Reconstruction et interprétation paléoclimatique des fluctuations glaciaires dans les Andes intertropicales au cours du dernier millénaire

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1 Reconstruction et interprétation paléoclimatique des fluctuations glaciaires dans les Andes intertropicales au cours du dernier millénaire (RECONSTRUCTION AND PLAEOCLIMATIC INTERPRETATION OF GLACIAL VARIATIONS IN THE INTER-TROPICAL ANDES OVER THE LAST MILLENIUM) Antoine RABATEL * & Vincent JOMELLI ** RÉSUMÉ L usage des méthodes de datation classiques en géomorphologie (radiocarbone, lichenométrie, sédiments lacustres) a permis de reconstruire l évolution de glaciers des Andes intertropicales (du Venezuela à la Bolivie) au cours du dernier millénaire. Une première avancée glaciaire aux 13 ème /14 ème siècles a été documentée sur certains glaciers. Cependant, la période d extension maximale (PEM) est plus tardive. Elle date de la période AD pour la zone intertropicale externe et d environ 1730 AD pour la zone interne. Suite à ce maximum, un retrait glaciaire est observé pour l ensemble de la zone, entrecoupé de quelques périodes de stagnation des fronts, ou de réavancées n ayant cependant jamais eu une ampleur similaire à la PEM. L interprétation paléoclimatique des résultats, construite à partir d une modélisation climat/glacier, montre que la PEM serait la conséquence de conditions plus froides et humides que l actuel. Le retrait glaciaire suivant la PEM serait d abord associé à des conditions plus sèches (depuis mi-18 ème s.), puis à une hausse des températures (depuis mi-19 ème s.). Mots-clés : Petit Age Glaciaire, fluctuations glaciaires, reconstruction climatique, Andes intertropicales. ABSTRACT The use of dating methods typically used in geomorphology (radiocarbon, lichenometry, lake sediments) allowed to reconstruct the evolution of glaciers in the inter-tropical Andes (Venezuela to Bolivia) over the last millennium. A first glacial advance from the 13 th century has been documented on some glaciers. However, the maximum glacial extent (MGE) occurred later. It dates from the period AD for the outer-tropics and from about 1730 AD for the inner-tropics. Consecutively * Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l Environnement (UMR 5183 CNRS-U. J. Fourier Grenoble 1), 54 rue Molière BP96, Saint Martin d Hères, France, Antoine.Rabatel@lgge.obs.ujf-grenoble.fr ** Laboratoire de Géographie Physique (UMR 8591 CNRS-Université Panthéon-Sorbonne Paris 1), 1 place Aristide Briand Meudon Cedex, France, Vincent.Jomelli@univparis1.fr

2 8 A. RABATEL & V. JOMELLI to the MGE a glacial retreat is observed throughout the area, interrupted by periods of stagnation or even small re-advance of glacier fronts, however, never having a similar magnitude to the MGE. The paleoclimatic interpretation of these results, built from a climate/glacier modelling shows that the MGE would be the consequence of colder and wetter conditions than today. The glacial retreat following the MGE is initially associated with drier conditions (from the mid-18 th century) and an increase in temperature (from the mid-19 th century). Key-words: Little Ice Age, glacial fluctuations, climate reconstruction, inter-tropical Andes 1. Introduction Les glaciers sont connus pour constituer de bons indicateurs climatiques [Francou et Vincent, 2007]. Reconstruire leurs fluctuations passées permet d estimer l évolution des conditions climatiques à l origine de celles-ci. Ceci est d autant plus intéressant quand les glaciers sont situés en zone de montagnes où les indicateurs climatiques sont rares. Les moraines sont un bon indicateur pour dater les fluctuations glaciaires et reconstruire les paramètres glaciologiques (surface, volume, altitude de la ligne d équilibre). Ces paramètres peuvent ensuite être utilisés pour quantifier l évolution du climat au cours des siècles passés. Les fluctuations glaciaires en zone intertropicale au cours des derniers siècles sont restées jusqu à présent peu documentées, notamment en raison de la faible efficacité des datations au radio-carbone pour cette période [Reimer & al., 2004]. Récemment, l usage de la lichenométrie et de sources historiques ont permis d établir des chronologies de référence dans les principaux massifs des Andes intertropicales [Jomelli & al., 2009] : en Équateur [Jomelli & al., 2007a], au Pérou [Solomina & al., 2007 ; Jomelli & al., 2008] et en Bolivie [Rabatel & al., 2005, 2006, 2008]. Au Venezuela, la chronologie des avancées glaciaires a été établie à partir de carottages de sédiments lacustres [Polissar & al., 2006]. Les études glaciologiques menées depuis les années 1990 sur les glaciers de la zone intertropicale [Francou &t al., 1995, 2003, 2004 ; Wagnon & al., 1999 ; Favier & al., 2004 ; Sicart & al., 2005] ont permis de comprendre le rôle des paramètres climatiques contrôlant les processus d accumulation et d ablation à la surface des glaciers. Ceci rend possible l utilisation des fluctuations glaciaires comme indicateur paléoclimatique. Cet article présente une synthèse des récents travaux réalisés dans les Andes intertropicales pour dater, reconstruire et interpréter paléoclimatiquement les fluctuations glaciaires au cours des derniers siècles.

