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

ne ava

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