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Sujets de thèse proposés en 2025

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Sujets mis au concours

Approche expérimentale de l’interaction ‘silicates hydratés – organiques’ : implications pour l’évolution thermochimique des noyaux des lunes glacées

Contexte scientifique

Les molécules organiques représentent une fraction importante des constituants des objets du système solaire externe. Avec les silicates, elles forment un noyau réfractaire après la phase de différentiations des objets les plus gros comme Encelade, Europe, Pluton, Titan, Ganymède, etc. La nature de ces molécules organiques a été étudiée dans le cadre de la thèse de Pauline Lévêque (Lévêque et al., 2024 & in preparation). Les résultats montrent une condensation des molécules vers des HAPs (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) lors de la phase de différentiation de ces corps glacés. La prochaine étape est d’étudier la réaction de ces HAPs avec les silicates hydratés lors du chauffage du noyau réfractaire par désintégration des éléments radioactifs et par effet de marée. Les résultats de ces expériences permettront de déterminer l’évolution encore méconnue des silicates et des organiques aux conditions P-T-X existant dans ces corps glacés. Ces données seront incluses dans des modèles d’évolution thermique déjà développés au laboratoire.

Contexte programmatique

Ce travail fait partie du projet ERC PROMISES. Les données produites permettront d’interpréter les observations du James Webb Telescope et de préparer l’interprétation des futures observations des missions ESA JuIcE et NASA Europa Clipper qui étudieront en détail Ganymède et Europe pendant la période 2031-2035.

Objectifs

La tâche principale de la thèse consistera à déterminer expérimentalement l’évolution d’échantillons « silicates hydratés + matière organique » aux conditions P-T-X des manteaux et noyaux rocheux des lunes glacées du système solaire. La gamme de températures envisagée s’étendra jusqu’à 800 oC, condition entraînant la déshydratation des silicates et la transformation en carbone des molécules organiques. Les objectifs expérimentaux consisteront à déterminer 1) le destin des volatiles (H2O, CO2, CH4…) relâchés par les silicates et la matière organique, 2) la nature des phases minérales (silicates, carbonates) formées à ces conditions, 3) le bilan du carbone à ces conditions (formation de volatiles, de carbonates, de graphite), et 4) l’effet réducteur de la matière organique sur le fer présent dans le système (spéciation, formation de fer natif). Les données acquises seront confrontées aux modèles géochimiques déjà employés par le projet PROMISES pour contraindre l’évolution d’assemblages minéralogiques (modèle Perple_X) et des molécules organiques (modèle VITRIMAT).

Méthodologie

Les conditions P-T désirées seront produites en routine au LPG (Nantes) grâce aux cellules à enclumes déjà disponibles ; ces instruments permettent le suivi optique et spectroscopique d’échantillons microscopiques (0.01 mg) au cours des expériences. Le projet PROMISES a également développé une collaboration avec l’ISTO (Orléans) qui dispose d’autoclaves apportant à des conditions P-T similaires des capsules contenant des échantillons plus larges (10 mg) ; l’analyse de ces plus gros échantillons n’est possible qu’en fin d’expérience mais donne accès à plus de techniques analytiques. Cette thèse s’appuiera sur des méthodes éprouvées lors des premières années du projet PROMISES : 1) spectroscopie Raman et infrarouge (LPG Nantes) pour identifier in situ les espèces volatiles simples, ions, et groupements chimiques, 2) chromatographie en phase gazeuse (LPG Nantes) pour quantifier les espèces volatiles produites, 3) diffraction des rayons X (ESRF Grenoble) pour identifier les phases minérales, et 4) spectroscopie de masse pour analyser la composition des molécules organiques. Suivant les opportunités disponibles, d’autres techniques spectroscopiques (masse, Mössbauer, X) seront explorées pour améliorer la caractérisation des silicates et du fer.

Collaborations

Laboratoire ISTO (Orléans, Rémi Champallier) pour les expériences en autoclave. Laboratoire
LGL-TPE (Lyon, Bruno Reynard) pour l’interprétation des spectres Raman et IR et pour l’utilisation du modèle Perple_X.

Profil attendu

Étudiant ayant un Master en Sciences de la Terre ou Astrophysique avec un intérêt démontré pour le travail expérimental.

Mots clés

Intérieurs planétaires, Expériences HP-HT, Lunes glacées.