3 FLUCTUATIONS GLACIAIRES DANS LES ANDES TROPICALES 9 2. Zone d étude 90 glaciers localisés dans la zone intertropicale interne (cordillères Est et Ouest d Equateur, Cordillère de Merida au Venezuela) et externe (cordillères Blanche et de Vilcanota au Pérou et cordillères Royale et de Quimsa Cruz en Bolivie) ont été sélectionnés pour cette étude (Fig. 1). La taille de ces glaciers varie de 0,2 km 2 à 4,5 km 2. La plupart d entre eux sont situés entre 4500 et 6300 m d altitude. Figure 1 - Localisation des massifs étudiés Location map of the studied areas En zone intertropicale, les fluctuations saisonnières de température sont faibles et la saisonnalité climatique est d abord liée aux variations de l humidité de l air et des précipitations. Par conséquent, les changements de précipitation (et plus généralement d humidité) expliquent une part importante des fluctuations de volume sur les glaciers intertropicaux [Wagnon & al., 1999 ; Sicart & al., 2005]. Ainsi, le bilan de masse glaciaire est fortement relié aux

4 10 A. RABATEL & V. JOMELLI précipitions annuelles (cumul, fréquence et distribution). Cette relation est particulièrement claire pour les glaciers de la zone intertropicale externe où les précipitations liquides sont extrêmement rares à leur surface. Dans la zone interne, la température joue aussi un rôle non négligeable en influençant la phase des précipitations à la surface des glaciers [Favier & al., 2004]. 3. Méthodes et données 3.1. Datation des fluctuations glaciaires Les stades morainiques ont été datés principalement par lichenométrie en appliquant une nouvelle méthode de traitement des données permettant notamment de calculer un intervalle de confiance sur les datations [cf. Cooley & al., 2006 ; Naveau & al., 2007 ; Jomelli & al., 2007b]. En Equateur, des sources historiques ont également été utilisées pour reconstruire la chronologie de l évolution des fronts glaciaires et de l altitude de la ligne de neige. Les plus anciennes datent du milieu du 17 ème siècle. Ce sont généralement des rapports de mesures géodésiques, des croquis, peintures/gravures ou récits d expéditions réalisés lors de missions scientifiques [cf. Francou, 2004 pour une synthèse sur ces documents] Reconstruction des stades glaciaires et interprétation paléoclimatique Sur chaque marge proglaciaire au moins 10 cordons morainiques ont été cartographiés, soit par photogrammétrie [Rabatel & al., 2006], soit à partir de mesures au GPS différentiel [Jomelli & al., 2008]. Les orthophotoplans issus des restitutions photogrammétriques (au 1/10000 avec un intervalle de 10 m. entre les courbes de niveau) ont servi à quantifier les variations de surface, volume et d altitude de la ligne d équilibre des glaciers qui sont les paramètres glaciaires utilisés pour réaliser une interprétation paléoclimatique. L altitude de la ligne d équilibre pour chaque stade morainique a été calculée à partir de la méthode de l AAR (Accumulation Area Ration) qui stipule que lorsque le glacier est à l état d équilibre, le rapport entre sa zone d accumulation et sa zone d ablation est de 2 pour 1 [Gross & al., 1978]. Le volume des glaciers (reconstitué uniquement pour certains glaciers boliviens, cf. Rabatel & al., 2006) a été obtenu par reconstruction des courbes de niveau à partir de la hauteur des moraines latéraux-frontales et de la forme de la marge proglaciaire. La variation du volume entre deux stades morainiques permet de calculer le bilan de masse moyen sur la période délimitée par ces deux stades. L interprétation paléoclimatique est fondée sur une reconstruction de variations de température, de bilan radiatif et de précipitation à partir des fluctuations de la ELA et une analyse de sensibilité du bilan de masse glaciaire [cf. Rabatel & al., 2008].

