Isotope Geochemistry in the Critical Zone

Résumé:

La zone critique - la couche la plus externe de notre planète,
essentielle à la vie - abrite un ensemble complexe de processus couplés,
que nous nous devons de mieux comprendre et quantifier dans le contexte
des changements environnementaux. La géochimie offre une opportunité
unique d’évaluer la vitesse à laquelle la matière se déplace dans et
entre les différents compartiments (roches, sols, eaux, plantes...) de
la zone critique. En particulier, ce document vise à exposer certains
des outils analytiques et conceptuels nécessaires pour traduire les
signatures des isotopes stables des métaux en contraintes quantitatives
sur les processus de la zone critique. En d’autres termes, comment le
fractionnement isotopique se traduit-il en signatures isotopiques dans
la zone critique? Tout d’abord, le rôle du temps de résidence des
solides à la surface de la Terre dans la détermination de la signature
isotopique du lithium dans les eaux et les sédiments des grands fleuves
est examiné. Le deuxième facteur exploré ici est la vitesse à laquelle
l’eau se déplace dans la subsurface, vitesse qui influence les
signatures isotopiques du lithium et du silicium des cours d’eau de les
petits bassins versants. Enfin, le rôle de la vie, et en particulier des
plantes, est examiné, en soulignant comment les signatures isotopiques
des nutriments mineurs dérivés des roches, tels que le strontium ou le
baryum, peuvent être utilisées pour contraindre quantitativement la
manière dont ces éléments - et potentiellement d’autres éléments tels
que le carbone - sont recyclés par les écosystèmes, grâce à des études à
des échelles allant des petits aux grands bassins hydrographiques. En
résumé, le défi des années à venir consistera à établir un cadre
prédictif plus holistique pour comprendre comment les interactions entre
les solides, les fluides et la vie contrôlent la signature des isotopes
stables des métaux dans la zone critique.

La soutenance sera diffusée sur Twitch (www.twitch.tv/julienbouchezipgp)



Abstract:
The Critical Zone - the outermost, life-supporting layer of our planet
- is the theatre of an intricate set of processes, which we need to
better understand and quantify in the context of the undergoing
environmental change. Geochemistry offers a unique opportunity to gauge
the rates at which matter moves through the various compartments of the
Critical Zone, such as rocks, soils, waters, or plants. In particular,
this document aims to explain the analytical and conceptual tools needed
to translate the stable isotopes signatures of metal(loid) elements into
quantitative constraints on Critical Zone processes. In other words, how
does isotope fractionation translate into isotope signatures in the
Critical Zone? First, the role of the residence time of solids at the
Earth surface in setting the isotope composition of lithium in large
river waters and sediments is discussed. The second driver reviewed here
is the speed at which water moves through the subsurface, in particular
through its influence on the isotope composition of lithium and silicon
of streams in small, headwater catchments. Finally, the role of life and
in particular of plants is reviewed here, emphasizing how the stable
isotope signatures of rock-derived minor nutrients such as strontium or
barium can be used to quantitatively constrain how these elements - and
potentially others such as carbon - are cycled by ecosystems, through
studies at scales ranging from small to large catchments. In a nutshell,
the challenge for the years to come will be to establish a more
holistic, predictive framework to understand how the interactions
between solids, fluids, and life control the stable isotope signature of
metals in the Critical Zone.

The defense will be live-streamed on Twitch (www.twitch.tv/julienbouchezipgp)