Modélisation numérique des événements lors de la diagenèse précoce dans les écosystèmes côtiers : application aux dépôts de crue dans le prodelta du Rhône

Event-driven numerical modelling of early diagenesis in coastal ecosystems : application to flood deposits in Rhône River prodelta

• Auteur / Autrice : Stanley Nmor
• Direction : Christophe Rabouille, Eric Viollier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Roche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anniet Laverman, Sandra Arndt, Bruno Deflandre, Olivier Sulpis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anniet Laverman, Sandra Arndt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inondations

Biogéochimie

Modélisation des données (informatique)

Écologie pélagique

Écologie benthique

Diagenèse

Mots clés libres

Diagenèse précoce

Couplage benthique-pélagique

Modélisation numérique

Biogéochimie

Crues massives

Early diagenesis

Benthic-pelagic coupling

Numerical modelling

Biogeochemistry

Massive flood events

Résumé

L'objectif principal de ce travail est d'étudier la réponse biogéochimique des fonds marins côtiers soumis à des dépôts massifs épisodiques de sédiments. Le Rhône et ses marges côtières constituent un cas d'étude important pour quantifier l'impact des dépôts de crue sur les processus diagénétiques dans les sédiments superficiels, car juqu'à 80% des apports de sédiments sont réalisés lors d'événements courts et intenses de crues. Ces événements extrêmes sont rares et imprévisibles, et il est donc difficile d'évaluer par l'observation directe leur impact sur les processus biogéochimiques des sédiments. Afin d'étudier la réponse à court et moyen terme de la biogéochimie des sédiments dans ces conditions de changement brutal, un modèle numérique de diagenèse précoce a été spécifiquement développé au cours de cette thèse. En utilisant les données publiées de deux inondations contrastées en 2008, le modèle a montré sa capacité à simuler les changements induits par l'apport de sédiments sur les profils d'eau interstitielle pour différents solutés. Le modèle suggère que ces inondations pourraient produire des réponses biogéochimiques différentes, dont l'ampleur est déterminée par les caractéristiques du dépôt sédimentaire. Nous avons constaté que les taux de minéralisation du carbone organique totaux ont été multipliés par deux au cours de la crue du printemps 2008 par rapport aux conditions antérieures, et qu'ils ont encore augmenté à l'automne lorsqu'un sédiment enrichi en carbone très labile a été déposé (acrroissement d'un facteur 7). Mes recherches ont démontré que ces différences étaient dues à la nature du carbone organique du delta proximal du Rhône ainsi qu'à l'épaisseur du dépôt. Ces caractéristiques intrinsèques pourraient également être responsables du temps de relaxation des divers solutés de l'eau interstitielle (par exemple l'oxygène, le carbone inorganique dissous, le sulfate) autour de quelques mois. La thèse explore également le concept d'effet mémoire d'une séquence temporellement connectée de plusieurs dépôts de crue. L'occurrence multiple de ces événements peut déclencher une superposition temporelle entre les crues qui a un effet substantiel sur les processus opérant en profondeur (tels que la méthanogénèse et la réduction des sulfates) mais négligeable pour les processus oxiques et suboxiques superficiels. Cela a des conséquences importantes dans les scénarios futurs d'augmentation de la fréquence de ces événements extrêmes.La récente série temporelle de composition de l'eau interstitielle obtenue au cours des campagnes hivernales de 2021-22 étudie l'évolution temporelle du sédiment après un dépôt de sédiments estimé à 25 cm. Une modification remarquable des profils de DIC, SO_4^{2-} and CH_4 a été observée, qui se distingue de la situation antérieure à la crue. Les simulations du modèle décrivent de manière adéquate l'ensemble des données et montrent que ces événements hivernaux peuvent entraîner une augmentation de 75 % de la minéralisation totale du carbone, augmentant ainsi la production de DIC à plus long terme dans les sédiments. Cette inondation hivernale entraîne également un découplage des deux voies de réduction du sulfate - la réduction organoclastique du sulfate et l'oxydation anaérobie du méthane - et est associée à un enfoncement dans le sédiment de la zone de transition entre le sulfate et le méthane. Ceci pourrait renforcer l'efficacité du piège de méthane (un gaz à effet de serre crucial dans le contexte du changement climatique) dans le sédiment. Dans l'ensemble, cette thèse fournit pour la première fois une synthèse issue de l'exploration numérique du rôle d'un événement épisodique tel qu'un dépôt de crue massif sur la dynamique spatio-temporelle des processus biogéochimiques dans les sédiments.

The main purpose of this work is to study the biogeochemical response of coastal seafloor subject to episodic massive sediment deposition from floods events. The Rhône River and its connected coastal margins serve as an important case-study site for quantifying the impact of these extreme events on early diagenetic process because it receives significant inputs of sediment (estimated to be up to 80%) during short and intense events. These extreme events are rare and unpredictable, thus the assessment of their impact on sediment biogeochemical processes is difficult.In order to study the short and intermediate term response of the sediment biogeochemistry under these abruptly changing conditions, an event-driven numerical model of early diagenesis was specifically developed during this thesis. Using published data of two contrasting floods in year 2008, the model showed reliable capability to simulate the changes induced by the sediment input on the porewater profiles for various solutes. The model suggests that these floods could produce differing biogeochemical response, the extent of which is determined by the underlying characteristics of the flood layer deposit. We found a two-fold increase in overall mineralization rates during the 2008 spring flood event from pre-flood conditions in the spring, which increased further in the fall when a very labile carbon-enrichment sediment was deposited (up to a factor of 7). My research demonstrated that these differences were due to the nature of organic carbon delivered to the proximal delta of the Rhone as well as the scale (thickness) of deposition. These intrinsic characteristics might also be responsible for constraining the relaxation timescale of the various porewater solutes (e.g oxygen, dissolved inorganic carbon, sulfate) to a few months as observed in the field. Furthermore, this research also demonstrated that the strong internal cycling and the role of secondary redox processes such as pyrite precipitation which were enhanced during these flood events might be responsible for the maintenance of non-sulfidic condition observed in Rhône prodelta sediment. The thesis also briefly explores the concept of “memory effect” of temporally connected sequence of flood deposition with the conclusion that the multiple occurrence of these events can also trigger temporal interaction between floods which has a substantial effect on the processes operating in the deep (such as methanogenesis and sulfate reduction) but negligible for superficial oxic and suboxic processes. This has significant ramification in the future scenarios of increasing frequency of these extreme events.More recent time series of porewater composition obtained during winter campaigns in 2021-22 investigates the temporal evolution of the porewater following an estimated 25 cm of sediment deposition. A remarkable modification of the DIC, SO_4^{2-} and CH_4 profiles were observed which was distinguishable from the pre-flood situation. Model simulations describes adequately the dataset and showed that these winter events can result to as much as 75% increase in total carbon mineralization, thus enhancing longer-term DIC production in the sediment. This winter flood also leads to a decoupling of the two pathways for sulfate reduction - organoclastic sulfate reduction and anaerobic oxidation of methane and is associated to vertical displacement of the sulfate-methane transition zone. This observation has important implications since further deepening of the AOM maximum zone due to flood deposition could enhance the effective trapping of methane (a “green house” gas crucial in the context of climate change) flux out of the sediment.Overall, the numerical exploration in this thesis provides for the first time, a synthesis of the role of episodic event such as the massive flood deposition on spatio-temporal dynamics of the biogeochemical processes in the sediment.