Précipitations de calcité, sédimentation et cycle du phosphore dans un lac alpin : étude du lac du Bourget

• Auteur / Autrice : Alexis Groleau
• Direction : Gérard Sarazin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et techniques de l'environnement
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Jury : Président / Présidente : Ghislain de Marsily
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Colin, Bruno Tassin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernhard Wehrli, Michel Meybeck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Manganèse

Adsorption

Phosphore

Calcite

Précipitations (météorologie)

Mots clés libres

France

Alpes françaises

Hydrochimie

Lac

Sédimentation lacustre

Cycle géochimique

Authigenèse

Matière dissout

Matière particulaire

Conductivité

Orthophosphate

Fer

In situ

Lac Bourget

Résumé

Dans les lacs alpins en phase de restauration, la caractérisation des processus permettant de diminuer le stock de phosphore disponible pour la production algale est une étape clé de la compréhension du fonctionnement de l’écosystème. Cette thèse étudie en particulier l’interaction entre la formation et la sédimentation de la calcite authigène avec le cycle du phosphore dans la colonne d’eau, qui est susceptible de constituer un mécanisme naturel efficace de réduction de l’eutrophisation. Des campagnes de mesures et de prélèvements ont été menées pendant deux ans sur le lac du Bourget de manière à constituer une base de données relative à la physique, la géochimie, et la biologie de la colonne d’eau. L’exploitation de cette base permet de décrire la dynamique spatio-temporelle de la phase particulaire et de la phase dissoute, intégrée dans le contexte physique et hydrodynamique du lac. Une nouvelle méthode de quantification de la précipitation de calcite authigène basée sur la mesure in situ de la conductivité spécifique a été développée. Dans le cas du lac du Bourget, cette méthode permet : de détecter le démarrage d’une phase de précipitation de calcite lorsque la diminution du stock de Ca est supérieure à 0,4 moles m-2 de surface de lac, de localiser la précipitation avec une résolution verticale inférieure au mètre, et de quantifier la production de calcite authigène avec une incertitude de ± 10 %. L’étude de la dynamique de la précipitation indique que le processus est limité à l’épilimnion, qu’il se déroule de mai à septembre par succession de séquences courtes (4 jours ou moins) et d’intensité élevée, et qu’il est essentiellement catalysé par la densité des cellules algales tant au niveau de l’étape de nucléation qu’au niveau cinétique. La quantité annuelle de calcite authigène précipitée de 1997 à 1999 est identique et vaut 4,8 moles m-2am-1. L’étude des interactions entre la sédimentation des particules minérales et le cycle du phosphore dans la colonne d’eau est basée sur l’analyse des flux de sédimentation particulaire élémentaire et des différentes formes de phosphore. La mise en évidence de l’enrichissement des particules en phosphore minéral au cours de leur sédimentation vers le fond pendant les périodes de précipitation de calcite témoigne de deux processus de nature et d’intensité différentes : (1) l’adsorption d’orthophosphates sur la calcite authigène participe à la sédimentation de seulement 3 à 5 % du phosphore total annuel, (2) l’association de phosphore sur des oxy-hydroxydes de fer et de manganèse entraîne entre 5 et 16 % du phosphore total qui sédimente annuellement. La prise en compte de ces deux mécanismes naturels est donc essentielle pour effectuer une représentation correcte du cycle du phosphore dans le lac du Bourget.

Characterisation of processes allowing the decrease of available phosphorus to algal growth, is of primary importance during the restoration stage of Alpine lakes. This work focuses on « in situ » precipitation of calcite and interactions with phosphorus cycling in the water column, since these natural processes may contribute efficiently to the reduction of eutrophication. Two years of field sampling and « in situ » measurements were performed in order to build a detailed database relative to the physics, the biology and the geochemistry of Bourget lake water column. We used those data to describe the dynamics of particles and solutes, in connection to short-term hydrodynamics. A new tool for measuring « in situ » calcite precipitation, based on specific conductance, was developed and applied to Bourget lake. This method is sensitive to 0,3 mol m-2 decrease of Ca stock. Vertical resolution is less that one meter. Finally, calcite production can be quantified within ± 10 %. Our results show that precipitation dynamics is restricted to the epilimnion and develops through a succession of short sequences (four days or less) of high intensity. E show evidence of calcite nucleation and growth control by the density of algal cell. The total amount of calcite formed in the water column between 1997 and 1999 is identical and represents 4,8 mol m-2yr-1. The study of interactions with phosphorus cycling is based on sedimentation flux of the different chemical forms of phosphorus. Enrichment of settling particles with inorganic phosphorus is explained by : (1) the adsorption of phosphorus onto calcite formed « in situ » (3-4%) and by (2) the association with manganese oxides and hydrated ferric oxides. We show that the latter contributes to 5-16% of total phosphorus annual sedimentation. Hence, a reliable representation of phosphorus cycling in the water column of Bourget lake, requires a complete understanding of these processes.