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Sujet de stage de recherche M2 Université de Rennes 1 –Géosciences –OSUR

Mots-clés:geocomputing, SIG, fjords, ajustement isostatique, dynamiques glaciaires

Stage de recherche et développement 6 mois(Janv –Juin 2022) au laboratoire Géosciences Rennes

Encadrement: Pierre Dietrich (Postdoc, Université de Rennes 1), Maxime Bernard (Postdoc, Universität Potsdam),Philippe Steer (MC, Université de Rennes 1), François Guillocheau (professeur, Université de Rennes 1).

Dossier de Candidature: Lettre de motivation et CV avec référent,notes de M1

Compétences attendues : connaissance et goût pour la modélisation numérique et la programmation, la cartographie SIG et pour le terrain, curiosité et prise d’initiative.

Candidatures et informations : pierre [dot] dietrichuniv-rennes1 [dot] fr

Contexte : Les marges continentales à hautes latitudes sont disséquées par des fjords qui constituent de spectaculaires reliques géomorphologiques des glaciations du passé.Occupés et creusés par des glaciers, les fjords jouent un rôle prépondérant dans la stabilité des inlandsis qu’ils drainent (par exemple Bennett, 2003). Les fjords constituent en outre des archives sédimentaires et géomorphologiques indispensables à la reconstruction des glaciations passées de la Terre, ainsi que des dynamiques glaciaires associées (Steer et al., 2012; Bianchi et al., 2020). Par ailleurs, le creusement des fjords lors des phases glaciaires pourrait être responsable de la surrection des marges continentales via un processus d’ajustement isostatique (retrait de masse par érosion; Medvedev et al., 2018; Pedersen et al., 2019). Malgré l’actuelle abondance des fjords sur les marges continentales à hautes latitudes (Canada, Groenland, Norvège, Nouvelle Zélande etc.), témoins des plus récentes glaciations (< 2.5 Ma) que notre planète ait connu, de telles formes d’érosion glaciaires restent largement absentes des archives morphologiques des glaciations anciennes (> 35 Ma). L’absence de telles formes fossiles d’érosion glaciaire entrave donc notre compréhension des dynamiques glaciaires anciennes et in fine des périodes de glaciation associées. Récemment cependant, des fjords fossiles datant de la glaciation tardi-paléozoïque (~300 Ma) ont été décrits dans le NW de la Namibie, affleurant dans un état de conservation exceptionnel (Dietrich et al., 2021).

Stage : Nous proposons donc un stage de master 2 au sein de Géosciences Rennes (Université de Rennes 1) qui s’attèlera, via une étude combinant analyse géomorphologique systématique et modélisation numérique, à contraindre les dynamiques glaciaires et les processus isostatiques associés. Après une phase initiale de revue bibliographique, destiné à se familiariser avec les processus invoqués (érosion glaciaire, ajustement isostatique, modélisation numérique) et recueillir les données nécessaires à la poursuite de l’étude, trois axes distincts mais complémentaires sont envisagés, dont l’orientation et l’importance relative se feront en concertation avec l’étudiant·e recruté·e, en fonction de son intérêt:

1. Il est dans un premier temps prévu de procéder à une analyse morphométrique systématique de la taille (e.g., largeur, profondeur) des fjords fossiles. Il a en effet été démontré récemment (Bernard et al., 2021) que la morphologie des fjords groenlandais dépendait d’une part de la nature de la roche dans laquelle ils sont incisés et d’autre part du mode d’érosion glaciaire. Cette caractérisation systématique permettra de mettre en évidence l’organisation du réseau de fjord et de tester leurs sensibilités aux facteurs externes et lithologiques.

2. Les fjords fossiles de Namibie sont incisés dans une paléotopographie dont l’origine reste inconnue, mais qui semble néanmoins constituer une réminiscence de la chaine orogénique panafricaine, sur le rebord du craton du Congo. Il est envisagé que l’érosion des fjords ait été en partie responsable de la surrection de cette région, comme cela est suggéré pour les marges arctiques.Il est donc proposé de modéliser numériquement, en utilisant le code nommé gFlex (https://gmd.copernicus.org/articles/9/997/2016/), l’ajustement isostatique résultant de l’érosion glaciaire, en testant différent scénarios (par exemple, érosion des fjords seuls vs. érosion des fjords et des plateaux environnants,par exemple Egholm et al., 2017), et en utilisant des paramètres réalistes (rigidité flexurale des ensembles lithosphériques impliqués,par exemple). La caractérisation morphométrique des fjords permettra notamment de calibrer l’érosion glaciaire.

3. Enfin,en fonction de l’appétence de l’étudiant·e recruté·e et de l’avancement des travaux ci-dessus, il pourra être exploré une modélisation numérique des dynamiques glaciaires (distribution et épaisseurs des masses glaciaires) sur le nord-ouest namibien. Celle-ci se fera à l’aide du code nommé iSOSIA (intergrated second-order shallow ice approximation), particulièrement adapté à la modélisation des dynamiques glaciaires d’échelle continentale tout en considérant les effets topographiques locaux sur les écoulements de glace et l’érosion, pertinent en contexte de marge de calotte glaciaire (Egholm et al., 2011). Cette étape pourra notamment permettre une meilleure calibration des modélisations numériques de l’ajustement isostatique de l’étape 2. Il est attendu de cette modélisation une visualisation des dynamiques glaciaires tardi-paléozoïques, dont il existe à ce jour peu de représentations réalistes.

