UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTE DES SCIENCES LE LAC DE NEUCHATEL: Physico-chimie et Turbidimétrie des Eaux. Concentration, Minéralogie et Granulometrie des Particules en Suspension. Thèse présentée à la Faculté des Sciences par André Bapst Géologue diplômé de l'Université de Fribourg pour l'obtention du grade de Docteur es Sciences INSTITUT DE GEOLOGIE SEPTEMBRE 1987 IMPRIMATUR POUR LA THÈSE Le Lac.de J^ physico-ch|ni|e et turbidimétrie des eaux. Concentration, minéralogie et granulometrie des particules en suspension de Mons.leur..Ân.dr.é....Bapst............................................................... UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTÉ DES SCIENCES La Faculté des sciences de l'Université de Neuchâtel, sur le rapport des membres du jury, .....Mes.sj.eurs...B....lubler.,.J....7wah.l.en.v..J..C.-...Pedr.oli, .....A, Lambert (EPF-Zuri^ Dübendorf) autorise l'impression de la présente thèse. Neuchâtel. le........1.0...décembre.... 1.9.8.7............................................. Le doyen : F. Persoz à Chantal et Aurélien, à mes parents, Tout a jailli de l'eau! Tout se nourrit de l'eaul J.W. Goethe Page I RESUME Une nouvelle approche du cycle limnologique annuel du lac de Neuchâtel a été abordée par la mise en oeuvre de techniques modernes, spécialement focalisées sur l'étude des particules en suspension. La conjonction des profils spatio-temporels des mesures turbiditiques et physico-chimiques (Température, 02 dissous, PH, Conductibilité) a permis de déterminer la concentration et une qualification initiale de la masse particulaire en suspension. L'analyse ultérieure des profils de turbidité, enregistrés avec un nouveau type de diffusiomètre Intégrateur limnologique (DIL), nous a conduit a élaborer un schéma évolutif de la stratification particulaire annuelle de la colonne aquatique: Ainsi, une couche benthique néphéloïde (BNL • BENTHIC NEPHELOID LAYER) existe à l'échelle locale ou régionale. A la base de l'épilimnium, une couche claire (CWL - CLEAR WATER LAYER) très mince en début d'été, s'amplifie ensuite à une vitesse voisine de 1 m/jour. Celle-ci a été assimilée à la vitesse de sédimentation particulaire totale car elle correspond à l'enfoncement estival de la couche pélagique néphéloïde (PNL - PELAGIC NEPHELOID LAYER) soujacente. L'implantation temporaire d'un piège à sédiment, par 100 m de fond au large de Neuchâtel, nous a permis de formuler une moyenne annuelle pour le flux particulaire total (4.2 g/m1-jour) et pour le taux de sédimentation (2 mm/an). Les analyses des particules ont nécessité de multiples adaptations méthodologiques: la concentration a été déterminée par la pesée des résidus de filtration; la granulometrie a été obtenue par Compteur Coulter; la minéralogie a été identifiée par Diffraction des RX et par Microscopie électronique à Balayage reliée à une Microsonde a Energie dispersive. La combinaison de tous ces résultats, joints aux analyses chimiques des particules récupérées dans les pièges, nous a permis: d'identifier 3 populations minéralogiques principales (allogènes, biogènes et endogènes ou parfois authigenes) réparties dans 2 modes granulometriques distincts (vers S ym et entre 10-15 ^m). - d'individualiser tout au long de l'année 4 masses aquatiques correspondant approximativement aux 4 aires morphologiques du lac. - d'apprécier les disparités minéralogiques saisonnières des suspensions. Les particules biogènes (kystes de diatomées) et endogènes ou authigenes (carbonates, oxalates et phosphates de calcium) prédominent vers la fin du printemps et en été. Les minéraux allogènes (argileux et silicates) les supplantent dès l'automne. - de mettre en évidence l'existence locale et temporaire de resuspensions sédimentaires par la similarité des particules d'interface avec celles qui se trouvent simultanément en suspension. Hage II SUMMARY A new approach to the annual limnological cycle of the lake of NeuchStel has been taken up with the use of modern engineering, especially designed for the study of suspensions . The conjunction of space and temporal profiles of turbiditical and hydrological measures {Temperature, dissolved Oxygen, pH and Conductibility) has allowed us to determine the concentration and the initial qualification of the suspensions. The subsequent analysis of the turbiditic profiles, recorded with a new model of limnological integrator diffusiometer (DIL), has allowed the development of a new evolution sketch of the annual particles stratification of the water column: So, a BENTHIC NEPHELOID LAYER (BNL) exists in a local or regional space. At the bottom of the epilimnium, a CLEAR WATER LAYER (CWL), very thin in the beginning of the summer, thickens then