Le "Boundary Exchange" comme source et puits de l’élément

Les conclusions obtenues suite aux observations des données in-situ semblent confirmer les hypothèses suggérées par les modèles en boîte (Bertram et Elderfield, 1992; Tachikawa et al., 2003) : un processus d’échange de Nd dissous/particulaire est mis en évidence entre la marge continentale et les masses d’eau qui passent au contact de celle-ci. Cet échange est potentiellement le terme sources-puits dominant du cycle océanique du Nd. Lacan et Jeandel (2005b) ont nommé cet échange aux marges “Boundary Exchange” (BE).

La figure 1.7 résume tous les processus sources et puits en jeu dans le cycle océanique du Nd.

On a pu voir que l’enregistrement du signal isotopique dans les hydroxhydes de man- ganèse permet de quantifier les flux de matière de source lithogénique dans le temps. De même, on a vu que les différentes sources d’apport de matière ont varié au cours du temps. Comprendre quelle est la source principale de Nd à l’océan est donc primordial pour comprendre l’origine des variations passées d’apport de matière.

1.2 Le traceur εN d océanique 31

Figure 1.7 – Sources et puits de Nd océanique. La masse d’eau qui vient au contact de la marge continentale est symbolisée par la flèche de couleur. Les sources lithogéniques de Nd sont les poussières atmosphériques, les flux hydrothermaux, les décharges fluviales (sous forme dissoute et particulaire), et la remobilisation des sédiments sur la marge conti- nentale. Le Nd sort du réservoir océanique par sédimentation, au contact avec la marge continentale par Boundary Scavenging, ou au sein de l’océan ouvert. Dans l’hypothèse de Lacan et Jeandel (2005b), le phénomène de Boundary Scavenging associé à une im- portante remobilisation des sédiments sur la marge continentale, permettant un apport conséquent de Nd dissous à la masse d’eau est nommé “Boundary Exchange” (BE). Au sein de la colonne d’eau, les échanges dissout-particulaire font évoluer la concentration et la CI en Nd.

L’hypothèse du BE comme processus important dans le cycle océanique du Nd per- met une quantification des apports de matière sur toute la marge continentale vers l’océan ouvert. Aussi, la variabilité de signature isotopique des continents (cf. Figure 1.3 p. 23) permet de déterminer l’origine de la source de cette matière. Ceci est donc particulière- ment important d’un point de vue géochimique pour contrôler les flux lithogéniques, en particulier dans le cadre de l’étude du fer en tant qu’élément limitant de la production, dont les apports le long de la marge continentale comptent aussi parmi ses sources (Fantle et DePaolo, 2004; Laes et al., 2003). Le BE permet alors la quantification des apports de matière par les marges continentales au cours du temps.

32 Chapitre 1 : Introduction

et de décharge sédimentaire associée sur la marge, afin d’estimer la proportion de matériel qui va transiter par l’océan avant d’être enfouie dans les sédiments profonds. A terme, il est donc envisageable d’utiliser le Nd comme élément pour mettre en relation les variations d’érosion des continents avec la production primaire dans certaines zones affectées en aval par les apports de matière induits.

1.3

Plan et objectifs de la thèse

Cette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux effectués par Jeandel, Tachikawa et Lacan (Tachikawa et al., 2003; Jeandel et al., 1998; Lacan et Jeandel, 2005b) sur les sources et puits de l’élément.

Comme on a pu le voir, le cycle océanique du Nd reste encore partiellement incompris. Les études menées jusqu’à présent permettent d’établir des hypothèses au niveau local, grâce aux données in − situ, et au niveau global par des valeurs moyennées, grâce aux modèles en boîtes. La modélisation par un modèle de circulation numérique permettra d’obtenir des informations complémentaires par rapport à ces deux approches, en permet- tant une approche avec une distribution dynamique plus réaliste des masses d’eau.

L’objectif de cette thèse est d’utiliser l’outil de modélisation numérique pour mieux contraindre le cycle global du Nd, tant au niveau des sources et puits de l’élément (vali- dation du postulat de BE comme principal composant), que de son comportement dans la colonne d’eau (résolution du paradoxe du Nd).

