The role of colloidal matter in transfer of chemical elements in the boreal zone (European Russia)
Rôle de la matière colloïdale dans le transfert des éléments chimiques en milieu boréal (Russie Européenne)
Résumé
The objective of this thesis was to study element speciation and migration in the boreal environments (Karelia and Central Russia). Specific goals were to i) characterize the molecular weight distribution of trace elements and organic matter (OM) in various types of natural waters, ii) reveal the TE colloidal forms dependence in the continuum soil solution - bog - stream - feeding and terminal lakes in the surface waters of boreal watersheds, and iii) quantify the dependence of stable and radiogenic element isotopic composition on the size fraction, element speciation and physico-chemical conditions of surface waters. The main originality of the work is to apply the method of cascade filtration to study the molecular weight distribution of trace elements in surface waters and to combine the geochemical and isotope techniques, for the first time on the same natural objects, and particularly within the watershed continuum soil solution - bog - stream - feeding and terminal lakes, in order to better understand the factors that control biogeochemical cycling of elements in the subarctic region. The first part is devoted to general introduction and the insight into the problems. The second chapter is aimed at studying natural organic matter size distribution in the natural waters with different redox and hydrodynamic conditions in the continuum soil solution - bog - stream - feeding and terminal lakes for a small watershed with homogeneous bedrock composition. In particular, we investigate organic matter concentrations, weight-average molecular weights, optical properties and carbon/nitrogen ratios to get the information about the origin of DOM (autochthonous / allochthonous), its aromaticity, and its hydrophility / hydrophobicity. The third chapter describes the study the molecular weight distribution of trace elements and it provides quantitative characterization of TE colloidal speciation in pristine, organic-rich rivers and surface waters. We demonstrate that, using TE correlations with iron and OM in the filtrates, one can characterize colloids distribution and compare partition coefficients in the continuum soil solution - bog - stream - feeding and terminal lakes, and also compare natural and modeling data. The fourth chapter describes the results of variations of stable (Cu, Mg) and radiogenic (Sr, Nd) isotopic composition in filtrates and ultrafiltrates of various size fraction in the different types of natural waters of south and north of European Russia boreal zone allowing to identify the factors influencing the isotopic composition variation along the landscape continuum in different size fractions. Finally, the fifth part is devoted to study the variations of iron isotopic composition of different water types and colloidal size fractions. In particular, we investigate the dependence of isotopic composition of filtrates and ultrafiltrate son iron and OM concentrations, pH and other physico-chemical factors. The sixth chapter presents the main conclusions and perspectives. Investigations carried out in this study should contribute to the prediction of TE and OM behavior in the Arctic and boreal regions due to climate warming mostly pronounced in these latitudes.
Cette thèse vise à étudier la spéciation des éléments et leur migration dans le milieu boréal (Karélie et Russie Centrale). Les objectifs principaux de ce travail sont : i) de caractériser la distribution de taille moléculaire des éléments traces et de la matière organique, ii) révéler la régularité de distribution des formes colloïdales des éléments traces dans les eaux naturelles le long du continuum sols - marécages- cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux des bassins versants boréaux, et iii) révéler la dépendance de la composition isotopique en fonction de la taille moléculaire, de la spéciation des éléments et des conditions physico-chimiques des eaux. L'originalité de cette thèse est d'appliquer la méthode de la filtration en cascade pour étudier la distribution de taille moléculaire des éléments traces dans les eaux naturelles et de combiner les techniques géochimiques et isotopiques pour la première fois sur les mêmes objets naturels afin de mieux comprendre les facteurs qui contrôlent les cycles biogéochimiques des éléments dans les régions boréales. La première partie de la thèse consiste en une introduction générale de la problématique. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude de la distribution de la matière organique naturelle dans les différentes fractions granulométriques des eaux naturelles présentant des conditions redox et hydrodynamiques variables au sein des micro-systèmes (solution de sols - marécage - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux) de petits bassins versants à substratum homogène. En particulier, nous avons étudié les concentrations du carbone organique dissous, son poids moléculaire, ses caractéristiques optiques et ses rapports carbone/nitrogène pour obtenir des informations précieuses sur l'origine (allochtone versus autochtones), l'aromaticité, l'hydrophilie / l'hydrophobie de la matière organique. La troisième partie de la thèse est consacrée à l'étude de la distribution de taille moléculaire des éléments traces et à la caractérisation quantitative des formes colloïdales des éléments dans les rivières et les eaux de surface de ces milieux qui sont très riches en matière organique et pas soumis à l'impact humain. Dans cette partie il est notamment montré l'existence de corrélations des éléments traces avec le fer et la matière organique dans les filtrâts ; également un intérêt particulier est porté à la distribution des colloïdes et aux coefficients de partition des éléments dans les différents micro-systèmes (solution des sols - marais de source - cours d'eau - lacs intermédiaires et terminaux). Le quatrième chapitre rapporte les résultats des compositions isotopiques en strontium (Sr), néodyme (Nd), cuivre (Cu) et magnésium (Mg) au sein des différentes fractions colloïdales des eaux naturelles du sud et du nord de la zone boréale de la Russie Européenne. Ces derniers travaux conduits sur des isotopes stables (Cu, Mg) et radiogéniques (Sr, Nd) nous permettent de définir les facteurs qui influencent le changement de la composition isotopique. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude du fractionnement isotopique du fer dans les types différents d'eaux naturelles sur les fractions granulométriques. En particulier, nous avons étudié la composition isotopique dans les filtrats et ultrafiltrats en fonction des concentrations en fer et en matière organique, du pH et des autres paramètres physico-chimiques. Dans le sixième chapitre il est formulé les conclusions principales et les perspectives de la thèse. L'étude menée dans cette thèse vise à contribuer à la prévision de l'évolution de la spéciation et des flux des éléments traces et de la matière organique dans les régions Arctiques en réponse au réchauffement climatique global.