with a velocity of nearly 1 m/day. This has been linked with the velocity of the total particles sedimentation because it corresponds to the summer descent of the PELAGIC NEPHELOID LAYER (PNL). Some sediment traps have been temporarily placed in the middle of the lake, off Neuchâtel where there is a depth of 100 m. These have allowed the formulation of an annual mean for the total settling flux (4.2 g/m'-day) and for the sedimentation rate (2 mm/year). The analyses of particles have required many methodological adaptations: the concentration has been determined by the weight of the filtration residues; the granulometrie curves have been obtained by Counter Coulter; the minerals have been identified by X-ray Diffraction, by Scanning Electron Microscopy and Energy-dispersive X-ray analysis. The total results of these measures, along with chemical analyses of particles sampled by sediment traps, have allowed: the identification of 3 principal mineralogical populations (allogenic, biogenic and endogenic, or sometimes authigenic) shared out 2 distinct granulometrie modes (to 5 ^m and between 10-15 /jm). - the differentiation of 4 aquatic bodies throughout the year which correspond approximatively to the 4 morphological areas of the lake. - the assesment of the seasonnal mineralogical disparities of the suspensions. The biogenic (diatoms cysts) and endogenic or authigenic particles (calcium carbonates, oxalates and phosphates) prevail towards the end of the spring and during the summer. The allogenic minerals (clays and silicates) dominate from the autumn onwards. - the determination of local and temporary sedimentary resuspensions by the similarity of the interface particles with those that are simultaneously in suspension. Poge III REMERCIEMENTS La recherche limnologique constitue un domaine privilégié des études pluridisciplinaires. L'élaboration de ce travail a nécessité la collaboration de nombreuses personnes et il me tient à coeur de les remercier aujourd'hui. Tout d'abord, le Professeur B. KÜBLER m'a proposé ce passionnant sujet de recherche et a bien voulu accepter la direction de cette thèse. Il m'a permis d'utiliser toutes les ressources de son laboratoire et d'acquérir de nouveaux appareils qui se sont révélés très performants; il m'a soutenu tout au long de ce travail avec intérêt mais aussi avec toute la rigueur de son jugement scientifique. Je le remercie également pour ses remarques et critiques qui m'ont permis de donner à ce manuscrit sa forme définitive. Le Docteur K. KELTS, géologue à l'EAWAG/ETH de Dübendorf et le Docteur A. LAMBERT, géologue au VAW/ETH de Zürich, ont accepté de faire partie de mon jury de thèse. Ils ont lu et critiqué ce travail avec enthousiasme; je leur exprime ici toute ma reconnaissance. Le Professeur F. ZWAMLEN, directeur du Centre d'Hydrogéologie de l'Université de NeuchStel, a participé à la correction du manuscrit en faisant partie du jury. Il m'a donné d'utiles conseils pour son élaboration finale; qu'il en soit remercié. Ce fut également une grande joie pour moi de compter parmi les membres du jury le Docteur J.-C. PEDROLI, grand connaisseur de tous les secrets du lac de Neuchâtel. Je voudrais aussi remercier très chaleureusement: F. STRAUB, biologiste, qui m'a aidé à déterminer les diverses espèces de diatomées qui foisonnent à certaines époques parmi les suspensions minérales. Le Professeur W. FORM, J. FORCHELET, R. PRESSL-WENGER et J.P. TARDENT, de l'Institut de Métallurgie Structurale de l'Université de Neuchâtel, qui m'ont permis d'accéder à leur Microscope Electronique à Balayage et qui n'ont ménagé ni leur temps ni leur peine lors des multiples heures de travail. Page IV «me B. POKORNI et H. J.-H. LIECHTI, du Service Cantonal de la Protection de l'Environnement du canton du Neuchâtel, ainsi que les 2 "capitaines" R. Colliard et H. Devaud, qui m'ont permis d'embarquer sur leur bateau à plusieurs reprises. Tous les membres du groupe de recherche océanographique PROSPER, F. Nyffeler, C-H. Godet, P. Ruch et plus tard E. Zuur, qui m'ont fait bénéficier de leurs expériences du grand large et de divers soutiens techniques et informatiques. Le Centre de Calcul de l'Université de Neuchâtel et ceux qui m'ont initié aux balbutiements informatiques, D. Zweidler et C. Wacker. A. Collaud, qui m'a confectionné ou modifié avec dextérité plusieurs appareils limnologiques. Tous mes collègues et amis de l'Institut de Géologie et plus spécialement ceux qui m'ont accompagné plusieurs fois sur le lac, C. Beck, M. Ramseyer, J.