Géochimie des enveloppes externes
L’équipe G2E travaille sur la géodynamique des enveloppes superficielles de la Terre. Elle s’intéresse en particulier au fonctionnement et à l’évolution passée et future de la fine couche présente à la surface de la Terre, s’étendant des roches jusqu’à la basse atmosphère, et appelée zone critique. C’est dans cette couche que se déroulent les interactions entre cycle de l’eau (dont le moteur est l’énergie solaire) et cycle interne de la Terre (dont le moteur est la convection mantellique), dont le résultat est la présence d’eau liquide, de sols, et de vie à la surface de la Terre, autant de ressources essentielles à l’habitabilité de la Terre par les humains.
Au sein de la variété des processus à l’œuvre dans la zone critique, nous étudions en particulier l’altération chimique et physique des roches, et leurs conséquences en termes d’exportation par les rivières et d’érosion des bassins versants. En terme d’outils, l’expertise “historique” de l’équipe se situe dans l’utilisation de “traceurs géochimiques”, et en particulier isotopiques (isotopes du lithium, du silicium, du bore, du strontium…) afin de reconstituer le déplacement de la matière à travers la zone critique. Ces méthodes géochimiques sont combinées avec d’autres techniques issus de la géophysique ou de la télédétection, dans une initiative multi-outils typique de l’approche “zone critique”. Les recherches de l’équipe G2E s’appuient en particulier sur les moyens offerts par les sites de terrain instrumentés de l’Infrastructure de Recherche du CNRS OZCAR (Observatoires de la Zone Critique: Applications et Recherche) dont elle est l’entité hébergeante.
Nos axes de recherche
Les taux de conversion de la roche en sol et la production de matière dissoute qui l’accompagne dépendent fortement des propriétés intrinsèques des minéraux, mais aussi du temps laissé à ces minéraux pour interagir avec l’eau lorsqu’elle pénètre dans le sol, s’écoule dans les aquifères et est déversée dans les rivières. Par exemple, un écoulement très rapide de l’eau dans le sous-sol – souvent associé à un débit élevé dans les rivières – se traduira par une exportation efficace des solutés, mais aussi par un temps limité disponible pour que les réactions se produisent.
Nous étudions cette interaction entre l’hydrologie et la géochimie à l’aide de diverses approches, allant de l’examen des relations concentration-débit à long terme et à haute fréquence dans les cours d’eau à la modélisation du transport réactif, en passant par l’établissement de « distributions du temps de transit de l’eau » dans les bassins versants sur la base de traceurs conservateurs et le fractionnement isotopique des éléments métalliques dans les compartiments de la zone critique.
Les principales questions que nous abordons dans ce domaine sont les suivantes :
- Comment les contrôles hydrologiques de la chimie des cours d’eau diffèrent-ils entre les échelles de temps longues (pluriannuelles à saisonnières) et les échelles de temps courtes (par exemple, les événements de crue)?
- Comment les traceurs chimiques et isotopiques métalliques enregistrent-ils l’écoulement des fluides dans la zone critique ?
- Quels sont les rôles relatifs des processus abiotiques et biotiques (par exemple, l’absorption par les plantes) dans la modulation hydrologique de la chimie des cours d’eau ?
La zone critique est la fine couche à la surface de la terre où interagissent la roche, le sol, l’eau, l’air et les organismes vivants. S’étendant du sommet du couvert végétal à la base de la nappe phréatique, cette zone est cruciale. C’est là que l’eau douce est stockée et filtrée, que les sols se forment et qu’elle constitue l’habitat de toute la vie terrestre. En raison de ses multiples composantes et de leurs interactions complexes, la ZC est un système en constante évolution, dont il est difficile de démêler les interactions.
Malgré les défis que pose l’étude de laZC, la recherche sur cette partie essentielle de notre planète a déjà apporté de nouvelles perspectives et une nouvelle compréhension des interactions entres les différents compartiments. Parmi les questions essentielles concernant l’étude de la ZC, l’une d’entre elles consiste à comprendre comment la ZC réagit aux perturbations qui lui sont imposées, telles que celles liées au changement climatique. L’équipe s’intéresse à deux aspects en particulier, que ce soit dans les laboratoires naturels que sont les iles volcaniques ou dans les bassins versant continentaux et de hautes altitudes.
