Développement et utilisation de l'Actinium-227 comme traceur du mélange de l'océan profond

Development and use of Actinium 227 as a tracer of deep ocean mixing

• Auteur / Autrice : Martin Levier
• Direction : Matthieu Roy-Barman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 21/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Pons-Branchu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Norbert Frank, Pieter Van Beek, Walter Geibert, Gideon M. Henderson, Géraldine Sarthou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Norbert Frank, Pieter Van Beek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Protactinium

Actinium

Mer

Traceurs radioactifs en océanographie

Géochimie

Mots clés libres

Actinium

Mélange profond

Géochimie

Protactinium

Océan Austral

Spectrométrie de masse

Actinium

Deep mixing

Geochemistry

Protactinium

Southern Ocean

Geochemical

Mass spectrometry

Résumé

Le mélange vertical dans l'océan profond est un processus important pour le fonctionnement de la circulation thermohaline océanique et donc pour le système climatique global. L'actinium-227 (227Ac) est un isotope radioactif naturel produit par désintégration du protactinium-231 (231Pa) dans les sédiments marins profonds. Comme il est soluble, il diffuse dans les eaux de fond. Sa demi-vie courte (22 ans) en fait un traceur spécifique du mélange vertical dans l'océan profond. L'analyse de 227Ac par comptage nucléaire utilisé jusqu'à maintenant nécessite de 50 à plusieurs centaines de litres d'eau et reste malgré tout peu précises. Ceci a limité l'utilisation du 227Ac en océanographie. Au cours de cette thèse, nous avons développé un protocole commun de séparation et d'analyse de 227Ac et 231Pa par MC-ICPMS à partir de 10L d'eau de mer. En plus de ces deux isotopes, ce protocole de séparation produit différentes fractions pouvant permettre d'analyser d'autres traceurs (isotopes du Nd, Ra ou Th) sur un même échantillon d'eau.Ce protocole a été appliqué à des échantillons d'archives prélevés lors de la campagne Bonus GoodHope, dans le secteur Atlantique de l'océan Austral. Le 231Pa a été analysé en parallèle du 227Ac, dont l'analyse est primordiale pour exploiter les données de 227Ac . Ces nouvelles données de 231Pa ont conforté la théorie de sa forte affinité pour l'opale produite par les diatomées et a permis d'affiner le modèle de transport des radionucléides le long des isopycnes remontant au sud de l'ACC. Les résultats obtenus de 227Ac ont permis d'estimer des coefficients de mélange turbulent de 1 cm2/s au-dessus de la dorsale océanique, de 14 cm2/s à cause d'une turbulence accrue près de la marge africaine et de l'ordre de 30 cm2/s dans le gyre de Weddell. Une application de ces valeurs est notamment proposée pour décrire la distribution de la concentration et de la signature isotopique du Nd, à l'aide d'un modèle prenant en compte les processus près de la marge continentale.

The vertical mixing in the deep ocean is an important process for the functioning of thermohaline circulation and also for the global climatic system. L'actinium-227 (227Ac) is a natural radioactive isotope product by the protactinium-231 (231Pa) decay in deep marine sediment. The short half-life of this isotope (22 years) makes it a specific tracer of vertical mixing of deep ocean. 227Ac analysis by nuclear counting used until now required from 50 to several hundred liters of water for a limited accuracy. This limited strongly the use of 227Ac in oceanography until today. During this thesis, we developed a join 231Pa-227Ac purification protocol suitable for 10L seawater sample, to perform analysis by MC-ICPMS. In addition to these two isotopes, this separation protocol provides different fractions that can be used to other tracers (Nd, Ra or Th isotopes) from the same water sample.This protocol was applied to archival samples collected during the Bonus GoodHope cruise, in the Southern Ocean. 231Pa was measured at the same time as 227Ac because its analysis is essential to exploit 227Ac data. These new 231Pa data support the previous hypothesis of a strong affinity toward the opal produced by the diatoms and allow to refine the transport of radionuclides along slopping isopycnal surfaces at the South of the ACC. Results from 227Ac data gave estimates of the vertical eddy diffusion coefficient of 1 cm2/s over the mid-ocean ridge, of 14 cm2/s near the African margin due to an enhanced turbulence and of the order of 30 cm2/s in the Weddell gyre. An application of these values is proposed to describe the concentration and isotopic signature distributions of Nd near the continental margin.