Influence du fer et autres éléments traces issus des sources hydrothermales peu profondes sur la biogéochimie marine dans le Pacifique Sud-Ouest

Influence of iron and other trace elements from shallow hydrothermal sources on marine biogeochemistry in the Western Tropical South Pacific Ocean

• Auteur / Autrice : Chloé Tilliette
• Direction : Cécile Guieu, Frédéric Gazeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• 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 de Villefranche (Alpes-Maritimes ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Blain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chrystèle Verati
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ilana Berman-Frank, François Lacan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phytoplancton marin

Pacifique (océan ; sud-ouest)

Teneur en fer

Sources thermales

Cycle des éléments minéraux (biogéochimie)

Mots clés libres

Cycle du fer et autres métaux traces

Sources hydrothermales peu profondes

Particules exportées et sédimentées

Communautés phytoplanctoniques

Fertilisation biologique

Processus biogéochimiques

Cycle of iron and other trace metals

Shallow hydrothermal sources

Sinking and sedimented particles

Phytoplankton communities

Biological fertilization

Biogeochemical processes

Résumé

L’océan Pacifique Sud-Ouest a été identifié comme un point chaud de fixation de diazote (N2) par les organismes diazotrophes, arborant des taux de fixation parmi les plus élevés des océans du globe. Le succès de ces espèces repose sur les concentrations non limitantes en fer dissous (DFe) dans la couche photique de la région, dont l’origine demeure méconnue. Dans le cadre de ce travail de thèse, la distribution du DFe a été étudiée le long d’un transect de 6100 km, allant de Nouméa jusqu’aux eaux de la gyre et traversant le Bassin de Lau et l’Arc des Tonga (175 °E à 166 °W, le long de 19–21 °S). Combinées avec une analyse optimale multiparamétrique des masses d’eau, les anomalies de DFe ont été déterminées sur la zone du transect, les plus notables étant présentes le long de l’Arc des Tonga. Les résultats ont démontré que les masses d’eau d’origine lointaine alimentant le Bassin de Lau ne peuvent expliquer les concentrations observées en surface dans cette région, permettant de conclure avec certitude que le DFe provient de sources hydrothermales peu profondes présentes le long de l’arc. Bien qu’une portion non négligeable de cet apport de DFe soit transportée sur de longues distances, une large majorité est rapidement éliminée à proximité des sources sous l’action de divers processus mis en lumière à l’aide d’un modèle en boîte. Outre le fer, les fluides hydrothermaux sont enrichis en de nombreux autres métaux susceptibles d’être toxiques pour les organismes. Ces fluides, directement introduits dans la couche photique, pourraient impacter le phytoplancton. Leur effet a été évalué lors d’une expérience innovante pendant laquelle des communautés planctoniques naturelles ont été soumises à un gradient d’enrichissement en fluides hydrothermaux. Malgré un effet toxique initial de quelques jours, les apports hydrothermaux ont finalement induit des taux de fixation de N2, de productivité et d’export de matière organique deux à trois fois plus élevés que dans le contrôle non enrichi. Cet effet fertilisant résulte probablement de la détoxification de l’environnement, riche en de nombreux éléments potentiellement toxiques, par des écotypes résistants capables de produire des ligands forts, les thiols, limitant la biodisponibilité de certains métaux. L’apport additionnel d’éléments fertilisants par les fluides, en particulier le DFe, a ainsi permis la croissance ultérieure des espèces les plus sensibles. Ces résultats expérimentaux, reproduisant fidèlement les observations in-situ, confirment l’implication des fluides hydrothermaux peu profonds dans la forte productivité observée dans la région. Les sources hydrothermales ont pu être tracées à différentes échelles spatiales et temporelles par le déploiement de pièges à sédiments dérivants (durant quelques jours, le long de l’Arc des Tonga) et fixe (durant une année, le long de la dorsale de Lau) et par le carottage des sédiments du fond marin aux sites de déploiement des pièges (échelle de temps géologique). Le traçage Al-Fe-Mn a révélé que le matériel lithogénique exporté à petite et large échelle spatiale dans la région provenait de sources hydrothermales peu profondes et/ou profondes localisées le long de l’Arc des Tonga. Cette empreinte hydrothermale a également été détectée dans les sédiments, notamment à proximité de la dorsale de Lau où la présence d’une importante source active est fortement suspectée. Finalement, les dynamiques similaires observées pour l’export de particules d’origine biologique et hydrothermale suggèrent que la production de surface serait liée aux apports hydrothermaux dans la couche photique. En conclusion, ce travail de thèse a démontré l’impact de sources hydrothermales peu profondes sur le cycle des éléments traces, notamment du fer, dans la colonne d’eau et les sédiments, ainsi que leur lien avec la productivité biologique dans la région du Pacifique Sud-Ouest.

The Western Tropical South Pacific Ocean has been identified as a hotspot for dinitrogen (N2) fixation by diazotrophic organisms, with some of the highest rates recorded in the global ocean. The success of these species relies on non-limiting concentrations of dissolved iron (DFe) in the photic layer of the region, whose origin remains unclear. In this thesis work, the distribution of DFe was studied along a 6100-km transect from Noumea to the gyre waters, crossing the Lau Basin and the Tonga Arc (175°E to 166°W, along 19-21°S). Combined with an optimal multiparametric water mass analysis, DFe anomalies were determined over the transect area, the most notable being present along the Tonga Arc. The results demonstrated that water masses of remote origin entering the Lau Basin could not explain the concentrations observed at the surface in this region, leading to the confident conclusion that DFe originates from shallow hydrothermal sources present along the arc. Although a non-negligeable portion of this DFe input is transported over long distances, a large majority is rapidly removed near the sources through a variety of processes highlighted by a box model. Besides iron, hydrothermal fluids are enriched in numerous other metals that may be toxic to organisms. These fluids, introduced directly into the photic layer, could have an impact on phytoplankton. Their effect was evaluated in an innovative experiment during which natural plankton communities were subjected to an enrichment gradient of hydrothermal fluids. Despite an initial toxic effect of a few days, hydrothermal inputs ultimately induced N2 fixation, productivity and organic matter export rates two to three times higher than those of the non-enriched control. This fertilizing effect probably results from the detoxification of the environment, rich in numerous potentially toxic elements, by resistant ecotypes able to produce strong ligands, such as thiols, limiting the bioavailability of certain metals. The additional supply of fertilizing elements by the fluids, in particular DFe, thus allowed the subsequent growth of the most sensitive species. These experimental results, faithfully reproducing the in-situ observations, confirm the involvement of shallow hydrothermal fluids in the high productivity observed in the region. Hydrothermal sources could be traced at different spatial and temporal scales through the deployment of drifting (for a few days, along the Tonga Arc) and fixed (for a year, along the Lau Ridge) sediment traps and through the coring of seafloor sediments at the trap deployment sites (geological time scale). Al-Fe-Mn tracing revealed that the lithogenic material exported at small and large spatial scales in the region originated from shallow and/or deep hydrothermal sources located along the Tonga Arc. This hydrothermal signature has also been detected in the seafloor sediments, particularly in the vicinity of the Lau Ridge where the presence of a major active source is strongly suspected. Finally, the similar patterns observed for the export of biological and hydrothermal particles suggest that surface production is closely linked to hydrothermal inputs into the photic layer. In conclusion, this thesis work has demonstrated the influence of shallow hydrothermal sources on the fate of trace elements, particularly iron, in the water column and seafloor sediments, and their link to biological productivity in the Western Tropical South Pacific region.