Faculté des sciences

Geochemical weathering in the sub- and proglacial zone of two glaciated crystalline catchments in the Swiss Alps (Oberaar- and Rhoneglacier)

Arn, Kaspar ; Föllmi, Karl Bastiaan (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2002 ; 1663.

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    Résumé
    Dans ce projet de thèse ont été étudiés à la fois les processus d'altération chimique proglaciaire et subglaciaire ainsi que la composition des ruissellements et de la fraction particulaire des deux bassins versants glaciaires de l'Oberaar et du Rhône (Alpes suisses). Ces deux sites d'étude se trouvent sur les roches cristallines du Massif de l'Aar. Les lithologies sont homogènes et comparables, exception faite de la présence d'une zone fortement foliée et déformée du socle varisque, composée de gneiss et de schistes, dans le bassin versant de l'Oberaar. Ce dernier peut localement contenir plus de 5% de calcite et est plus érodable que le bassin versant rhodanien, purement granitique. Il existe deux domaines d'altération dans les environnements glaciaires : ce sont les zones subglaciaire et proglaciaire. Le domaine subglaciaire est dominé par les processus d'altération à court-terme matérialisés par les phénomènes de dissolution des particules fines non-altérées présentes dans les eaux de fonte glaciaire diluées. Le minéral le plus réactif dans ce contexte est la calcite. Les processus d'altération à long-terme prennent place dans les zones proglaciaires, où les conditions associées avec la pédogenèse, telle que l'acidité, augmentent le taux général d'altération chimique. La première partie de cette thèse concerne le bilan de masse de ces deux bassins versants. Les flux d'altération annuels sont calculés en utilisant une moyenne pondérée sur une période d'accumulation mensuelle, ainsi que par un échantillonnage bi-journalier des eaux de fonte de juillet 1999 à mai 2001. Ces derniers sont corrigés par rapport aux précipitations. Ils sont dominés par le calcium qui représente respectivement 81% et 55% du flux total de cations dans les bassins versants de l'Oberaar et du Rhône. La teneur en calcite est trois fois plus élevée pour les sédiments en suspension de l'Oberaar par rapport à ceux du Rhône (2.1% contre 0.8%). Couplé avec une plus grande érodabilité et une plus forte teneur en sulfures des roches présentes dans le bassin versant de l'Oberaar, ceci mène à un flux de Ca2+ cinq fois plus élevé. Ceci démontre l'extrême sensibilité des systèmes glaciaires à des changements mineurs de la teneur en calcite et en sulfures des roches cristallines et suggère que la séquestration à court-terme du CO2, associée à l'hydrolyse des carbonates, peut être localement variable. L'altération de la calcite est plus importante dans les bassins versants glaciaires que dans les non-glaciaires, ceci pour de régions granitiques. Les taux d'altération des silicates que nous avons mesurés dans ces bassins versants alpins actuellement englacés (ainsi que ceux publiés pour d'autres bassins versants glaciaires des Alpes et de l'Antarctique) sont du même ordre de grandeur que ceux de bassins versants granitiques tempérés non-glaciaires à débits similaires. Ceci implique que l'altération des silicates n'est pas accélérée dans les environnements subglaciaires. La zone de gneiss fortement foliés que l'on trouve dans le tiers central du bassin versant de l'Oberaar a également un impact majeur sur le taux d'érosin physique. En comparaison avec le bassin versant du Rhône, durant la période de la présente étude, l'exportation de matières en suspension dans les eaux de fonte de l'Oberaar était environ deux fois plus importante que dans celles du Rhône. Dans la deuxième partie de cette thèse, la composition isotopique du strontium des eaux de fonte, des précipitations, des sédiments en suspension et du socle a été analysée. La composition des sédiments en suspension du Rhône est interprètée comme étant un mélange de Granodiorite du Grimsel et de Granite Central de l'Aar. Le faible rapport isotopique du strontium des eaux de fonte est expliqué par l'altération préférentielle de la calcite disséminée, qui a un rapport 87Sr/86Sr relativement bas. De plus, dans les bassins versants purement granitiques, une libération précoce et non-stoechiométrique du strontium peut être visible. Les eaux de fonte de l'Oberaar montrent un rapport 87Sr/86Sr plus élevé par rapport à celui des sédiments en suspension de même provenance, ce qui reflète l'altération préférentielle de la calcite présente dans les gneiss varisques. La concentraton en strontium des eaux de pluie correspond à 8-9% de celle des eaux de fonte. Leur faible rapport 87Sr/86Sr suggère que la contribution atmosphérique n'est pas importante dans les eaux de fonte. La calcite disséminée exerce un impact majeur non seulement sur la composition des ions majeurs des eaux de fonte, mais également sur la systématique des isotopes du strontium. En troisième partie, la minéralogie des argiles des sédiments glaciaires des deux zones proglaciaires a été examinée par diffraction des rayons X afin de déterminer les processus et les taux d'altération du matériel morainique de la marge proglaciaire. Les sédiments datés fournissent une chronoséquence consistant en : (A) des sédiments en suspension récents provenant de l'eau de fonte, (B) des moraines terminales (frontales) datant du Petit Age Glaciaire ( années 1300-1850) et (C) des moraines datant du retrait de Dryas Récent (11'600 ans BP). Les sédiments en suspension, qui sont dérivés de l'abrasion mécanique du socle, ont été récemment érodés et n'ont subi ni stockage