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Géochimie des enveloppes externes

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 ?

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?

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?

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
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Mesure, compréhension et modélisation du fonctionnement de la surface de notre planète, aussi appelé Zone critique.