Géosciences Paris-Saclay

Le projet REXEL est pensé comme un projet conceptuel pour concilier le besoin d'indépendance des ressources minérales nationales avec les réglementations environnementales locales régissant l'exploitation minière. Ce projet est basé sur les impacts environnementaux passés et présents, l'histoire des activités minières afin d'inspirer de nouvelles stratégies de gestion durable des sites miniers. Outre la compréhension des risques environnementaux associés à des métaux(loïdes) spécifiques, les résultats du projet contribueront à répondre aux exigences de durabilité en s'inspirant des processus d'atténuation naturelle in situ, lorsqu'aucune autre solution ne peut être envisagée dans le cadre de la nouvelle valorisation des ressources minérales et donc à déterminer la résilience des milieux fortement impactés par l'anthropisation. Pour y répondre, les processus impliqués à diverses échelles et les cinétiques réactionnelles sur une période de plus de 20 ans seront étudiés par le biais d'outils de cristallochimie, spéciation solide, géochimie, thermodynamique ou géophysique. Cela permettra de comprendre les couplages thermo-hydro-mécano-chimiques qui conduisent à la remobilisation ou à la rétention de l'As, du Bi et du W. Ce projet vise à analyser les changements au cours du temps et dans l’espace d'un ancien site minier sur les déchets au cours des deux dernières décennies. L'objectif principal est d'acquérir des connaissances fondamentales sur les processus qui contrôlent les risques environnementaux. Cette étude portera sur la dynamique des contaminants (spéciation, géochimie) dispersés par des vecteurs variés de contamination (mode de transfert, dispersion spatiale) et sur leur devenir pour des écosystèmes à préserver. L'étude se focalisera sur l'As, le Bi et le W en raison de leur dangerosité potentielle et/ou de leur criticité.

Nous proposons de construire le premier exemplaire d’un spectromètre laser utilisant une nouvelle approche instrumentale (OCR-CRDS : Optical-Clock Referenced Cavity Ring-Down Spectroscopy) pour mesurer précisément la composition isotopique du CO2 « en cinq dimensions » (δ13C, δ18O, Δ17O, Δ47, Δ48) avec une sensibilité et une precision inégalées, via la mesure du spectre d’absorption infra-rouge, dans une région (λ ≈ 2 μm) cent fois plus absorbante que celle (λ ≈ 1,6 μm) utilisée actuellement pour mesurer (δ13C, δ18O, Δ17O) par VCOF-CRDS (V-Cavity Optical Feedback Cavity Ring-Down Spectroscopy). Cet instrument unique au monde permettra ainsi de cibler une large gamme d’applications paleo-environnementales et (hydro/bio)-géochmiques allant des échelles de temps archéologiques (100 à 10 000 ans) à géologiques (10 000 ans –> 500 millions d’années). Il sera ouvert à la communauté scientifique nationale et internationale à travers la plateforme analytique PANOPLY, et viendra renforcer le pôle de recherches « isotopie laser » que le LSCE met en place depuis plusieurs années.

La caractérisation de la proche surface de manière non destructrice permet de comprendre la structure du sous-sol et des processus hydro-géologiques passés et actuels à l’origine . Les méthodes géophysiques permettent de caractériser non destructivement le sous-sol au travers de proxy tels que la conductivité électrique, qui est sensible au matériel géologique, sa teneur en eau, et la minéralisation de l’eau. Elles sont utilisées dans de nombreux domaines, que ce soit en géologie, hydrologie/hydrogéologie, géomorphologie et archéologie. Le projet UbiquiToRE a pour vocation d’acheter un résistivimètre de terrain pour imager le sous-sol au travers de profils de tomographie de résistivité électrique dans de nombreux contextes associés à des thématiques de recherches variées : imagerie du pergélisol-couche active, identification des zones riches en sulfures, imagerie de failles pour des remontées de gaz, caractérisation de la teneur en eau du sol disponible pour les arbres, imagerie de dépôts alluvionnaires en contexte de hautes latitudes. Le projet UbiquiToRE au travers des nombreuses applications qu’il propose, souhaite effectuer des synergies avec le maximum de projets de recherche possibles afin de démocratiser au maximum l’utilisation de méthodes géophysiques. Au-delà de l’aspect recherche, le projet UbiquiToRE a une forte composante pédagogique, car une centaine d’étudiants.es répartis sur 7 U.E.s de la Licence au Master sont directement concernées par cet instrument.

