Apport des isotopes du lithium et des éléments alcalins à la compréhension des processus d’altération chimique et de recyclage sédimentaire - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Continental weathering and sedimentary recycling processes: insights from lithium (Li) isotope and alkali elements in river-borne materials,

Apport des isotopes du lithium et des éléments alcalins à la compréhension des processus d’altération chimique et de recyclage sédimentaire

Jérôme Gaillardet

Résumé

Alkali elements (Li, Na, K, Rb, Cs) form a group of chemical elements essentially found in silicate minerals and partitionned between dissolved and particulate phases during water-rock interactions. In this thesis, we have investigated alkali element concentrations and Li isotopes (the lighter alkali element) in the erosion and weathering products transported by large rivers (Mackenzie, Amazon, Ganges), in order to constrain erosion processes of silicate rocks at a global scale and explore the complementarity between dissolved and particulate loads. Large river sediments sampled along depth profiles show that rivers are stratified chemically. After the Amazon and Ganges rivers, previously investigated, we confirm, in this study, this important feature for the Mackenzie river and we calculate depth-integrated particulate geochemical fluxes transported to the Arctic Ocean by this river. We show in this thesis that, based on alkalis and Li isotopes contrasted behaviours, river-sediments depth-profiles can be interpreted as a mixture between fine surface particles, produced by modern weathering processes and particles, variable in size, derived from non chemically-weathered rocks. We calculate that more than 60% of the sediments transported by those rivers are actually non weathered particles and we find that most of the sediments derive from the erosion and weathering of sedimentary rocks already depleted in soluble elements during the past weathering events that they have experienced during their geological history. Alkali elements therefore trace the cannibalistic nature of erosion and weathering processes. In addition, the fractionation of alkali elements in erosion products of the Mackzenzie river allow us to calculate that bedload transport never exceed 20-30% of the total solid load. In the dissolved load, we have analyzed the Li isotopes in the Amazon river basin. We show that the dissolved Li isotopic composition of the Amazon and its main tributaries is clearly enriched in the heavy isotope (compared to bedrocks) and can well be explained by the reincorporation of initially dissolved Li in contemporaneous secondary solids formed in soils or in floodplains. The Li isotopic composition of the dissolved load is entirely consistent with that of the surface river sediments. Lithium isotope in the dissolved load of the Amazon appear to be a perfect tracer of weathering regimes in the Amazon basin. Finally, we propose a new method using alkali elements to evaluate the mean chemical composition of the Mackenzie River basin upper continental crust end we come back on the steady state concept of erosion in large river basins. In the Mackenzie, we show that modern erosion processes are in quasi steady state, in contrast to what has been published previously. Overall, the results from this thesis demonstrate that the fractionation of alkali elements and Li isotope in river-borne materials are very interesting proxies of weathering regimes and sedimentary recycling.
Les éléments alcalins (Li, Na, K, Rb et Cs) sont une famille d’éléments chimiques présents essentiellement dans les roches silicatées, et ayant la particularité de se partager entre les phases solides et dissoutes produites par les processus d’interaction eau-roche. Dans cette thèse, nous avons mesuré les abondances des éléments alcalins et des isotopes du lithium (le plus léger des alcalins) dans les produits d’érosion solides et dissous des grands fleuves Mackenzie et Amazone afin de caractériser les processus d’altération des roches silicatées à l’échelle continentale et documenter la complémentarité chimique entre phase dissoute et particulaire. L’analyse des sédiments de grands fleuves échantillonnés le long d’une verticale montre une véritable stratification granulométrique et géochimique des rivières. Après l’Amazone et le Ganges, étudiés dans des thèses précédentes, nous confirmons ce résultat pour le fleuve Mackenzie, et calculons les flux géochimique particulaires intégrés sur la profondeur apportés à l’Océan Arctique par ce fleuve. Dans cette stratification chimique, le comportement contrasté des alcalins et le fractionnement des isotopes du lithium nous permet de montrer que les profils de sédiments résultent du mélange entre des particules fines crées par les processus modernes d’altération et des particules de taille variable mais provenant de roches mères non altérées. Nous estimons, d’une part, que plus de 60% des sédiments transportés par les grands fleuves étudiés correspondent à des particules non altérées et d’autre part, que la majorité des sédiments sont issus de l’érosion et l’altération des roches sédimentaires appauvries en éléments solubles par de précédents cycles d’altération. Les isotopes du lithium et les alcalins tracent donc la nature cannibalistique de l’érosion continentale. De plus, les fractionnements des éléments alcalins dans les produits d’érosion du fleuve Mackenzie permettent de calculer par bilan géochimique que la proportion de sables transportés par le fleuve n’excède pas 20-30% du transport particulaire total. Pour la phase dissoute, nous nous sommes attachés à l’analyse des rivières du bassin amazonien. Nous montrons que la composition isotopique du Li des rivières du bassin amazonien est très fractionnée (enrichie en 7Li) par rapport aux roches mères du bassin mais, en parfaite complémentarité avec les sédiments transportés. Une relation simple relie ce fractionnement isotopique dans la phase dissoute à la quantité de lithium incorporé dans les minéraux secondaires faisant de la composition isotopique du lithium dans l’eau un très bon traceur des régimes d’altération. Enfin, par une méthode originale permettant d’évaluer la composition de la croute continentale pour les éléments alcalins, nous abordons le problème de l’état stationnaire de l’érosion et de altération et montrons que dans le bassin du Mackenzie, ces deux processus ne sont pas loin de l’état stationnaire, contrairement à ce que d’autres études laissaient penser. L’ensemble des résultats de cette thèse montre que les fractionnements des éléments alcalins dans les produits d’érosion solides et dissous sont d’excellents traceurs des régimes d’altération et du recyclage sédimentaire.
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Citer

Mathieu Dellinger, Jérôme Gaillardet. Apport des isotopes du lithium et des éléments alcalins à la compréhension des processus d’altération chimique et de recyclage sédimentaire. Sciences de l'environnement. Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP); Université du Québec à Montréal, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03092831⟩
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