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Although natural CO2-rich groundwaters of eastern Belgium have been known for centuries, the exact origin of their gas is still unclear. This paper presents the results of a sampling campaign in Belgium (Spa, Stoumont, Malmedy): 30 samples of both carbogaseous and non-carbogaseous groundwaters were analyzed for major elements, CO2 content and carbon isotopic composition. Among them, 13 samples were also analyzed for 3He/4He and 4He/20Ne ratios. The combination of δ13C (between ca. −9 ‰ VPDB1 and −2 ‰ VPDB), CO2/3He ratio (between 1.9×108 and 2.9×109) and 3He/4He (between 0.92 and 2.70 Ra) shows with a high level of confidence that the CO2 in the carbogaseous groundwater of Spa and Bru has a mantle origin. It can likely be attributed to the degassing of mantle from the neighboring Eifel volcanic fields, located at a distance of 100 km eastwards. The identity and nature of the deep-rooted fractures that act as CO2 transport pathways to the surface are still to be clarified, but several major thrust faults exist in the Rhenish Massif and could connect the Eifel volcanic fields with the studied area.

ispartof: HYDROLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCES vol:26 issue:10 pages:2637-2648 status: published

Natural CO2-rich groundwaters of eastern Belgium have been known for centuries although the exact origin of the gas they contained was still unclear. This paper presents the results of a sampling campaign in the area (Spa, Stoumont, Malmedy) where 30 samples of both carbogazeous and non-carbogazeous groundwaters have been analyzed for major elements, CO2 content and carbon isotopic composition. Among them, 13 samples were analyzed for 3He / 4He and 4He / 20Ne ratios. The combination of δ13C and 3He / CO2 ratios have shown with a high level of confidence that the CO2 in groundwater from springs and boreholes has a mantellic origin, and can very likely be attributed to the degassing of the neighboring and still buoyant Eifel mantle plume, located at a distance of 100 km eastwards. The identity and nature of the deep-rooted fractures that act as CO2 transport pathway to the surface are still to be clarified, but several major thrust faults exist in the Rhenish Massif and could connect the Eifel volcanic field with the studied area.

Ce manuscrit d’Habilitation à Diriger des Recherches présente une mise en perspective épistémologique et méthodologique de l’utilisation des nucléides cosmogéniques en Sciences de la Terre, le bilan de mon activité scientifique depuis 2002, ainsi que mes projets scientifiques futurs. Il est découpé en 4 chapitres :Chapitre 1 - Introduction : parcours scientifique et CV Chapitre 2 - Les nucléides cosmogéniques : éléments épistémologiques et techniquesCette partie présente 120 ans des progrès scientifiques sur la description des particules cosmiques, les nucléides cosmogéniques et la manière de les utiliser en sciences de la Terre. J’y présente aussi les méthodes actuelles les plus établies pour utiliser les nucléides cosmogéniques en géomorphologie. Chapitre 3 - Résumé de mes travaux de recherche.Mon activité de recherche, polyvalente et pluridisciplinaire, a consisté à développer et utiliser les nucléides cosmogéniques pour résoudre des questions scientifiques en paléoclimatologie et géomorphologie et ainsi améliorer notre connaissance des interactions entre les enveloppes superficielles fluides (atmosphère, cryosphère, hydrosphère) et la Terre solide. Les résultats les plus importants de mon activité de recherche se résument ainsi : •Amélioration significative de la précision des géochronomètres cosmogéniques par le développement des techniques d’analyses de l’3He et du 10Be, la calibration des taux de production en haute altitude, et la mise au point d’un nouveau paléoaltimètre basé sur les nucléides cosmogéniques. •Mise au point des calculateurs en ligne CREp - pour le calcul des âges d’exposition : http://crep.crpg.cnrs-nancy.fr/ - et BASINGA pour le calcul des taux d’érosion. •En couplant une méthode originale associant datation par les nucléides cosmogéniques et modélisation numérique, nous avons caractérisé le retrait des glaciers tropicaux depuis le dernier maximum glaciaire, il y a 20 000 ans. Nos résultats mettent évidence l’amplification altitudinale du refroidissement au Dernier Maximum Glaciaire dans certaines régions (Hawaii), mais aussi permettent de comprendre le rôle des précipitations sur les fluctuations glaciaires, qui se superposent aux variations de températures (Andes Tropicales). •En développant l’analyse des nucléides cosmogéniques dans les séries sédimentaires (Tianshan, Himalaya, Méditerranée), nous avons montré que les fluctuations climatiques n’ont eu qu’un impact limité sur l’érosion, que ce soit au cours du refroidissement Pléistocène, mais aussi lors des fluctuations des cycles glaciaires-interglaciaires du Quaternaire.Chapitre 4 - Projets de recherches pour la période 2021-2025

