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Transfert de nutriments dans le continuum terre-mer : étude aux îles Kerguelen

Niveau du stage : Master 2


Encadrement :


Résumé : L’archipel des Kerguelen (superficie 7215 km², un des cinq districts des terres australes et antarctiques françaises) est un site géologique unique et remarquable dont la situation géographique actuelle est stratégique pour contraindre l’évolution climatique des derniers millions d’années en étudiant les dynamiques d’érosion des roches de l’archipel et les transferts de matière vers l’océan. Les travaux menés à Kerguelen (IPEV TALISKER 2013-2017) ou dans l'océan Austral (KEOPS) ont montré que cette île océanique très isolée de l'océan Austral joue un rôle important en tant que source de nutriments à la base de la chaîne alimentaire océanique (Blain et al., 2007 ; van Beek et al., 2008). Hernandez-Carrasco et al (2018) ont démontré que la compréhension des interactions biophysiques dans les zones océaniques côtières, essentielles à la libération de nutriments et à la régulation des écosystèmes marins, nécessite la connaissance des processus de transport à petite échelle (sous-échelle à méso-échelle, c'est-à-dire 3,5 à 25 km). De plus, on s'interroge sur les processus à l'oeuvre lorsqu'on observe les phénomènes étonnants et parfois multikilométriques de non-mélange des eaux, que ce soit sur terre entre un fleuve et son affluent ou sur la côte entre un fleuve et l'eau côtière. Le phénomène est encore plus visible lorsque des eaux colorées rencontrent des eaux limpides. Ces images saisissantes peuvent être trompeuses car la couleur n'est pas un indicateur de la teneur en nutriments, la charge dissoute pouvant être prépondérante bien qu'elle ne colore pas l'eau. Cependant, ces images illustrent le fait que l'approvisionnement en nutriments des écosystèmes marins peut être retracé jusqu'aux hydrosystèmes terrestres dont la charge minérale ou organique est contrôlée par des processus biotiques ou abiotiques. Parmi eux, l'érosion est probablement un facteur important. L'étude et la quantification des processus d'érosion terrestre, des bassins versants, de la dynamique des transports, des transferts et des flux est donc le point de départ de la paramétrisation des processus de régulation des écosystèmes marins.
Deux campagnes de prélèvements d’eau de rivières ont eu lieu en 2017-2018 et 2019-2020 à Kerguelen (péninsule de Rallier du Baty, plateau central, Ronarc’h, Presqu’île Société de Géographie, Port Léontine) avec comme objectifs (1) de quantifier l'apport côtier et d'identifier la variabilité et/ou l'évolution à court terme de ces apports, et (2) de caractériser les systèmes terrestres et leur diversité.
La démarche consiste à étudier les chroniques analytiques réalisées sur les eaux collectées lors des campagnes d’été 2017-2018 et 2019-2020 d’un point de vue anions/cations et caractérisation des matières organiques dissoutes (MOD). Les analyses d’anions/cations sont réalisées au laboratoire de géologie de Saint-Etienne (LGL@UJM, UMR5376) et les analyses de MOD sont réalisées à Géosciences Rennes (UMR6118) à l’échelle moléculaire par thermochimiolyse (couper les macromolécules en monomères) couplée à de la chromatographie en phase gazeuse (séparer ces molécules) et à un spectromètre de masse (identifier les molécules). Cette méthode permet de suivre de manière pseudo-quantitative la composition des lignines, cutines, subérines, des polysaccharides ainsi que d’effectuer un profilage des acides gras issus des micro-organismes (équivalent PLFA).
Identifier et quantifier les transferts de nutriments dans le continuum terre-mer permettra de contraindre les flux globaux et comprendre les évolutions de ces flux entre les réservoirs terrestres en lien avec les changements climatiques.


Ahadi, F. (2019) Taux et moteurs d’exhumation de complexes plutoniques en contexte intraplaque océanique (archipel de Kerguelen) : apports de la thermochronologie basse et moyenne température. Géochimie. Université Paris-Saclay. Français. NNT : 2019SACLS425. tel-02614387


Blain S, Quéguiner B, Armand L, Belviso S, et al. (2007). Effect of natural iron fertilization on carbon sequestration in the Southern Ocean. Nature 446, 1070-1074.


van Beek P, Bourquin M, Reyss JL, Souhaut M, Charrette MA & Jeandel C (2008). Radium isotopes to investigate the water mass pathways on the Kerguelen Plateau (Southern Ocean). Deep-Sea Research II 55, 622-637.