- Les contrôles de l’erosion long-terme et court-terme, chimique et physique : Contrôle climatique sur l’incision et les déstabilisations de pente, effet de l’erosion physique sur l’alteration chimique et vice et versa. L’équipe se focalise en particulier sur les événements climatiques extremes tels que les cyclones et tempêtes ansi que sur les processus d’érosion catastrophique tels que les glissements de terrain.
- Le transport sédimentaire est la partie souvent oubliée du phénomène d’érosion. L’érosion est en effet complete lorsque tout le matériel arraché (physiquement ou chimiquement) au relief est exporté hors des bassins versants. L’équipe s’intéresse à étudier, comment le transport des sédiments dans les cours d’eau est-il contrôlé par les phénomènes climatiques extremes, à quelles échelles de temps, et elle s’intéresse à quantifier les conséquences des phénomènes climatiques extremes.
L’altération chimique des roches à la surface de la Terre est un processus majeur pour l’évolution du Système Terre, et en particulier pour le CO2 atmosphérique. En effet, la zone critique est le lieu d’échanges importants de carbone entre l’air, les roches, les sols, les eaux, et les êtres vivants. Quantifier ces échanges de carbone, reconstruire leurs variations dans le passé, et comprendre ce qui contrôle leurs magnitudes, sont d’une importance capitale pour comprendre et prédire l’évolution du Système Terre à toutes les échelles des temps. Au sein de cette thématique, les questions que nous abordons en particulier sont les suivantes:
- Quels sont les rôles relatifs des différentes sources d’acidité (CO2 atmosphérique, production d’acide sulfurique par l’oxydation des sulfures) sur l’altération des roches?
- Quel est le rôle de la formation des carbonates secondaires (pédogéniques, travertins) sur l’exportation de carbone par les rivières?
- Quelle influence a le CO2 des sols sur les réactions d’altération?
- Quels sont les contrôles de l’exportation des différentes formes de carbone (organique vs. inorganique, dissous vs. particulaire, “fossile” vs. “récent”) par les rivières?
Les êtres vivants sont certainement la manifestation la plus visible de l’existence de la zone critique sur Terre. En particulier, les plantes influent sur la stabilité des sols, sur le bilan hydrologique des bassins versants, et sur la dynamiques des éléments au sein de la zone critique. Dépendant, le rôle des vivants sur l’évolution de la zone critique reste probablement l’un des aspects les moins bien compris du fonctionnement du système Terre.
À travers la combinaison d’outils géochimiques (en particulier isotopiques), géophysiques (qui nous permettent d’imager le contenu en eau de la subsurface) et de télédétection (nous donnant accès à la structure et aux caractéristiques de la biomasse aérienne), nous abordons les questions suivantes:
- Comment les plantes influent-elles sur les taux d’érosions physique et chimique des bassins versants?
- Quelle est la taille du flux des nutriments métalliques (par exemple le calcium, le magnésium, ou le cuivre) prélevés par les plantes, et comment cela se traduit-il sur la composition chimique des sols et des rivières?
- Comment l’utilisation de l’eau souterraine par les plantes influe-t-elle sur l’exportation de matière dissoute par les bassins versants?
Le fonctionnement de la zone critique est aujourd’hui sujet à des modifications d’ampleur sans précédent. Dans cette optique, l’étude des archives sédimentaires permet de reconstruire la dynamique de la zone critique au cours de changements climatiques et/ou anthropiques majeurs, et ainsi de mieux anticiper les bouleversements à venir.. En particulier, la compréhension des facteurs influençant la composition géochimique des charges dissoutes et particulaires des rivières permet certes à son tour d’utiliser ces compositions géochimiques, telles que mesurées à l’exutoire d’un bassin versant, pour caractériser le fonctionnement actuel d’un bassin versant dans son ensemble. Cette compréhension ouvre donc également la possibilité d’utiliser ces compositions géochimiques dans des archives sédimentaires authigènes, représentatives du matériel dissous exporté dans le passé; et détritiques, représentatives du matériel solide. Ces archives peuvent être continentales (dépôts fluviaux, sédiments lacustres), enregistrant un signal relativement local (à l’échelle du bassin versant), ou océaniques, enregistrant un signal qui peut aller du local au régional, en fonction du temps de résidence dans l’océan du marqueur considéré. Ces archives permettent de répondre aux questions suivantes:
- Comment les apports terrigènes à l’océan ont-ils varié au cours de temps géologiques?
