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)