Sedimentary recycling and chemical weathering: a silicon and lithium isotopes perspective

Résumé Les actions combinées du cycle de l'eau et le cycle des roches résultent en un transport de sédiments des continents aux océans. Il a été proposé que dans l'océan, les sédiments détritiques réagissent avec l'eau de mer lors de processus encore mal compris, connus sous le terme d'« altération inverse », consommant des cations, formant des minéraux authigènes et libérant du CO2. Sur de longues échelles de temps, les sédiments détritiques sont convertis en roches sédimentaire et « recyclées », sous l'effet de la surrection tectonique, c'est-à-dire ramenées à la surface de la Terre. Cette thèse étudie ces processus au travers (1) d'expériences en laboratoire (2) d'une étude de terrain sur des sédiments d’un delta d'âge Éocène, déposés dans des conditions continentale et marine, et (3) sur la base d'analyses des sédiments de 42 fleuves mondiaux. Notre approche est en particulier basée sur des systèmes isotopiques "non traditionnels" : Si et Li. Les résultats expérimentaux montrent que les argiles adsorbent le Li marin en occasionnant un important fractionnement isotopique (?7Limin/solution ~ 20‰). L'étude terrain indique que le ?7Li enregistre l’interaction entre l’eau de mer et les sédiments détritiques et de ce fait signe l'« altération inverse » se produisant dans les environnements deltaïques et y couplant les cycles du Li, du Si, et du Fe. Enfin, les isotopes du Si suggèrent que les roches sédimentaires exercent une influence majeure sur la composition des particules actuellement transportées à la mer, et que ceci pourrait sur le long terme affaiblir la capacité d'absorption du CO2 atmosphérique par l'altération des silicates sur les continents. Mots clés : Silicium, Lithium, isotopes, altération chimique, altération inverse, cycle sédimentaire Abstract At the Earth surface, the interplay between the water cycle and the rock cycle leads to transport of materials from the continents to the sea. In the ocean, detrital sediments are thought to react with seawater through a set of hypothesized, but yet-under constrained, processes called “reverse weathering” which consume cations, form authigenic clays, and liberate CO2. Over long-time scales, sediments are transformed into sedimentary rocks. Under the action of tectonic uplift these sedimentary rocks are "recycled" back to the Earth surface. This thesis investigates these processes through (1) a set of laboratory experiments; (2) the close examination of detrital sediments deposited in environments varying from alluvial to marine at an Eocene delta; and (3) the role of sedimentary rocks in erosion and weathering, using the geochemistry of river sediments from 42 world rivers. These objectives have been achieved using "non-traditional" isotope systems: Si and Li. First, our experiments show that detrital clays exhibit a strong capacity to adsorb Li and fractionate seawater Li isotopes (?7Limin/fluid ~ 20‰). Second, the field data show that seawater composition (especially ?7Li) can be modified by interacting with detrital sediments over geological time scales, and that deltaic “reverse weathering"-type processes result in a coupling between the Li, Si, and Fe cycles. Third, Si isotopes suggest that the recycling of sedimentary rocks has a major influence on the composition of sediments currently transported to the ocean, and that this possibly results in a long-term weakening of the capacity of continental silicate weathering to consume atmospheric CO2. Key words: Silicon, Lithium, Isotopes, Chemical weathering, Reverse weathering, Sedimentary cycle