« Les éléments traces métalliques en milieu marin » LEMAR UMR 6539 (CNRS – IRD – UBO) Equipe 3- Etude intégrée du fonctionnement des écosystèmes Groupe Chimie Marine « Les éléments traces métalliques en milieu marin » Ricardo RISO Professeur

Les sources en éléments traces métalliques vers le domaine océanique Chapitre 3 Les sources en éléments traces métalliques vers le domaine océanique Les fleuves et rivières, L’atmosphère, Le compartiment sédimentaire, L’activité hydrothermale. Distribution des éléments traces métalliques dans le domaine océanique.

Les fleuves et rivières

-Nature du sol du bassin versant Les fleuves Origine naturelle Origine anthropique - activités industrielles, - activités urbaines, - activités agricoles. -Nature du sol du bassin versant

Les fleuves… Les flux totaux (dissous + particulaire) ont été estimés pour la première fois en 1979 par Martin et Meybeck en utilisant la relation suivante: Ft = [Metot] . Débit Cuivre = 1,9 109 Kg an-1 Plomb = 2,3 109 Kg an-1 Zinc = 6,5 109 Kg an-1 Mn = 338 109 Kg an-1

Rétention des métaux (puits) Relargage des métaux (source) Les estuaires… Les Estuaires Rétention des métaux (puits) Relargage des métaux (source)

Deux types des flux peuvent alors calculées: les flux bruts: Fb = Cs . Débit les flux nets: Fn = Cth. . Débit Ces flux peuvent être calculés de façon séparé pour le métal total dissous ainsi que pour les différentes formes chimiques Cs Il est possible également de calculer des flux des métaux associées aux particules: F part. = Cpart.. MES

Exemple: Comportement du cadmium dissous dans l’estuaire de la Loire

Exemple: Comportement du cadmium dans d’autres systèmes estuariens Estuaire de la Gironde (France) Estuaire du Huanghe (Chine) Estuaire du Changjiang (Chine) Elbaz-Poulichet et al. 1987

Exemple: Comportement du plomb dissous dans l’estuaire de la Loire

Métal Flux « brut » Kg.an-1 Flux « net » Kg.an-1 Les estuaires… Les Estuaires Métal Flux « brut » Kg.an-1 Flux « net » Kg.an-1 dissous particulaire total Cu 1,0.107 1,5.109 9,0.107 Pb 2,0.106 1,6.109 1,1.106 Zn 5,8.106 3,9.109 6,0.107 Mn 2,8.108 1,6.1010 1,9.108 Source GESAMP, 1987

Flux « brut » > Flux « net » Flux particulaire > Flux dissous Les estuaires… Flux « brut » > Flux « net » Flux particulaire > Flux dissous Variation significative des flux selon le métal considéré

L’Atmosphère

L’Atmosphère Dépôt sec (aérosols) Dépôt humide (pluie) Les éléments d’origine naturelle (Al, Fe) sont liées à des particules de grande taille (> 1µm). Les apports se font essentiellement par voie sèche Les éléments d’origine anthropique (Pb, Cd, Zn, Cu) sont associés à des particules de taille réduite (<1µm). Les apports se font essentiellement par voie humide

Anthropique Naturelle L’atmosphère… Apports atmosphériques (106 kg-1) Anthropique Naturelle As Cd Cu Ni Pb Zn Al Fe 8 2 16 22 88 44 73000 32000 - L’atmosphère constitue une source importante pour les éléments d’origine naturelle, - Les apports en plomb sont nettement plus importants que ceux des autres éléments d’origine anthropique

L’atmosphère… L’Atmosphère: Implications sur la distribution horizontale des éléments Dépôt de plomb par l’atmosphère dans l’océan mondial µg m-2 an-1 GESAMP, 1989)

Profils verticaux du Pb(d) dans la mer de Sargasses Lee et al., 2011

L’atmosphère… L’Atmosphère: Implications sur la distribution horizontale des éléments Apports en fer dissous à l’océan mondiale (mole Fe m-2 yr-1; Fung et al., 2000)

Le compartiment sédimentaire

2 Le compartiment sédimentaire 1 Le compartiment… Matière en suspension Eau 1 2 Sédiment Eau interstitielle

Erosion contre Sédimentation Le compartiment… 1- Echange solide – solide Erosion contre Sédimentation 2- Echange liquide – liquide Les processus sont regroupés sous le terme diagénèse. Il s’agit de: -la bioturbation, -la décomposition bactérienne de la M.O., -la dissolution des carbonates, -les réactions d’oxydo-réduction.