5 FLUCTUATIONS GLACIAIRES DANS LES ANDES TROPICALES Résultats et discussion 4.1. Datation des fluctuations glaciaires Chronologie régionale des fluctuations glaciaires La période d extension maximale (PEM) des glaciers au cours du dernier millénaire, correspondant au maximum du Petit Age Glaciaire, est définie dans ce travail comme l extension la plus importante enregistrée de façon synchrone par la majorité des glaciers d un massif donné. Elle date globalement des 17 ème et 18 ème siècles (cf. ci-après). Cependant, on peut observer sur certaines marges proglaciaires en Cordillère Blanche (Pérou) et quelques cas en Cordillère Royale (Bolivie) un cordon morainique situé entre 4100 et 4300 m. d altitude. Celui-ci a été daté par lichenométrie du milieu du 14 ème siècle [Jomelli & al., 2008, 2009]. La taille des lichens sur cette moraine, de diamètre largement supérieur à celui des lichens mesurés sur les moraines plus en amont, révèle une coupure très nette entre ce cordon et ceux plus récents, suggérant l'absence d'extension glaciaire d'intensité comparable pendant plusieurs siècles. Toutefois, les glaciers présentant ce stade morainique sont rares et, le cas échéant, la distance qui sépare cette moraine de celle correspondant à la PEM est faible (de 10 à 30 m.). Ainsi, ce stade précoce a sans doute existé pour l ensemble des glaciers mais il a été effacé par la PEM pour la majorité d entre eux. Cette avancée glaciaire du début du millénaire est aussi attestée par les enregistrements sédimentaires utilisés par Polissar et al. [2006] pour reconstruite les fluctuations glaciaires en Cordillère de Merida au Venezuela ; elle y est datée entre 1180 et 1350 AD. La PEM dans la zone intertropicale externe est datée du 17 ème siècle, les dates variant légèrement d un massif à l autre. Les datations lichenométriques la situent autours de 1630 ± 27 AD au Pérou [Solomina & al., 2007 ; Jomelli & al., 2008], et entre 1657 ± 24 AD et 1686 ± 26 AD en Bolivie [Rabatel & al., 2005, 2008]. Dans la zone intertropicale interne, la PEM est survenue à deux périodes distinctes [Jomelli & al., 2007a, 2009]. Pour les glaciers ayant une altitude maximale supérieure à 5700 m., elle date du début du 18 ème siècle (1730 ± 14 AD). Pour ceux dont l altitude maximale est plus basse, la PEM date du début du 19 ème s. (1830 ± 11 AD). Au Venezuela, après le stade datant du début du millénaire, Polissar et al. [2006] ont identifiés deux autres périodes d avancée glaciaire datées de AD et AD, sans pouvoir dire laquelle fut la plus importante. Suite à la PEM, l'évolution des glaciers des tropiques interne et externe est remarquablement homogène. Un retrait lent est observé durant la fin du 17 ème et au cours de la première moitié du 18 ème siècle. A partir de 1840 le retrait est plus marqué et s accélère à la fin du 19 ème siècle.

