Traçage isotopique du cycle biogéochimique du cuivre dans les systèmes hydrothermaux océaniques

Isotopic constraints on the biogeochemical cycling of copper in seafloor hydrothermal systems

• Auteur / Autrice : Ecessmel Yannick Adam Djedjroh
• Direction : Olivier Rouxel, Cécile Cathalot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences marines
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géo-Océan (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Alix Barrat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Rouxel, Cécile Cathalot, Jean-Alix Barrat, Johanna Marin Carbonne, Vesselin Dekov, Gleb Pokrovski, Christophe Cloquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Johanna Marin Carbonne, Vesselin Dekov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Cycles biogéochimiques

Sources thermales

Mots clés libres

Systèmes hydrothermaux océaniques

MC-ICPMS

Sulfures

Panache hydrothermal

Sédiments hydrothermaux,

Cycle géochimique du Cu

Seafloor hydrothermal systems

MC-ICPMS

Sulfides

Hydrothermal plume

Hydrothermal sediments

Geochemical Cu cycle

Résumé

Ce travail de recherche focalisé sur les sites hydrothermaux de TAG et de Snake Pit, examine le cycle géochimique du Cu depuis (i) son émission par les sources hydrothermales de haute température jusqu’à (ii) son export dans le panache hydrothermal, et (iii) sa précipitation dans les sédiments métallifères. Notre étude en lien avec les données d’autres études acquises dans différents contextes a permis de montrer que : (i) les valeurs plus lourdes de δ65Cu dans les fluides hydrothermaux de Snake Pit (δ65Cu = 0,87±0,07‰) par rapport au site actif de TAG (δ65Cu = 0,19±0,05‰) reflètent les réactions de subsurface dont la dissolution des minéraux secondaires riches en Cu et l’enrichissement en 65Cu du fluide de haute température lors de son ascension dans la zone de décharge ; (ii) les fractionnements des isotopes du Cu les plus importants (jusqu’à 7‰) sont enregistrés lors de la recristallisation des sulfures de Cu au sein des édifices hydrothermaux et le long des parois de cheminées ; (iii) le Cu précipite quantitativement à proximité (< 1m) des sources, puis est exporté avec une signature isotopique similaire aux fluides purs ; (iv) les isotopes du Cu fractionnent très peu lors de la précipitation de Cu en subsurface au sein des monts hydrothermaux faiblement actifs (ex. MIR, district de TAG). Nous démontrons également que : (i) les isotopes du Cu tracent les sources du Cu dans les sédiments riches en sulfures situés dans le secteur nord-est de Snake Pit ; (ii) les eaux interstitielles dans les sédiments hydrothermaux fortement oxydés du secteur sud-ouest de Snake Pit affichent une large gamme de variations de δ65Cu (de -2,17 à 1,72‰) ; (iii) les signatures δ65Cu des sédiments riches en oxyhydroxydes de Fe ayant subi une altération poussée (ex : district de TAG) ne sont pas significativement fractionnées par rapport aux particules de sulfures du panache hydrothermal. Cette thèse ouvre de nouvelles perspectives sur la compréhension des processus contrôlant potentiellement les valeurs de δ65Cu dans les systèmes hydrothermaux des dorsales médio-océaniques et l’export de Cu dans l’océan profond.

This research focused on the TAG and Snake Pit hydrothermal sites, examines the geochemical cycle of Cu from (i) its emission from high-temperature hydrothermal springs to (ii) its export in the hydrothermal plume, and (iii) its precipitation in metalliferous sediments. Our study in connection with data from other studies acquired in different settings showed that: (i) the heavier δ65Cu values in the Snake Pit hydrothermal fluids (δ65Cu = 0.87±0.07‰) compared to the TAG active site (δ65Cu = 0.19±0.05‰) reflect subsurface reactions including dissolution of secondary Cu-rich minerals and 65Cu enrichment of the high-temperature fluid during it ascends through the discharge zone ; (ii) the largest Cu isotope fractionations (up to 7‰) are recorded during recrystallization of Cu sulfides within hydrothermal edifices and along the chimney walls; (iii) Cu precipitates quantitatively near (< 1m) sources, then is exported with an isotopic signature similar to pure fluids ; (iv) Cu isotopes fractionate very little during subsurface Cu precipitation within weakly active hydrothermal mounds (e.g. MIR, TAG district). We also demonstrate that (i) Cu isotopes trace Cu sources in sulfide-rich sediments located in the northeastern Snake Pit area; (ii) porewaters in highly oxidized hydrothermal sediments in the southwestern Snake Pit area display a wide range of δ65Cu signatures (from -2.17 to 1.72‰); (iii) δ65Cu signatures of Fe-oxyhydroxide-rich sediments that have undergone extensive (quantitative) weathering (e.g. TAG district) are not significantly fractionated relative to sulfide particles within the hydrothermal plume. This thesis work paves the way to new perspectives on understanding the processes potentially controlling δ65Cu values in mid-ocean ridge hydrothermal systems and Cu export to the deep ocean.