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Laboratoire d'Ecogéochimie des Environnements Benthiques
UMR 8222

Mathieu Chatelain (Thèse soutenue le 5 juillet 2010)

Mathieu Chatelain

 

Flux dissous à l'interface eau-sédiment sous des écoulements oscillants.

 

Directeur : Jean-Marc Guarini, Co-directrice : Katell Guizien

 

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La diagenèse précoce, étape essentielle du recyclage de la matière dans les écosystèmes marins conduisant à une accumulation de sels nutritifs dans l’eau interstitielle, résulte des transferts de matières dissoutes à travers l’interface eau-sédiment. Ce processus biochimique est fortement contraint par la disponibilité en oxygène ainsi que par l’environnement physique de l’interface eau-sédiment, à savoir la porosité et la perméabilité des sédiments et le forçage hydrodynamique. Lorsque ce dernier est instationnaire, un couplage fort peut s’établir avec la dynamique biochimique. Dans les sédiments non-perméables, les échanges à l’interface se produisent via diffusion. Un modèle de diffusion-réaction, décrivant la dynamique des transferts diffusifs d’oxygène lorsque la colonne d’eau est soumise à un écoulement oscillant (de la houle à la marée), montre une stimulation de l’oxygénation du sédiment sous des écoulements oscillants énergétiques. Pour des écoulements haute-fréquence (houles), la compétition entre le temps de diffusion à travers la couche limite diffusive et le temps accordé à cette diffusion pendant une période de l’onde régule la dynamique fortement non-linéaire des flux diffusifs d’oxygène à l’interface eau-sédiment. Pour des écoulements basse-fréquence (marées), les propriétés instationnaires de l’écoulement sont transmises à l’eau interstitielle et une approche quasi-stationnaire permet une estimation raisonnable de la dynamique des profils d’oxygène. Dans les sédiments perméables, les processus advectifs gagnent en importance et jouent un rôle prédominant dans les échanges à travers l’interface. Ainsi, les réservoirs de sels nutritifs peuvent être rendus disponibles pour la production primaire pélagique lors d’évènements de vagues énergétiques (pompage subtidal). La quantification de l’importance de ce pompage pour le relargage de sels nutritifs, piégés dans l’eau interstitielle, vers la colonne d’eau semble cruciale pour estimer le potentiel de recyclage marin. Un suivi hebdomadaire des concentrations en sels nutritifs de la colonne d’eau et de l’eau interstitielle du sédiment a été réalisé en deux stations de la Baie de Banyuls. Un appauvrissement du sédiment superficiel et un enrichissement de la colonne d’eau suggèrent un relargage de sels nutritifs mais aussi une stimulation de l’activité de dégradation consécutivement à des épisodes de houle. De plus, une exploration spatiale de la perméabilité, de la granulométrie et des stocks en sels nutritifs a été menée dans la Baie de Banyuls et à l’échelle du Golfe du Lion. Un bilan de relargage des sels nutritifs sous l’action de la houle en milieu côtier peu profond démontre une contribution non négligeable de ce processus de recyclage dans les apports de sels nutritifs disponibles pour la production pélagique face aux apports nets continentaux, notamment ceux du Rhône.

Mots clés : diagenèse - houle - oxygène dissous - couche limite diffusive - pompage subtidal - bilan sels nutritifs.

 

 

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Dissolved fluxes at the sediment-water intreface under oscillating flows

 

Early diagenesis, a key step of the organic matter recycling in marine ecosystem leading to an accumulation of pore water nutrients, results from dissolved species transfers across the sediment-water interface. This biochemical process is strongly constrained by the oxygen availability and by the physical environment around the sediment-water interface, namely sediment porosity and permeability and hydrodynamic forcing. When the latter is unsteady, a strong coupling may exist with the biochemical dynamics. In non-permeable sediments, exchanges across the interface occur through diffusion. A diffusion-reaction model, describing the dynamics of oxygen diffusive transfers under oscillating flows (swell to tide), shows a stimulation of sediment oxygenation under energetic oscillating flows. For high-frequency flows (swells), the competition between the diffusion time across the diffusive boundary layer and the time granted to this diffusion during a wave cycle regulates the highly non-linear dynamics of oxygen diffusive fluxes at the sediment-water interface. For low-frequency flows (tides), unsteady properties of the flow are transmitted to the pore water and a quasi-steady approach allows a fairly approximation of the oxygen profiles dynamics. In permeable sediments, advective processes gain in importance and play a predominant role in the exchanges across the interface. Thus, the nutrients pools can be made available for primary producers in the water column during strong wave events (subtidal pumping). The quantification of the importance of this pumping for the pore water trapped nutrients release to the water column is crucial to estimate the marine recycling potential. A weekly monitoring of nutrients concentrations in the water column and pore water has beencarried out in two stations within the Bay of Banyuls. Superficial sediment impoverishment and water column enrishment suggest a nutrients release but also a stimulation of the degradation activity after strong wave events. Furthermore, a spatial exploration of the sediment permeability, its grain size distribution and the nutrients pools has been performed in the Bay of Banyuls and widely in the Gulf of Lions. A budget of the nutrients release under wave pumping in shallow coastal waters underlines a non-negligible contribution of this recycling process in the nutrients loads available for primary producers towards the net continental loads, for instance by the Rhône River.

 

Keywords: diagenesis - waves - dissolved oxygen - diffusive boundary layer - subtidal pump - nutrients budget

 

 

 

 

 

 

 

Mathieu Chatelain (mathieu.chatelain @ obs-banyuls.fr) - 28/03/16

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