Paleoenvironmental reconstructions and greenhouse gas characterization in permafrost aquatic systems of Central Yakutia (Siberia) - Géosciences Paris Saclay Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Paleoenvironmental reconstructions and greenhouse gas characterization in permafrost aquatic systems of Central Yakutia (Siberia)

Reconstitutions paléoenvironnementales et caractérisation des gaz à effet de serre dans les systèmes aquatiques pergélisolés de la Yakoutie centrale (Sibérie)

Lara Hughes-Allen
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1147397
  • IdRef : 263217256

Résumé

In Central Yakutia (Eastern Siberia, Russia), persistent freezing temperatures, flat topography, and a lack of glaciation during the Last Glacial Maximum (~20,000 years ago) have created optimal conditions for the proliferation of deep, ice-rich permafrost. Past and present climate change and other disturbances can have significant effects on permafrost landscapes and the global carbon budget. In areas of ice rich permafrost, degradation can result in the formation of thermokarst (thaw) lakes, which are hotspots for biological activity and greenhouse gas (GHG) emissions. The three axes of this thesis combine provide insights into 1) past lake dynamics, 2) spatial and temporal heterogeneity in GHG concentrations and diffusive fluxes from thermokarst lakes, and 3) large scale analysis of recent (since 1960s) lake dynamics in response to local climate trends and human activities.To understand lake development, sediment and organic carbon accumulation, and changes in primary productivity, within the context of Late Pleistocene and Holocene climate change, a multi-proxy paleolimnological analysis of a sediment core sequence from Lake Malaya Chabyda in Central Yakutia (Eastern Siberia, Russia) was conducted. Age-depth modeling with ¹⁴C indicates that the maximum age of the sediment core is ~14 cal kBP. Three distinct sedimentary units were identified within the sediment core. Sedimentological and biogeochemical properties in the deepest section of the core suggests a lake environment mostly influenced by terrestrial vegetation, where organic carbon accumulation might have been relatively low (average ~ 100 g OC m-2 a-1), although much higher than the global modern average. The middle section of the core was characterized by higher primary productivity in the lake, much higher sedimentation, and a strong increase in organic carbon (OC) delivery (average ~300 g OC m-2 a-1). Conditions in the upper section of the core (< 376 cm; < 9.0 cal kBP) suggest high primary productivity in the lake and high OC accumulation rates (average ~ 200 g OC m-2 a-1), with stable environmental conditions. Changes in the character and quantity of OC accumulation can have important implications for future GHG release. These results help to understand the developmental history of lakes in permafrost landscapes within the context of past climate change.To analyze spatial and temporal heterogeneity in GHG concentrations and diffusive flux, dissolved CO₂ and CH₄ concentrations in thermokarst lakes in a study site in Central Yakutia were measured over four seasons. Lakes formed over the Holocene (alas lakes) are compared to lakes that developed over recent decades. The results show striking differences in dissolved greenhouse gases (up to two orders of magnitude) between lake types and seasons. Shallow lakes located in hydrologically closed alas depressions acted as CO₂ sinks and strong sources of diffusive CH₄ during some seasons. Recent thermokarst lakes were moderate to extremely high sources of diffusive CO₂ and CH₄, with considerable accumulation of greenhouse gas under the ice cover (winter) or in the deepest water layers (summer). The diffusive fluxes measured from thermokarst lakes of this typical taiga alas landscape of Central Yakutia are among the highest presented across Arctic and subarctic regions. Lastly, a remote sensing analysis was conducted to investigate recent (since 1960s) lake development and quantify differences in developmental history between lake types. This study indicated that certain lake types (unconnected alas lakes) are more sensitive to annual changes in precipitation. This information will be used to upscale in situ greenhouse gas measurements to a larger landscape unit.This thesis combines paleolimnological analysis, in situ observations, and remote sensing analysis to provide a comprehensive understanding of lake development in permafrost landscapes and the contribution of these lakes to the global carbon budget.