International audience; In 2019, the rupture of the La Rouvière fault leads to the Mw 4.9 earthquake of Le Teil and awakens great interest among the scientific community. Located on the North-East termination of the Cévenol fault system (CFS), an intraplate domain with extremely low deformation rates, La Rouvière fault, just as most of the neighboring fault segments, was not considered as potentially active. This event logically called into question our knowledge of regional dynamics and the seismogenic potential of the CFS faults. In this work, we aim to estimate the incision rates, in the normal to the CFS Escoutay valley, using cosmogenic 3He dating. This dating method unravels exposure ages of surfaces and is applied on basaltic pebbles because of their mineralogy (Ol., Px.). Dating those terraces on both sides of the CFS allows constraining incision rates in the valley and potentially the changes in uplift rates on a regional scale. The long-term objective of this study is to understand the recent history of these faults and what processes are triggering such reactivation.

International audience; L’archipel des Kerguelen constitue un observatoire unique pour l’étude des paléoglaciers. Il s’agit, en effet, de la plus grande surface de terres englacées de la zone subantarctique de l’océan Indien, où de nombreuses formations glacio-géomorphologiques peuvent y être datées. Toutefois, nos connaissances des fluctuations glaciaires sur l’archipel pendant le Tardiglaciaire et l’Holocène restent limitées. C’est pourquoi des échantillons issus de ces morphologies glaciaires ont été collectés dans les vallées glaciaires du glacier Arago, du Val Travers et du glacier Ampère. Les nouveaux âges 36Cl et 10Be de durée d’exposition au rayonnement cosmique présentés dans cette étude permettent de mieux contraindre la chronologie glaciaire existante au cours des derniers 17000 ans. Une avancée glaciaire a pu être mise en évidence durant le Tardiglaciaire il y a 14.4 ka sur le site du Val Travers, probablement liée à l’événement froid de l’Antarctic Cold Reversal. Ces résultats sont cohérents avec ceux précédemment obtenus sur l’archipel et plus généralement dans la zone subantarctique, suggérant que tous les glaciers à cette latitude ont été globalement sensibles à ce signal climatique. L’évolution des glaciers à Kerguelen pendant l’Holocène reste en revanche encore largement méconnue. Des datations radiocarbone d’éléments tourbeux sur le site du glacier Ampère suggèrent que les glaciers étaient certainement moins étendus au début de l’Holocène qu’à la fin de l’Holocène. En outre, aucune avancée du début et du milieu de l’Holocène n’a pu être démontrée jusqu’à présent. Enfin, les glaciers semblent avoir réavancé uniquement lors de la fin de l’Holocène. La comparaison de ce nouveau jeu de données avec des âges 10Be disponibles provenant d’autres régions subantarctiques a permis d’identifier 3 différents schémas possibles d’évolution des glaciers pendant l’Holocène. Parmi ces schémas, l’oscillation des glaciers observée à Kerguelen semble particulièrement originale. Nous discuterons enfin des facteurs climatiques pouvant rendre compte de l’évolution des glaciers à Kerguelen (température, précipitations).

International audience; Introduction Marl-limestone alternations are well known rhyth-mical inter-bedded deposits that commonly occur inmany hemipelagic to pelagic deposits of the Phanerozoic. It is quite well established that the origin of these lithological variations are astronomically-driven climatic variations (22, 41, 100 and 405 ka being the main periods) e.g. [1]. However, the exact sedimentological control is not clear: several models attribute these alternations to cyclic changes in the carbonate flux, whereas the terrigenous silicoclastic flux remained relatively constant. On the opposite, some models suggest that the carbonate flux was constant while the silicoclastic flux changed cyclically. Material and methods To disentangle these different scenarios, we collected marlstone and limestone samples from two sedimentary succession of Bajocian (3 marl-limestone couplets over 3.5 m) and Valanginian (1 marl-limestone couplet over 1 m) age from the Southern French Alps (Barles). We analyzed their carbonate contents as well as their extraterrestrial 3He (3HeET) concentrations in ~200 mg decarbonated aliquots. Results and discussion The carbonate content ranges from 45% in marls to 86% in limestones. Importantly, for all samples, measured 3HeET concentrations are constant in the silicoclastic fractions, within uncertainties. Hence, our results indicate that sedimentation rates at the astronomical timescale in the examined examples were mainly controlled by large changes in the CaCO3 fluxes, leading to variable dilution of the terrigenous and 3HeET fractions. Finally, assuming a constant 3HeET flux of 0.1 pcc/cm2/ka [2], and the whole thickness of Bajocian and Valanginan strata in this region, the measured 3HeET concentrations imply sedimentation rates that are broadly compatible with current duration estimates of these two stages. References: [1] Eldrett J. S. et al. (2015) Earth. Plan. Sci. Let., 423, 98-113. [2] Farley K.A. et al. (2012) GCA, 84, 314-328.