 Les sédiments riches en carbonates sont les plus pauvres en métaux Le compartiment… Concentrations en éléments traces métalliques dans différents types de sédiment (µmol.g-1) Origine du sédiment Métal Côtier Océanique carbonate Argile Atlantique Argile Pacifique Dorsale Cuivre 0,76 0,47 2,0 9,0 11,5 Plomb 0,97 0,04 0,22 0,78 ---- Manganèse 15 18 73 227 1092  Les sédiments riches en carbonates sont les plus pauvres en métaux  Les teneurs en métaux dans les sédiments du pacifique sont supérieures de celles de l’Atlantique  Les sédiments proches des dorsales Atlantiques sont très riches en métaux

Le compartiment… Chambres Benthiques

Le compartiment… Implication sur la distribution des métaux Variation des concentrations en Cd et en Zn dissous dans des chambres benthiques (Westerlund et al; 1986)

Le compartiment… Implication sur la distribution des métaux Distribution verticale du Cd et du Mn au plateau continental des Hébrides (56,5°N) (Le Gall et al., 1999)

L’activité hydrothermale

Poche magmatique chaude 4) L’activité hydrothermale 250 à 350°C pH < 3 CH4, H2S, Concentration élevée en Métaux 5°C pH  8 O2, Cl- Faibles teneurs en métaux Eau de Mer Fluide hydrothermal Roche basalique Roche basaltique Poche magmatique chaude Métal Fluide hydrothermal (a) eau de mer (b) Cu (nM) 35000 4 Pb(nM) 308 0,01 Mn (nM) 960000 < 1 (21°N East Pacific Rise)

Implication sur la distribution des métaux Profils verticaux des excès de He (a) et de la concentration en Mn dissous (b) dans deux stations dans le Pacifique Nord

Implication sur la distribution des métaux Source Hydrothermale Eau de mer

Implication sur la distribution des métaux: Cas du cuivre Eau de mer Source Hydrothermale

Distribution des éléments traces métalliques dans le domaine océanique

La distribution verticale d’un élément trace métallique en milieu océanique est essentiellement contrôlée par: - les sources, - la réactivité. Différentes distributions types sont observées. - distribution de type conservatif, - distribution de type nutriment, - distributions caractérisés par un maximum en surface.

Il s’agit d’un comportement conservatif. 1) Distribution de type conservatif Quelques éléments métalliques ( Rb+, Cs+ …) ont des distributions verticales qui varient de façon linéaire avec la température. Il s’agit d’un comportement conservatif. La distribution est contrôlée par des processus physiques d’advection et de mélange Ces éléments ne présentent pas de réactivité vis-à-vis de la matière vivante.

2) Distribution de type nutriment PO43- Cd Distribution verticale du cadmium et du phosphate dissous dans le Pacifique Nord (a) Relation cadmium phosphate (b) à la même station. (Abe, 2002)

Faibles concentrations en surface (utilisation par le phytoplancton), 2) Distribution de type nutriment Quelques éléments métalliques (Cd, Zn, Ni…) ont des distributions verticales très similaire à celles des nutriments. Les caractéristiques sont: Faibles concentrations en surface (utilisation par le phytoplancton), Augmentation des concentrations avec la profondeur (régénération associée à l’oxydation de la matière organique) - Ces éléments présentent une réactivité importante vis-à-vis de la matière vivante.

(Schaule et Patterson, 1981). 3) Distribution de type maximum en surface (Schaule et Patterson, 1981).

Le temps de résidence est relativement court <103 ans 3) Distribution de type maximum en surface Des éléments métalliques comme le plomb ont des distributions verticales caractérisées par un maximum dans les eaux de surface. Existence d’une source importante dans les eaux de surface (Atmosphère, advection horizontale…) L’élément doit être retiré très rapidement de la colonne d’eau (scavenging). Le temps de résidence est relativement court <103 ans