Contacts :Christophe Sotin (LPG) & Olivier Bollengier (LPG)

Pour candidater, aller sur le site https://amethis.doctorat.org/amethis-client/prd/consulter/offre/1502

État de contrainte dans la croûte sismogène en France métropolitaine sur la base de méthodes sismologiques

Descriptif du projet

L’objectif du projet est de caractériser l’état de contrainte dans la croûte sismogène (entre 0 et 20 km de profondeur) en France métropolitaine sur la base de méthodes sismologiques. En particulier, il s’agit de tester et mettre en œuvre une nouvelle méthode basée sur l’analyse azimutale de la variation temporelle des vitesses de propagation des ondes de surface obtenues par corrélation de bruit sismique entre stations, permettant de déterminer l’orientation de la contrainte horizontale maximum.

L’état de contrainte dans la croûte supérieure est un des paramètres, directement en lien avec la sismicité, l’activité des failles, et l’aléa sismique, les moins bien contraints, en particulier dans un contexte de faible déformation et faible sismicité comme la France métropolitaine. Les techniques classiques d’estimation de contrainte sont soit extrêmement coûteuses et rares (par ex., mesures en forages), soit indirectes (par ex., inversions de mécanismes au foyer). Cette étude va permettre de tester et mettre en œuvre une nouvelle méthode d’estimation de l’orientation de la contrainte horizontale maximum en couplant corrélation de bruit sismique et déformation de la croûte induite par les marées de la Terre solide. Cette nouvelle information (orientation de contrainte) pourra ainsi servir de base à la définition de l’état de contrainte dans la croûte sismogène sur l’ensemble du territoire métropolitain, y compris dans les régions où les informations classiques de contrainte sont très rares et mal définies. Il est également envisagé que l’analyse des signaux dans différentes gammes de fréquences puisse permettre d’étudier la variabilité verticale de l’état de contrainte.

La méthode qui sera mise en œuvre a été récemment développée et testée sur deux sites (Alpes autrichiennes et Ouest des États-Unis) par le groupe de sismologie de Vienne (Delorey et al., Nature Comm., 2021 ; Aiman et al., GJI, 2023). Les techniques et outils de corrélation de bruit sismique, nécessaire à cette méthode, existent et sont exploités par l’équipe de sismologie du LPG. Les bases de données de signaux sismologiques qui seront exploitées dans cette étude sont celles de l’infrastructure de recherche Epos-France. Elles sont directement accessibles au LPG via les web-services Epos-France. Les outils et bases de données nécessaires à l’étude et la caractérisation de l’état de contrainte local et régional sont disponibles au LPG.

Étapes du projet de thèse

  1. Prise en main et test de la nouvelle méthode. Dans un premier temps, la méthode de traitement azimutal de corrélation de bruit sismique sera codée et prise en main, puis testée sur le cas d’étude des Alpes autrichiennes (cf., Aiman et al., GJI, 2023) afin de valider le développement et la mise en œuvre des codes développés.
  2. Application aux Alpes occidentales et sud-est de la France. La méthode sera ensuite appliquée à la région des Alpes occidentales et du sud-est de la France. Les résultats pourront être comparés avec les estimations basées sur les inversions de mécanismes au foyer (par ex., Mathey et al., Solid Earth, 2021) et les connaissances de la tectonique régionale. C’est aussi la région métropolitaine où la densité de stations sismique est la plus importante. Cette première étude régionale fera l’objet d’un article scientifique et de communications dans des conférences.
  3. Tests et analyses de sensibilités. Dans un second temps, la méthode et les résultats seront testés plus en détail afin d’étudier la sensibilité et la capacité à détecter des variations d’orientation de contrainte à différentes échelles spatiales et de profondeur. Cette étude paramétrique pourra porter sur des données réelles (cas du Sud-Est de la France comportant de fortes variations spatiales de structure) ou des données synthétiques. En fonction des résultats obtenus, un article scientifique ou une présentation dans un colloque sera envisagée.
  4. Application à l’ensemble de la France métropolitaine. Une fois les détails de la méthode bien caractérisés, elle sera étendue à l’ensemble de la France métropolitaine et des régions limitrophes. Cette partie de l’étude fournira la première cartographie homogène de l’orientation de contrainte horizontale à l’échelle du territoire métropolitain. Les résultats seront comparés avec les estimations régionales ainsi que la base de données nationale de mécanismes au foyer (FMHex). Les résultats obtenus feront l’objet d’une seconde publication scientifique et de communications dans des conférences.