Profil recherché : Nous recherchons donc un·e candidat·e ayant de solides aptitudes et une appétence pour le codage et la programmation (python, matlab), ainsi que pour l’utilisation de systèmes d’information géographique (SIG). Des connaissances en géomorphologie et/ou géologie présenteraient un avantage. Les codes gFlex et iSOSIA s’appuient tous deux sur des communautés de développeurs qui pourront être sollicitées si nécessaire. L’étudiant·e sera encadré·e et travaillera en collaboration avec Pierre Dietrich (post-doctorant), Maxime Bernard (post-doctorant) et Philippe Steer (maitre de conférences) au sein du laboratoire Géosciences de l’université de Rennes 1. Il·elle sera accueilli·e au laboratoire Géosciences Rennes pendant la durée de son stage.Une campagne de reconnaissance des formes d’érosion glaciaires de Namibie est prévue au printemps 2022(1à 3 semaines, calendrier précis restant à définir), à laquelle le/la candidat·e recruté·e pourra prendra part s’il·elle le souhaite, et si le calendrier le permet.

Les nanoplastiques (NP), plastiques dont la taille varie de 1 à 1000 nm, sont présents dans toutes les strates environnementales : dans les sols (Wahl et al., 2020), les eaux douces et les eaux marines (Gigault et al., 2018), dans une partie de la biomasse (Baudrimont et al., 2021). Ces nanoplastiques sont soit :

(i) produits volontairement et intégrés dans des produits manufacturés tels que crèmes par exemple. Ces derniers peuvent alors se retrouver dans les stations de traitement des eaux ou dans l’environnement. Ces NP ont alors des formes sphériques et taille homogène ;
(ii) issus de la dégradation mécanique, chimique ou biologique de plastiques plus grossiers. Leur forme est ouverte, hétérogène et asymétrique et leur taille extrêmement variable.

Leur ubiquité et leur utilisation massive à travers le monde en font un polluant majeur. Une fois dans l’environnement, les différents plastiques peuvent alors se dégrader par des mécanismes photochimique (action des UV), chimique (acidité, ...) et physique (fragmentation mécanique) (Bouwmeester et al., 2015 ; Ter Halle et al., 2017).

Les NP sont donc polydispersés, avec une surface chargée et sont capables de s’agréger en fonction des conditions physico‐chimiques. Les NP sont alors des adsorbants potentiels de contaminants organiques ou inorganiques, et plus spécifiquement les métaux. En effet, des nanoplastiques récoltés dans l’environnement, altérés par les conditions environnementales, ont une capacité de sorption de métaux (Pb) importante, équivalente à celle de certains oxydes de fer (Davranche et al., 2019). Les conséquences de tels mécanismes sont extrêmement importantes en termes d’écotoxicité et toxicité. En effet, les nanoplastiques pourraient être bio‐disponibles pour une large gamme d’organismes et notamment par absorption paracellulaire étant donné leur petite taille. Dans l’environnement, ils sont donc des vecteurs potentiels de métaux, pouvant être toxiques. Cependant, les mécanismes de contrôle des interactions nanoplastiques‐métaux ne sont pas encore connus. Cette connaissance est pourtant indispensable pour mieux appréhender et prédire leur (éco)toxicité.

Cette étude se focalisera sur un métal divalent, trace : le nickel, utilisé comme additif dans de nombreux plastiques, comme catalyseur, pigment et agent anti‐microbien (Murphy, 2003). Comme tout métal, il peut être présent sous forme d’additifs dans la structure du plastique, sorbé à leur surface. Il est donc primordial de comprendre les capacités d’adsorption de nanoplastiques prélevés dans l’environnement vis‐à‐vis des métaux.

Une approche possible est l’utilisation de l’isotopie du nickel pour
(i) distinguer l’origine des métaux en relation avec les NP : sont‐ils sorbés (adsorbés à la surface ou piégés dans des agrégats de nanoplastiques) ou issus de l’altération des plastiques (libération d’additifs). Ceci pourra donc être fait en comparant la composition isotopique du Ni dans des plastiques primaires commerciaux avec des équivalents trouvés dans l’environnement et
(ii) mieux appréhender les mécanismes de sorption.

Tâche 1 : Expériences de sorption. Des expériences de sorption seront réalisées
1) en fonction du temps (cinétique) afin de déterminer le temps d’équilibre, les données seront modélisées à l’aide de modèles cinétiques (modèle de pseudo ordre 1 réversible, pseudo‐ordre 2, diffusion intra‐particulaire,...) afin d’approcher les mécanismes de sorption mis en jeu ;
2) en fonction de la concentration en Pb et Ni (isotherme d’adsorption), les données seront modélisées à l’aide de modèles empiriques de type Freundlich ou Langmuir afin de déterminer les capacités de sorption des nanoplastiques et enfin 3) en fonction du pH (pH adsorption‐edge). Pour chaque expérience, l’état d’agrégation sera suivi par analyses DLS. La distribution des métaux sur les différentes tailles d’agrégats sera déterminée par un couplage A4F‐SLS‐UV‐ICPMS (Davranche et al., 2019).

Tâche 2 : Composition isotopique du Ni. Les analyses isotopiques du Ni seront réalisées sur des échantillons de microplastiques environnementaux, sur les NPE «brutes» (après digestion acide) et sur des échantillons produits par les expériences de sorption en fonction de la concentration en métaux et en fonction du pH.
Les analyses seront réalisées par la plateforme de spectrométrie de l’Ifremer de Brest (Pole de Spectrométrie Océan) avec qui l’équipe de Géosciences‐Rennes collabore depuis plusieurs années (e.g. Lotfi‐Kalaroodhi et al., 2019). Ces mesures permettront de mieux identifier les processus de contrôle de l’interaction métaux/nanoplastiques et nous espérons que l’évolution de ce signal en fonction du type d’échantillons et de conditions physico‐chimiques, nous permettra de discriminer les différents mécanismes opérants.

Financement : projet CNRS‐INSU EC2CO.