Méthane dissous dans le système marin du Saint-Laurent

RÉSUMÉ: Le méthane est un puissant gaz à effet de serre dont la concentration atmosphérique et l'émission ont augmenté depuis le début de l'ère industrielle. Parmi les différents environnement aquatiques, l'océan, particulièrement ses zones côtières, est la source d'émission de méthane la plus mal résolue. Le système marin du Saint-Laurent (SMSL), composé du Fjord du Saguenay et de l'Estuaire et Golfe du Saint-Laurent (EGSL), est le plus grand système estuarien semi-fermé du monde. Ironiquement, le SMSL a été exclu des compilations de données mondiales sur le méthane océanique en raison du manque de données. Cette étude a recueilli le premier ensemble de données sur le méthane dissous dans le SLMS et a caractérisé les processus contrôlant les distributions et les flux air-mer de méthane dans ce système. Dans le Fjord du Saguenay, l'eau de surface est fortement sursaturée en méthane, avec un taux d'émission de méthane par unité de surface estimé à un ordre de magnitude supérieur à l'estimation du flux moyenne pour les océans côtiers mondiaux. La décharge fluviale est la source principale de méthane dans le Fjord du Saguenay, suivi par les apports de l'estuaire inférieur du Saint-Laurent et les sédiments du tronçon supérieur du Fjord. Les émissions atmosphériques et l'oxydation microbienne contribuent de façon comparable à la perte de méthane dans le Fjord. La dynamique de la concentration de méthane ([CH4]) dans l'eau de surface du Fjord est principalement contrôlée par la décharge d'eau douce, tandis que dans l'eau profonde, elle est contrôlée par les événements de renouvellement de l'eau. La composition isotopique du carbone du méthane (d13CCH4) indique que le méthane provenant des sédiments est biogénique et que la majorité du méthane dans la colonne d'eau est le résidu du méthane oxydé par les microbes. L'eau de surface de l'EGSL est sursaturée en méthane à l'exception de quelques occasions de quasi-saturation dans le golfe. La [CH4] et le taux d'émission par unité de surface diminuent rapidement vers la mer de l'Estuaire Supérieur au Golfe en passant par l'Estuaire Inférieur. La turbidité élevée près de la tête de l'Estuaire Supérieur module la dynamique du méthane dans l'eau de surface, dominée sinon par le mélange physique. La colonne d'eau du chenal Laurentien dans l'estuaire maritime et le golfe est caractérisée par l'ubiquité d'un maximum de [CH4] en sous-surface et d'un minimum de [CH4] en profondeur, attribuable à la production et à la consommation biologiques de méthane couplées à la stratification de la colonne d'eau ainsi qu'à la composition et à la circulation de la masse d'eau profonde. Les [CH4]s élevés mais très variables sont présentes autour des pockmarks sur le fond marin du chenal Laurentien dans l'estuaire maritime. Le méthane émis par les pockmarks subit une dilution rapide et une consommation microbienne avant d'atteindre la surface et de s'échapper dans l'atmosphère. Les conditions hypoxiques dans l'eau de fond de l'estuaire maritime ne semblent pas favoriser de façon significative la production de méthane. Les données de d13CCH4 impliquent la présence de méthane de multiples sources, fortement oxydé par les microbes dans toute la colonne d'eau de l'EGSL. Cette étude a également quantifié la photoproduction de méthane à partir de la matière organique dissoute chromophore (MODC) dans les eaux de surface de l'EGSL ainsi que d'autres zones océaniques et a évalué les contributions potentielles de cette voie aux budgets de méthane des eaux de surface dans l'EGSL et dans l'océan mondial. Les résultats révèlent que l'efficacité de la MODC pour la photoproduction de méthane augmente vers la mer à travers les zones de transition terre-océan et qu'elle peut jouer un rôle important dans le maintien de la sursaturation et de l'émission de méthane dans les hautes mers, bien que la photoproduction soit un terme mineur dans le cycle biogéochimique du méthane dans les eaux côtières, y compris l'EGSL.En conclusion, le SMSL, qui occupe ~0,3 % de la superficie mondiale des océans côtiers (0-200 m), ournit ~0,1 % de l'émission de méthane totale à partir des océans côtiers dans le monde entier. Ce taux d'émission bas disproportionné pour l'SMSL est principalement dû aux grandes dimensions de l'estuaire maritime et du golfe dans l'EGSL, qui ressemblent respectivement aux mers de plateau externe et aux mers sur les talus continentaux, en termes de [CH4] d'eau de surface et de flux d'émission. Les multiples sources de méthane entrelacées avec l'hydrodynamique complexe mènent à des distributions de [CH4] et de d13CCH4 beaucoup plus dynamiques et hétérogènes dans l'estuaire maritime et le golfe dans l'EGSL que dans l'estuaire supérieur dans l'EGSL et le Fjord du Saguenay. La contribution de la photoproduction de méthane aux budgets de méthane d'eaux de surface est marginale dans l'EGSL et les autres zones côtières mais importante