Traçage isotopique (Si, Ca, Sr, H et O) des processus biogéochimiques dans les eaux souterraines indiennes le long du continuum continent-océan

Isotopic tracing (Si, Ca, Sr, H and O) of biogeochemical processes in Indian groundwater along the land-to-ocean continuum

• Auteur / Autrice : Sarath Pullyottum Kavil
• Direction : Damien Cardinal, Ramananda Chakrabarti, Jean Riotte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Karim Benzerara
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Cornu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Opfergelt, Gregory De Souza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéologie

Calcium

Isotopes

Silicium

Inde

Eaux souterraines

Cycle du silicium

Géochimie isotopique

Mots clés libres

Isotopes silicium

Décharge sous-marine d'eaux souterraines

Altération

Isotopes calcium

Usage des sols

Estuaires

Silicon isotopes

Submarine Groundwater Discharge

Weathering

Calcium isotopes

Land use

Estuaries

Résumé

Les eaux souterraines forment un système dynamique avec une grande hétérogénéité spatiale et temporelle, et agissent en tant qu'intermédiaire entre les processus de surface dans la zone critique et les fleuves qui apportent les solutés vers l'océan. Des études récentes révèlent que la décharge sous-marine d'eaux souterraines (SGD) est une voie dominante pour l'apport de nutriments aux côtes, dépassant souvent les flux de nutriments fluviaux, formant ainsi une composante importante des cycles biogéochimiques marins. Cependant, les SGD restent négligées dans les bilans de nutriments et sont difficiles à quantifier. Parmi ceux-ci, le silicium (Si) est un nutriment essentiel pour les diatomées, l'un des principaux producteurs primaires des écosystèmes aquatiques. Les bassins versants tropicaux humides avec précipitations saisonnières de mousson, généralement trouvés en Inde, favorisent une altération intense des silicates, ce qui entraîne des flux élevés de Si vers les eaux. Cependant, l'agriculture peut moduler le cycle de Si ce qui nécessite une évaluation plus poussée, notamment dans les eaux souterraines. Cette thèse étudie trois aspects majeurs du cycle de Si dans les eaux souterraines : i) l'impact des modifications de l'utilisation des terres et des précipitations de mousson sur Si dissous (DSi) et la signature isotopique de Si (δ30Si) des eaux souterraines en comparant un bassin versant agricole (Berambadi) et un bassin versant forestier (Mule Hole) à deux saisons, ii) élucider les interactions entre eaux souterraines et eaux de surface dans le plus grand système estuarien de mousson en Inde (Godavari) et, iii) quantifier les flux de Si apportés par la contribution en eaux douces des SGD vers l'Océan Indien grâce à une série d’échantillons d'eaux souterraines côtières. Pour cela, nous utilisons des traceurs isotopiques : isotopes de l'eau et 87Sr/86Sr pour identifier les sources et les mélanges, δ30Si et rapports Ge/Si pour tracer le cycle du Si, et δ44/40Ca pour déterminer l'altération des carbonates. Ce travail a permis d'augmenter la moyenne des δ30Si des eaux souterraines mondiales de 0,49±0,9‰ (1SD, n=66) à 0,81±0,9‰ (1SD, n=224), inférieure aux δ30Si des eaux de rivière et de l’océan. Nous montrons que les signatures δ30Si des eaux souterraines ne sont pas impactées par les modifications de l'utilisation des terres ni la saisonnalité, et sont principalement contrôlées par l'altération des silicates et la formation d'argiles secondaires. Les eaux souterraines présentent généralement un comportement stable avec un équilibre dynamique entre l'apport de Si et la formation de phases secondaires. Les δ30Si issus de l'altération, de l'adsorption et de l'absorption par les plantes qui se produisent dans les horizons peu profonds du sol et du saprolite sont partiellement homogénéisés par l'altération du régolithe dans la zone profonde. Les δ30Si de l'estuaire de Godavari présentent une variabilité saisonnière importante, principalement due aux diatomées et parfois à un apport hétérogène issus des eaux souterraines pendant la saison sèche, alors que l'altération des silicates et la formation d'argiles secondaires dominent pendant la saison humide. L’estuaire est un filtre important pour l’apport en Si à l'océan, en retirant ~15% du DSi total apporté par le fleuve Godavari. Les δ44/40Ca dans l'estuaire (1,3±0,5‰, 1SD, n=16) et ses eaux souterraines (1,6±0,7‰, 1SD, n=15) sont très hétérogènes. Le fractionnement isotopique du Ca, tant dans l'estuaire que dans les eaux souterraines, est principalement dû à la précipitation des carbonates secondaires, un processus qui nécessiterait une étude plus approfondie. Enfin, DSi et δ30Si des eaux souterraines côtières indiennes indiquent que les apports d’eaux douces par SGD contribuent à <1% du flux total de Si apporté par les fleuves ce qui est considéré comme ayant un impact insignifiant sur les budgets océaniques de Si et d'isotopes dans l'Océan Indien Nord.