6 12 A. RABATEL & V. JOMELLI Figure 2 - Comparaison des stades glaciaires datés par lichenométrie et à partir de sédiments lacustres (Venezuela) avec d autres indicateurs attestant de la variation climatique (périodes humides/sèches) au cours des derniers siècles. On remarque que les stades glaciaires et principalement la PEM coïncident avec une période d accumulation excédentaire. Le ratio P/A dans la carotte du Sajama représente le changement relatif d abondance entre deux espèces polliniques (Poaceae et Asteraceae) et est utilisé comme indicateur de l humidité sur l Altiplano. Comparison of glacial stages dated by lichenometry and from lake sediments (Venezuela) with other proxys of climate variations (wet/dry periods) in recent centuries. Note that the glacial stages and mainly the MEP match with a period of increased accumulation. The P/A ratio in the Sajama ice core represents the relative change in the abundance between two pollen species (Poaceae and Asteraceae) and is used as a proxy of moisture on the Altiplano

7 FLUCTUATIONS GLACIAIRES DANS LES ANDES TROPICALES 13 En Equateur, pour les glaciers dont l altitude maximale est élevés (> 5700 m) deux réavancées ont été enregistrées en 1748 ± 8 AD et 1786 ± 9 AD. Ces moraines sont proches du stade de la PEM suggérant un retrait lent au cours du 18 ème siècle (11 ± 4 % de leur longueur totale). Au 19 ème siècle, une avancée glaciaire concomitante pour l ensemble des glaciers (haute et basse altitude) est datée de 1830 ± 11 AD. Cette dernière correspond à l extension maximale pour les glaciers de basse altitude. Après cette date, l ensemble des glaciers équatoriens affiche une tendance identique, avec un recul lent jusqu à mi- 19 ème, puis accéléré entre 1870 et le début du 20 ème siècle. Pour la zone intertropicale externe, les glaciers montrent deux réavancées mineures aux alentours de 1730 AD et 1800 AD. Le retrait post-pem et l absence de réavancée majeure au 19 ème siècle (d ampleur équivalente à la PEM) au sein de l ensemble de la zone intertropicale sont les principales différences observables par rapport à l évolution des glaciers des latitudes tempérées de l hémisphère Nord. En Bolivie, Rabatel & al. [2006] ont observé qu entre le milieu du 17 ème à la fin du 19 ème siècle, les glaciers se sont retirés d'environ 1000 m. Exprimée en valeurs moyennes annuelles pour l ensemble des glaciers, la perte de surface entre la PEM et la fin du 19 ème s. est de 0,15 % a -1. Cette valeur est équivalente pour les glaciers péruviens Qu apprend-on d un point de vue paléoclimatique? (Figure 2) On a vu précédemment que la variabilité inter-annuelle du bilan de masse des glaciers intertropicaux dépend principalement de la variabilité des chutes de neige pendant la saison des pluies (octobre-avril). En plus de l accumulation, la variabilité des précipitations contrôle l albédo de surface des glaciers, donc son bilan radiatif et ainsi le taux d ablation [Wagnon & al., 1999 ; Sicart et al., 2005]. De ce fait, la mise en place des moraines vers 4200 m durant la PEM nécessite que le bilan de masse spécifique en zone d'accumulation ait été très positif, générant un important transfert de glace vers l aval du glacier pour compenser les taux d ablation élevés à basse altitude. Des conditions plus humides qu aujourd'hui, en lien avec un décalage de la zone de convergence intertropicale pourraient expliquer l'avancée glaciaire observée et le caractère asynchrone de la PEM. Ainsi, en Équateur, des conditions plus sèches au 17 ème siècle qu'au début du 18 ème siècle pourraient expliquer le décalage de la PEM à l'égard des tropiques externes. Cette hypothèse est en accord avec d autres indicateurs. Par exemple, dans plusieurs carottes glaciaires [Thompson & al., 2006], une nette diminution du δ18o est observée à grandes échelles de temps au cours du dernier millénaire (entre la fin du 16 ème et le début du 19 ème siècle). Le minimum de δ18o entre 1650 AD et 1750 AD est synchrone avec la PEM [Jomelli & al., 2007a]. La période de retrait qui a suivi, associée à des conditions plus sèches, est corroborée par l analyse des paléo-niveaux lacustres sur

