Les estuaires souterrains en milieu transgressif : source d'acidification à l'océan côtier

RÉSUMÉ : Dans le bilan global du cycle du carbone, l'apport de CO2 à l'océan côtier par les rivières est relativement bien contraint alors que la contribution des eaux souterraines commence à peine à être abordée. Pourtant, il a été démontré que localement, les apports en carbone inorganique dissous (DIC pour Dissolved Inorganic Carbon) par les décharges d'eau souterraine à l'océan (SGD pour Submarine Groundwater Discharge) pouvaient excéder ceux de surfaces et contrôler la chimie des eaux côtières. Ces décharges n'agissent pourtant pas toutes comme des sources d'acidification à l'océan côtier. C'est l'alcalinité totale (TA) qui assure la stabilité du pH de l'eau et le rapport TA/DIC détermine si l'apport sera une source ou non d'acidification. C'est pourquoi mon projet s'est particulièrement intéressé à la détermination du rôle qu'ont les SGD dans le transfert du DIC à l'océan côtier. Plus spécifiquement ce mémoire vise à 1) identifier et quantifier les sources de DIC et d'alcalinité qui transitent de l'aquifère à l'océan côtier et à 2) détailler les mécanismes biogéochimiques qui produisent du DIC et de l'alcalinité dans l'estuaire souterrain. Ces paramètres impliqués dans les paramètres du système des carbonates permettront de déterminer le rôle des systèmes côtiers comme source d'acidification à l'océan côtier. Nos travaux ont été réalisés dans l'estuaire souterrain d'une plage de l'archipel des Îles-de-la-Madeleine (Qc, Canada) qui a subi une forte hausse du niveau marin relatif au cours du dernier millénaire (~1,4 mm an-1) et une transgression datée d'environ 800 ans ayant laissé un paléosol enfoui sous environ 50 cm de sable sur le site d'étude. Des échantillons d'eau souterraine ont été collectés en juin 2015 dans la zone intertidale de la plage (d'une largeur d'environ 15 m) de 0,05 à 1,85 m sous la surface du sédiment. Il a été démontré que les fortes concentrations en DIC (3,6 mmol kg-1) et en alcalinité totale (3,6 mmol kg-1) mesurées dans le gradient de salinité proviennent principalement de la minéralisation du carbone organique contenue dans le paléosol. En raison des conditions suboxiques à anoxiques, la sulfato-réduction et la méthanogénèse semblent être des processus clés dans la formation de DIC alors que le fer jouerait un rôle central dans la production d'alcalinité. Étant données la teneur élevée en DIC sous forme gazeux (±30%, pCO2>400 ppm) à l'interface sédiment/atmosphère et une vitesse d'écoulement de l'eau souterraine lente (~0,30 m j-1), il est montré que la plage est une source de CO2 à l'atmosphère avec un flux estimé à 310 mol m2 d-1. De plus, le rapport TA/DIC moyen de 0,7 permet de conclure que ce système agit également comme une source d'acidification des eaux côtières, soulignant l'importance d'intégrer ce type de systèmes dans le cycle globale du carbone. -- Mot(s) clé(s) en français : Carbone inorganique dissous, acidification, décharge d'eau souterraine, estuaire souterrain, hausse du niveau marin, alcalinité totale, minéralisation matière organique, pCO2. --
\nABSTRACT : In the global carbon cycle, the fluxes of carbon derived from rivers to the coastal ocean are relatively well constrained while the contribution of groundwater-derived carbon inputs has only recently been tackled. It has been shown that locally, carbon inputs from groundwater discharge can exceed those from surface flow and then control the chemistry of coastal waters. This project focused on determining the role of groundwater discharges in the transfer of dissolved inorganic carbon (DIC) to the coastal ocean. Specifically, the objectives were to 1) identify and quantify the sources of DIC and alkalinity transiting from the aquifer to the coastal ocean and 2) detail the biogeochemical mechanisms that produce DIC and total alkalinity (TA) in the subterranean estuary. Its parameters (DIC and TA) involved in the carbon cycle will determine the role of transgressive coastal systems as a source of acidification in the receiving coastal waters. The study took place in the subterranean estuary of Martinique Beach on the Magdalen Islands (Qc, Canada). This coastal system is characterized by a strong relative sea level rise since the last millennium (~1.4 mm y-1), that buried a ~800 years aged peat soil. Groundwater samples were collected in June 2015 in the intertidal zone of the beach (~15 m width) from 0.05 to 1.85 m depth below the surface. The high DIC (3.6 mmol kg-1) and TA (3.6 mmol kg-1) concentrations mainly originated from the mineralization of organic carbon contained in the old forest soil. Under suboxic to anoxic conditions, sulphate reduction and methane production were major processes in DIC generation, whereas iron played a central role in the production of TA. Given the high DIC content in gaseous form (±30%, pCO2>400 ppm) at the sediment/atmosphere interface and a slow groundwater flow rate (~0.30 m d-1), the beach acted as a source of CO2 to the atmosphere with a degassing rate of 310 mol m2 d-1. In addition, the average TA/DIC ratio of 0.7 pointed out that this system also acted as a source of acidification to the adjacent the coastal waters. Our finding highlights the need to include transgressive STE systems as a key component of the marine carbon budget. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Inorganic carbon, acidification, submarine groundwater discharge, sea level rise, organic alkalinity, mineralization, old peat soil, pCO2.

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