Groundwater forms a dynamic system exhibiting spatial and temporal heterogeneity, and acts as an intermediate between surface processes occurring in critical zone and the riverine systems, which ultimately delivers solutes from continents to ocean. Recent studies reveal that the submarine groundwater discharge (SGD) is a dominant pathway for nutrient delivery to the coastal ocean, often exceeding riverine nutrient fluxes, thus forming a significant component of oceanic biogeochemical cycling. However, SGD remains overlooked in coastal nutrient budgets and is difficult to quantify given large spatial and temporal variability. Among the elements delivered to the coast through SGD, silicon (Si) forms a key nutrient for diatoms, one of the dominant primary producers in freshwaters, estuary and coastal ecosystems. Tropical humid watersheds with seasonal monsoonal precipitation, commonly found in Indian subcontinent, favors intense silicate weathering resulting in high Si fluxes to surface and groundwaters. However, anthropogenic activities including agriculture and damming can significantly modulate Si cycling and requires further evaluation, particularly in groundwater. The present research investigates three major aspects of groundwater Si cycling: i) the impact of land use alterations (such as agriculture) and monsoon precipitation in groundwater dissolved silicon (DSi) and silicon isotopic signature (δ30Si) by comparing an agricultural (Berambadi) and forested (Mule Hole) watersheds across two seasons, ii) elucidating groundwater-surface water interactions in the largest monsoonal estuarine system in India (Godavari) and, iii) quantify the fresh submarine groundwater derived Si fluxes to Indian Ocean using a series of coastal groundwaters along Indian coastline. We employ multiple isotopic tracers to understand biogeochemical processes in groundwater including water isotopes and 87Sr/86Sr to understand sources and mixing, δ30Si and Ge/Si ratios to trace Si cycling, and δ44/40Ca to decipher carbonate weathering in critical zone. The present work increased the δ30Si average of global groundwater from 0.49±0.9‰ (1SD, n=66) to 0.81±0.9‰ (1SD, n=224), lower than the river water and seawater δ30Si. We show that the δ30Si signatures of groundwater are not impacted by land use alterations and seasonal monsoon, and are primarily driven by silicate weathering and secondary clay formation in soil and saprolite. Groundwater system generally exhibits a steady state behavior with a dynamic equilibrium between Si supply and formation of secondary phases. We conclude that Si isotopic signatures of weathering, adsorption, and plant uptake occurring in the shallow soil and saprolite horizons are partly overprinted and homogenized by the regolith weathering in the deep critical zone. In the second part of the thesis, we study Godavari estuary and adjacent groundwater to discern sources vs. mixing vs. processes along this land-to-ocean interface. The δ30Si signatures of estuary exhibit significant temporal variability, primarily driven by diatom uptake and some heterogeneous groundwater discharge during dry season while silicate weathering and secondary clay formation in the basin dominate during wet season. We note that estuaries can act as significant filters for Si supply to ocean, removing ~15% of the total DSi supplied by the Godavari river. The δ44/40Ca composition in Godavari estuary (1.3±0.5‰, 1SD, n=16) and groundwaters (1.6±0.7‰, 1SD, n=15) are highly heterogenous. The Ca isotopic fractionation in both estuary and groundwater are primarily driven by precipitation of secondary carbonates, a process that would require further study. Finally, the dissolved silicon and δ30Si of coastal groundwater all over India indicates that fresh SGD discharge contributes to <1% of the total Si flux of the rivers and is considered to have insignificant impact on oceanic Si and isotopic budgets in North Indian Ocean.