Profil attendu pour les candidatures

Étudiant(e) avec un master en sciences de la Terre spécialisé en géophysique. Des compétences en sismologie seraient appréciées.

Étudiant(e) curieux scientifiquement, motivé par le développement de nouvelles techniques avec un intérêt marqué pour les outils et analyses numériques.

Mots clés

sismologie, corrélation de bruit, état de contraintes

Contacts :Stéphane Mazzotti (LPG) & Mickaël Bonnin (LPG)

Exploring the origin of Kasei Valles, Mars: a combined fluid dynamics and geomorphology approach

Kasei Valles, a so-called outflow channel, is the largest canyon on Mars and the biggest erosive structure in the Solar System measuring over 2500 km long, under 300 km wide, and under 3 km deep. Together with other large outflow channels on Mars, Kasei is understood to be eroded by a massive megaflood following the release of a subsurface aquifer. However, this hypothesis has a number of setbacks and fails to explain the size of Kasei, and the water source for the numerous events required to form it. This project will explore another hypothesis for the origin of Kasei Valles, involving instead the erosion of extensive glaciers or ice streams in the formation of the canyon. The scientific question(s) addressed in the context of the project will be:

  • Was Kasei Valles formed by megafloods or was it formed by ice streams?
  • Is there a change in the character of the flow that carved Kasei Valles along or across the megacanyon?
  • If Kasei was formed by ice and not by water, what are the implications for the climatic and hydrologic history of Mars?

To test whether Kasei Valles was formed by megafloods or by ice flow (or a combination), we will use the geomorphology of streamlined bedforms found in the valley interior, as well as the well-preserved record of fluid streamlines (in the form of elongated grooves), to perform fluid dynamic simulations. These simulations will allow us to interrogate the dynamics of the fluid that carved those landforms. We will constrain flow velocity, flow erosive vs. depositional capability by using a highly interdisciplinary approach consisting of COMSOL Multiphysics simulations of fluid dynamics over realistic martian topography (from CTX DEMs) mixed with geomorphological identification of high flow lines, stagnation points, boundary layers, and turbulent vs. viscous bedforms. We will next explore how fluid dynamics evolved along and across Kasei Valles, and how this changed with time, to finally put the results into the perspective of Mars’ ancient climate.

This PhD is part of the ERC-ICEFLOODS project. Expected collaborations in the project will be with Sabrina Carpy (co-supervisor, LPG), Susan Conway (LPG), Marion Massé (LPG), Jean Verité (IPGP), Nicolas Mangold (LPG), Tanguy Bertrand (LESIA/LPG), Martin Turbet (LMD/LAB), Edouard Ravier (LPG) and other future collaborations.

Profil attendu pour les candidatures

The ideal candidate should have notions of both geology and geomorphology (privileged glacial geomorphology) and geophysical fluid dynamics.

Mots clés

Megafloods, ice streams, Mars

Contacts :Anna Grau Galofre (LPG) & Sabrina Carpy (LPG)

High-latitude core dynamics from the geomagnetic secular variation and numerical dynamos with heterogeneous outer boundary heat flux

Descriptif du projet

The present-day geomagnetic secular variation (SV) on the core-mantle boundary (CMB) is strongest at high latitudes of the northern hemisphere. Regional analysis indicates a westward jet at the top of the core there (Livermore et al., 2017). Although rapid rotation effects are expected to yield equatorial symmetry in the core flow, the SV at high latitudes of the southern hemisphere is much weaker, possibly due to field-aligned flow that does not induce advective SV there. Alternatively, the equatorial symmetry in the core flow is broken, e.g. by boundary heterogeneity (Lézin et al., 2023).

