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Diagénèse précoce et cycle du phosphore dans les
sédiments sous influence continentale :
Golfe de Gascogne, la Grande Vasière (Février 2001, Avril, Juin et Septembre
2002)
F. Andrieux-Loyer, X. Philippon, R. Kérouel, P. Monbet, A. Youenou.
CYCLE DE P
Excrétion
P INORGANIQUEDISSOUS
P. ORGANIQUEsoluble ⇔ ⇔ ⇔ ⇔ colloïdal
P. ORGANIQUEP. INORG. SEDIMENTAIRE
Zooplancton
Carnivores
P. INOR. PARTICULAIRE
Minéralisation
Minéralisation
DiffusionBioturbation
P INORGANIQUE DISSOUS
(Eau interstitielle)
Désorption
Adsorption
Désorption
Adsorption
Assimilation
Assimilation
Assimilation
Remise en suspension
Remise en suspension
SédimentationSédimentation
Algues benthiques
Phytoplancton et
EA
U
SUR
NA
GE
AN
TE
SED
IME
NT
Précipitation
Dissolution
Précipitation
Dissolution
• Ensemble des processus physiques, chimiques et biologiques qui vont transformer les particules lors de leur dépôt puis au cours de leur enfouissement dans les sédiments.
Processus diagénétiques
Objectifs
• Améliorer la connaissance sur le cycle du
phosphore, la distribution de ses formes et
la diagénèse précoce dans les sédiments
sous influence continentale
• Comprendre comment ces processus
influencent les flux de phosphate à
l ’interface eau-sediment
Phosphore total
P dissous P particulaire
Inorganique Organique Inorganique Organique(POP)
OrthophosphatesPolyphosphates Non
Apatitique(PINA)
P-Ca(Incluant l'apatite Authigénique + détritique)
Po4 échangeable
P- Fe Formes biodisponibles
Formes biogéochimiques du phosphore
Eaux interstitielles + Eaux surnageantes
• nutriments
• Fe 2+ , Mn 2+
Sédiment brut
• pH, Eh, Porosité, granulométrie,
• C,H, N
• 210Pb, 234Th,
• Formes de P, Eléments majeurs,
• Paramètres d ’échange (cas du P)
� EPC0
� Constantes Kd et Ka
MODELISATION
�Modèle analytique à l ’état stable
�Modèle numérique (SiAM 1DV)
Qualitative : PROCESSUS
DIAGENETIQUES
Quantitative :
FLUX DIFFUSIFS
Prélèvements des sédiments
Analyses
Démarche
Zone d’étude et stations
stations "SEDIMENT"
C A
B
F
D
G
-6 -5 -4 -3 -2
47
48
49
NANTES
LorientConcarneau
E
ffG
Sédimentbrut
Eau interstitielle
Sédiment
NH4,NO3,NO2,PO4Fe2+, Mn2+, H2S, Cl-
GranulométrieMatière organiqueFormes de P
Eau surnageante
NH4+,NO3
-,NO2-, PO4
3-, H2S, Cl-
~ 1, 5 m
Echantillonnage
Prélèvement : carottier multitubes Mesure d’oxygène et/ou potentiel rédox
4 Carottes de 20 à30 cm + eau
(Interface préservée)
stations "SEDIMENT"
C A
B
F
D
G
-6 -5 -4 -3 -2
47
48
49
NANTES
LorientConcarneau
7 7.5 8 8.5
A G
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
7 7.5 8 8.5
pHEh (mV)
F
7 7.5 8 8.5
-50 150 350 550
D
Pr o
f on
deu
r(c
m)
CO2
-202468
101214161820
-50 150 350 550
C
-20
24
68
1012
1416
1820
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15
B
� NO3- � NO2
- (* 100) � PO43 -
Nitrification bactérienneO2 + MO + HCO3
- CO2 + NO3- + HPO4
2-
Diffusion NH4+
NH4+ + O2 NO3
-
Minéralisation aérobie et anaérobie
NH4+
Dénitrification bactérienne
NO3- + MO CO2 + HCO3
- + N2 + H2O + HPO4 2-
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15
Gf
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15
B
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15
C
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70
0 5 10 15 20 25 30
F
NH4+
Sud Glénan
Est Belle-île
(Février 2001)
Gradient de concentration
Pro
fon
deu
r (c
m)
Grande vasière
� NO3- � NO2
-� PO4
3 -
)dz
dC(DsFd ××φ−=
VARIATIONS SAISONNIERES DES FLUX (grande vasière)
Flu
x d
e ph
osph
ate
(µ
mol
m-2
j-1)
STATION A
0
5
10
15
20
Février 2001 Avril 2002 Juin 2002 Septembre2002
STATION B
0
5
10
15
20
Février 2001 Avril 2002 Juin 2002 Septembre2002
STATION C
0
5
10
15
20
Février 2001 Avril 2002 Juin 2002 Septembre2002
STATION D
0
5
10
15
20
Février 2001 Avril 2002 Juin 2002 Septembre2002
FLUX DE PO4 MAXIMUMS OBSERVES (µmol m -2 j-1)
120
24
100
450
50
240
120
2155 65