-H. Vuitel, E. de Kaenel et P. Perrochet. Les techniciens, laborants et apprentis du LMPG, qui m'ont secondé avec plaisir et assiduité sur le lac et au laboratoire. D'autres personnes m'ont apporté leur soutien par leur amitié et des discussions fructueuses. Elles voudront bien me pardonner de ne pas les avoir citées, mais qu'elles soient assurées de ma sincère sympathie. Enfin, je pense à mes parents, qui m'ont toujours et patiemment encouragé tout au long de mes études, à Aurélien qui m'a offert ses premiers sourires durant la rédaction de ce mémoire et surtout, je pense à Chantai, mon épouse, qui a vécu à mes côtés toute l'aventure de cette thèse. Ce projet a été soutenu financièrement par le Fonds National Suisse pour la Recherche Scientifique (Requêtes n° 2.893-0.83; 2.311-0.84; 2.639-0.85; 2.076-0.86). Page V AVANT-PROPOS En plus des substances dissoutes, les eaux lacustres contiennent des matières en suspension, de toutes tailles et de toutes formes, minérales ou organiques, vivantes ou détritiques, de nature biogénique, terrigene ou éolienne. Dans notre travail, nous nous sommes essentiellement concentré sur le seston, c'est-à-dire sur les particules dénuées d'une mobilité propre suffisante, par opposition au necton, qui comprend tous les organismes capables de lutter contre les courants (Ivanoff, 1972). Les techniques d'étude du seston se limitent aux particules inférieures à quelque 100 j/m. Elles s'appliquent aux particules vivantes telles que les bactéries et le phytoplancton, aux détritus de petite taille et aux Particules minérales dont les dimensions sont telles que eur vitesse de sédimentation est très lente (Ivanoff, 1972). La distinction entre matières en suspension et substances dissoutes est arbitraire car il y a passage graduel des unes aux autres. En général, on appelle actuellement particules en suspension toutes celles qui sont arrêtées par un filtre dont les pores ont un diamètre minimal de 0.45 yra. Il est cependant vraisemblable qu'une telle membrane retient des particules plus petites à mesure qu'elle se colmate. Les matières en suspension interviennent dans de nombreux domaines limnologiques tels que la géochimie, la physico-chimie, la géodynamique ou encore la biologie aquatique. Elles présentent une importance vitale pour les nombreux organismes qui se nourrissent en filtrant l'eau et en retenant tout ce qui est susceptible d'être assimilé. Elles favorisent par ailleurs le développement des bactéries. Les mécanismes de sédimentation sont tributaires de l'état de fractionnement des matières en suspension. Les sédiments étant formés par les particules en suspension arrivées au terme de leur chute, leur constitution dépend directement de tous les processus chimiques, physico-chimiques et biochimiques qui accompagnent cette lente descente vers le fond. C'est pourquoi, il nous a paru indispensable de mesurer l'évolution physico-chimique verticale de la colonne aquatique du lac de Neuchâtel conjointement aux analyses quantitatives, granulométriques, minéralogiques et géochimiques des particules en suspension. Toutes ces approches ont été conduites sur des variables spatio-temporelles (diversités régionales et saisonnières). Elles devaient non seulement cerner la compréhension du comportement interne d'un cycle limnologique annuel (processus biologiques, physico-chimiques et géochimiques), mais également reconnaître les mécanismes de dispersion des apports détritiques, définir certains paramètres de sédimentation annuelle (flux particule!re, taux de sédimentation) et tenter de distinguer les diverses masses d'eau du lac. Page VI TABLE DES MATIERES I. INTRODUCTION............................................1 1.1. Le lac de Neuchâtel...................................1 A. Morphométrie.......................................1 B. Morphologie........................................1 C. Origine............................................1 D. Bassin d'alimentation..............................2 E. Sédiments..........................................3 F. Gëochimie de l'eau.................................4 1.2. Les campagnes d'étude.................................6 A. L'échantillonnage..................................6 B. Les mesures physico-chimiques et turbiditiques.....7 1.3. L'approche analytique.................................B II. PHYSICO-CHIMIE DE L'EAU...............................10 11.1. Présentation de l'appareil de mesures et du traitement des résultats.........................10 11.2. Présentation et discussion des résultats............11 A. La température...................................11 B. La concentration en oxygène dissous..............14 C. Le PH............................................17 D. La conductibilité................................20 E. Conclusion.......................................23 III. TURBIDIMETRIE........................................24 111.1. La concentration particulaire......................24 