This thesis involves two complimentary approaches to shed light on core dynamics at high latitudes. The first approach concerns a regional analysis of the geomagnetic SV at high latitudes. In order to model the westward jet, the student will apply different mathematical descriptions of the core flow at high latitudes of the northern hemisphere, including previously proposed regional core flow models (Olson and Aurnou, 1999; Livermore et al., 2017) as well as original models that will be developed in the thesis. These mathematical descriptions will be inserted into the radial induction equation on the CMB at high latitudes of the southern hemisphere. Comparison with the observed SV will reveal whether the observed weak SV at southern high latitudes is due to field-aligned flow or evidence for a break of equatorial symmetry in the core flow. In a second approach, the student will analyze numerical dynamo simulations with imposed heterogeneous outer boundary heat flux inferred from lower mantle seismic tomography models (Terra-Nova et al., 2019). The student will compare northern vs. southern high-latitude azimuthal flows and establish the relation between the hemispherical dichotomy of high- latitude core dynamics, the control parameters of the dynamo simulations and the imposed CMB heat flux spatial distribution.

Possible collaborations include Gaël Choblet and Mathieu Bouffard (LPG Nantes), Ingo Wardinski (EOST Strasbourg) and Alexandra Pais (Coimbra, Portugal).

Profil attendu pour les candidatures

Good level of mathematics and programming, decent background in geophysics.

Mot clés

Geomagnetic field; Core flow; Core-mantle boundary

Contacts :Hagay Amit (LPG) & Filipe Terra-Nova (LPG)

Synthèse d’opale en conditions géologiquement pertinentes pour la fossilisation de molécules organiques et la reconstitution des paléoclimats sur Mars et la Terre

Descriptif du sujet

Les minéraux d’altération ont le potentiel d’enregistrer les climats passés dans les séquences géologiques. Cette propriété permet de reconstituer des climats passés sur la Terre ancienne ainsi que sur d’autres corps planétaires comme Mars. Parmi ces minéraux, l’opale est un matériau qui est encore délicat à utiliser comme proxy climatique en particulier car il n’a pas encore été synthétisé au laboratoire dans des conditions rigoureusement géologiques. Les travaux récents du laboratoire (en particulier ceux publiés par le doctorant Simon Gouzy) ont permis des avancées significatives en ouvrant la voie à des synthèses à température ambiante, en milieu aqueux, et à partir de réactifs géologiquement aussi crédibles que possible. Par ailleurs ces travaux pionniers ont permis d’incorporer des molécules organiques dans ces synthèses, ce qui ouvre la voie à l’étude du potentiel fossilifère de l’opale ancienne.

Les objectifs de ce projet de recherche sont d’abord d’identifier clairement les conditions de genèse de ce minéral afin d’utiliser les propriétés géochimiques et spectroscopiques des échantillons naturels comme solides indicateurs des conditions qui les ont générés, en particulier en déterminant les gammes de température, de pH et Eh dans lesquelles les différentes propriétés sont obtenues par synthèse, et ensuite de caractériser les modalités physiques d’incorporation de molécules organiques dans l’opale : l’incorporation dans les grains de silice, dans le gel ou en patches dispersés a des conséquences sur le potentiel de préservation sur les temps longs.

La réalisation de cet objectif passe désormais par plusieurs volets :

  • Parvenir à incorporer les impuretés chimiques classiques comme l’aluminium et le calcium;
  • Parvenir à synthétiser l’opale CT, variété cryptocristalline pour l’instant énigmatique;
  • Parvenir à incorporer diverses molécules organiques et caractériser leur mode d’incorporation.

Ce travail demandera l’usage des techniques de synthèse en voie humide, et les techniques de caractérisation des matériaux obtenus : microscopies optiques et électroniques (MEB, MET), spectroscopies optiques et vibrationnelles (FTIR et Raman), combinaison AFM-IR, analyse élémentaire (ICP-OES, ICP-MS, EDX).

Ce travail sera réalisé en collaboration interne avec les ingénieures chimistes du LPG Carole LA et Marion RIVOAL, ainsi qu’avec des chercheurs en chimie organique (Vassilissa Vinogradoff au PIIM, Marseille).

Profil attendu pour les candidatures

Formation en Géosciences incluant un solide bagage en minéralogie (incluant les techniques de caractérisation), les processus d’altération de surface, la géochimie (éléments trace et isotopie). Des connaissances en chimie organique seront un plus.

Mot clés

opale, synthèse, paléoclimats

Contacts :Benjamin Rondeau (LPG)

Quelle est l’influence des épisodes de pluie intense sur la spéciation des métaux remobilisés et leur devenir ?