Hernández-Carrasco I., Orfila A., Rossi V., Garçon V (2018) Effect of small scale transport processes on phytoplankton distribution in coastal seas. Scientific Reports 8, 8613.

Stage M2 KERGUELEN Figure 1: Localisation et carte géologique simplifiée de Kerguelen (d'après Ahadi 2019). Légende: jaune, formations sédimentaires; gris, basaltes; autres couleurs, autres formations magmatiques effusives ou intrusives. Etoiles rouges, principaux lieux de prélèvements.


Intégration dans un projet


Ce sujet s’intègre dans le projet de recherche TALISKER (financé par l’IPEV)


Compétences attendues


Le (la) candidat(e) sera issu(e) d’une formation en biogéochimie, chimie de l’environnement ou géosciences.


Personnes à contacter :
Pour toutes informations et pour postuler sur cette offre de stage (avant mi-décembre), merci de contacter

 

Relation fracturation et érosion des roches

Descriptif : L’évolution  de  paysages  terrestres  et  planétaires  est  intimement  liée  aux  processus  d’érosion  et  de  fragmentation  qui  transforment  la roche  en  sédiments  ou  matériaux  granulaires,  transportables  par  les  rivières  et  autres  écoulements.  Parmi  les  processus  impliqués,  la fracturation  semble  jouer  un  rôle  clé  sur  les  mécanismes  et  les  vitesses  d’érosion  des  roches,  et  sur  la  taille  et  la  géométrie  des  grains produits  (Fig.  1).  La  taille  et  la  géométrie  des  grains  représentent  une  donnée  fondamentale  qui  a  par  exemple  été  utilisée  pour caractériser l’origine et la distance de transport de grains arrondis observés dans un cône alluvial sur Mars par le rover Curiosity (Szabó et al.,  2015).  Pourtant,  il  n’existe  pas  d’étude  systématique  sur  l’impact  de  la  densité  et  de  l’orientation  des  fractures  sur  l’érosion  et  la géométrie des grains produits, en grande partie car les temps caractéristiques des processus en jeu, érosion par abrasion ou arrachement de blocs, limitent la possibilité d’effectuer des observations de terrain. C’est dans cet objectif que notre équipe a développé un dispositif expérimental novateur pour reproduire en laboratoire l’érosion d’une roche fracturée. Ce dispositif consiste en un canal annulaire rotatif dans  lequel  des  sédiments  sont  entrainés  par  la  rotation  de  l’eau  et  viennent  impacter  un  socle  en  béton  coulé  autour  d’un  réseau  de fracture  de  géométrie  connue  et  matérialisé  à  l’aide  d’une  imprimante  3D.  Ce  dispositif  permet  de  suivre  en  temps-réel  et  de  manière quantitative, à l’aide d’un dispositif d’acquisition topographique, la dynamique de l’érosion et les mécanismes mis en jeu. Les temps en jeu sont  ainsi  considérablement  réduits  et  les  expériences  proposées  dans  le  cadre  de  ce  stage  permeTront  une  étude  systématique  de l’impact de la géométrie de la fracturation (en particulier de l’orientation et de la densité de fractures) sur l’érosion du substrat (abrasion, arrachement de grains, vitesse). Ces résultats apporteront des éléments quantitatifs indispensables à la construction et à la validation d’un modèle théorique d’érosion et d’évolution de paysage intégrant l’impact de la fracturation. 

Les objectifs de ce stage seront donc :

  • De  mener  des  expériences  en  laboratoire  pour  explorer  de  façon  systématique  l’impact  de  la  fracturation  (orientation  et densité) sur les mécanismes (abrasion ou arrachement de grains) et les vitesses d’érosion des roches,
  • Analyser  ces  expériences  à  partir  de  nuages  de  points  3D  obtenus  par  SFM  (Structure  From  Motion)  pour  extraire  des  lois  de comportement fractura)on/érosion,
  • Caractériser la taille et forme des grains produits par érosion et fragmentation,
  • En  fonction  de  l’avancement  du  stage,  des  applications  à  des  cas  naturels  pourront  être  envisagées  à  partir  de  données  Lidar (nuages de points 3D) déjà acquises par l’équipe.

fracturation - érosion

Financement : ERC FEASIBLe          

Durée : 4-6 mois.

Profil : Etude en Sciences de la Terre / Physique / Environnement. Un aTrait pour la géomorphologie, l’expérimentation en laboratoire et l’analyse de données numériques est requis.