A. Méthodologie....................................24 B. Résultats.......................................24 C. Discussion......................................24 111.2. Le turbidimètre....................................27 A. Le principe de mesure...........................27 B. L'étalonnage....................................27 Page VII 111.3. Observations et définitions........................29 111.4. Résultats et discussion............................30 A. L'épilimnium....................................30 B. L'hypolimnium...................................31 111.5. Conclusion.........................................35 IV. DYNAMIQUE DES PARTICULES EN SUSPENSION................38 IV. 1. Méthodologie........................................38 IV.2. Détermination du flux particulaire et du taux de sédimentation....................................39 IV.3. Le flux particulaire dans le lac de Neuchâtel.......41 IV.4. Le taux de sédimentation dans le lac de Neuchâtel...42 V. GRANULOMETRIE DES PARTICULES EN SUSPENSION.............43 V.l. Introduction.........................................43 V.2.Méthodologie: Le Compteur Coulter.....................43 A. Le principe du compteur à résistance...............44 B. La constitution du compteur à résistance...........44 C. Les mesures........................................44 V. 3. Granulometrie........,...............................4 5 A. Granulometrie des échantillons prélevés par bouteille océanographique.....................45 B. Granulometrie des échantillons prélevés par collecteurs de sédiment.......................49 V.4. Essai de caractérisation du flux particulaire ì partir des analyses granulométriques...............50 Page Vili VI. MINERALOGIE DES PARTICULES EN SUSPENSION..............S4 VI. 1. introduction........................................54 Vl.2. Procédures expérimentales...........................54 VI.3. Les associations minéralogiques.....................55 A. Les particules d'origine essentiellement al loch tone.......................................56 1. Les minéraux argileux.........................56 2. Le talc.......................................59 3. Les minéraux silicates........................59 4. Discussion....................................60 B. Les particules d'origine essentiellement autochtone.......................................60 1. Les carbonates de calcium.....................60 2. Les oxalates de calcium.......................62 3. Les phosphates de calcium.....................65 4. Les sulfates et les formates de calcium.......71 C. Les particules d'origine essentiellement biologique.......................................74 D. Particularités minéralogiques des matières en suspension prélevées par collecteurs de sédiments.....................................75 VI. 4 . Conclusion..........................................77 VII. GEOCHIHIE DES PARTICULES EN SUSPENSION...............79 VI1.1. Méthodologie.......................................79 A. introduction....................................79 B. Méthodes analytiques............................79 Page IX VII.2. Géochimie des particules et du sédiment............80 A. Covariation interélémentaire de Fe-Hg-Hn-K-Al Cu-Ni...........................................82 B. Covariation de Fe-Kg-Hn-K-Al-Cu-Ni avec Si02___82 C. Covariation des éléments des alumino-silicates avec le Résidu Insoluble (RI)...................82 D. Covariation des éléments très sensibles à l'attaque HCl...................................84 E. Le Carbone Organique............................84 F. Cas des phosphates acido-solubles...............85 G. Cas du Strontium................................86 VII.3. Essai de détermination du flux sédimentaire du phosphore acido-soluble............................86 VI1.4. Conclusion.........................................87 VIII. CONCLUSION GENERALE.................................88 BIBLIOGRAPHIE.......................................92 I. INTRODUCTION 1.1 Le Lac de Neuchâtel A. Horphométrie Situé sur la bordure septentrionale du bassin molassigue suisse, le lac de Neuchâtel représente une superficie de 214.6 km*. Depuis la dernière correction des eaux du Jura, son altitude moyenne, appareillée à celle des lacs de Morat et Bienne, est maintenue artificiellement à 429.3 m par le barrage de Nidau-Port. De forme plus ou moins rectangulaire, son axe principal est orienté dans la direction SH-HE. Sa longueur maximale atteint 38.3 km et sa largeur moyenne vaut 5.68 km. Au Sud de la Pointe du Grain (Bevaix), il présente sa plus grande profondeur avec 153 m. Le lac occupe un volume de 13.77 km' avec une profondeur moyenne de 64.2 m. Le séjour moyen de l'eau dans le lac est très long; il est équivalent