Contexte scientifique

La croissance démographique, la transition énergétique et l’augmentation du niveau de vie ont pour conséquence une augmentation exponentielle des quantités de métaux extraits, tandis que les développements technologiques mènent à une diversification des métaux nécessaires au développement industriel, provoquant une augmentation sans précédent des rejets de métaux dans l’environnement. Les métaux sont considérés comme toxiques (ex du Cd) ou comme des oligo- éléments (ex du Cu), mais l’augmentation de leurs concentrations au-delà de certains seuils dégrade la qualité des écosystèmes et menace la santé humaine et animale (concept « One Health ») dans les zones contaminées.

Les modèles climatiques prédisent que la fréquence, l’intensité et le nombre de précipitations extrêmes de courte durée ainsi que la variabilité des inondations augmenteront à mesure que le climat mondial évolue. Cet état de fait ne permet plus de contraindre avec précision le devenir et l’équilibre source- puits des métaux dans la zone critique (ZC) et par conséquent, les contributions globales du continent aux océans. Dans la ZC, les sols sont des puits de métaux, en particulier les zones humides. Leur cycle hydrologique (hautes eaux/basses eaux) favorise la formation de gradients chimiques et de processus biogéochimiques contrôlant le cycle des métaux. Les crues extrêmes se caractérisent par des niveaux d’eau et des débits nettement supérieurs aux niveaux oscillatoires observés au fil du temps. La balance source-puits de métaux dans les zones humides est alors déséquilibrée, augmentant les métaux exportés dans des délais très courts (« flash pollution ») et sous des formes physico-chimiques partiellement connues, éventuellement toxiques et dans des quantités et des concentrations qu’il faut estimer.

Objectifs

Caractérisation du matériel exporté des zones humides lors de pluies extrêmes.

  • Hypothèse : La fraction colloïdale est la principale responsable de l’exportation des métaux hors des zones humides.
  • Influence de l’origine de la matière organique et de la spéciation du Fe pour la remobilisation des métaux.
  • Hypothèse : La spéciation du Fe et les caractéristiques physicochimiques de la MO contrôlent la capacité de l’agrégat à transporter les métaux et à transformer leur spéciation, principalement par transfert d’électrons induit par l’activité microbienne.
  • Distribution des métaux, spéciation et composition isotopique
  • Hypothèse : La remobilisation des métaux est principalement contrôlée par le processus redox lors des précipitations et des inondations.

Méthodologie

Le sujet de thèse comprendra des:

  • Expériences de terrains avec plusieurs campagnes de prélèvements et une caractérisation in situ et en laboratoire des échantillons d’eaux de surface (fraction particulaire, colloïdale et dissoute), souterraines et interstitielles, ainsi que de sédiments et de sols.
  • Expériences en laboratoires pour mimer les conditions observées pour travailler dans des conditions contrôlées et identifier les processus de remobilisation des métaux.

Les outils de base de la géochimie, de la minéralogie seront couplés à la géochimie isotopique, la spéciation à l’échelle moléculaire (techniques de spectroscopie) et la microbiologie.

Collaborations envisagées

  • IFREMER Nantes (Daniel F. Araujo) : expertise isotopique
  • Laboratoire Eau et Environnement, Université Gustave Eiffel (Johnny Gasperi) : accès à des carottes sédimentaires de crues
  • Insituto Geológico y Minero de España (University of Oviedo, Espagne) (Diego Baragaño): accès à des échantillons de tourbes contaminés
  • Czech Advanced Technology and Research Institute (Veronika Veselská): expertise spectroscopie Mossbauer

Profil attendu pour les candidatures

Le/la candidat(e) aura un niveau Master 2 ou équivalent en spécialité en géosciences s’intégrant ainsi dans les thématiques de l’école doctorale 3MG. Il/elle aura une connaissance de géochimie des environnements de surfaces (eaux, sols), des moyens d’analyses expérimentales (ICP AES, ICP MS) et une appétence forte pour le terrain (campagnes de prélèvement) et le travail en laboratoire de précision dans un environnement contrôlé (salle blanche). Il/elle pourra avoir des notions d’hydrologie pour travailler sur les flux sortant de métaux.

Le/la candidat(e) sera rattaché(e) au laboratoire LPG à Nantes mais avec une co-supervision entre Nantes et Angers.

Une bonne compétence en langue anglaise est attendue afin d’assurer les échanges avec les partenaires étrangers, d’assurer une veille bibliographique ainsi que pour la valorisation des résultats scientifiques (conférence et rédaction d’article).