L’analyseur de carbone dissous demandé permettra de quantifier le carbone organique dissous (COD) composant principal des matières organiques dissoutes (MOD) des sols, rivières, lacs ou eaux souterraines, i.e. la MO de taille inférieure à 0,45 µm par convention. Il permettra également de quantifier la fraction inorganique dissoute du carbone dans les eaux et les solutions, i.e. le carbone inorganique dissous (CID). Le projet d’achat est motivé par la nécessité de pouvoir quantifier ces paramètres dans les eaux de surface et souterraines ainsi que dans les sols pour mieux comprendre : 1) la dégradation des peintures pariétales dans les grottes sujettes aux vermiculations ; 2) l’écologie microbienne et la formation de microbialites dans les écosystèmes continentaux ; 3) la libération du COD au cours de la fonte du pergélisol participant au changement climatique et 4) les interactions entre les matières organiques dissoutes et les contaminants environnementaux dans les systèmes miniers anciens et leurs relations avec les remédiations. Cet équipement intègrera la plateforme PANOPLY, au sein du pôle géochimie, et sera localisé à GEOPS.

De nombreuses reconstructions paléoenvironnementales et enregistrements paléoclimatiques reposent sur l’identification et l’analyse d’éléments carbonatés. C’est le cas, par exemple, des reconstitutions paléoclimatiques basées sur l’identification de foraminifères issus de carottes marines, ou encore de l’étude de coraux, de malacofaunes, de tufs calcaires et de spéléothèmes pour retracer les environnements anciens. A ces reconstitutions paléoenvironnementales s’ajoutent des recherches plus directement liées à l’archéologie, comme le suivi des dynamiques urbaines à travers l’analyse des dépôts carbonatés des réseaux hydrauliques ou encore l’exploration du symbolisme dans les sociétés passées via la caractérisation de l’art pariétal, protégé parfois par des voiles de calcite. Cependant, pour donner à ces études une dimension dynamique, en retraçant leur évolution avec le temps, il est essentiel de les adosser à une chronologie fiable. Pour les derniers 50 000 ans, la datation radiocarbone (14C) s’impose comme la méthode de référence. Le projet EXCITAN a pour objectif l’acquisition d’un système d’extraction et de graphitisation automatique du carbone pour les échantillons de carbonate ou pour le carbone inorganique dissous (CID) dans l’eau, en vue de leur analyse radiocarbone. Cet instrument viendra renforcer le parc déjà existant autour du plateau technique ECHoMICADAS, spectromètre de masse par accélérateur (installé en 2015, avec le soutien de la région via le DIM Analytics). Il viendra en renfort de certaines lignes d’extraction vieillissantes (>20 ans pour certaines) et de la ligne de graphitisation semi-automatique. Cet équipement automatisera plusieurs étapes du procédé à savoir 1) l’extraction du carbone sous forme de CO2 par ajout d’acide orthophosphorique, que ce soit pour les carbonates ou l’eau, 2) le transfert du CO2, séquentiellement, dans les réacteurs, 3) l’estimation des quantités de CO2 et l’ajout du H2 en conséquence, 4) la graphitisation à température contrôlée. A la pointe de la technologie, il permettra d’optimiser le temps analytique et de réduire les coûts.

