Caractérisation élémentaire et isotopique (Sr et Nd) des dépôts d'aérosols sahariens sur la marge sénégalaise : implications pour la signature géochimique des sources

Elemental and isotopic (Sr and Nd) characterization of deposited dust on the senegalese margin : implications for Saharan dust source geochemical fingerprinting

• Auteur / Autrice : Meryll Le Quilleuc
• Direction : Viviane Bout-Roumazeilles, Aloys Bory, Yevgeny Derimian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG) - Laboratoire d'Optique Atmosphérique (LOA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycles biogéochimiques

Meteosat (satellites météorologiques)

Néodyme

Isotopes

Strontium

Géochimie isotopique

Modèles mathématiques

Circulation atmosphérique

Masses d'air

Dépôts éoliens

Sahel

Sahara

Variations saisonnières

Composition chimique

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Rétrotrajectoires

Résumé

Les aérosols désertiques émis dans les régions arides et semi-arides constituent un élément actif du système climatique global. En effet, de par leurs propriétés optiques et leur rôle dans les processus de nucléation dans l’atmosphère, ils ont un impact sur le bilan radiatif et le cycle hydrologique. Ils ont également une influence sur les cycles biogéochimiques marins et continentaux par l’apport de micro-nutriments dans les régions où ils se déposent. Par ailleurs, les aérosols désertiques sont des indicateurs des changements paleo-environnementaux dans les archives sédimentaires. L’impact de l’aérosol minéral dans le système climatique dépend de la quantité de particules émises dans l’atmosphère, de leur distribution granulométrique et de leur composition géochimique. Ces paramètres sont cependant souvent insuffisamment quantifiés, en particulier dans la région du Sahara et du Sahel (plus importante source au monde), du fait des très nombreuses zones d’émission et de leur caractère intermittent. Les caractéristiques des retombées de l’aérosol saharien sont singulièrement mal connues ; celles-ci sont pourtant essentielles pour estimer son impact sur les cycles biogéochimiques, faire le lien avec les dépôts sédimentaires, et contraindre les modèles atmosphériques de transport. Une étude de dépôts éoliens a été réalisée sur la côte sénégalaise dans l’objectif d’améliorer nos connaissances sur la composition chimique des aérosols transportés sur la marge ouest africaine et la signature chimique des régions sources. Dans ce cadre, un capteur passif a été mis en place en 2006 à Mbour, permettant de construire une série temporelle continue de dépôts d’aérosols désertiques avec un pas d’échantillonnage d’une semaine ou moins. La composition élémentaire de la fraction silicatée inférieure à 30µm de 221 échantillons de dépôts a été déterminée (incluant une série continue de deux ans entre 2013 et 2015), ainsi que les rapports isotopiques du strontium (Sr) et du néodyme (Nd) de 63 de ces échantillons. En parallèle, une étude des sources alimentant notre site d’étude a été réalisée à l’aide de l’indice satellite IDDI et de rétrotrajectoires de masse d’air (HYSPLIT). L’étude de la série continue de dépôts 2013-2015 a révélé une grande variabilité dans la composition chimique des particules, suggérant une importante diversité géochimique des sources. Cette série temporelle a permis de mettre en évidence des changements saisonniers du flux et de la composition chimique, en lien avec les changements de provenance et de transport des particules entre la saison sèche (hiver-printemps) pendant laquelle les aérosols sont apportés par les alizés qui balayent le continent ouest-africain, et la saison humide (été) au cours de laquelle les dépôts résultent en partie du lessivage par les précipitations de particules transportées à haute altitude dans la Saharan Air Layer (SAL).

Mineral aerosols emitted in arid and semi-arid regions of the Earth represent an active element of the global climate system. In fact, due to their optical properties and their role in nucleation processes in the atmosphere, they have an impact on the radiative budget and the hydrological cycle. They also take part in many biogeochemical cycles in the ocean and on land through the input of micro-nutriments in regions where they are deposited. Mineral dust is also an indicator of paleo-environmental conditions changes in sedimentary archives. Mineral dust impact in the climate system depends on the amount of particles transported in the atmosphere, on their grain size distributions and on their geochemical compositions. Yet, these characteristics are often insufficiently quantified, particularly in the vast Sahara-Sahel domain (the largest source worldwide), due to the numerous emissions areas and to their intermittency. The characteristics of Saharan dust deposits are especially poorly constrained, although they are essentials to estimate the dust impact on biogeochemical cycles, to make the connection with sedimentary deposits, and to validate dust transport model outputs. A study of eolian deposits was carried out on the Senegalese coast in order to improve our knowledge of the chemical composition of mineral aerosols transported over the West African margin and of the geochemical signature of the source regions. For this purpose, a passive collector was set up in 2006 at Mbour, allowing the build up of a long continuous time series dust deposits with a sampling resolution of a week or less (down to 24h). Elemental composition (major and trace elements) of the <30µm carbonate-free, silicate fraction of 221 dust deposit samples was determined (including a two-year continuous time series between March 2013 and February 2015), as well as the Sr and Nd isotopic ratios for 63 of them. Concurrently, investigations on the sources feeding our sampling site were conducted with the help of the IDDI satellite product as well as air masses backtrajectories calculated with the HYSPLIT model. The study of the 2013-2015 continuous time series of dust deposits revealed a large variability in the chemical composition of the dust, suggesting an important diversity in the geochemistry of the contributing sources. This long time series brought to light marked seasonal changes, both in the mass flux and the chemical composition, that can be linked to changes in provenance and transporting wind systems between the dry season (winter-spring) during which aerosols are transported in the trade winds that sweep across West Africa, and the wet season (summer) when dust deposit result to some degree from the scavenging by precipitations of dust transported at high altitude in the Saharan Air Layer (SAL).