Mot clés

Changement climatique, métaux, isotopie

Contacts :Gildas Ratié (LPG) & Yann Morizet (LPG) & Aurélia Mouret (LPG)

Biogeochemical dynamics in intertidal mudflats: high frequency measurements and carbon cycle upscaling

Descriptif du projet

The dual crises of climate change and biodiversity loss represent two of the most significant challenges facing humanity in the 21st century. Intertidal sediment ecosystems, which span over 10,000 km² of Europe’s tidal coastline, offer critical ecosystem services and benefits such as carbon sequestration, climate adaptation, and biodiversity support. However, these habitats face increasing threats from fragmentation, resource depletion, and rising sea levels. This PhD project, as part of the REWRITE (REWilding and Restoration of Intertidal Sediment Ecosystems for Carbon Sequestration, Climate Adaptation and Biodiversity Support) initiative, is precursor to innovative rewilding and restoration approaches to enhance the ecological and societal resilience of these vital ecosystems. Among these ecosystems, intertidal mudflats are characterized by a large gross primary production dominated by microphytobenthos. This specificity would allow remote sensing quantification of carbon stock and offer upscaling possibilities. These areas experience rapid physical, chemical, and biological changes driven by tidal cycles, weather patterns, and human activities. These processes may relocate and transform the carbon fixed by microphytobenthos. Thus, understanding the high-frequency dynamics of these interfaces is critical for predicting mudflat biogeochemical cycles evolution under climate change, and their capacity to sequester carbon.

This research will advance our understanding of intertidal mudflat dynamics, providing essential insights into their ecological functioning and resilience. The findings will inform conservation strategies, support carbon management efforts, and enhance predictive capabilities for coastal systems facing climate change. By integrating high-frequency dynamics, diagenesis modeling, and upscaling techniques, this PhD project will contribute to a deeper understanding of intertidal mudflat systems, bridging the gap between local processes and broader environmental management objectives.

Overall research objectives

This PhD project aims to explore the high-frequency biogeochemical dynamics of intertidal mudflat interfaces and develop a robust model to predict the early diagenesis processes as well as provide boundary conditions to upscaling models. Specifically, the project will:

  1. Measure high-frequency variations in the physicochemical properties of mudflat sediments (e.g., interfacial redox gradients, porewater composition and carbon fluxes, sediment topography).
  2. Model the early diagenesis processes, focusing on organic matter degradation, nutrient cycling, and mineral transformations.
  3. Participate to the development of an upscaling framework to translate station-scale findings to mudflat-wide assessments.

Methodology

  1. Field Studies: Conduct high-resolution monitoring of intertidal mudflat sites, utilizing advanced sensor technology to capture variations in sediment properties, tidal flow, and environmental parameters with a time resolution in the range of 1mn to 1h. New automated benthic station will be operated first in mudflat of Loire estuary in France. The same equipment could be thereafter utilized in other European demonstrators, such as Ria de Aveiro, Portugal.
  2. Model Development: Build a numerical model coupling high-frequency interface dynamics with diagenesis mechanisms specific to organic matter from different origins (autochthonous and allochthonous) (i.e., contrasted reactivity). Incorporate multi-scale data to enable reliable extrapolation.
  3. Upscaling: Use remote sensing, geostatistical and machine learning approaches to integrate local-scale processes across the spatial extent of the mudflat, ensuring applicability in ecological and management contexts.

Expected outcomes

  • A comprehensive dataset characterizing the temporal variability of intertidal mudflat interfaces.
  • A validated diagenesis model capable of simulating early diagenesis processes at high temporal resolution. Comparison between sites with different histories (recently or formerly restored/rewilded sites, abandoned sites, natural sites or heavily anthropized) will then be possible. These sites will be eventually chosen in consultation with REWRITE partners.
  • An upscaling framework bridging fine-scale observations to regional ecosystem assessments.

Research skills needed

  • Demonstrated experiences in the field of earth sciences: e.g., oceanography, aquatic systems, chemistry, physics
  • Demonstrated experience with scientific computation
  • Demonstrated ability to work independently and as part of a team
  • Good written and oral communication skills in English.

