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
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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