Dynamiques oxiques-anoxiques dans la subsurface continentale : prédiction et contrôle sur l'altération des roches et la biomasse profonde

Oxic-anoxic dynamics in the continental subsurface : prediction and control of rock weathering and deep biomass

• Auteur / Autrice : Ivan-David Osorio-Leon
• Direction : Tanguy Le Borgne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : EGAAL
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Gaillardet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camille Bouchez, Susan L. Brantley, Thomas Stieglitz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Daval, Olivier Atteia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Teneur en oxygène

Eaux souterraines

Altération (géologie)

Zone critique de la Terre

Mots clés libres

Zone Critique

Biosphère profonde

Transport Réactif

Eaux souterraines

Altération des roches

Oxygène dissous

Critical Zone

Deep biosphere

Reactive transport

Groundwater

Rock weathering, Dissolved oxygen

Résumé

Les réactions redox impliquant l’oxygène dissous (OD) sont les plus énergétiques et offrent une source majeure d'énergie pour la biosphère profonde. La capacité des milieux fracturés à transporter rapidement des eaux oxygénées de la surface vers la profondeur permet le maintien d’une hydrosphère oxique profonde (HOP) jusqu’à présent négligée. Cette thèse porte donc sur l’origine, la dynamique et les conséquences de cette HOP. Dans un premier temps, nous établissons un cadre conceptuel pour identifier les facteurs qui contrôlent le transport réactif de l’OD à l’échelle d’un bassin versant. Nous développons un modèle d’interactions eau-roche afin de prédire la profondeur de l’HOP. Ce modèle est ensuite utilisé pour expliquer l’occurrence d’une HOP dans les premiers 300 mètres de profondeur de l’Observatoire de la Zone Critique de Ploemeur. Nous étudions le δ18O de l'OD au sein de l'HOP afin d'identifier la distribution des processus biotiques et abiotiques qui contrôlent la réactivité de l'OD dans le bassin versant. Dans un deuxième temps, nous développons deux expériences in-situ pour explorer les conséquences de l’HOP sur le fonctionnement biogéochimique de la subsurface. Grâce à un test de traçage réactif à l'OD et une expérience d'incubation de minéraux, nous démontrons, respectivement, la réponse de la biomasse planktonique et de celle attachée aux minéraux aux dynamiques oxiques-anoxiques de la subsurface. Ces travaux mettent en lumière une HOP dans laquelle les processus biogéochimiques souterrains sont sensibles aux dynamiques hydrologiques de surface impliquant le transport de l'OD, remettant ainsi en question le paradigme de la biosphère profonde en tant que système inertiel et anoxique.

Redox reactions involving dissolved oxygen (DO) are the most energetic and provide a major source of energy for the deep biosphere. The ability of fractured rocks to rapidly transport oxygenated waters from the surface to depth allows for the existence of a deep oxic hydrosphere (DOH), which has been historically neglected. This thesis focuses on the origin, dynamics, and consequences of this DOH. First, we establish a conceptual framework to identify the factors controlling the reactive transport of DO at the watershed scale. We develop a water-rock interaction model to predict the depth of the DOH. This model is used to explain the occurrence of a DOH within the first 300 meters of the aquifer in the Critical Zone Observatory of Ploemeur. We investigate the δ18O of DO within the DOH to identify the distribution of biotic and abiotic processes that control the reactivity of DO in the watershed. Second, we conduct two in-situ experiments to explore the consequences of the DOH on the biogeochemical functioning of the subsurface. A reactive DO tracer test and a mineral incubation experiment are developed to study the response of, respectively, the planktonic and mineral-attached biomass to oxic and anoxic dynamics in the subsurface. This work highlights a DOH in which subsurface biogeochemical processes are sensitive to surface hydrological dynamics involving the transport of DO, thus challenging the paradigm of the deep biosphere as an inert and anoxic system.

Las reacciones redox que involucran oxígeno disuelto (OD) son las más energéticas y proporcionan una fuente importante de energía para la biosfera subterránea. La capacidad de las rocas fracturadas para transportar rápidamente aguas oxigenadas desde la superficie hasta la profundidad permite la existencia de una hidrosfera óxica profunda (HOP), que históricamente ha sido ignorada. Esta tesis se centra en el origen, la dinámica y las consecuencias de esta HOP. En primer lugar, establecemos un marco conceptual para identificar los factores que controlan el transporte reactivo del OD a escala de cuenca. Desarrollamos un modelo de interacción agua-roca para predecir la profundidad de la HOP. Este modelo se utiliza para explicar la ocurrencia de una HOP dentro de los primeros 300 metros del acuífero en el Observatorio de la Zona Crítica de Ploemeur. Investigamos el δ18O del OD dentro de la HOP para identificar la distribución de los procesos bióticos y abióticos que controlan la reactividad del OD en la cuenca. En segundo lugar, realizamos dos experimentos in-situ para explorar las consecuencias de la HOP en el funcionamiento biogeoquímico del subsuelo. Se desarrolla una prueba de trazador reactivo con OD y un experimento de incubación mineral para estudiar la respuesta de la biomasa planctónica y adherida a los minerales, respectivamente, a las dinámicas óxicas y anóxicas en el subsuelo. Este trabajo destaca una HOP en la que los procesos biogeoquímicos subterráneos son sensibles a las dinámicas hidrológicas superficiales que implican el transporte de OD, desafiando así el paradigma de la biosfera profunda como un sistema inerte y anóxico.