La région de la Yakoutie centrale se caractérise par un pergélisol profond et riche en glace. Les changements climatiques passés et présents et d'autres perturbations peuvent avoir des effets importants sur les paysages de pergélisol et le bilan carbone mondial. Dans les zones de pergélisol riche en glace, la dégradation peut résulter en la formation de lacs thermokarst, qui sont des ‘hotspots' pour l'activité biologique et les émissions de gaz à effet de serre (GES). Les trois axes de cette thèse sont 1) la dynamique passée des lacs, 2) l'hétérogénéité spatiale et temporelle des concentrations de GES et des flux diffusifs des lacs thermokarst, et 3) l'analyse à grande échelle de la dynamique récente (depuis les années 1960) des lacs en réponse aux variations climatiques locales et aux activités humaines. Pour comprendre le développement des lacs, l'accumulation de sédiments et de carbone organique, et les changements de la productivité primaire, dans le contexte des changements climatiques du Pléistocène final et de l'Holocène, une analyse paléolimnologique multi-proxy d'une séquence de carottes de sédiments du lac Malaya Chabyda en Yakoutie centrale a été réalisée (max âge ~14 cal kBP). Les propriétés sédimentologiques et biogéochimiques dans la section la plus profonde de la carotte suggèrent un environnement lacustre principalement influencé par la végétation terrestre, où l'accumulation de carbone organique a pu être relativement faible, beaucoup plus élevée que la moyenne mondiale moderne. La section médiane de la carotte a été caractérisée par une productivité primaire plus élevée dans le lac, une sédimentation beaucoup plus forte et une grande augmentation de la livraison de carbone organique (OC). Les conditions dans la section supérieure de la carotte suggèrent une productivité primaire élevée dans le lac et des taux élevés d'accumulation de CO, avec des conditions environnementales stables. Les changements dans le caractère et la quantité de l'accumulation de CO peuvent avoir des implications importantes pour la libération future de GES. Ces résultats aident à comprendre l'histoire du développement des lacs dans les paysages de pergélisol dans le contexte des changements climatiques passés. Pour analyser l'hétérogénéité spatiale et temporelle des concentrations de GES et du flux diffus, les concentrations de CO₂ et de CH₄ dissous dans les lacs thermokarst d'un site d'étude en Yakoutie centrale ont été mesurées sur quatre saisons. Les lacs formés au cours de l'Holocène (lacs alas) sont comparés aux lacs qui se sont développés au cours des dernières décennies. Les résultats montrent des différences dans les gaz à effet de serre dissous entre les types de lacs et les saisons. Les lacs peu profonds situés dans des dépressions d'alas hydrologiquement fermées ont agi comme des réservoirs de CO₂ et de fortes sources de CH₄ diffusif pendant certaines saisons. Les lacs thermokarstiques récents étaient des sources extrêmement élevées de CO₂ et de CH₄ diffusifs, avec une accumulation considérable de gaz à effet de serre sous la couverture de glace (hiver) ou dans de l'eau les plus profondes (été). Les flux diffusifs mesurés dans les lacs thermokarst de ce paysage typique de taïga alas de la Yakoutie centrale sont parmi les plus élevés présentés dans les régions arctiques et subarctiques.Enfin, une analyse de télédétection a été menée pour étudier le développement récent (depuis les années 1960) des lacs et quantifier les différences dans l'histoire du développement entre les types de lacs. Cette étude a indiqué que certains types de lacs sont plus sensibles aux changements annuels des précipitations. Ces informations seront utilisées pour étendre les mesures in situ des gaz à effet de serre à une plus grande unité de paysage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03715697 , version 1 (06-07-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03715697 , version 1

Citer

Lara Hughes-Allen. Paleoenvironmental reconstructions and greenhouse gas characterization in permafrost aquatic systems of Central Yakutia (Siberia). Global Changes. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASJ011⟩. ⟨tel-03715697⟩
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