Les terres rares : traceurs des apports lithogéniques et des échanges dissous-particulaires dans l'Atlantique Nord subpolaire (campagne GEOVIDE, GEOTRACES GA01)

Rare Earth Elements, tracers of lithogenic inputs ad dissolved-particulate exchanges in the subpolar North Atlantic (GEOVIDE cruise, GEOTRACES GA01)

• Auteur / Autrice : Marion Lagarde
• Direction : Catherine Jeandel, Pascale Deniaud-Lherminier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
• Date : Soutenance le 27/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales (Toulouse ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Jeroen Sonke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Géraldine Sarthou, Hélène Planquette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kazuyo Tachikawa, Phoebe J Lam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atlantique (océan ; nord)

Masses d'eau

Géochimie de l'environnement

Mesure

Terres rares

Mots clés libres

Géochimie marine

Meridional overturning circulation

Apports continents-océan

Concentration terres rares

Coefficients de partition

GEOVIDE

Marine Geochemistry

Meridional Overturning Circulation

Land-ocean transfer

REE concentration

Partition coefficients

GEOVIDE

Résumé

Dans l'océan, l'étude des concentrations en Terres Rares (REE) renseigne sur les processus d'échange entre phase dissoute et particulaire. Ce sont aussi des traceurs des apports lithogéniques qu'ils soient atmosphériques ou issus des sédiments déposés sur les marges ou le fond des abysses. La composition isotopique (C.I.) de l'une des Terres Rares, le néodyme (Nd), notée εNd, est également un traceur des apports lithogéniques, qui apporte en plus l'information sur leur origine. A distance de ces apports, εNd devient un traceur conservatif, qui peut être utilisé pour quantifier le mélange des masses d'eau. L'objectif de ce travail de thèse est de réaliser une documentation complète des concentrations dissoutes et particulaires des REE dans l'Atlantique Nord subpolaire, le long du transect GEOVIDE (N/O Pourquoi Pas ? Mai-Juin 2014). Ce travail vise i) à déterminer l'influence des marges ii) comprendre les mécanismes sous-jacents au boundary exchange (BE) ii) préciser les échanges dissous-particulaires. La première partie de la thèse porte sur les distributions de concentrations en REE particulaires sur les 1500 premiers mètres. Ces distributions révèlent i) des apports lithogéniques particulièrement importants au niveau de la marge ibérique, plus concentrés dans des couches néphéloïdes se propageant à environ 1000 km de la côte ii) une prédominance des phénomènes d'absorption en surface et d'adsorption en profondeur. Le premier de ces résultats a conduit à investiguer le mécanisme à l'origine de la formation et de la propagation des couches néphéloïdes observées. Pour cela, une simulation de la génération et dissipation des ondes internes de marée (IT) a été réalisée. Associée aux données disponibles sur les sédiments de la marge et à une réanalyse de sortie du modèle de circulation, elle a permis de montrer que les IT sont une source de particules lithogéniques pour l'océan, dispersés par la circulation jusqu'à 400 km de la marge. Dès lors, la question de la possibilité d'un apport ultérieur en REE par dissolution des particules se pose. L'analyse des concentrations en REE dissoutes qui a suivi, couplée à l'utilisation d'une analyse multiparamétrique optimisée permettant de permettant de dissocier le rôle du mélange de celui d'autres processus sur les concentrations observées, a montré que i) les particules sont effectivement à l'origine d'un apport par dissolution, marqué dans les couches néphéloïdes ii) les masses d'eaux profondes (NEADW et ISOW surtout) sont le siège d'un scavenging intense, qui aboutit à des profils en REE déviant du profil "nutrient-like" habituellement observé. Les coefficients de partition Kd des REE ont été calculés en combinant concentrations particulaires, dissoutes et masse des particules en suspension. Moins élevés dans les 400 premiers mètres ces Kd présentent des maximums ponctuels et augmentent ensuite avec la profondeur de manière exponentielle. L'ensemble de ces travaux met en avant l'importance des apports latéraux par les marges dans le cycle océanique des REE, notamment sous l'impulsion des ondes internes, dont la permanence et l'ubiquité dans l'océan suggèrent un rôle non négligeable dans les apports d'éléments traces lithogéniques à l'échelle mondiale. Ils confirment également qu'un des mécanismes du BE est la dissolution des particules issues de ces apports suivi par du scavenging. Enfin, les données de Kd, rares dans la littérature, peuvent être utilisées dans les modèles de cycle du Nd, paramétré jusqu'ici comme fixe par manque de valeurs. Ce résultat contribue à réconcilier à la fois concentrations simulées en surface et en profondeur avec celles observées.

In the ocean, Rare Earths elements (REE) concentrations provides information on the exchanges between the dissolved and particulate phases. They are also tracers of lithogenic inputs from the margins and the bottom of the ocean from the sediments deposited there. However, the oceanic cycle of REE is still not fully understood. This is illustrated by the example of the boundary exchange (BE), a term that encompasses mechanisms at the origin of a decorrelation between dissolved Nd concentrations and its isotopic composition (I.C.) near the margins. This difference, called "Nd paradox", reveals the existence of processes not identified yet. The objective of this thesis is to carry out a complete documentation of dissolved and particulate REE concentrations in the subpolar North Atlantic, along the GEOVIDE transect (N/O Pourquoi Pas?, May-June 2014). This work aims to i) determine the influence of margins on the REE cycle ii) understand the mechanisms underlying the boundary exchange iii) clarify dissolved-particle exchanges. The first part of the thesis focuses on the distributions of particulate REE concentrations over the first 1500 meters. These distributions reveal i) elevated lithogenic contributions close to the Iberian margin, more important in nepheloid layers propagating to about 1000 km off the coast ii) a predominance of absorption at the surface, progressively replaced by a dominant adsorption with depth. The first result led to investigate the mechanism at the origin of the formation and propagation of the observed nepheloid layers. For this purpose, a simulation of the generation and dissipation of internal tides (IT) was performed. Combined with available data on the nature of the margin sediments and a reanalysis of a circulation model output, it showed that IT are a source of lithogenic particles for the ocean, dispersed by the circulation up to 400 km off the margin. This result raises the question of the potential role of particles dissolution on dissolved REE distributions. The subsequent analysis of dissolved REE concentrations, coupled with the use of an optimized multiparameter analysis to determine the fraction of observed concentrations due to mixing, showed as main results that i) the dissolution of particles is indeed a source of REE ii) an intense scavenging takes place in deep water masses (especially in the NEADW and ISOW), resulting in REE profiles deviating from the usually observed "nutrient-like" distribution. REE partition coefficients Kd were calculated combining particulate, dissolved and suspended particle mass concentrations. These Kds are lower in the first 400 meters, where they present discrete maxima, and then increase exponentially with depth. Overall, this work highlights the importance of lateral inputs from the margins on the oceanic cycle of REE, especially under the impulse of internal waves. The permanence and ubiquity of the later in the ocean suggest that they play a significant role in the inputs of lithogenic trace elements at a global scale. These results also confirm that one of the mechanisms of boundary-exchange is the dissolution of particles from these inputs followed by scavenging. Finally, Kd data, that are scarce in the literature, can be used in the Nd cycle models in which it is set to a constant value by lack of data. Then, these Kds could contributes to reconcile both simulated surface and deep concentrations with the observed ones.