Data assimilation for the dating of Greenland and Antarctic deep ice cores.
Conjonction de données et de modèles pour la datation des forages profonds d'Antarctique et du Groenland
Résumé
We are hereby presenting a new dating method based on inverse techniques, which aims at calculating
consistent gas and ice chronologies for several ice cores. The proposed method yields new dating
scenarios simultaneously for several cores by making a compromise between the chronological infor-
mation brought by glaciological modeling (i.e., ice flow model, firn densification model, accumulation rate
model), and by gas and ice stratigraphic constraints. This method enables us to gather widespread
chronological information and to use regional or global markers (i.e., methane, volcanic sulfate, Beryllium-
10, tephra layers, etc.) to link the core chronologies stratigraphically. Confidence intervals of the new
dating scenarios can be calculated thanks to the probabilistic formulation of the new method, which takes
into account both modeling and data uncertainties. We apply this method simultaneously to one
Greenland (NGRIP) and three Antarctic (EPICA Dome C, EPICA Dronning Maud Land, and Vostok) ices
cores, and refine existent chronologies. Our results show that consistent ice and gas chronologies can be
derived for depth intervals that are well-constrained by relevant glaciological data. In particular, we
propose new and consistent dating of the last deglaciation for Greenland and Antarctic ice and gas records.
Les relations de phase entre augmentation de la concentration des gaz à effet de serre
et augmentation de la température constitue un en jeu sociétal. Pour affiner notre compré-
hension des mécanismes climatiques sur la Terre, une datation précise des enregistrements
climatiques du passé (carotte de glace, carotte de sédiments marins, spéléothèmes) est in-
dispensable. En échelle relative, les datations permettent d’évaluer les relations de phase
des variations climatiques en différents points du globe. En échelle absolue, les liens entre
changements de l’orbite terrestre et réponse climatique peuvent être étudiés. Les carottes de
glace d’Antarctique et du Groenland constituent des archives uniques à l’échelle des grands
cycles glaciaire-interglaciaire. Elles offrent de nombreux marqueurs stratigraphiques pour la
datation relative (méthane, couches de cendre...). Les échelles d’âge de ces carottes peuvent
en outre être calculées grâce à des modèles numériques simulant la déformation des calottes,
l’évolution de la température et des précipitations, ainsi que les caractéristiques du névé
polaire. Toutefois les incertitudes sur ces datations modélisées demeurent considérables, no-
tamment sur la datation relative des signaux de température enregistrés dans la glace solide
et des signaux de composition de l’atmosphère enregistrés dans les bulles d’air piégées dans
la glace. Le gaz et la glace à une même profondeur n’ont en effet pas le même âge. Au cours
de ce travail de thèse, un code d’assimilation de données a été développé afin de réduire les
incertitudes sur les chronologies. Ce code permet de calculer simultanément les datations
gaz et glace de plusieurs forages glaciaires en réalisant un compromis entre les informations
chronologiques fournies par les modèles glaciologiques et celles apportées par les contraintes
stratigraphiques issues des mesures dans la glace et le gaz. La méthode repose sur une in-
férence Bayésienne formulée à l’aide d’une fonction coût. Cette formulation met en jeu des
matrices de covariance d’erreur qui rendent compte des incertitudes sur les données ainsi
que sur les sorties des modèles fournissant la première ébauche de datation. Elle permet de
proposer des échelles d’âge optimisées ainsi que des intervalles de confiance. Dans ce manus-
crit, on présente les premières expériences de datation réalisées avec l’outil numérique. En
particulier, la datation simultanée des forages de North GRIP (Groenland), Vostok, Epica
Dôme C et Epica Dronning Maud Land (Antarctique) montre le potentiel de cet outil pour
construire les futures échelles d’âge des forages profonds d’Antarctique et du Groenland.