Rôle d'un karst andin tropical (Alto Mayo, Pérou) sur la dynamique de production de matériel dissous vers l'Amazone : analyse du fonctionnement hydrogéologique et des flux associés

Role of a tropical Andean karst (Alto Mayo, Peru) on the production dynamics of dissolved material to Amazon : analysis of hydrogeological functioning and associated flows

• Auteur / Autrice : Liz Stefanny Hidalgo Sánchez
• Direction : Abdelfettah Sifeddine, Hervé Jourde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéochimie et hydrogéologie
• Date : Soutenance le 13/01/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ribstein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : James Apaéstegui, Patricia Moreira Turcq, Stéphane Binet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lhoussaine Bouchaou, Catherine Bertrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbonates

Altération (géologie)

Eau -- Chimie

Amazone, Bassin de l'

Hydrologie karstique

Mots clés libres

Karst

Hydrochimie

Hydrodynamique

Altération de carbonates

Andes

Bassin de l’Amazone

Karst

Hydrochemistry

Hydrodynamic

Carbonate weathering

Andes

Amazon basin

Résumé

Dans le domaine andin du bassin amazonien, les zones karstiques jouent un rôle prépondérant sur la géochimie du fleuve Amazone et sur la consommation de CO2 liée aux processus d’altération, malgré la faible surface qu’elles couvrent (<1% du bassin de l’Amazone). Le Pérou concentre près de 90% de ces zones karstiques andines, qui s’étagent des sommets de la cordillère (à plus de 5000 m d’altitude) jusqu’au piedmont amazonien (400 m), dans une grande variété d’écosystèmes tropicaux. Bien que ces zones représentent une source majeure de matières dissoutes exportées par l’Amazone, elles n’ont jamais été étudiées dans le but de caractériser le fonctionnement hydrogéologique de ces systèmes karstiques, et d’estimer leurs contributions en termes de flux dissous. Afin d’identifier les facteurs de contrôle des dynamiques de production et de transfert de matières dissoutes depuis le domaine carbonaté jusqu’à l’Amazone, le fonctionnement hydrogéologique des aquifères du massif karstique de l’Alto Mayo, situé sur le versant oriental des Andes du Nord du Pérou, a été analysé. Les trois principales sources du massif ont été équipées de sondes enregistreuses à haute fréquence CTD (Conductivity, Température and Depth), et des jaugeages périodiques ont été réalisés afin d’évaluer leur débit. Un prélèvement bimensuel a été effectué pour l’analyse des paramètres hydrogéochimiques (éléments majeurs et en trace, Carbone Organique Total et isotopes stables de l’eau) entre 2016 et 2018. La variabilité temporelle des débits et des concentrations a été calculée par le rapport (en pourcentage) entre l'écart-type et la moyenne mensuelle. La principale source de ce massif (Rio Negro, débit moyen = 22 m3s-1) est à ce jour la plus importante source karstique d’Amérique du Sud. Cette résurgence majeure présente une faible variabilité du débit au cours du cycle hydrologique (variabilité temporelle des débits de 17%) et une faible réponse impulsionnelle aux précipitations, qui indiquent un fort amortissement du signal par le système karstique. Une faible réactivité hydrologique aux précipitations est également observée sur la source du Rio Aguas Claras (variabilité temporelle des débits de 59%). La source du Rio Tío Yacu présente quant à elle une réponse impulsionnelle plus marquée ainsi qu’une variabilité hydrologique plus élevée (variabilité temporale des débits de 67%). La signature hydrogéochimique des eaux souterraines de l’ensemble des sources est fortement dominée par l’altération des carbonates (Ca2+ et HCO3-). La charge totale dissoute au pas de temps journalier est estimée à partir de la relation entre la conductivité électrique et les TDS des sources karstiques péruviennes étudiées dans ce travail, et de celles du réseau français du SNO Karst. Cette TDS journalière affiche une variabilité relativement faible au cours du cycle hydrologique (12%, 7% et 9% pour les résurgences de Rio Negro, d’Aguas Claras et de Tio Yacu respectivement) par rapport à celle du débit. Ces résultats indiquent que la dynamique de production du matériel dissous, pour les sources du massif karstique du l’Alto Mayo, est contrôlée principalement par la variabilité des débits malgré l’hétérogénéité des comportements hydrodynamiques. Ce comportement «chemostatique» est observé dans de nombreux contextes à l’échelle globale et à des échelles spatiales très contrastées, pouvant être attribué à l’hypothèse que les fluides s’approchent rapidement de l'équilibre chimique. Cependant, la source de Rio Negro présente une faible variabilité des flux de TDS, en raison de la faible variabilité du débit. Ceci est conditionné par son comportement hydrogéologique (plus inertiel), qui implique de faibles réponses hydrodynamiques et hydrochimiques après les précipitations. En conséquence, nos résultats caractérisent la sensibilité de l’altération des zones karstiques, aux variabilités hydroclimatiques dans les milieux andins tropicaux. L'altération des zones karstiques andines représente [...]