La forêt amazonienne est l'un des plus grands puits de carbone de la planète, séquestrant chaque année entre 0,42 et 0,65 PgC, mais son statut est remis en question par les perturbations rapides causées par le changement climatique. Dans cette région, la productivité de la forêt amazonienne peut être limitée par la faible disponibilité des nutriments fournis par les sols très altérés sur lesquels pousse la végétation. Le rôle des apports atmosphériques externes dans la pérennité de cette forêt tropicale amazonienne depuis des millions d’années est aujourd’hui encore débattue. En effet, ces aérosols se caractérisent notamment par leur richesse en certains éléments essentiels comme K, P ou les métaux. A l'échelle des temps géologiques, l’influence des retombées atmosphériques sur le fonctionnement de la zone critique est questionnée car ces apports sont souvent ignorés dans l'équilibre chimique des flux d'érosion et d’altération à l’échelle du bassin versant. Le projet ATMO-GEO s’est constitué autour d’une équipe scientifique composée de géochimistes de la zone critique et de chercheurs en chimie et physique de l'atmosphère afin de pouvoir quantifier l'impact des apports atmosphériques sur le fonctionnement géochimique du bassin amazonien. En Amérique du Sud, la période la plus intense d'apports atmosphériques se situe pendant l'hiver boréal, sous l'effet des vents d'est lorsque la zone de convergence intertropicale est à sa position méridionale, transférant des quantités massives de poussière de la région saharo-sahélienne, ainsi que des suies issue de la combustion de biomasse en provenance du nord de l'Afrique tropicale. Cependant, pendant le reste de l’année, les apports sont moindres, mais le flux atmosphérique n’est pas négligeable, notamment concernant les apports par les suies d’éléments facilement solubles et donc biodisponibles. Dans le cadre d'ATMO-GEO, les aérosols et les dépôts seront ciblés à la suite d'un échantillonnage ambitieux et unique. Les aérosols, les dépôts totaux et les fractions solubles-insolubles de la pluie à l'échelle événementielle seront collectés simultanément sur deux sites distincts, l'un côtier en Guyane française et l'autre continental, à 1000 km au sud-est, près de Manaus au Brésil. Intégrées sur plusieurs saisons, plusieurs années, et à différentes fréquences (de l’événement de pluie à l’année), ces données nous permettront de connaître, sur le long terme, la variabilité temporelle de la composition des aérosols et des dépôts, ainsi que les changements potentiels les affectant lors de leur transit depuis des régions côtières vers les régions continentales du bassin amazonien. Puisque la composition des aérosols peut varier en fonction de la saison, de la source d'émission de poussières en Afrique du Nord ou de leur pénétration dans les zones continentales, des études géochimiques, isotopiques et minéralogiques poussées seront appliquées pour caractériser les différents types d'aérosols, déterminer les principales sources de poussières nord-africaines et cibler leur cinétique de solubilité. En outre, les dépôts totaux et élément-spécifiques seront quantifiés dans les deux observatoires, ainsi que les fractions solubles et insolubles de ces éléments dans les précipitations, afin d'estimer les flux de dépôts annuels. L'extrapolation des taux de dépôt depuis deux sites uniques à l’échelle du bassin amazonien sera réalisée à l'aide d'une version actualisée du modèle de transport chimique GEOS-Chem, qui prendra en compte la composition chimique du dépôt en tant qu'entrée de modèle. L'importance des apports atmosphériques dans l'équilibre géochimique amazonien sera estimée en les comparant aux taux de dénudation (érosion + altération) documentés dans l'ensemble du bassin amazonien. Ce projet s’inscrit également à l’échelle locale avec un désir fort des pouvoirs publics de mieux appréhender la dynamique de ces apports atmosphériques afin d’adapter leurs politiques locales, notamment sanitaire

Les sols des domaines périglaciaires sont gelés en permanence ou pendant une grande partie de l'année. La présence et le déplacement d'un front de solidification dans ces sols génèrent des écoulements d'eau souterrains ainsi que des déformations du sol. Ces deux phénomènes sont fortement couplés et sont à l'origine des déformations importantes observées à la surface des sols périglaciaires. Avec le réchauffement climatique, ces flux internes sont modifiés, altérant les paysages, leurs écosystèmes et déstabilisant les infrastructures. Les processus régissant les écoulements d'eau dans les sols partiellement gelés ainsi que ceux qui gouvernent les déplacements de grains à l'origine de la déformation plastique de ces sols, sont encore mal compris car les mécanismes physiques associés ne sont pas encore identifiés. Le but de notre projet est d'identifier ces mécanismes et d'en apporter une compréhension physique par une démarche de modélisation. Différents modèles de sols, allant de matrices poreuses 2D hautement idéalisées à des expériences 3D avec des matériaux granulaires réalistes, partiellement ou complètement saturés en eau et soumis à des gradients de température, seront étudiés expérimentalement afin de mesurer les écoulements d'eau, la dynamique des fronts de glace et les déplacements des grains. Ces mesures micro-mécaniques nous permettront de développer des modèles prédictifs pour les dynamiques observées et d'appliquer ces résultats à des configurations expérimentales reproduisant les conditions naturelles. Grâce à un consortium alliant des physiciens, géomorphologues et géophysiciens, nos résultats permettront d'améliorer de manière décisive notre compréhension des écoulements d'eau et de la déformation des sols dans le domaine périglaciaire, des résultats qui ont un enjeu à l'échelle globale puisque l'hydrologie de ces régions est à présent prise en compte dans les modèles de prédiction du climat.

