We selected five cores in the Indian sector of the Southern Ocean to cover the frontal zones that constrain the ACC, i.e., from the Subtropical Zone to the Antarctic Zone (Fig. 1). These sites have similar bottom-water oxygen contents (205–220 μmol kg⁻¹).

Uranium concentrations were measured by α spectrometry following separation on anion exchange columns and deposition onto aluminium foil. Analytical uncertainty in ²³⁸U, due to counting statistics, was 6%.

The total uranium-238 measured in the samples consists of two components: uranium present in detrital minerals (²³⁸U_d) and authigenic uranium (²³⁸U_auth) derived from seawater.

Detrital uranium (²³⁸U_d) is estimated as:

The authigenic uranium (²³⁸U_auth) contents of the samples were then calculated using the relation:

In core MD 94-102, the good correlation of ²³²Th with ²³⁸U_T (r²=0.8) suggests that bio-authigenic uranium is not present. The detrital (²³⁸U/²³²Th)_d ratio of 0.58 from this core is applied to the calculations for all cores in the study area. Our U/Th ratio is within the range used in other studies [11,13]. Authigenic uranium concentration and flux are reported in Table 1.

During the Holocene period, the authigenic uranium fluxes (Fig. 2) are low in the Indian Sector of the Southern Ocean (5 μg cm⁻² ka⁻¹). This is probably due to a low flux of organic carbon to the seabed and to a high oxygen concentration in bottom waters during this period. During glacial period, by contrast, authigenic uranium can be found in sediments in the Polar Frontal Zone and in the Antarctic Zone. Glacial accumulation rates of authigenic uranium ranged between 5 and 65 μg cm⁻² ka⁻¹ (Fig. 2), comparable to accumulation rates found today in upwelling regions of high productivity. However, one cannot reliably convert the accumulation rate of authigenic uranium in any individual core into an organic carbon rain rate (export production), because the flux of authigenic uranium in the sediment may also be influenced by (i) lateral transport of organic carbon, (ii) a change of oxygen concentration in bottom waters, or (iii) post-depositional remobilisation of the uranium in the sediment.

• – The flux of organic carbon to the seabed may be influenced by sediment focusing. That is, focused deposition of sinking particles by deep-sea currents may enhance significantly the local flux of organic matter to the seabed relative to the regional average flux of organic matter exported from surface waters [2,11]. Accumulation of sediments in the Polar Frontal Zone of the Indian sector of the Southern Ocean is strongly enhanced by sediment focusing. Dezileau et al. [9] used the ²³⁰Th method to quantify the contribution of advected sediments to the bulk sediment. Lateral transport estimations for both the Holocene and glacial periods suggest that sediment redistribution is higher during glacial periods. In that case, we suggest that a significant part of the authigenic uranium was attributed to intense sediment focusing during glacial period.
• – We have positive evidence for a lowering of O₂ concentration in bottom water from authigenic U accumulation in the core MD 84-552 (Fig. 3). In this core, authigenic U accumulates during the glacial periods, even though export-production proxies indicate lower export flux, while accumulation rates of ²³⁰Th_ex indicate no sediment focusing during the glacial periods. Similar trends were found in the Atlantic sector and other cores in the Indian sector [12]. These glacial maxima in authigenic U can be explained only by a decrease in bottom-water oxygen concentration.
• – Authigenic U may be re-distributed in the sediment, due to post-depositional remobilisation. It has been suggested that a significant decrease in the organic carbon flux or bulk sedimentation rate may increase the oxygen availability in the sediment, thus leading to fixation or even deepening of the redox front [20]. A deepening of the oxidation front into organic rich sediments will lead to a ‘burn down’ (i.e., oxidation) of organic carbon and remobilisation of U. This process will result in the formation of a sharp peak below the oxidation front, as suggested from studies of North Atlantic turbidites [20]. Our cores in the Polar Frontal Zone are characterised by a strong decrease in the organic carbon flux during Holocene; thus, the sharp peaks in authigenic U, particularly below glacial terminations, are probably a result of such post-depositional remobilisation. We have another positive evidence for a post-depositional remobilisation when we compare the biogenic barium (bioBa) and the organic carbon in the core MD 88-769 (Fig. 4). The biogenic barium and the organic carbon are proxies of palaeoproductivity and must present the same variation during glacial/interglacial periods. However, it can be noted that, between 30 and 70 cm, it exists a difference between the two records. This difference may be explained by a ‘burn down’ of organic carbon due to a deepening of the oxidation front. This has probably induced a remobilisation of U.

  In conclusion, we suggest that the authigenic U flux cannot be used as a direct proxy of palaeoproductivity in the Southern Ocean, as previously suggested by Kumar et al. [15].

Nous avons étudié cinq carottes, qui forment un transect de part et d'autre du Front polaire antarctique et du Front subtropical (Fig. 1). Les sédiments étudiés proviennent des campagnes océanographiques réalisées dans l'océan Austral dans le cadre des programmes Apsara et Images. Ils ont été prélevés à bord du navire océanographique Marion-Dufresne par des carottages de type Kullenberg, lors des missions qui se sont déroulées au cours des années 1984, 1988 et 1994. Ces cinq sites sont localisés dans les eaux circumpolaires profondes [19], au niveau d'une masse d'eau qui présente une concentration en oxygène relativement homogène (205–220 μmol kg⁻¹).