International audience; L’archipel des Kerguelen constitue un observatoire unique pour l’étude des paléoglaciers. Il s’agit, en effet, de la plus grande surface de terres englacées de la zone subantarctique de l’océan Indien, où de nombreuses formations glacio-géomorphologiques, comme des moraines, peuvent y être datées. Toutefois, nos connaissances des fluctuations glaciaires sur l’archipel pendant le Tardiglaciaire et l’Holocène restent limitées. C’est pourquoi des échantillons issus de ces morphologies glaciaires ont été collectés dans les vallées glaciaires du glacier Arago,du Val Travers et du glacier Ampère. Les nouveaux âges Cl et Be de durée d’exposition au rayonnement cosmique présentés dans cette étude permettent de mieux contraindre la chronologie glaciaire existante au cours des derniers 17000 ans. Une avancée glaciaire a pu être mise en évidence durant le Tardiglaciaire il y a 14.4ka sur le site du Val Travers, probablement liée à l’événement froid de l’Antarctic Cold Reversal. Ces résultats sont cohérents avec ceux précédemment obtenus sur l’archipel et plus généralement dans la zone subantarctique, suggérant que tous les glaciers à cette latitude ont été globalement sensibles à ce signal climatique. L’évolution des glaciers à Kerguelen pendant l’Holocène reste en revanche encore largement méconnue. Des datations radiocarbone d’éléments tourbeux sur le site du glacier Ampère suggèrent que les glaciers étaient certainement moins étendus au début de l’Holocène qu’à la fin de l’Holocène. En outre, aucune avancée du début et du milieu de l’Holocène n’a pu être démontrée jusqu’à présent. Enfin, les glaciers semblent avoir réavancé uniquement lors de la fin de l’Holocène. La comparaison de ce nouveau jeu de données avec des âges Be disponibles provenant d’autres régions subantarctiques a permis d’identifier 3 différents schémas possibles d’évolution des glaciers pendant l’Holocène. On observe en Nouvelle-Zélande et en Patagonie du Nord une avancée maximale des glaciers au début de l’Holocène puis un retrait graduel tout au long de la période. Au contraire, en Patagonie du Sud et en Géorgie du Sud, l’avancée plus importante des glaciers se produit au milieu de l’Holocène suivi d’un retrait graduel. Dans ce contexte l’oscillation des glaciers de Kerguelen semble particulièrement originale avec des étendues glaciaires certainement plus petites au début et au milieu de l’Holocène. Les glaciers avancent à la fin de l’Holocène pour atteindre leur taille maximale il y a quelques siècles. Nous discuterons enfin des facteurs climatiques pouvant rendre compte de l’évolution des glaciers à Kerguelen (température, précipitations) en évaluant le phasage des périodes d’avancée/recul des glaciers avec les variations des températures atmosphériques enregistrées dans les carottesde glace en Antarctique et la variation des précipitations (Westerlies, Southern Annular Mode).

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Reconstruction of denudation rates through time is an important task to quantify and understand the impact of climate on landscape evolution. Cosmogenic nuclides have been widely used as a tool to infer denudation rates at the watershed scale from both river sediments and past stratigraphic records. Here, we analyze the in-situ 10Be cosmogenic concentration over the last 75 ka in sediments cores that were collected offshore the Var River (Western Mediterranean Sea). We present 26 10Be paleo denudation rates ranging from 0.15 ± 0.01 and 1.26 ± 0.16 mm yr−1. At the exception of the LGM period, the 10Be paleo denudation rates are similar to these of today in the Var (0.24 ± 0.04 mm yr−1). However, during the LGM, paleo denudation rates were 2 to 3 times higher than today, suggesting that glaciers may have played a role. To investigate this sharp increase in denudation rates, we use a mass balance approach to differentiate the glacial from the fluvial component of denudation rates. The resulting average glacial erosion rate during the LGM is 1.5 (+0.9 / -1.0) mm yr−1, roughly four times above the value of 0.4 (+0.4 / -0.5) mm yr−1 obtained during MIS 3-4 (29 - 71 ka) Our data suggest that climatic variations may only strongly affect denudation beyond a certain threshold, probably controlled by glacier dynamics, the duration of glacial advances, and temperature-driven processes such as frost cracking. Our study indicates that the denudation response to Quaternary glaciations is complex and nonlinear in glaciated areas.

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