Fonctionnement hydrologique, géochimique et isotopique des lacs volcaniques de l'Adamaoua (Nord-Cameroun)

Hydrological, geochemical and isotopic functioning of Adamaoua volcanic lakes (North Cameroon)

• Auteur / Autrice : Souleyman Abba
• Direction : Bruno Hamelin, Pierre Deschamps
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Géosciences
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences de l'Environnement (Aix-en-Provence ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEREGE - Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Anne Alexandre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Hamelin, Christelle Marlin, Pierre Deschamps, Jérôme Gaillardet, Didier Jezequel, Christophe Peugeot, Julio Goncalves
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christelle Marlin, Jérôme Gaillardet

Mots clés

Mots clés libres

Hydrologie

Géochimie

Isotopes (18O; 2H; 36Cl)

Lacs volcaniques

Hydrology

Geochemistry

Isotopes (18O; 2H; 36Cl)

Volcanic lakes

Résumé

La ligne Volcanique du Cameroun (LVC) abrite de nombreux lacs volcaniques dont les processus internes et le fonctionnement restent pour la plupart peu documentés. Cette thèse se propose alors de caractériser le fonctionnement hydrologique de 5 de ces lacs (Mbalang, Tabere, Tizon, Gegouba et Baledjam), localisés au Nord de la LVC sur le plateau volcanique de l’Adamaoua en couplant l’hydrologie classique aux approches géochimiques et isotopiques. Cette investigation est en effet essentielle à la calibration des proxys paléo-environnementaux et aussi à l’étude de ces lacs comme sentinelles de la variabilité climatique. Le suivi horaire du niveau du lac Mbalang initié depuis décembre 2017 et les mesures de précipitations et de l’évaporation d’avril à octobre 2021 ont permis d’établir un bilan hydrologique préliminaire mensuel. En dépit de ses larges incertitudes, ce bilan met en évidence l’existence des pertes d’eau autres que l’évaporation et le débordement en saison des pluies. Très variable d’un mois à l’autre, la moyenne annuelle de ce flux est de l’ordre de 44% des précipitations. Préalablement à un calcul de bilan hydrologique des lacs par une approche chimique ou isotopique, la caractérisation des colonnes d’eau des lacs investigués révèle une structure thermique typique de celle des lacs monomictiques à l’exception du moins profond (Baledjam) qui se révèle polymictique. Bien que soumis aux mêmes conditions climatiques, ces lacs présentent des signatures chimique et isotopique différentes traduisant des fonctionnements hydrologiques différents. A partir des différences de compositions en isotopes stables de l’eau (18O) et en chlorures (Cl-), le couplage des traceurs isotopique et chimique a été réexaminé. Il a en effet été testé si les deux traceurs qui dans une première approche donnent des résultats différents peuvent conduire aux mêmes estimations du bilan hydrologique. Y parvenir requiert alors dans un modèle à une boîte la considération de valeurs inhabituelles des paramètres du modèle classique de Craig et Gordon tel que le paramètre n.θ dans l’estimation de la composition du flux évaporatoire. Alternativement, les apports d’eau au lac à partir du bassin versant doivent être pris en compte dans le bilan. De cette combinaison de différents traceurs, il ressort que l’évaporation représentant entre 50% et 90% des apports d’eau constitue le principal terme de pertes d’eau des lacs de l’Adamaoua. L’analyse de la composition en 36Cl des lacs de l’Adamaoua met en évidence une signature thermonucléaire du 36Cl des eaux des lacs ayant permis de tester une approche isotopique d’estimation du temps de résidence des eaux dans les lacs. A partir de la composition isotopique mesurée et du modèle de l’historique des flux de 36Cl pour la région de l’Adamaoua établi par d’autres auteurs, un modèle de l’évolution temporelle du pic thermonucléaire dans les lacs a été établi. Alors que la concentration en chlorure est déduite du bilan évaporatoire, l’expression du rapport 36Cl/Cl, fonction du temps de renouvellement de l’eau permet par essai-erreur d’évaluer ce dernier. Les temps de résidence de l’eau obtenus par cette méthode (1.5 an à 6.5ans) sont toutefois inférieurs à ceux déduits des flux d’eau à travers les lacs (4.5 ans à 21.6 ans). Une hypothèse pouvant expliquer le désaccord entre les deux méthodes serait un comportement non conservatif du chlore qui entraine un découplage entre le Cl et le 36Cl.

The Cameroon Volcanic Line (CVL) hosts numerous volcanic lakes whose internal process and functioning remain poorly documented. Herein, we focus on five of these lakes (Mbalang, Tabere, Tizon, Gegouba et Baledjam) which are located on the Adamawa plateau in the Northern part of the CVL in order to characterize their hydrological functioning by coupling classical hydrology with geochemical and isotope approaches. Indeed, this study is essential both for the calibration of paleoenvironmental proxies and for the consideration of these lakes as sentinels of the regional hydro-climatic variability. First, Lake Mbalang water budget is assessed at a monthly time scale. The lake level monitoring started in December 2017 in parallel of rainfall and evaporation amounts measurements at Mbalang meteorological station since April 2021. The results demonstrate the existence of an outflow in addition to the other water loses by evaporation and threshold overflow during rainy season. This outflow representing 44% of rainfall in average is found to be variable from one month to the next and its calculation is thus marked by large uncertainties. Prior to the geochemical and isotopic assessment of the water budget, the studied lakes water columns have been characterized. Repeated water profiles reveal that the Adamawa lakes thermal structure is monomictic except for Baledjam lake which is polymictic. Despite common climatic conditions, these hydro-systems bear different chemical and isotope signatures which witness different hydrological functioning. Using the water stable isotopes (18O) and chloride (Cl-)compositions differences, we discussed the coupling of isotopes and chemical tracers. Indeed, we tested if these tracers which are generally used separately can be combined in order to lead to the same water balance. This would require in a simple one-box model the consideration of unusual values of the Craig and Gordon’s model such as the n.θ term to determine the evaporation flux isotope composition. Alternatively, including the inflow from the watershed into the lake and a transpiration term higher than evaporation over this drained area allows to simulate the observed lakes isotope and chemical composition. This model showed that evaporation represents 50% to 90% of the inflow and thus constitutes the main water loses term of Adamawa lakes water budgets. In this study, we also tested an isotope approach of estimating the water residence time in lakes based on the evidence of the thermonuclear imprint on the lakes 36Cl content. Using the 36Cl composition that we measured in the lakes and the historical reconstitution of 36Cl deposition of the Adamawa region from previous studies, we simulated the 36Cl/Cl ratio time variation in Adamawa lakes which mainly depends on two parameters: the water residence time and the evaporation on water input ratio (E/I). Knowing the time-function of the input ratio and the E/I ratio inferred from the chloride budget, we assessed the water residence values by fitting the observed 36Cl/Cl ratio. However, this method gave lower water residence time values (between 1,5 and 6,5 years) than those obtained from the classical approach using water fluxes through the lakes (between 4.5 and 21 years). The discrepancy between the two methods results might be explained by the recycling of Cl- and bomb 36Cl from the biosphere, chlorine behaving thus as a non-conservative element.