- Comment la zone critique a-t-elle répondu aux perturbations climatiques du Quaternaire?
- Quand les activités humaines (déforestation, érosion des terres agricoles) ont-elles commencé à devenir des agents majeurs de l’évolution des paysages.
Nos sites
Nous travaillons sur plusieurs sites qui couvrent différentes conditions climatiques, configurations topographiques et propriétés géologiques. En particulier, l’équipe a plusieurs chantiers dans les îles tropicales, telles l’Île de la Réunion ou la Guadeloupe, des grand systèmes fluviaux comme l’Amazone ou les grands fleuves en Chine. L’équipe travaille également en domaine de moyenne et haute montagne, en particulier dans les Alpes et les Andes.
Nos méthodes
Les principaux processus de la zone critique, tels que l’altération des roches, la formation du sol ou le métabolisme des organismes vivants, peuvent être considérés comme des transferts d’éléments entre les réservoirs chimiques. Les « signatures géochimiques » de ces réservoirs peuvent à leur tour être utilisées pour caractériser le fonctionnement de la zone critique en termes de taille de ces réservoirs et du flux de matière entre eux. Parmi ces signatures géochimiques, nous utilisons en particulier :
- les concentrations et les ratios d’éléments (majeurs et traces)
- la composition isotopique des systèmes dits « radiogéniques » (strontium, néodyme), particulièrement puissants pour révéler les « sources » du matériau dans la zone critique (par exemple, les roches dont l’érosion a conduit à l’exportation de sédiments par une rivière)
- la composition isotopique des systèmes dits « stables » pour les éléments métalliques et peu volatils, y compris le lithium, le bore, le magnésium, le silicium, le calcium, le potassium ou le strontium. Les ratios de ces isotopes stables sont fractionnés lors de certains processus dans la zone critique (formation d’argile dans les sols, échantillonnage biologique) et peuvent donc être utilisés comme une « signature » de ces processus particuliers.
Ces paramètres géochimiques peuvent être mesurés dans tous les compartiments de la zone critique : roches, sols, eaux (eaux souterraines et rivières), sédiments, plantes… Nous nous appuyons en particulier sur les possibilités instrumentales offertes par la plateforme PARI de l’IPGP, en termes de spectrométrie de masse à source plasma et de préparation en salles propres.
L’évolution de la zone critique est fortement contrainte par l’eau, d’où la nécessité de quantifier les stocks et les mouvements d’eau dans les roches, les sols, les plantes et les rivières. Ces paramètres hydrologiques peuvent être obtenus grâce à des mesures de terrain continues, par le déploiement d’instruments géophysiques spécifiques durant des périodes données, ou par la mesure de certains traceurs chimiques dits « conservateurs ». En particulier, nous utilisons :
- des mesures continues de précipitations, de débit des rivières, de flux de sève des arbres, d’humidité du sol ou de niveau des eaux souterraines, comme celles fournies par les sites instrumentés de l’Infrastructure de Recherche du CNRS OZCAR (Observatoires de la Zone Critique : Applications et Recherche)
- des méthodes issues de la « géophysique du sous-sol », telles que la tomographie sismique ou de résistivité électrique, qui peuvent être utilisées en particulier en « mode séquentiel », et mises à disposition par l’Equipex « CritEx »
- les compositions isotopiques de la molécule d’eau, qui, lorsqu’elles sont mesurées en tandem dans les précipitations et dans l’exportation par les rivières, permettent une estimation des distributions de temps de résidence de l’eau au sein des bassins versants. Nous nous appuyons en particulier sur l’instrument CRDS disponible sur la plateforme PARI de l’IPGP.
Pour relever les défis de la ZC (Zone Critique), nous développons et utilisons différentes méthodes pour caractériser le transport sédimentaire depuis les versants jusque dans la rivière. En particulier nous appuyons nos mesures sur des méthodes de géomorphologie quantitative telles que
- Outils de télédétection (photogrammétrie, LiDAR, imagerie hyperspectrale),
- Modélisation numérique (transport en suspension, avalanches de roches, glissements de terrain),
- Machine learning et deep learning (régression, réseau neuronal).