20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Grand
e Vas
ière
Aulne am
ontAu lne
ava l
Elorn
mil i
euElor
n aval
Rivièr
e d'Aur
ay S
T
Rivièr
e d'A
uray
HT
Aber B
enoî
t ST
Ab er B
enoît
HT
Penzé
amon
tPen
zé m
i lieu
Penzé
aval
Embouc
hure
de la
Sein
eBa ie
de S
eine
Baie des
Vey
s9000 30 0003000 1920
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
PO4 (µmol l-1)
∆∆ ∆∆C
(µ
mol
g-1
)
DIAGRAMME TAMPON (Trophal 2)
G
CF
T0mV
mV
mV
C1 C2 C8
Détermination de la concentration de PO4
à l ’équilibre : « EPC0 » (sédiment superficiel)
Prélèvement (eau surnageante)
à T=48 h
EPCo
EPC0 (sédiment superficiel) : Février, Avril, Juin et Septembre
EPCo = 5 à 9 µmol l -1 > Eau interstitielle (~ 1-3 µmol l -1)
Désorption (couche oxique)
EPCo = 1-2 µmol l -1 ≤≤≤≤ Eau interstitielle (~ 2-3 µmol l -1)
Etat d ’équilibre ou Adsorption
Stations A, B, C, D, E, F et Gf
Station G
µmol l-1
µmol g-1
Station D (Avril)
~ C (février)
Station G
(Septembre)
Station Gf
(Février)~ A et B
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 200 400 600 800
0 5 10 15 20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300
Pro
fond
eur
(cm
)
0 10 20 30 40
PO4 3-NO 3
-
P-Fe*100 Fe2O3
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300
0 5 10 15 20
µmol g -1
Pro
fond
eur
(cm
)
µmol l-15.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 100 200 300
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0
Gf
Formation de minéraux réduits (Vivianite : Fe3(PO4)2.8H2O)
Précipitation sur les
oxydes de Fer
Désorption (EPCo >> PO 4 EI)
P-Fe*100 PO4 3-Fe2O3
~ Station A et B (Février, Avril)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 200 400 600 800P
rofo
nde
ur (
cm)
0 5 10 15 20
STATION G (Septembre 2002)
P-Fe *100
NO3-
PO4 3-
Adsorption (EPCo ≤≤≤≤ PO4 EI)
µmol g -1
Dissolution du P-Fe
Formation de minéraux réduits (Vivianite : Fe3(PO4)2.8H2O)
CC : : Concentration de lConcentration de l ’é’élléément, ment, ω : vitesse de s: vitesse de séédimentation, dimentation,
tt : temps,: temps, SS : R: Rééaction action «« SourceSource»»,,
DD : Coefficient de diffusion (: Coefficient de diffusion (DDbb + + DDss) ,) , PP : R: Rééaction action «« PertePerte »»,,
zz : profondeur . : profondeur .
∂∂∂∂C∂∂∂∂t
= D∂∂∂∂2C∂z2 - ωωωω ∂∂∂∂C
∂∂∂∂z+ S - P
•• Le transport des Le transport des ééllééments dans le sments dans le s éédiment est ddiment est d éécrit par crit par ll ’é’équation gquation g éénnéérale de rale de diffusiondiffusion --sséédimentationdimentation --rrééactionaction ::
Principe de la modPrincipe de la modéélisation lisation (Mod(Modèèle de le de SlompSlomp, 1996), 1996)
•• ModMod èèle analytique le analytique unidimensionnelunidimensionnel àà ll ’é’état stabletat stable
�� DDéécrit les crit les changementschangements de de concentrationconcentration avec la profondeur duavec la profondeur duPhosphate interstitiel Phosphate interstitiel
Trois formes de P particulaireTrois formes de P particulaire ((PP--orgaorga, , PP--FeFe (incluant le (incluant le
PP--ééchangeable), Pchangeable), P--Ca Ca authigauthigééniquenique..
Processus biogProcessus biogééochimiquesochimiquesApport
PerteMélange
Réaction
ZONE 1(oxique avec bioturbation)
ZONE 2(anoxique avec bioturbation)
ZONE 3(anoxique sans bioturbation)
S
E
D
I
M
E
N
T
ADSORPTION
Porga HPO42- PFe
DESORPTIONMINERALISATION
PRECIPITATION
Porga PFeMINERALISATION
DISSOLUTION
HPO42-
HPO42-Porga PFe
P aut
PRECIPITATION
MINERALISATION
Profils verticaux des formes de P (station C, Février)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5
µmol l -1
PO4 interstitiel P Orga
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
µmol g -1
P Orga + P-Fe + P-Ca auth.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
µmol g -1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
µmol g -1
P-Fe + P-Ech P-Ca auth.
� Mesure
Modèle
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5 10
µmol g -1
P AUTH.