J’ai choisi de présenter les travaux de cette thèse selon leur progression chronologique, qui correspond à une réflexion logique dans l’approche et la compréhension du cycle océanique du Nd.

Dans un premier temps, (chapitre 2)le modèle utilisé au cours de cette thèse est pré- senté avec les différentes configurations mises en place selon les études.

Quel est le poids du BE en tant que source et puits du Nd océanique ? Est il réellement un terme prépondérant ? Ce sont à ces questions que je m’attacherai de répondre dans le chapitre 3. Pour cela, j’ai mis en place une paramétrisation du BE dans un modèle globale à basse résolution (2˚× 2˚). Le traceur εN dest considéré comme conservatif et dans cette première approche, il est le seul modélisé (la concentration en Nd est considérée comme uniforme). Afin de déterminer l’influence du BE sur le cycle du Nd océanique, seul ce terme sources-puits est représenté et couplé à la circulation océanique. On regarde alors si la simulation de la distribution de la CI est réaliste. L’échelle de temps des processus d’échange entre la marge continentale et la masse d’eau est évaluée par différents tests de sensibilité.

Dans le chapitre 4, je m’intéresse au εN d en tant que traceur paléo-océanographique. Quel est son comportement dans une configuration climatique passée comme le DMG ? Dans quelle mesure ce traceur reste il un traceur de la circulation océanique, soumis à différents scénarios de circulation ? Alors que l’acquisition de la signature isotopique en Nd de la NADW relève d’un processus complexe (Lacan et Jeandel, 2005a), de façon assez surprenante, certaines données semblent montrer que celle-ci n’aurait pas évolué au

1.3 Plan et objectifs de la thèse 33

cours du temps (Van de Flierdt et al., 2006; Foster et al., 2007). En se basant sur cette hypothèse, Piotrowski et al. (2004) expliquent les changements de εN d observés dans un enregistrement sédimentaire uniquement par des changements de distribution de masses d’eau. La modélisation du traceur au DMG nous permet de progresser sur cette question en donnant des indications concernant l’influence relative du processus de BE par rapport à la circulation océanique. Qui des changements de signature isotopique des “end-members” sous l’influence de leur contact aux marges ou des changements de circulation dans la distribution passée du εN d sont responsables des variations temporelles de εN d?

Le chapitre 5 aborde la modélisation du εN d avec un modèle régional NATL4 eddy- permitting (1/4˚ × 1/4˚) dans l’Atlantique Nord. Cette étude fait suite aux travaux ef- fectués par F. Lacan au cours de sa thèse (Lacan, 2002) qui avait mesuré près de 200 échantillons d’eau de mer dans la région de l’Atlantique Nord et des mers Arctiques. L’objectif est d’utiliser une version plus réaliste du modèle de circulation pour voir com- ment cela affecte notre compréhension du BE, et ainsi de confimer si la paramétrisation mise en place au chapitre 3 permet une simulation à plus petite échelle de la distribution de la CI du Nd. La densité des observations sur la zone, plus importante que n’importe où ailleurs, ainsi que la qualité de la dynamique du modèle, permettent aussi d’effectuer des tests de sensibilité sur la paramétrisation du BE et ainsi de tester les facteurs (type de roche, dynamique) qui influent sur cet échange.

Quels sont les flux de matière entre les continents et l’océan qui permettent d’équilibrer à la fois le cycle de la concentration et la CI en Nd ?, au sein de la colonne d’eau entre les particules et la phase dissoute ? Quels sont les flux de sédimentation ? En d’autres termes, quels sont les processus intra et extra océaniques qui permettent d’expliquer la distribution de la concentration et de la CI du Nd, et ainsi d’expliquer le paradoxe du Nd ? Je m’attacherai dans le chapitre 6 à proposer une réponse, en utilisant un modéle couplé dynamique, biogéochimique, ainsi qu’un modèle de scavenging reversible. Ici, la concentration en Nd et la CI sont tous deux modélisés, ce qui permet une simulation complète du cycle du Nd.

Enfin, on récapitulera les principaux résultats obtenus lors de cette étude dans une conclusion où l’on s’attachera à déterminer les perspectives de travail à venir.

Chapitre 2

Le modèle de circulation océanique

Sommaire

2.1 Introduction . . . 37