Contacts laure [dot] gueritatuniv-rennes1 [dot] fr">:laure [dot] gueritatuniv-rennes1 [dot] fr, philippe [dot] steeratuniv-rennes1 [dot] fr">philippe [dot] steeratuniv-rennes1 [dot] fr, dimitri [dot] lagueatuniv-rennes1 [dot] fr">dimitri [dot] lagueatuniv-rennes1 [dot] fr

Référence  :  Szabó,  T.,  Domokos,  G.,  Grotzinger,  J.  P.,  &  Jerolmack,  D.  J.  (2015).  Reconstructing  the  transport  history  of  pebbles  on  Mars. Nature communications, 6(1), 1-7.

Evolution de la géométrie des sédiments dans les zones en érosion

Descriptif  L’évolution des paysages terrestres et planétaire est intimement liée aux processus d’érosion et de fragmentation qui transforment la roche en sédiments ou matériaux granulaires, transportables par les rivières et autres écoulements. La taille et la forme des grains représentent une donnée fondamentale qui a par exemple été utilisée pour caractériser l’origine et la distance de transport de grains arrondis observés dans un cône alluvial sur Mars par le rover Curiosity (Szabo et al., 2015). La distribution de taille des sédiments est aussi utilisée pour reconstruire les conditions climatiques ou tectoniques du passé (D’Arcy et al., 2017). Malgré ce potentiel bien établi, nous manquons aujourd’hui d’observations de terrain dédiées permettant d’établir des lois de comportement quantitatives, à la fois sur les caractéristiques des sédiments produits dans les zones en érosion et sur leur évolution au cours de leur transport. C’est dans cet objectif que l’équipe a développé un algorithme d’extraction automatique de la géométrie des grains grossiers à partir nuages de points 3D (Fig. 1A) acquis par Lidar ou par SFM (Structure From Motion). Cet outil permet d’envisager le traitement de grands jeux de données et d’aller vers la construction de modèles quantitatifs reliant conditions d’érosion et géométrie des sédiments.

Le premier volet de ce stage s’intéressera à la géométrie des grains produits en fonction des conditions d’érosion. Parmi les paramètres en jeu, la fracturation des roches à l’érosion semble jouer un rôle clé. L’objectif sera d’acquérir de nouvelles données par drone et Lidar en Bretagne, où la fracturation peut être bien exprimée dans le paysage. Le second volet de ce stage sera dédié à l’évolution de la géométrie des sédiments entre leur zone de production (ici, un glissement de terrain) et au cours de leur transport par une rivière. Ce volet s’appuiera sur des données Lidar déjà acquises par l’équipe le long de la rivière Otira (Nouvelle-Zélande) (Fig. 1B). Ces résultats contribueront à construire une base de données qui n’existe pas aujourd’hui et dont nous avons besoin pour contraindre nos modèles de prédiction et d’interprétation de la géométrie des sédiments. 

sediments-erosion

Les objectifs de ce stage seront donc

  • Cartographier et caractériser le réseau de fractures du site d’étude à partir d’images satellite et drone, avec contrôle sur le terrain (volet 1) (en fonction de la situation sanitaire), Acquérir des données sur le terrain (mesures manuelles, nuages de points 3D) (volet 1) (en fonction de la situation sanitaire), 
  • Analyser les données pour déterminer les distributions de taille et l’évolution de forme des grains des sites d’études à l’aide du logiciel de granulométrie 3D développé par l’équipe (volets 1 et 2), 
  • Déterminer des lois de comportement entre taille des grains, fracturation et conditions de transport. 

Financement : ERC FEASIBLe

Durée : 4- 6 mois

Profil : Etudes en Sciences de la Terre / Physique / Environnement. Un attrait pour la géomorphologie, la mesure de terrain et l’analyse de données numérique est requis.

Contacts : laure [dot] gueritatuniv-rennes1 [dot] fr">laure [dot] gueritatuniv-rennes1 [dot] fr, philippe [dot] steeratuniv-rennes1 [dot] fr">philippe [dot] steeratuniv-rennes1 [dot] fr, dimitri [dot] lagueatuniv-rennes1 [dot] fr ">dimitri [dot] lagueatuniv-rennes1 [dot] fr

Références :

  • D’Arcy, M., Roda-Bodula, D., and WhiNaker, A., 2017, Glacial-interglacial climate changes recorded by debris flow fan deposits, Owens Valley, California. Quaternary Science Renews, 169, 288-311
  • Szabo, T., Domokos, G., Grotzinger, J.P., and Jerolmack, D., 2015, Reconstructing the transport history of pebbles on Mars, Nature Communictions, 6(1), 17.