P AUTH.
P AUTH.
ZONE 1
ZONE 2
ZONE 3
Station C (février)
0,2
0,2
0,2
0,2
4,9
5,8 µmol m-2 j -1 (~ 0,2 µmol m-2 h-1)
1
Porga
Porga
Porga
ADSORPTION
HPO4
2- PFeDESORPTION : 0,8MINERALISATION
PFeMINERALISATION DISSOLUTION : 0,2
PFe
P Auth
PRECIPITATION
PRECIPITATION
HPO4
2-
HPO4
2-
0,4 0,2
0,2
0,1
0,24
0,04
0,04
0,5
0
0
0,05
4,5
0,050,1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5 10 15 20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 5 10 15 20
Station G (sud Glénan, Septembre 2002)
PO4 interstitiel P Orga P Orga + P-Fe + P-Ca auth.
P-Fe + P-Ech P-Ca auth.
� Mesure
Modèle
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
µmol g -1
µmol l -1
µmol g -1
µmol g -1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
µmol g -1
P AUTH.
P AUTH.
P AUTH.
ZONE 1
ZONE 2
ZONE 3
Station G (Avril 2002)
0,1
0,1
0,1
0,1
4,5
8,3 µmol m-2 j -1 (~ 0,35 µmol m-2 h-1)
4.5
Porga
Porga
Porga
ADSORPTION : 6.5HPO
42- PFe
DESORPTIONMINERALISATION
PFeMINERALISATION DISSOLUTION : 10.9
PFeP Auth
PRECIPITATION
PRECIPITATION
HPO4
2-
HPO4
2-
0,6 0,4
0,2
0,2
11
0,1
0,1
10.9
0,07
0.02
0,33
3.9
0.380
0.02
0.05
Conclusions• Grande vasière (st A, B, C, D) + Gf : Sédiments sab lo-vaseux
⇒ Environ 90 % du P-Organique est minéralisé en surfac e
⇒ 80 à 90 % du P déposé à l ’interface est associé à la matière organique
⇒ Désorption de P dans la zone oxique
P-Fe
Prof
onde
ur
• Station G (sud Glénan) Avril et Septembre : Sédiments vaseux
⇒ Environ 50 % du P déposé à l ’interface est associé à la matière organique, et 50 % est lié au fer
⇒ Environ 90 % du P-Organique est minéralisé en surfac e
⇒ Adsorption de P dans la zone oxique
P-Fe
Prof
onde
ur
⇒ Stockage de phosphate dans le sédiment
� P-Fe, P-Orga, P-Ca
• Toutes Stations
⇒ Flux de phosphate faibles en fin d ’hiver
(1-8 µmol m -2 j-1 )
• Variations saisonnières
⇒ Augmentation des flux au printemps
(10-22 µmol m -2 j-1)
FLUX MAXIMUMS DE NH4 OBSERVES (µmol m -2 j-1)
7700
3300
1700
7300
1500
9024
4500
1500
2300163074
3160
400
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
Grand
e Vas
ière
Rivièr
e d
'Aur
ay S
T
Rivièr
e d
'Aur
a y HT
Aulne
amon
tAuln
e av
alElor
n m
ilie
uElor
n a va
l
Aber B
enoî
t ST
Aber B
enoît
HT
Penzé
am
ont
Penzé
mili
euPen
zé a
val
Embo
uchu
r e de
la S
eine
Baie d
e Sein
eBaie
des
Vey
s12 800 30 000ST ST
Perspectives
FLUX NEGATIFS MAXIMUMS DE NO3- OBSERVES (µmol m -2 j -1)
-1430-1100
-4400
-1500
-320 -125
- 43
-2700
-10000
-6000
74
-2500-2000
-580
-11000
-10000
-9000-8000
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000-2000
-1000
0
1000
Grande V
asiè
re
Rivièr
e d'A
uray S
T
Rivièr
e d'
Auray H
T
Aulne a
mon
tAul
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lElo
rn m
ilieu
Elorn
aval
Aber B
enoît
ST
Aber B
enoît
HT
Penzé
am
ont
Penzé
mili
euPen
zé av
alEm
bouch
ure d
e la S
eine
Baie d
e Sein
e
Baie d
es V
eys
-26000
P Org PO4 P Fe µ
P-Ca Auth.
KFe
KCa µads
Variables de contrôle : O2,
NO3 , Mn2+, Fe3+, SO42-
Variable de contrôle : pH
Variable de contrôle : O2
Séd
imen
tEau
P Org
Erosion/Dépôt (E/D)
DiffusionE/D E/D
P-Ca Auth.
P Ads
P Fe
P Ads
Tassement
(T)
T
T
T
PO4
Adsorption/Désorption
Précipitation/Dissolution (P/D) Minéralisation
E/D
P/D
Variable de contrôle : O2, pH
µdes
PerspectivesModélisation du cycle du P: approche conceptuelle : 6 réactions contrôlées en fonction de la nature des oxydants