Keywords

Carbon cycle; Marine ecosystem modeling; Field instrumentation

Contacts :Edouard Metzger (LPG) & Éric Viollier (LSCE) & Ana Sousa (University of Aveiro, Portugal)

PaleoAIce : AI-driven palaeo-ice sheet reconstructions

Subglacial bedforms: the basic ingredients for palaeoglaciology

Currently, less than 10% of Earth’s land surface is covered by ice, primarily concentrated in the polar regions. However, during the peak of the Pleistocene ice ages, approximately 20,000 years ago, ice sheets covered 25-30% of the global landmass. The three main components of the glacial system then interacted to create unique landscapes whose topographic signal is recognisable at the continental scale (e.g. North America, Figure 2): (1) a mobile ice column hundreds to thousands of meters in thickness, (2) a pressurised subglacial hydrological system, and (3) a soft, mobile sedimentary bed. Parts of this topographic signal are gigantic fields (106 km²) of individual and periodic sedimentary mounds of pluri-metre to pluri-kilometre scale called subglacial bedforms. They are reliable proxies for unravelling the characteristics of subglacial processes, which are poorly constrained in ice sheet models, and considered as the basic ingredients for the growing field of palaeoglaciology, at the crossroads of glaciology and geomorphology (Vérité et al., 2024).

…possibly unlocking the hidden dynamics of ice sheet collapse.

The mechanisms driving the final demise of ice sheets (e.g. collapse) remain poorly understood. Since the events leading to collapse is connected to widespread changes in subglacial processes, analyzing the geomorphological records of past collapse events offers a robust, data-driven approach. The reorganisation of ice and meltwater flow dynamics under enhanced warming leads to the massive transfer and reshaping of subglacial sediments into bedforms that often remain pristine when the ice has quickly vanished. Considering the dimensions and shapes of bedforms are controlled by spatio-temporal variations in ice-meltwater-bed interactions (Ely et al., 2023; Vérité et al., 2024), their morphometric characteristics are now considered to be reliable indicators for palaeoglaciological reconstructions.

Methodological breakthrough

Until now, deciphering the detailed geomorphological signature of ice sheet collapse produced from the analysis of big bedform databases is prevented by (i) the lack of a solid automated bedform mapping workflow, (ii) ambiguities in classical theories about bedforms and their paleoglaciological significance and (iii) the absence of an efficient ice sheet-scale palaeoglaciological reconstruction tool. AI application to palaeoglaciology and ice sheet modeling is still in its early stages of development. Recent studies have showcased the potential of Convolutional Neural Networks (CNNs) for processing vast geomorphological datasets and automating feature extraction and mapping (Rocamora et al., 2023; Daynac et al., 2024). This will pave the way to the inversion of unknown parameters such as ice thickness and velocities, or meltwater pathways from palaeoglaciological databases and bridge the gap between big data and numerical models. This could be crucial for refining the reliability of projections of ice sheet response to climate change.

Objectives

The PhD student will develop a full AI-driven protocol for automated palaeoglaciological reconstructions at the scale of an ice sheet.

This objective will be achieved by carrying out the following tasks:

  1. Spectral and topographic data selection and pre-processing from free satellite datasets
  2. Benchmarking the efficiency and performance of different Deep Learning (DL) models
  3. Production of an annotated datasets (> 3000 bedforms/landforms) from spectral (Sentinel-1 and 2, Landsat 8-9), topographic (ArcticDEM), manual (e.g. Vérité et al., 2022) and semi-automated (Hesni et al., 2025) digitizing for assessment of DL models performance.
  4. Produce the first database of subglacial bedform outlines at the scale of an ice sheet from DL models.
  5. Complete the developed morphometric descriptors of bedforms with new spectral (e.g. Till indicator derived from Moisture and Vegetation indices) and spatial (e.g. Gridded FFT) ones.
  6. Identification of the main bedform descriptors, classification/continuum analysis and interpretation from 4 different multivariate (Principal Component Analysis (PCA) and Cluster Analysis) and spatial statistics (Spatial Autocorrelation).
  7. Apply the full automated workflow for palaeoglaciological reconstructions at the ice sheet-scale.
  8. Data-model comparisons by integrating existing ice sheet simulations on the Laurentide (Stokes et al., 2016; Gowan et al., 2016, 2021) i) with the new palaeoglaciological reconstructions and ii) with the compilation of published geomorphological and geochronological data

Target & Data

The PhD student will focus on the Laurentide Ice Sheet covering a large part of the North American continent during the last glacial period (Figure 1).

