Isotopic tracer constraints on concentration-discharge relations in the Critical Zone

Vous pouvez assister à la soutenance en visioconférence: https://u-paris.zoom.us/j/86023849693?pwd=VjA0RkR2ellzdVVLWlpaYmQ2Q0xpdz09 ID de réunion : 860 2384 9693 Code secret : 777471 Résumé : Malgré son rôle crucial dans la régulation climatique à long terme de la Terre et l'approvisionnement en nutriments des écosystèmes, les liens entre l'altération des silicates et le cycle hydrologique demeurent incomplètement comprises. Cette lacune de connaissance tient à la complexité des interactions entre les processus hydrologiques et géochimiques. L'objectif de cette thèse est de mieux contraindre les relations concentration-débit lors d'événements de crues en rivière par l'utilisation combinée de traceurs réactifs (δ30Si, rapport Ge/Si, 87Sr/86Sr) et de modèles de distribution des temps de transit. Les variations de débit (Q), de concentration (C) et de leurs rapports isotopiques (R) proviennent du couplage entre les voies d'écoulement de l’eau dans la zone critique et leur temps de transit. Tous deux influencent la thermodynamique et la cinétique des réactions géochimiques d’interaction eau-roche en particulier. Nous avons cherché à définir et comprendre ces relations C-Q-R grâce à une analyse à haute fréquence des crues, bilan de masse chimique et isotopique, ainsi qu'à la modélisation des temps de transit hydrologiques dans deux petits bassins versants : le bassin du Kervidy-Naizin, France et le bassin du Weierbach, Luxembourg. Dans le bassin de Naizin-Kervidy, dans des conditions hydrologiques basses, nous avons échantillonné divers compartiments de la zone critique (sols, roches, solutions du sol, pluie, rivière et eaux souterraines) pour comprendre la dynamique de la silice. Le bassin est caractérisé par un gradient isotopique de la silice dissoute avec la profondeur. Les réactions d'altération dans l’aquifère profond, principalement la dissolution du schiste et la précipitation d'argile, contrôlent les concentrations de Si et δ30Si. En revanche, dans l'aquifère peu profond et les solutions de sol, l'assimilation de la silice par les plantes devient le processus dominant de la dynamique du Si. Nos résultats révèlent un impact significatif de l'agriculture sur le cycle du Si où une exploitation agricole prolongée a entraîné une augmentation de la signature δ30Si dans les eaux souterraines, les solutions du sol et la rivière. Des mesures chimiques à haute fréquence dans la rivière, de δ30Si, du rapport Ge/Si et du δD lors de deux crues, couplées à la distribution des temps de transit modélisée éclairent les processus responsables des relations Si-Q-δ30Si. L'activation de voies d'écoulement peu profondes lors de l’infiltration de pluie et la libération de carbone organique dissous (COD) des sols favorisent la dissolution d'argiles. La complexation de l’aluminium avec le COD entretient la dissolution d'argiles. Dans le bassin du Weierbach, une crue de 26 jours, caractérisée par un hydrogramme à double pic, a été échantillonnée à haute fréquence. Les mesures de δ30Si, 87Sr/86Sr et δD dans la rivière, les eaux souterraines et les solutions du sol, combinées à l'âge de l'eau estimé à partir d'une étude antérieure, montrent que chaque pic résulte de processus se produisant à des moments et dans des compartiments différents (zone riparienne, zone de plateau et versant). Nos résultats montrent une complexe interaction entre le mouvement de l'eau et les réactions chimiques, le premier pic étant attribué à l'activation des voies d'écoulement superficielles dans la zone riparienne, à une libération du COD et dissolution des argiles. Le deuxième pic résulterait du déplacement de l'eau stockée dans la zone vadose, par l’infiltration de pluie, provoquant la précipitation d'argiles dans l'aquifère peu profond et la libération d'eau précédemment stockée provoquée par une connectivité hydrologique accrue dans le bassin. Cette thèse met en évidence la complexité et l’hétérogénéité de la réponse géochimique des bassins aux perturbations hydrologiques. Dans les deux bassins, les changements dans les voies d'écoulement de l'eau et les réseaux de réactions biogéochimiques émergent comme les principaux moteurs des relations C-Q-R. Sophie OPFERGELT (Université catholique de Louvain, Belgique) Rapportrice Julia PERDRIAL (University of Vermont, USA) Rapportrice Aline DIA (Université de Rennes, France) Examinatrice Adrian HARPOLD (University of Nevada, USA) Examinateur Marc BENEDETTI (Université Paris Cité, IPGP, France) Examinateur Christophe HISSLER (Luxembourg Institute of Science and Technology, Luxembourg) Examinateur Jérôme GAILLARDET (Université Paris Cité, IPGP, France) Co-Directeur Louis DERRY (Université Paris Cité, IPGP, France) Directeur Mots-clés : relations concentration-débit, événements de crue, isotopes du silicium, altération, distributions de temps de transit, Zone Critique