8 14 A. RABATEL & V. JOMELLI l altiplano péruviano-bolivien [Chepstow-Lusty & al., 2003]. Ce changement vers des conditions plus sèches entre début 18 ème et fin 19 ème siècle, est aussi avéré par des analyses polliniques dans la région du Sajama en Bolivie [Liu & al., 2005]. Quantitativement, l application des modèles climat/glacier (cf. 3.3.) a permis de mettre en évidence que : - Au Venezuela, pour la période AD , la température moyenne de l air aurait été de 3,2 ± 1,4 C plus fraîche et les précipitations plus élevées d environ 22% qu'à l'actuel. - En Équateur, des températures inférieures de 0,8 à 1,1 C à celle d'aujourd'hui, et une accumulation excédentaire de 25 à 35% semblent avoir eu lieu au 18 ème siècle, suivi d'une courte période plus froide mais plus sèche au début du 19 ème siècle. - En Bolivie, la PEM pourrait être la conséquence d'une diminution de la température de 1,1 à 1,2 C, et d une augmentation de 20 à 30% de l accumulation. 5. Conclusion Les recherches menées récemment aussi bien sur la dynamique actuelle des glaciers tropicaux que sur leur évolution au cours des derniers siècles ont montré un comportement spécifique remarquable de ces glaciers au cours du dernier millénaire par rapport aux glaciers des latitudes tempérées. Un seul et unique maximum est clairement identifié suivi d un retrait régulier même s il fut entrecoupé de périodes de stagnation des fronts, voire de légères réavancées. Si le phénomène du PAG à l échelle globale résulte d un forçage commun dont l origine reste encore mal connue (variation de l irrandiance solaire, changement de la circulation thermohaline), les variations à l échelle régionale dans la chronologie des fluctuations glaciaires sont principalement les causes de forçages climatiques locaux liés vraisemblablement à des phénomènes comme l ENSO dans le cas des Andes intertropicales. Pour aller plus loin dans les reconstructions paléoclimatiques, il s agit à présent de combiner les informations fournies par différents indicateurs permettant de travailler à plus haute résolution temporelle. A cet égard, la dendrochronologie et les enregistrements des carottes glaciaires sont très prometteurs. Références bibliographiques - CHEPSTOW-LUSTY, A., FROGLEY, M.R., BAUER, B.S., BUSH, M.B. & TUPAYACHI HERRER, A., 2003 «A late Holocene record of arid events from the Cuzco region, Peru», Journal of Quaternary Science, vol. 18, n 6, pp COOLEY, D., NAVEAU, P., JOMELLI, V., RABATEL, A. & GRANCHER, D., 2006 «A Bayesian hierarchical extreme value model for lichenometry», Environmetrics, vol. 17, n 6, pp

9 FLUCTUATIONS GLACIAIRES DANS LES ANDES TROPICALES 15 - FAVIER, V., WAGNON, P. & RIBSTEIN, P., 2004 «Glaciers of the outer and inner tropics: a different behaviour but a common response to climatic forcing», Geophysical Research Letters, vol. 31, L16403, 5 p. - FRANCOU, B., Andes del Ecuador: los glaciares en la época de los viajeros (siglos XVIII a XX). In: Deler, J.P., Mesclier, E. (Eds.), Los Andes, el reto del espacio mundo andino homenaje a Olivier Dollfus. IFEA-IEP, Lima, pp FRANCOU, B., RIBSTEIN, P., TIRIAU, E. & SARAVIA, R., 1995 «Monthly balance and water discharge on an