cette étude sont indiquées par la zone pointillée correspondant aux restes WBT18 à WBT23 (cheval), l’étoile correspondant à la dent WBT138 (mégalocéros), et l’étoile correspondant à la dent WBT147 (chevreuil). (B) Coupe schématique des différentes unités stratigraphiques (US). Les étoiles vertes représentent les restes de cheval (de dents et de mandibule WBT18 à 23, dont les cinq dents analysées), la dent de mégalocéros (WBT138) et la dent de chevreuil (WBT147).
URL http://journals.openedition.org/quaternaire/docannexe/image/17334/img-3.jpg
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Titre Fig. 4 : Os et dents du cheval WBT19 à WBT23.
URL http://journals.openedition.org/quaternaire/docannexe/image/17334/img-4.png
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Titre Fig. 5 : Photographies des dents de cheval (Equus sp.) WBT22.1, WBT22.2, WBT22.3, WBT22.4 et WBT19, de la dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) WBT138, et de la dent de chevreuil (Capreolus capreolus) WBT147.
Légende Les vues correspondent à la face linguale. Barres noires verticales : 1 cm.
URL http://journals.openedition.org/quaternaire/docannexe/image/17334/img-5.jpg
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Titre Tab. 1 : δ18Op (‰) mesurés et températures moyennes annuelles reconstituées (Tair , °C) au site de Waziers pour les différents échantillons de dents de grands mammifères.
Légende Les paléotempératures sont estimées d’après les valeurs δ18O (‰) mesurées dans le phosphate de l’émail dentaire de grands mammifères herbivores au site de Waziers : le cheval (Equus sp.), le mégalocéros (Megaloceros giganteus), et le chevreuil (Capreolus capreolus). L’incertitude analytique sur le δ18O est de ± 0,25 ‰ ; l’incertitude calculée sur les paléotempératures est indiquée dans la dernière colonne (Déviation Standard, SD (°C)). Les unités stratigraphiques (US) dans lesquelles ont été retrouvés les fossiles sont indiquées dans le tableau. Les δ18Ow (‰) des eaux météoriques au temps de vie de l’animal ont été calculés d’après les équations disponibles dans la littérature et sont exprimés ici corrigés de la source océanique des eaux météoriques
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Titre Fig. 6 : Synthèse des températures moyennes annuelles reconstituées (Tair, °C) à Waziers en fonction du temps.
Légende Les paléotempératures ont été déterminées d’après les valeurs δ18O (‰) du phosphate de l’émail dentaire de grands mammifères herbivores au site de Waziers. Les valeurs de température de l’air déduites de l’analyse δ18O des 5 dents de cheval (Equus sp.) du dépôt US4c-d, de la dent de mégalocéros (Megaloceros giganteus) à la limite US4-US5a, et de la dent de chevreuil (Capreolus capreolus) du dépôt US5b sont représentées en noir par des cercles, triangle et carré, respectivement. Les incertitudes associées sont également reportées. En orange figurent les températures à Waziers pour l’Optimum climatique du SIM5.5 déduites des travaux de Kaspar et al. (2005), Gebhardt et al. (2007) et Brewer et al. (2008) (voir texte).
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Pour citer cet article

Référence papier

Chloé Maréchal, Christophe Lécuyer, Romain Amiot, François Fourel, Pierre Antoine, Patrick Auguste, Laurent Deschodt et David Hérisson, « Waziers (France) : les isotopes de l’oxygène des dents de grands mammifères pour reconstruire les paléotempératures de l’avant‑dernière transition glaciaire/interglaciaire (SIM 6/5) »Quaternaire, vol. 33/4 | 2022, 323-339.

Référence électronique

Chloé Maréchal, Christophe Lécuyer, Romain Amiot, François Fourel, Pierre Antoine, Patrick Auguste, Laurent Deschodt et David Hérisson, « Waziers (France) : les isotopes de l’oxygène des dents de grands mammifères pour reconstruire les paléotempératures de l’avant‑dernière transition glaciaire/interglaciaire (SIM 6/5) »Quaternaire [En ligne], vol. 33/4 | 2022, mis en ligne le 06 mai 2023, consulté le 10 novembre 2024. URL : http://journals.openedition.org/quaternaire/17334 ; DOI : https://doi.org/10.4000/quaternaire.17334

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Auteurs

Chloé Maréchal

Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, ENSL, CNRS, UMR 5276 LGL-TPE, FR-69622 Villeurbanne. Courriel : chloe.marechal@ univ-lyon1.fr

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Christophe Lécuyer

Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, ENSL, CNRS, UMR 5276 LGL-TPE, FR-69622 Villeurbanne. Courriel : christophe.lecuyer@univ-lyon1.fr

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Romain Amiot

Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, ENSL, CNRS, UMR 5276 LGL-TPE, FR-69622 Villeurbanne. Courriel : romain.amiot@univ-lyon1.fr

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François Fourel

Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, ENTPE, UMR 5023 LEHNA, FR-69622 Villeurbanne. Courriel : francois.fourel@ univ-lyon1.fr

Pierre Antoine

Laboratoire de Géographie Physique, Environnements quaternaires et actuels, UMR 8591 CNRS - Université Paris 1 - UPEC, 2 rue Henri Dunant, FR-94320 THIAIS, FR-92195, Meudon cedex. Courriel : pierre.antoine@lgp.cnrs.fr

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Patrick Auguste

Univ. Lille, Evo-Eco-Paleo, UMR 8198 CNRS, FR-59000 Lille, France. Courriel : patrick.auguste@univ-lille.fr

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Laurent Deschodt

Laboratoire de Géographie Physique, Environnements quaternaires et actuels, UMR 8591 CNRS - Université Paris 1 - UPEC, 2 rue Henri Dunant, FR-94320 THIAIS, FR‑92195, Meudon cedex. Courriel : pierre.antoine@lgp.cnrs.fr; INRAP Hauts-de-France, Centre archéologique de Villeneuve‑d’Asc, 11 Rue des Champs, FR-59655, Villeneuve d’Ascq. Courriel : laurent. deschodt@inrap.fr

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David Hérisson

CNRS-UMR 7041, ArScAn, MSH Mondes, 21 Allée de l’Université, FR-92023 Nanterre cedex, France. Courriel : david.herisson@cnrs.fr

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