et ni altération subglaciaire. De plus, aucun produit secondaire d'altération n'a été observé. L'altération chimique devient de plus en plus importante dès que les sédiments proglaciaires sont déposés dans la zone proglaciaire. Avec l'augmentation de l'âge, une couverture végétale se développe sur les dépôts morainiques et les umbrets initiaux subissent une podzolisation. Les données de diffraction des rayons X dans cette chronoséquence montrent une augmentation de la vermiculite d'origine pédogénique et une diminution continue de la biotite avec l'augmentation de l'âge du sédiment. La teneur en biotite dans les trente premiers centimètres du sol décroît de 25% à 50% en un laps de temps de 140-270 ans. L'altération des feldspaths devient apparente pour des sédiments proglaciaires de plus de 270 ans. Les taux d'altération de la biotite ont été calculés en utilisant les différences de concentration en biotite entre l'horizon C et les 30cm supérieurs d'un profil de sol. Les surfaces de réaction des minéraux ont été estimées géométriquement, aussi bien pour leur surface totale que pour leur surface de bordure. Les taux d'altération ainsi obtenus sont plus rapides de plusieurs ordre de grandeur que ceux trouvés dans la littérature. Deux explications sont proposées : (1) La prédominance des particules de faible diamètre (<63mm) dans les sédiments glaciaires qui, ayant subi une désaggrégation mécanique, sont lessivées de manière préférentielle. (2) Les sédiments glaciaires étudiés sont très bien drainés et hautement perméables et aucune hétérogénéité des directions d'écoulement n'a été observée. Il est confirmé que les matériaux d'origine glaciaire sont sujets à une forte altération chimique commençant immédiatement après leur dépôt dans la zone proglaciaire et se poursuivant durant des milliers d'années après le retrait des glaces. Dans une quatrième partie, les textures de dissolution de l'apatite ainsi que les taux d'altération à long terme du phospore ont été déterminés à partir des chronoséquences. Les grains d'apatite ont été classés selon les changements de morphologie de leur surface provoqués par l'altération. Les grains d'apatite récents sont fortement indentés et arrondis par dissolution. Les grains du Petit Age Glaciaire provenant d'échantillons récoltés entre 0cm et 10cm de profondeur montrent déjà une dissolution extensive, similaire à celle observée sur des grains provenant de profils du Dryas Récent. Le front d'altération s'approfondit progressivement à cause de la bio-corrosion dans la pédosphère acide en évolution, avec une indentation des grains agissant comme sites de dissolution préférentiels. Les concentrations de phosphore lié au fer, organique et détritique ont été mesurées dans les chronoséquences : le phosphore lié au fer et le phosphore organique remplacent le phosphore détritique dans les profils du Dryas Récent. Durant les 300 premières années d'exposition des sédiments glaciaires, les taux de dissolution du phosphore étaient environ 70 fois plus élevés que le flux global moyen de phosphore dissous dans les rivières drainant des continents libres de glace. Calculé pour les profils du Dryas Récent, le taux est égal à 2.5 fois la moyenne globale. Ces données renforcent l'argumentation en faveur des changements du flux de phosphore bio-limitant pour des échelles de temps de l'ordre glaciaire-interglaciaire. Une cinquième partie de cette thèse compare les différentes formes de phosphore. Elle montre les différentes bio-disponibilités, dans l'Apure (climat tropical, Venezuela) et dans les parties englacées des bassins versants du Rhône, et de ses affluents, et de l'Oberaar. Les eaux tropicales contiennent généralement des formes de phosphore plus bio-disponibles (POD, organique et lié au fer), alors que les écoulements en provenance des bassins versants actuellement englacés sont dominés par le phosphore détritique (97%), difficilement bio-disponible. Cependant, les processus glaciaires jouent un important rôle de régénération en apportant de grandes quantités de phosphore détritique fraichement broyé à la biosphère. L'augmentation du flux de phosphore réactif soluble dérivé de l'altération, provenant d'un affluent du Rhône récemment désenglacé, indique que la dissolution du phosphore détritique est accélérée dans les sédiments proglaciaires par rapport à la moyenne globale. Au contraire, dans le bassin versant de l'Apure, la principale source de phosphore soluble est probablement atmosphérique. Les glaciers ainsi que les périodes glaciaires peuvent donc induire des changements complexes dans la dynamique du phosphore et dans la productivité des écosystèmes terrestres et marins. Pour résumer, l'impact global de l'altération subglaciaire, comparée à l'altération proglaciaire, n'est pas encore complètement clair, de nombreuses données étant encore nécessaires pour résoudre les différents problèmes évoqués dans cette thèse. Nos données semblent indiquer qu'il n'y a pas d'impact de l'altération subglaciaire sur le taux d'altération global des silicates. Cependant, l'état actuel de nos données implique qu'il y a certainement un potentiel significatif pour un impact indirect sur l'altération chimique globale par l'intermédiaire de matériaux d'origine glaciaire, facilement altérables, déposés dans les zones proglaciaires. Ce travail confirme le couplage positif de l'altération physique et chimique ; le couplage augmente dans les milieux dont les régimes d'altération sont dominés par des processus glaciaires limités par l'érosion. L'érosion globale est considérée comme étant limitée par l'altération durant les périodes de glaciation.