intertropical glacier: The Zongo Glacier, Cordillera Real, Bolivia, 16 S», Journal of Glaciology, vol. 41, n 137, pp FRANCOU, B., VUILLE, M., WAGNON, P., MENDOZA, J. & SICART, J.E., 2003 «Tropical climate change recorded by a glacier in the central Andes during the last decades of the 20 th century: Chacaltaya, Bolivia, 16 S», Journal of Geophysical Research, 108 (D5), 4154, 12 p.. - FRANCOU, B., VUILLE, M., FAVIER, V. & CACERES, B., 2004 «New evidence for an ENSO impact on low latitude glaciers: Antizana 15, Andes of Ecuador, 0 28'S», Journal of Geophysical Research, 109, D18106, 17 p. - FRANCOU, B. & VINCENT, C., Les glaciers à l'épreuve du climat. IRD-Belin, Paris, 272 p. - GROSS, G., KERSCHNER, H. & PATZELT, G., 1978 «Methodische untersuchungen über die schneegrenze in alpinen gletschergebieten», Zeischrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie, Bund. XII, n 2, pp JOMELLI, V., GINOT, P., RABATEL, A., GRANCHER, D. & BRUNSTEIN, D., 2007a «The Little Ice Age in the tropical Andes. In: Is it the end of snowy heights? Glaciers and climatic change in the Andean Community, GSAC-IRD-UNESCO-SICA, Lima, 103 p. - JOMELLI, V., GRANCHER, D., NAVEAU, P. & COOLEY, D., 2007b «Assessment study of lichenometric methods for dating surface», Geomorphology, vol. 86, n 1-2, pp JOMELLI, V., GRANCHER, D., BRUNSTEIN, D. & SOLOMINA, O., 2008 «Recalibration of the Rhizocarpon growth curve in Cordillera Blanca (Peru) and LIA chronology implication», Geomorphology, vol. 93, n 3-4, pp JOMELLI, V., FAVIER, V., RABATEL, A., BRUNSTEIN, D., HOFFMANN, G. & FRANCOU, B., 2009 «Fluctuations of glaciers in the tropical Andes over the last millennium and palaeoclimatic implications: A review», Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, vol. 281, n 3-4, pp LIU, K., REESE, C.A., & THOMPSON, L.G., 2005 «Ice-core pollen record of climatic changes in the central Andes during the last 400 yr», Quaternary Research, vol. 64, n 2, NAVEAU, P., JOMELLI, V., COOLEY, D., GRANCHER, D., & RABATEL, A., 2007 «Modelling uncertainties in lichenometry studies with an application: the tropical Andes (Charquini Glacier in Bolivia)», Arctic, Antarctic and Alpine Research, vol. 39, n 2, pp POLISSAR, P.J., ABBOTT, M.B., WOLFE, A.P., BEZADA, M., RULL, V. & BRADLEY, R.S., 2006 «Solar modulation of Little Ice Age climate in the tropical Andes», Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 103, n 24, pp RABATEL, A., JOMELLI, V., FRANCOU, B., NAVEAU, P. & GRANCHER, D., «Dating Little Ice Age in the tropics from the moraines of Charquini glaciers (Andes of Bolivia, 16S)», C.-R. Géosciences, 337, n 15, pp RABATEL, A., MACHACA, A., FRANCOU, B. & JOMELLI, V., 2006 «Glacier recession on Cerro Charquini (Bolivia, 16 S) since the maximum of the Little Ice Age (17th Century)», Journal of Glaciology, vol. 52, n 176, pp RABATEL, A., FRANCOU, B., JOMELLI, V., NAVEAU, P. & GRANCHER, D., 2008 «A chronology of the Little Ice Age in the tropical Andes of Bolivia (16S) based on moraine dating by lichenometry: implications for climate reconstruction», Quaternary Research, 70, n 2, pp REIMER, P.J., & 27 co-auteurs «IntCal04 Terrestrial Radiocarbon Age Calibration, 0 26 Cal Kyr BP», Radiocarbon, vol. 46, n 3, SICART, J.E., WAGNON, P., & RIBSTEIN, P., 2005 «Atmospheric controls of the heat balance of Zongo Glacier (16 S, Bolivia)», Journal of Geophysical Research, 110, n D12, D12106, 2 p.. - SOLOMINA, O., JOMELLI, V., KASER, G., AMES, A., BERGER, B. & POUYAUD, B., 2007 «Lichenometry in the Cordillera Blanca, Peru: Little Ice Age moraine chronology», Global and Planetary Change, vol. 59, n 1-4, pp

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