Le projet REFROIDI a pour objectif l’acquisition d’une chambre froide à -25°C pour le stockage et la préparation des échantillons de carottes de glace avant analyse. Cette acquisition vise à remplacer une chambre froide existante en utilisant les éléments encore fonctionnels afin de réduire au maximum les coûts et l’empreinte carbone. La chambre froide actuelle, utilisée par différents laboratoires franciliens travaillant avec des échantillons glaciaires, est en effet mal isolée et située dans un hangar en extérieur et est très sensible aux périodes de canicule entraînant des pannes chaque été. Ces pannes menacent la bonne conservation des archives glaciaires et il est nécessaire d’installer une nouvelle chambre froide en sous-sol avec un système plus étanche. Cette acquisition est essentielle dans le contexte du forage actuel de la carotte Beyond EPICA qui vise à reconstruire 1,5 million d’années d’histoire du climat. Cette chambre froide sera aussi utilisée pour la préparation d’échantillons glaciaires d’autres programmes, notamment pour les carottes de glace d’Antarctique et du Groenland en cours d’analyses dans le domaine du paléoclimat, et ouverte à la communauté pour différents programmes dans les années à venir. Pour permettre une utilisation facilitée de cet équipement par différentes équipes dans des conditions de travail relativement confortables malgré le froid, la chambre froide REFROIDI sera séparée en deux parties, une pour le stockage entre -20 et -25°C et une pour le travail de préparation (-15°C avec possibilité de baisser la température si besoin). La partie consacrée à la préparation des échantillons sera équipée de paillasses, de rayonnages, d’une balance et de deux scies à ruban. D’autres équipements pourraient être ajoutés en fonction des demandes de nouveaux partenaires. Cette acquisition est indispensable pour maintenir la capacité de stockage et d’analyse des archives glaciaires en Ile de France dans les années à venir et donc réaliser les grands programmes de recherche en paléoclimat en cours au niveau national et international, notamment le projet européen Beyond EPICA, l’ANR BIOCOD et l’ANR ToBE.

Cette demande a pour objectif l’organisation de trois journées scientifiques à l’Université de Paris-Saclay autour des changements climatiques actuels et passés, leurs causes, leurs impacts sur les écosystèmes et leurs répercussions sur les sociétés humaines d’hier et d’aujourd’hui. La 8ème édition de « Climat et Impacts » qui se tiendra des 6 au 8 novembre 2024 dans les locaux de l’Ecole Nationale Supérieure, sur le campus de l’Université Paris Saclay. La conférence « Climat et Impacts » est devenue au fil des ans, un événement incontournable pour la paléoclimatologie française [1] et au-delà, un lieu de rencontre et de partage pour toutes les communautés dont les recherches et activités sont en lien direct ou indirect avec les changements climatiques (quelle que soit l’échelle de temps). De nouvelles sessions sont venues compléter l’offre initiale qui était axée sur les processus et la connaissance fondamentale de la variabilité climatique et des répercussions (et rétroactions) sur les écosystèmes. Il s’agit par exemple de : « le patrimoine culturel face au changement climatique », « impact du changement climatique sur les socio-éco-systèmes », « interaction humain-environnement durant le Pléistocène récent et l’Holocène ». En sept éditions, Climat et Impacts a multiplié par quatre le nombre de participants et de propositions de communications. En 2024, la 8ème édition accueillera ~ 350-400 participants en présentiel et en distanciel, échangeant autour de ~200 communications. Son organisation suivra le schéma établi depuis plusieurs années : appels à sessions, constitution d’un comité scientifique, établissement d’un programme en une dizaine de sessions reprenant et complétant les idées de session, un appel à résumé ouvert tardivement, une participation gratuite et ouverte à tous.

Après 150 ans d’approches basées sur la composition élémentaire, les archéomètres se sont tournés, depuis 1960, vers les analyses isotopiques d’origine géologique pour reconstruire les anciens réseaux d’échange de métaux, indicateurs d’interactions socio-économiques de l’homme dans le passé. La caractérisation des rapports isotopiques du plomb dans un artefact cuivreux peut être liée aux rapports isotopiques du plomb des minéraux de cuivre fondus pour produire le métal constitutif, qui contiennent également des traces de plomb. La méthodologie des isotopes du plomb a été testée en Asie du Sud-Est il y a 40 ans mais n’a pas été poursuivie au niveau régional avant la fin des années 2000. Depuis lors, plus de 1000 échantillons archéologiques ont été analysés et de vastes réseaux d’échange de cuivre/bronze reliant l’Inde, la Chine et le Pacifique, de -1200 avant J.-C. à 1700 après J.-C., ont été mis au jour. Dans de nombreux cas, ces preuves archéométriques ont été les premières à relier les populations passées de ces pays, généralement en raison de typologies de poterie peu développées, constituant l’outil principal des archéologues pour ces périodes. Cependant, depuis 1984, la recherche sur la provenance des métaux basée sur les isotopes du plomb en Asie du Sud-Est a été compromise par l’absence quasi totale de données géologiques et géochimiques fiables sur les gisements de métaux régionaux. Au sein d’une équipe composée d’archéologues et de géologues franciliens et thaïlandais, le chercheur postdoctorant du LIAGIT tentera de remédier à cette lacune en caractérisant minéralogiquement et géochimiquement les trois principales zones historiques de production de métaux en Thaïlande, dans les provinces de Kanchanaburi, Loei et Lopburi. Ce projet fournira une base archéométrique solide pour relier les populations productrices et consommatrices de métaux du passé à travers l’espace et le temps, et pourra aider les géologues actuels à mieux caractériser et quantifier leurs ressources minérales nationales, question cruciale pour l’indépendance économique à long terme.