dans les hautes mers. -- Mot(s) clé(s) en français : Estuaire et golfe du Saint-Laurent; Fjord du Saguenay; méthane dissous; répartition; flux air-mer; oxydation microbienne; photoproduction du méthane; composition isotopique; paradoxe du méthane océanique; matière organique dissoute chromophorique. -- ABSTRACT: Methane is a potent greenhouse gas and its atmospheric concentration and emission have been increasing since the start of the industrial era. Among the various aquatic environments, the ocean, particularly its coastal areas, is the most poorly resolved methane emission source. The St. Lawrence marine system (SLMS), composed of the Saguenay Fjord and the estuary and Gulf of St. Lawrence (EGSL), is the world's largest semi-enclosed estuarine system. Ironically, the SLMS has been excluded from global ocean methane data compilations due to lack of data. This study collected the first dataset of dissolved methane in the SLMS and characterized the processes controlling the distributions and air-sea fluxes of methane in this system. In the Saguenay Fjord, surface water is highly supersaturated with methane, with an areal methane emission rate estimated to be one order of magnitude higher than the mean flux estimate for the global coastal oceans. River discharge is the dominant source of methane to the Saguenay Fjord followed by inputs from the lower St. Lawrence estuary and sediments in the upper reach of the Fjord. Atmospheric emission and microbial oxidation contribute comparably to the loss of methane in the Fjord. The dynamics of methane concentration ([CH4]) in the surface water of the Fjord is primarily controlled by freshwater discharge while in the deep water by water renewal events. Stable carbon isotopic composition of methane (d13CCH4) points to the sediments-sourced methane being biogenic and the bulk methane in the water column being the remnant of microbially oxidized methane. The surface water of the EGSL is supersaturated with methane excepting near-saturation occasions in the Gulf. Both the [CH4] and the areal emission rate decrease rapidly seaward from the Upper Estuary to the Lower Estuary to the Gulf. High turbidity near the head of the Upper Estuary modulates the otherwise physical mixing-dominated methane dynamics in the surface water. The water column of the Laurentian Channel in the Lower Estuary and the Gulf is featured with the ubiquity of a subsurface [CH4] maximum and a deep [CH4] minimum attributable to biological methane production and consumption coupled with water column stratification and deep water mass composition and circulation. Elevated but highly variable [CH4]s are present around pockmarks on the seabed of the Laurentian Channel in the Lower Estuary. The pockmark-vented methane undergoes rapid dilution and microbial consumption before reaching the sea surface and escaping to the atmosphere. The hypoxic conditions in the bottom water of the Lower Estuary of do not seem to significantly promote methane production. The d13CCH4 data implies the presence of multi-sourced, highly microbially oxidized methane throughout the water column of the EGSL. This study also quantified methane photoproduction from chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in the surface waters of the EGSL and other ocean areas and evaluated the potential contributions of this pathway to the surface water methane budgets of the EGSL and the global ocean. The results reveal that the efficiency of CDOM for methane photoproduction increases seaward through land-ocean transitional zones and that while photoproduction is a minor term in the methane biogeochemical cycle in coastal waters, including the EGSL, it may play an important role in maintaining methane supersaturation and emission in open oceans. In conclusion, the SLMS, which occupies ~0.3% of the global coastal ocean area (0-200 m), provides ~0.1% of the total methane emission from the coastal oceans worldwide. This disproportionally lower emission rate for the SLMS is mainly due to the large dimensions of the Lower Estuary and the Gulf of the EGSL which resemble outer shelf seas and continental slopes, respectively, in terms of surface-water [CH4] and emission flux. The multiple methane sources intertwined with the complex hydrodynamics lead to far more dynamic and heterogeneous [CH4] and d13CCH4 distributions in the Lower Estuary and the Gu f of the EGSL than in the Upper Estuary of the EGSL and the Saguenay Fjord. The contribution of methane photoproduction to the surface-water methane budgets is marginal in the EGSL and other coastal areas but consequential in open oceans. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Estuary and Gulf of St. Lawrence; Saguenay Fjord; dissolved methane; distribution; air-sea flux; microbial oxidation; methane photoproduction; isotope composition; oceanic methane paradox; chromophoric dissolved organic matter.

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