Effets de l'acidification de l'océan sur la dissolution/précipitation des carbonates dans les zones côtières

Effects of ocean acidification on carbonate dissolution / precipitation in coastal areas

• Auteur / Autrice : Eva Ferreira
• Direction : Christophe Rabouille
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Océans et interfaces (OCEANIS)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)

Mots clés

Mots clés libres

Acidification

Carbonates

Océan Côtier

Biogéochimie Marine

Cycle du Carbone

Sédiment

Acidification

Carbon Cycle

Coastal Ocean

Marine Biogeochemistry

Carbonates

Sediment

Résumé

L'océan joue un rôle clé dans le cycle du carbone, et donc dans la régulation du climat, en limitant l'augmentation des concentrations de CO2 dans l'atmosphère. En effet, l'océan absorbe chaque année environ 25% des émissions totales de CO2 liées aux activités humaines (Friedlingstein et al., 2021). L'absorption de CO2 anthropique par l'océan s'opère par l'action conjuguée de la pompe physico-chimique et de la pompe biologique (production primaire, modulée par la contre-pompe des carbonates). La dissociation du CO2 libère des ions H+ et contribue à l'acidification de l'océan : « The other CO2 problem » (Doney et al., 2009). Les écosystèmes marins côtiers sont particulièrement sensibles et vulnérables au changement climatique, à l'acidification et aux différentes pollutions. Sous l'effet de l'eutrophisation et des apports de matières organiques terrigènes par les fleuves, certaines zones côtières subissent une désoxygénation et une acidification très intenses (Cai et al., 2011). Ces phénomènes sont amplifiés dans les eaux de fond et à l'interface eau-sédiment par la minéralisation de la matière organique. Les eaux de fond côtières subissent donc une double acidification, liée à la dissolution du CO2 anthropique et aux émissions de CO2 métabolique par l'ensemble des bactéries aérobies et anaérobies. L'acidification de l'eau de mer provoque également une diminution des concentrations en ions carbonates (CO32-) et abaisse le degré de saturation de la calcite et de l'aragonite, les deux principaux polymorphes du carbonate de calcium (CaCO3). Dans ce contexte, très peu d'études se sont intéressées aux variations rapides (de l'heure à quelques années) du pH dans les eaux de fond côtières. Lorsque l'acidification des eaux de fond est significative, elle peut provoquer la sous-saturation de la calcite et de l'aragonite et peut entrainer la dissolution des carbonates sédimentaires (Rabouille et al., 2021). La dissolution des carbonates peut significativement contribuer aux flux benthiques de carbone inorganique dissous (DIC) et d'alcalinité totale (TA), piégeant du CO2. Les réactions diagénétiques impliquées dans ces flux sont très mal contraintes. Dans le contexte de l'acidification des zones côtières, l'eutrophisation et la désoxygénation influencent ce phénomène de manière parfois opposée. Il est donc primordial d'étudier les effets de l'acidification sur les écosystèmes marins et notamment sur le domaine benthique. Le travail de thèse reposera sur des prélèvements lors de missions en mer sur 3 zones différentes (le Golfe du Lion, l'Océan Arctique et le Golfe du Mexique) et sur des analyses du système des carbonates dans le milieu aquatique et dans les sédiments. Ces analyses seront complétées par les isotopes du carbone, et par des mesures d'éléments redox traçant les réactions biogéochimiques dans les sédiments. Les sources et puits d'alcalinité seront ainsi tracés et quantifiés pour des processus aussi divers que la sulfato-réduction ou la dissolution superficielle des carbonates. Des coopérations internationales seront mises en œuvre avec les équipes américaines et canadiennes partenaires des projets-supports de cette thèse.

The ocean plays a key role in the carbon cycle, and thus in climate regulation, by limiting the increase of CO2 concentrations in the atmosphere. Indeed, the ocean absorbs about 25% of the total CO2 emissions from human activities each year (Friedlingstein et al., 2021). The absorption of anthropogenic CO2 by the ocean occurs through the combined action of the physical-chemical pump and the biological pump (primary production, modulated by the carbonate counter-pump). The dissociation of CO2 releases H+ ions and contributes to ocean acidification: 'The other CO2 problem' (Doney et al., 2009). Coastal marine ecosystems are particularly sensitive and vulnerable to climate change, acidification and various pollutions. Due to eutrophication and inputs of terrigenous organic matter from rivers, some coastal areas are undergoing very intense deoxygenation and acidification (Cai et al., 2011). These phenomena are amplified in bottom waters and at the water-sediment interface by mineralization of organic matter. Thus, coastal bottom waters undergo a double acidification, related to the dissolution of anthropogenic CO2 and metabolic CO2 emissions by the aerobic and anaerobic bacterial community. Acidification of seawater also causes a decrease in carbonate ion concentrations (CO32-) and lowers the saturation level of calcite and aragonite, the two main polymorphs of calcium carbonate (CaCO3). In this context, very few studies have focused on the rapid variations (from one hour to a few years) of pH in coastal bottom waters. When acidification of bottom waters is significant, it can cause under-saturation of calcite and aragonite and can lead to dissolution of sedimentary carbonates (Rabouille et al., 2021). Carbonate dissolution can significantly contribute to benthic fluxes of dissolved inorganic carbon (DIC) and total alkalinity (TA), trapping CO2. The diagenetic reactions involved in these fluxes are poorly constrained. In the context of coastal acidification, eutrophication and deoxygenation influence this phenomenon in sometimes opposite ways. It is therefore essential to study the effects of acidification on marine ecosystems and particularly on the benthic domain. The thesis work will be based on samples taken during missions at sea in 3 different areas (the Gulf of Lion, the Arctic Ocean and the Gulf of Mexico) and on analyses of carbonate systems in the aquatic environment and in sediments. These analyses will be completed by carbon isotopes, and by redox element measurements tracing biogeochemical reactions in the sediments. The sources and sinks of alkalinity will be traced and quantified for processes as diverse as sulfate reduction or surface dissolution of carbonates. International cooperation will be implemented with the American and Canadian partners of the projects supporting this thesis.