In the Andean area of the Amazon Basin, karst areas play a major role in the geochemistry of the Amazon River and in the CO2 consumption associated with weathering processes despite the small surface they cover (<1% of the basin of the Amazon basin). Amazon). Peru concentrates nearly 90% of these Andean karst areas, which stretch from the peaks of the Cordillera (at more than 5000 m altitude) to the Amazon piedmont (400 m) in a wide variety of tropical ecosystems. Although these areas represent a major source of dissolved materials exported by the Amazon, they have never been studied for characterizing the hydrogeologic functioning of these karstic systems and estimate their contributions in term of dissolved fluxes. To identify the control factors of the dynamics of production and transfer of dissolved matter from the carbonated domain to the Amazon, the hydrogeological functioning of aquifers of the karst massif of Alto Mayo, located on the eastern slope of the Andes Northern Peru, has been analyzed. The three main karst springs of the massif were equipped with CTD (Conductivity, Temperature and Depth) and periodic gauging was carried out to evaluate their flow. A bi-monthly sampling was carried out for the analysis of geochemical parameters (major and trace elements, Total Organic Carbon and stable isotopes of water). The temporal variability of flow rates and concentrations was calculated by the ratio of the standard deviation to the monthly mean percentage. The main spring of this massif (Río Negro, average flow = 22 m3s-1) is currently the most important karstic spring of South America. This major spring presents a low discharge variability during the hydrology cycle (the temporal variability of the discharge is 17%) and a weak impulse response to the precipitations, which indicate a strong damping signal by the karstic system. Low hydrological reactivity to rainfall is also observed at the Río Aguas Claras spring (temporal variability of flows of 59%). The Río Tío Yacu spring has a higher impulse response and a higher hydrological variability (temporal variability of flow rates of 67%). The hydrogeochemical signature of the groundwaters from all springs is highly dominated by the carbonate rocks weathering (Ca2+ et HCO3-). Daily total dissolved solid (TDS) was estimated by the relationship between electrical conductivity and TDS of the peruvian karstic springs studied in this work, and those of the French network of SNO Karst. This daily TDS has a relatively low variability during the hydrologic cycle (12%, 7% and 9% for Rio Negro, Aguas Claras and Tio Yacu springs, respectively) compared to that of the discharge. These results indicate that the dynamics of production of dissolved material, in the karstic spring of the Alto Mayo, is mainly controlled by the variability of flows despite the heterogeneity of the hydrodynamic behaviors. This “chemostatic’’ behavior has been observed in many contexts at the global scale and can be attributed to the fast kinetics of carbonate weathering. However, Rio Negro spring shows a weak variability of TDS fluxes, as a result of low discharge variability. This is conditioned by his hydrogeological behavior (more inertial), which involves weak hydrodynamic and hydrochemical responses after rainfall events. As a result, our results characterize the sensitivity of carbonate rocks weathering to hydroclimatic variability in tropical Andean environments. The weathering of Andean karstic areas represents 50% of the total of the dissolved fluxes exported by the Marañón River, the principal affluent of the Amazon river.