Evolution du climat, des cycles biogéochimiques et de la biodiversité à l'échelle des temps géologiques // Evolution of climate, biogeochemical cycles and biodiversity at the geological timescale

L'histoire de la biodiversité à la surface de la Terre est intimement liée à l'histoire des cycles biogéochimiques et du climat. Les exemples sont nombreux, comme l'épisode d'oxygénation de l'atmosphère terrestre il y a environ 2.4 à 2.2 milliards d'années, ou la colonisation des continents par les plantes vasculaires. À chaque fois, la biodiversité est impactée par l'évolution climatique. Mais l'inverse est vrai aussi. Des fluctuations de la biodiversité vont modifier les cycles biogéochimiques globaux et donc le climat, du fait de la biominéralisation, de la photosynthèse effectuée par les producteurs primaires ou encore des modulations de la biomasse par les interactions écologiques entre les différents groupes biologiques fonctionnels qui composent la biodiversité.

Aujourd'hui, nous ne disposons pas de modèles numériques capables de simuler simultanément l'évolution des cycles biogéochimiques, du climat et de la biodiversité à l'échelle des temps géologiques. Tous les modèles existants simulent de manière plus ou moins réaliste l'évolution de la biomasse, mais pas celle de la biodiversité. C'est d'autant plus problématique que les données paléontologiques nous renseignent sur la biodiversité, mais très peu sur la biomasse. C'est donc un pan entier du dialogue modèle-données qui manquent dans notre compréhension de l'évolution géologique du système Terre.

Dans le cadre de cette thèse, nous allons implémenter un modèle écologique applicable à l'océan dans le modèle système-Terre pour le temps profond GEOCLIM7. Ce modèle écologique comportera plusieurs niveaux trophiques. Les dépendances entre les « espèces » vis-à-vis des paramètres environnementaux (température et pH, tous deux calculés à chaque pas de temps par GEOCLIM7), ainsi que les relations entre les « espèces » seront tirées aléatoirement ou contraintes en fonction des cas d'étude. De cette manière, un grand nombre d'écosystèmes différents devraient émerger des simulations. Le couplage direct dans GEOCLIM7 permettra d'explorer les relations entre biodiversité marine et évolution du cycle du carbone et du climat, dans des conditions de forçages variables, comme la mise en place d'une grande province magmatique dans le passé, ou les conséquences futures à long terme de l'émission de CO2 actuelle.
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The history of biodiversity on the Earth's surface is intimately linked to the history of biogeochemical cycles and climate. There are many examples, such as the oxygenation of the Earth's atmosphere between 2.4 and 2.2 billion years ago, or the colonization of continents by vascular plants. Each time, biodiversity is impacted by climate change. But the reverse is also true. Fluctuations in biodiversity will modify global biogeochemical cycles, and therefore the climate, through biomineralization, photosynthesis by primary producers, or biomass modulation through ecological interactions between the different functional biological groups that make up biodiversity.

Today, we have no numerical models capable of simultaneously simulating the evolution of biogeochemical cycles, climate and biodiversity on a geological timescale. All existing models simulate, with varying degrees of realism, the evolution of biomass, but not that of biodiversity. This is all the more problematic given that paleontological data provide us with information on biodiversity, but very little on biomass. A whole area of model-data dialogue is therefore missing from our understanding of the geological evolution of the Earth system.

In this thesis, we will implement an ecological model applicable to the ocean in the GEOCLIM7 deep-time Earth-system model. This ecological model will include several trophic levels. The dependencies between “species” on environmental parameters (temperature and pH, both calculated at each time step by GEOCLIM7), as well as the relationships between “species” will be randomly drawn or constrained according to the study cases. In this way, a large number of different ecosystems should emerge from the simulations. Direct coupling in GEOCLIM7 will enable us to explore the relationships between marine biodiversity and the evolution of the carbon cycle and climate, under variable forcing conditions, such as the eruption of a large igneous province, or the future long term consequences of the anthropogenic CO2 emission.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours de l'École Doctorale

Université de Toulouse

173 SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace

Solides connaissances en sciences marines, en géologie et en écologie. Expérience indispensable en langage de programmation (Python, fortran), et en modélisation numérique Connaissances souhaitées en méthodes statistiques Esprit de synthèse, curiosité, motivation.
Solid knowledge of marine sciences, geology and ecology. Experience in programming languages (Python, Fortran) and numerical modeling is essential. Knowledge of statistical methods desirable. Ability to synthesize information, curiosity, motivation.