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Géochimie isotopique du fer dans les sédiments de l’océan Arctique.

Royer-Lavallée, Alexandre (2017). Géochimie isotopique du fer dans les sédiments de l’océan Arctique. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'eau, 78 p.

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Résumé

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Dans le but d’approfondir les connaissances sur le cycle biogéochimique du Fe dans l’océan Arctique, les profils de la concentration et de la composition isotopique du Fe total (FeTotal), du Fe extrait avec une solution diluée de HCl (FeHCl) et du Fe résiduel (FeRésiduel) après extraction du FeHCl ont été déterminés dans les sédiments de sept carottes de 30 à 45 cm de longueur prélevées à des profondeurs d’eau variant entre 50 et 3100 m. La concentration et la composition isotopique du Fe associé à la pyrite (FePyrite), telle que définie par une méthode opérationnelle, ont aussi été déterminées dans les mêmes carottes. Dans ce travail, il est présumé que le FeHCl comprend la majorité du Fe sous formes d’oxyhydroxydes et de monosulfure et du Fe faiblement associé aux sédiments par adsorption ou par formation de complexes avec des ligands organiques et inorganiques. Des données complémentaires sur les teneurs en Mn, Al et S dans les échantillons ont en outre été acquises pour toutes les carottes. Les teneurs et la composition isotopique du Fe dans les différentes fractions extraites varient selon la profondeur à laquelle les carottes furent prélevées. Les teneurs (et les inventaires) en FeTotal et FeHCl sont significativement plus élevées dans les deux carottes prélevées à une profondeur d’eau supérieure à 2200 m que dans les trois carottes prélevées sur le plateau continental au-dessus de l’isobathe de 200 m. Par contre, les teneurs en FePyrite sont près ou sous la limite de quantification dans les sédiments prélevés en zone profonde (>2200 m), mais augmentent avec la profondeur dans les sédiments et atteignent des niveaux non négligeables dans les carottes du plateau continental. Les résultats de cette étude révèlent en outre des différences significatives entre les signatures isotopiques moyennes dans toutes les carottes du FeTotal (δ56FeTotal = +0,18 ± 0,11 ‰; n = 46), du FeHCl (δ56FeHCl = −0,12 ± 0,26 ‰; n = 46) et du FePyrite (δ56FePyrite = −0,84 ± 0,48 ‰; n = 19), ce qui est compatible avec les valeurs rapportées dans la littérature pour d’autres sédiments marins. La mise en évidence d’un enrichissement en Fe léger (54Fe) des sédiments des deux carottes prélevées à plus de 2200 m de profondeur par rapport aux sédiments du plateau continental constitue toutefois le résultat le plus notable du présent travail. Les valeurs de δ56Fe du FeTotal, du FeHCl et du Fe hautement réactif (FeHR), lequel est défini comme la somme du FeHCl et du FePyrite, sont ainsi significativement plus négatives dans les sédiments des carottes prélevées à une profondeur d’eau supérieure à 2200 m (δ56FeHCl = −0.27 ± 0.10 ‰; n=14) que dans celles prélevées au-dessus de l’isobathe de 200 m (δ56FeHCl = 0.03 ± 0.23 ‰; n = 20). Sur la base de ces données, il est proposé dans ce mémoire que, parmi d’autres possibles mécanismes, le transport vers l’océan Arctique intérieur d’une fraction du Fe réduit et réoxydé en boucle lors de la diagenèse précoce des sédiments de la marge continentale arctique constitue le mécanisme le plus plausible à l’origine de l’enrichissement en 54Fe des sédiments abyssaux. Compte tenu de l’absence de zone d’O2 minimum dans l’océan polaire, il est probable que le Fe ainsi transporté de la marge continentale au milieu abyssal soit sous la forme de colloïdes ou de nanoparticules de Fe(III) et que ce déplacement se fasse sous l’action de la convection profonde de masses d’eau froide de forte densité le long du talus continental.

Abstract

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In order to improve our understanding of the Fe biogeochemical cycle in the Arctic Ocean, we have determined the profiles of the concentration and isotopic composition of total Fe (FeTotal), Fe extracted with a diluted HCl solution (FeHCl), and residual Fe remaining after the previous extraction (FeResidual), in seven sediment cores collected at water-depth varying between 50 m and 3130 m in the Arctic Ocean. Concentration and isotopic composition of pyrite Fe (FePyrite), which was determined through an operationally defined protocol, were also measured in the same cores. We show that concentrations and inventories of highly reactive Fe (FeHR = FeHCl + FePyrite) are significantly higher in basin sediments than in shelf sediments and that there are statistically significant differences between the overall average isotopic composition (δ56Fe) of FeTotal (δ56FeTotal = 0.18 ± 0,11 ‰; n = 46), FeHCl (δ56FeHCl = −0.12 ± 0.26 ‰; n = 46) and FePyrite (δ56FePyrite = −0.84 ± 0.48 ‰; n = 19). Moreover, the δ56Fe values indicate that FeHCl, FeHR and FeTotal are all significantly enriched in the lightest (54Fe) of the four Fe isotopes in basin sediments (δ56FeHCl = −0.27 ± 0.10 ‰; n=14) relative to shelf sediments (δ56FeHCl = 0.03 ± 0.23 ‰; n = 20). From these observations we propose that Fe remobilized during the early stages of diagenesis in arctic shelf sediments has a light isotopic composition relative to that of FeTotal and that authigenic phases of Fe oxyhydroxides enriched in 54Fe are eventually exported from the shelf to the deep basins of the Arctic Ocean interior, where these phases are deposited at the seafloor.

Type de document: Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Gobeil, Charles
Co-directeurs de mémoire/thèse: Poirier, André
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: géochimie isotopique; fer; cycle biogéochimique du Fe; sédiments; océan Arctique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 janv. 2018 22:17
Dernière modification: 29 janv. 2018 22:17
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/6643

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