Les teneurs en uranium et en thorium ont été mesurées par spectrométrie α après séparation chimique [8].

Dans les sédiments marins, l'uranium peut se trouver sous deux formes : détritique et authigène. Cette dernière forme apparaı̂t lorsqu'il existe des conditions réductrices à l'interface eau–sédiment [1,8]. Pour déterminer l'addition de ce type d'uranium au sédiment, les concentrations de ²³⁸U mesurées dans le sédiment doivent être corrigées de la contribution détritique. Pour cela, on mesure les concentrations en ²³²Th, qui a une origine essentiellement détritique, et on considère le rapport ²³⁸U/²³²Th du matériel détritique local. Ce rapport peut être déterminé, si l'on dispose de carottes issues du même environnement sédimentaire, mais qui ne contiennent pas d'uranium authigène.

Dans la carotte MD 94-102, les concentrations en U_mes (uranium total) sont relativement faibles (0,2 et 0,4 dpm g⁻¹) et suivent les concentrations en ²³²Th caractéristiques du matériel détritique. La corrélation entre l'uranium mesuré et le ²³²Th est significative, avec un coefficient de corrélation de r²=0,8, suggérant que l'uranium mesuré sur cette carotte est purement détritique. Cette carotte nous permet de déterminer le rapport (²³⁸U/²³²Th)_détritique=0,58. François et al. [11] ont proposé un rapport compris entre 0,5 et 1 et Frank [13] un rapport de 0,75. Notre rapport (²³⁸U/²³²Th)_détritique se trouve donc dans la gamme habituelle pour les sédiments de l'océan Austral.

La valeur d'²³⁸U_auth est calculée en soustrayant l'²³⁸U_détritique de l'uranium total mesuré dans le sédiment suivant l'équation :

Le rapport (²³⁸U/²³²Th)_détritique=0,58 sera appliqué à l'ensemble des carottes étudiées dans la région, afin de calculer les activités d'uranium authigène. Les concentrations et les flux d'uranium authigène sont présentés dans le Tableau 1.

Les flux d'uranium authigène, en μg cm⁻² ka⁻¹, sont présentés sur la Fig. 2. À l'Holocène, les flux d'U_auth dans les sédiments du secteur Indien de l'océan Austral sont inférieurs à 5 μg cm⁻² ka⁻¹. Ces faibles valeurs sont du même ordre de grandeur que celles mesurées dans le secteur Atlantique [2,15] et dans le secteur Indien [3]. Ceci est probablement dû à un faible flux de carbone organique vers les sédiments et à des eaux de fond bien oxygénées (150–200 μmol kg⁻¹, [18]) pendant l'Holocène. En période glaciaire, à l'exception de la carotte MD 94-102, localisée dans la zone subtropicale, les flux de U_auth dans la zone du Front polaire (MD 94-104, MD 88-769 et MD 88-770) et la zone Antarctique (MD 84-552) présentent des enrichissements en U_auth compris entre 5 et 65 μg cm⁻² ka⁻¹. Cette accumulation n'a pas d'équivalent à l'Holocène dans cet océan. Ils sont comparables aux flux déterminés actuellement dans les zones de fortes productivités, comme c'est le cas dans l'upwelling mauritanien (10 μg cm⁻² ka⁻¹) et l'upwelling sud-californien (50 μg cm⁻² ka⁻¹, [4]). Si nous considérons l'hypothèse de Kumar et al. [15], cet enrichissement en U_auth est lié à une augmentation de la productivité biologique en période glaciaire.

Cependant, nous considérons qu'il ne faut pas lier directement le flux de U_auth de chaque carotte à la production de matière organique exportée (relation de Kumar et al. [15]), parce que :

• (1) le flux de U_auth peut être influencé par une diminution de l'oxygénation des eaux de fond et/ou par une redistribution post-diagénétique de l'uranium authigène ;
• (2) le flux de carbone organique dans les sédiments peut être influencé par des apports latéraux de carbone organique ne provenant pas de la production de matière organique exportée.

Pour être plus clair, la production exportée est définie par la quantité de matière organique exportée de la zone euphotique ; elle se mesure en estimant la quantité de matière organique qui s'accumule dans les pièges localisés sous cette zone. Pour les pièges les plus profonds, la production exportée diminue rapidement et la quantité piégée est une fonction de la profondeur [5]. Cependant, sous certaines conditions, cette fonction est faussée lorsqu'il s'ajoute à la matière organique exportée de la zone euphotique, une matière organique apportée latéralement (advection horizontale) par les courants de fond et de surface. Cette redistribution du matériel affecte à la fois les particules qui sédimentent dans la colonne d'eau et qui sont déviées par des courants, mais aussi des particules déjà déposées qui vont être remises en suspension et transportées loin du site de dépôt initial par les courants de fond. Dans le prochain chapitre, nous distinguerons la production exportée (flux vertical de matière organique) du flux latéral lié aux processus de redistribution.

3.2.1 Les apports latéraux de matériel sédimentaire

3.2.2 Vers une diminution de l'oxygénation de l'eau de fond en période glaciaire

3.2.3 Redistribution post-diagénétique