Modelling chemical weathering in contrasted watersheds : new implementations and application at the global scale

par Juan-Luis Lechuga-Crespo

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers, de l'environnement et de l'espace

  • Titre traduit

    Modélisation de l'érosion géochimique dans des bassins versant contrastés : nouvelles implémentations et application à l'échelle globale


  • Résumé

    Les cycles biogéochimiques subissent les impacts dérivés des menaces des changements globaux. Comprendre et évaluer les processus qui contrôlent le mouvement de la matière entre les réservoirs est essentiel pour aider à gérer les ressources naturelles. L'altération des roches contrôle la quantité de matière inorganique libérée dans les milieux aquatiques, qui finit par rejoindre les océans ou les lacs par les rivières. Cependant, l'évaluation de ces flux à travers les échelles spatiales et temporelles est difficile en raison du nombre de facteurs impliqués. En ce sens, l'objectif de cette thèse est d'évaluer le rôle de l'altération chimique dans les cycles biogéochimiques à différentes échelles spatiales et temporelles. Principalement, nous avons visé à a) identifier les variables clés de l’érosion chimique à l'échelle mondiale, b) développer un outil simple permettant d’estimer les flux ioniques dérivés de l'altération chimique des roches, c) évaluer les capacités d’extrapolation du modèle à l'échelle du bassin versant, et d) estimer l'impact de l'altération chimique sur le cycle mondial du carbone. Dans cette thèse de doctorat, nous avons évalué les exportations fluviales de 1751 rivières pour quantifier le rôle de l'hydrologie, de la lithologie et du sol dans les différents flux ioniques issus de l'altération chimique des roches. Une telle évaluation nous a permis de développer un modèle simple et de l'appliquer à l'échelle mondiale pour estimer un instantané de la quantité totale (3374·106 Mg·y-1) de matière libérée par les roches, et le caractériser parmi les principaux constituants ioniques, soit 58% de Ca2+, 24% de Na+, 15% de Mg2+ et 3% de K+ du flux cationique total et 74% d’alcalinité, 18% de SO42- et 8% de Cl- pour le flux anionique total. En outre, une évaluation des processus géochimiques qui régissent la composition en ions majeurs d’eau et les charges dissoutes dans une étude de cas local (le bassin versant de la rivière Deba, Gipuzkoa, nord de l'Espagne) a fourni un cadre pour tester les performances locales du modèle. L'application du modèle à cette échelle a permis le couplage de cette simple équation au modèle SWAT, ce qui a permis d'évaluer les capacités et les limites du modèle dans l'estimation des charges géochimiques au pas de temps journalier dans un contexte géologique hétérogène affecté par les sources évaporitiques. Une fois évaluée à l'échelle locale, une application dynamique du modèle à l'échelle mondiale a permis d’étudier le rôle de l'altération chimique dans la séquestration du carbone sous deux scénarios de changement climatique (RCP2.6 et RCP8.5). Selon nos simulations, les évolutions potentielles du bilan hydrologique global augmenteront la consommation de carbone par l'altération chimique de 8 à 13% d'ici 2069-2099, selon les scénarios étudiés. Les résultats de cette thèse nous ont permis d'évaluer le rôle de l'altération chimique sur le cycle du carbone à l'échelle mondiale. Les recherches futures dans ce domaine d’étude devraient être axées sur la configuration du modèle, en incluant l'altération physique dans sa configuration et en évaluant l'effet local de variables telles que la température et le changement des usages du sol.


  • Résumé

    The biogeochemical cycles will suffer impacts derived from global change hazards. Understanding and assessing the processes controlling the matter movement between reservoirs is critical to help on natural resource management. Rock weathering controls the amount of inorganic matter released to aquatic environments, which is eventually routed through rivers to oceans or lakes. However, the evaluation of these fluxes across spatial and temporal scales is challenging because of the number of factors involved. In this sense, the objective of this PhD thesis is to evaluate the role of chemical weathering on biogeochemical cycling at different spatial and temporal scales. Mainly, we have aimed at a) identifying the main drivers of chemical weathering at the global scale, b) developing a simple tool to estimate ionic fluxes derived from chemical weathering of rocks, c) evaluate downscaling capabilities of the model at the river basin scale, and d) estimate the impact of chemical weathering on the global carbon cycle. In the present PhD thesis, we have assessed the riverine exports of 1751 rivers to measure the role of hydrology, lithology, and soil on the different ionic fluxes released through chemical weathering of rocks. Such assessment allowed us to develop a simple model and apply it at the global scale to estimate a snapshot of the total amount (3374·106 Mg·y-1) of matter released by rocks, and characterise it among the major ion constituents, being 58% Ca2+, 24% Na+, 15% Mg2+, and 3% K+ of the total cation flux, and 74% alkalinity, 18% SO42-, and 8% Cl- for the total anion flux. Besides, an assessment of the geochemical processes governing the water major ion composition and dissolved loadings at a local case study (Deba river basin, Gipuzkoa, North Spain) has provided a framework to test the local performance of the model. The application of the model at the local scale has let the coupling of this simple equation to the SWAT model, which permitted the study of the capabilities and limitations of the model in estimating the daily geochemical loadings in a heterogeneous geological context affected by evaporitic springs. Once evaluated at the local scale, a dynamic application of the model at the global scale has allowed the assessment of the role of chemical weathering in the carbon sequestration under two climate change scenarios (RCP2.6 and RCP8.5). According to our simulations, the potential shifts in the global hydrological balance will increase C uptake by chemical weathering in an 8 to 13% by the 2069-2099 period, depending on the scenario studied. The results from this PhD thesis have allowed us to evaluate the role of chemical weathering on the carbon cycle at the global scale. Future research should be focused on the configuration of the model, by including physical weathering in its configuration and assessing the local effect of variables such as temperature and land-use change.


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