Data : ArcticDEM (10m resolution), made available online free of charge by the Polar Geospatial Center (Porter et al., 2018; https://livingatlas2.arcgis.com/arcticdemexplorer/). – Free Lidar-based DEMs for areas beneath the Arctic circle available for Scandinavia – Sentinel 2 (10-20 m resolution) multispectral data made available by ESA Copernicus and derived indices NDWI, NDVI, SWIR, NSMI, WI, CMR, albedo – Compilation of published calibrated ages for ice sheet collapse chronology (radiocarbon, cosmogenic radionuclides, OSL, TL).

Requirements

Master degree in Earth Sciences or Physical Geography. Proficiency in Python and GIS required. Strong interest in Artificial intelligence and big data. Solid knowledge in Geomorphology. Background knowledge in glacial sciences and fluid mechanics will be appreciated. Good level in oral and written scientific English.

Keywords

Geomorphology ; Glaciology, Artificial Intelligence.

Contacts :Edouard Ravier (LPG) & Paul Bessin (LPG)

Evaluation de la qualité géochimique et écologique des écosystèmes lagunaires : reconstitution à partir des foraminifères benthiques (GET-LAG)

Dans le cadre de ce projet de thèse, nous souhaitons utiliser les foraminifères benthiques, bio-indicateurs de la qualité de l’environnement, pour étudier l’état écologique et chimique de l’étang de Berre. Les foraminifères répondent aux variations environnementales par des changements de diversité et de composition des communautés. De plus, la composition élémentaire de leur coquille reflète les conditions dans lesquelles la calcite est formée. L’objectif du projet sera d’explorer ces deux approches, écologique et géochimique, afin de valider, calibrer et adapter ces outils pour améliorer le suivi de la qualité des lagunes méditerranéennes. Nous tenterons de répondre aux questions suivantes : Est-ce que l’outil est suffisamment sensible pour enregistrer les changements d’oxygénation (éléments redox) et pollution chimique du milieu ? Est-il possible de définir des conditions de références grâce à l’analyse des faunes fossiles ? Est-il possible d’identifier la pression anthropique responsable des variations d’assemblages ou de composition géochimique observées ?

Méthodologie

Ce projet de thèse s’articulera autour de 2 étapes principales :

1) Calibration de l’outil de bio-indication en étudiant la distribution spatiale et saisonnière des communautés de foraminifères actuelles pour comprendre leur réponse aux différents paramètres forçant du milieu, naturels et anthropiques (salinité, matière organique, oxygénation, pollution).

2) Reconstruction de leur évolution au cours du temps en lien avec les pressions anthropiques (pollution, eutrophisation, aménagements) incluant les stratégies de gestion mises en œuvre. Cela sera obtenu à partir de de l’étude de carottes sédimentaires. 

Pour chaque étape, nous aurons une approche intégrée alliant l’écologie, la géochimie sédimentaire et l’étude de la composition géochimique des foraminifères. Nous utiliserons/adapterons des indices biotiques pour la définition des EcoQS (Ecological Quality Status) et explorerons l’intérêt des paleo-EcoQS pour définir des conditions de référence. Nous étudierons la composition en éléments traces des coquilles pour tracer les variations d’oxygénation (Mn/Ca) ou les pollutions chimiques du milieu (Cu/Ca, Pb/Ca…). Ces données seront mises en regard des paramètres géochimiques du milieu (oxygène dissous, éléments redox, nutriments…). 

Ces résultats feront l’objet de publications scientifiques internationales et de présentations en congrès.

Profil attendu

Le/la candidat(e) doit avoir un Master en Sciences de la mer ou micropaléontologie ou équivalent. Une expérience en écologie marine et/ou en micropaléontologie, de préférence sur les foraminifères, est requise. Des connaissances en géochimie seraient un plus. Le travail de détermination taxonomique sous loupe binoculaire demande minutie et rigueur. Une excellente pratique écrite et orale de l’anglais est obligatoire.

Mots clés

Bio-indicateurs marins, état écologique, foraminifères benthiques, hypoxie, indices biotiques, lagunes méditerranéennes pollution chimique

Contacts : Meryem Mojtahid (LPG), Sylvain Rigaud et Christine Barras (LPG)