Le projet EXPOLE vise à valoriser un fonds documentaire exceptionnel lié aux expéditions polaires françaises entre 1947 et 1987, constitué des archives de Simone Weiller, secrétaire puis attachée de presse des expéditions. Ce fonds comprend des documents variés, tels que des photographies, cartes, lettres, articles de presse et objets comme des manchots empaillés, qui permettent de retracer l’histoire des expéditions menées par Paul-Émile Victor. Le projet est porté par des équipes scientifiques du LSCE et de GEOPS, en collaboration avec des institutions comme le LUMEN, l’IDHES-Evry et les Archives Nationales, afin de créer une exposition itinérante inaugurée à l’automne 2025 au LUMEN, centre de culture scientifique à Paris-Saclay. L’exposition comprendra 12 panneaux informatifs, des éléments visuels et sonores, ainsi que des objets historiques. Elle a pour but de sensibiliser le grand public aux missions scientifiques en Antarctique et de mettre en lumière les personnes moins connues ayant contribué à ces expéditions, telles que Simone Weiller. Ce projet de médiation scientifique s’inscrit également dans une volonté de renforcer les liens entre science et société en proposant un contenu accessible et immersif.

Les instruments optiques d’absorption moléculaire permettent depuis une décennie les mesures dans les gaz (traces, isotopes). Leur démocratisation dans les années 2010 a permis notamment de multiplier les analyses isotopiques de l’eau dans la phase liquide et vapeur et de développer le suivi environnemental en temps réel des concentrations en polluant ou en gaz à effet de serre dans des observatoires. Aujourd’hui les instruments laser cherchent à devenir multi traceurs et compétitifs sur les traceurs de nouvelle génération (anomalies isotopiques : Δ17O, les clumped Δ47 et Δ48). La mesure multi traceurs non destructrice (le laser n’altère pas le gaz lors de la mesure) est un avantage pour des analyses d’échantillons patrimoniaux car la parcimonie de prélèvement est indispensable à la conservation de ces derniers et le gaz reste ainsi disponible pour d’autres types d’analyses. Un des objectifs du projet est de faire la démonstration de la récupération du CO2 produit à partir d’un échantillon patrimonial après une analyse des isotopes stables (ẟ13C, ẟ18O, Δ17O, Δ47) par laser pour permettre après une mesure de C14 pour la datation. Le LSCE et ses partenaires ont donc fait le choix de devenir autonomes sur la conception, la fabrication et le déploiement de cette nouvelle génération de machines laser basée sur les techniques issues du monde des horloges optiques et des lasers ultra stables pour la mesure des isotopes de l’eau et du dioxyde de carbone. Pour poursuivre le développement de ces instruments, il s’avère nécessaire d’installer un peigne de fréquence, outil devenu la norme dans la mesure de fréquence laser. Le peigne agit comme une « règle » nous permettant de comparer la fréquence de nos lasers, axe X des spectres, à celle, ultra stable et régulière, des dents du peigne. Couplé à des techniques de spectroscopies garantissant la mesure absolue de l’absorption (CRDS), notre axe Y, nous disposons alors de mesures complètement référencées garantissant leurs exactitudes. Le peigne constitue un module clé pour notre infrastructure structurée autour de REFIMEVE (standard de fréquence garantit par les laboratoires de temps fréquences) permettant disposer d’un outil unique à l’échelle internationale pour toute la plateforme analytique régionale Panoply (LSCE-GEOPS). Nous capitalisons aussi sur le fait que l’Île de France bénéficie d’un écosystème très développé d’écoles, de laboratoires et d’industriels en optique pour nous aider.