au quotient du volume lacustre par le débit moyen de l'émissaire. Il dure 8 ans et 82 jours. D'autres éléments morphométriques figurent dans la thèse de Sollberger (1974). B. Morphologie L'importante particularité bathymétrique du lac de Neuchâtel est représentée par la Motte, colline sous-lacustre qui s'élève jusqu'à 9 m de la surface. Son orientation identique à celle du lac permet de le subdiviser en deux vallées bien distinctes. Elle atteint, son point culminant à quelque 2.7 km à l'ESE de l'embouchure de l'Areuse (Fig. 1). Bien que la Motte n'individualise qu'imparfaitement de véritables bassins, son relief est suffisant pour délimiter certaines aires sédimentologiques. Nous verrons plus tard que celles-ci peuvent temporairement définir 4 masses d'eau propres caractérisées par leur physico-chimie et la nature de leurs particules en suspension. Ce sont: - le bassin de Neuchâtel, regroupant le bas-lac peu profond et la cuvette qui dépasse 100 m de profondeur, au NW, N et NE de la Motte. - la vallée Nord, sur la rive gauche, de Concise à l'embouchure de l'Areuse. - la vallée Sud, sur la rive droite, d'Yvonand à Portalban, mais dont la vallée n'est bien individualisée qu'à partir de Chevroux. - le haut-lac, partie rétrécie d'Yvonand à Yverdon. C. origine Toutes les discussions qui ont eu cours sur l'origine du lac résument étroitement l'historique des études qui s'y sont rapportées. Dans son important travail, Sollberger (1974) présente l'évolution des idées qui se sont succédées depuis le milieu du 19ème siècle et les doutes qui subsistent encore sur la formation du lac de Neuchâtel. Tantôt attribuée à une érosion fluviatile ou glaciaire, tantôt Page 2 reliée à des phénomènes tectoniques alpins ou jurassiens, l'origine de la dépression actuelle du lac ne comporte toujours pas d'explication unilatérale. Actuellement, de nombreuses investigations sismiques ont été réalisées sur plusieurs lacs^ suisses. Il semble toutefois qu'aucune explication génétique globale ne peut être retenue pour l'ensemble de ces lacs. Plusieurs auteurs y volent généralement une érosion glaciaire superposée a des zones de faiblesse ou de failles dans le "bedrock" (Finckh et al., 1984}. Cependant, en se rapportant à une étude sismo-séquentielle des sédiments quaternaires et actuels du lac de Neuch&tel réalisée par «.-A. Bétrix, Kubler (Rapport interne, 1985) y verrait plutôt une origine fluviatile. En effet, le toit du substratum, essentiellement molasslque, ne présente jamais de profils en "U" caractéristiques d'érosion glaciaire. Au contraire, des profils en "V", typiques de vallées fluviatiles, y sont systématiques et demeurent même dans les petites vallées transversales. Malgré la profondeur considérable des premières séquences sédimentaires situées à 50 m au-dessus du niveau marin et les problèmes inhérents qu'elle cause à la compréhension des écoulements du pied du Jura jusqu'à la confluence du Rhin où aucune paléo-vallée fluviale n'a encore été identifiée si profondément, la conservation de ces formes présuppose leur protection durant le surcreusement glaciaire d'une ou de plusieurs glaciations postérieures. Les cartes du substratum en isochrones ou en altitudes calculées (Fig. 2) prouvent l'existence d'une vallée profonde qui suit le pied du Jura, s'infléchit vers l'Est a l'aval de la Motte, et dont la pente du Thalweg indique un écoulement vers le NE. Elle est la continuation de la paléo-vallée de l'Orbe et se poursuit sous les Grands-Marais en infléchissant son cours vers l'Est a l'aval du Mont-vully. Il faut enfin remarquer que ces changements de direction se produisent toujours en aval d'une colline molassique. Leur origine tectonique ne demeure toutefois que fortement suspectée. D. Bassin d'alimentation Le bassin d'alimentation du lac de Neuchâtel s'étend sur le Jura et le Plateau suisse. Il occupe une superficie de 2672 km1, unissant les bassins versants des lacs de Morat, de Joux, des Rousses, Brenet et des Taillères à son propre domaine de drainage. Près du tiers de sa superficie est recouvert de forêts. Le Mont-Tendre (1648 m) est le point le plus élevé. Le 26.7 % de la surface du bassin d'alimentation est à une altitude supérieure a 1000 m (Portner; 1951). Par conséquent, la répartition des précipitations n'est pas uniforme sur l'ensemble du bassin. La zone jurassienne reçoit annuellement 110 à 175 cm de précipitation tandis que la zone du plateau en reçoit 90 a 110 cm. Le volume des précipitations annuelles sur le bassin (122 cm en moyenne) représente environ le quart du volume d'eau du lac. Mais seule la moitié de cette eau parvient au lac, l'autre partie étant évaporée (Quartier, 1948). Tout comme peur les précipitations, le bassin versant du lac de Neuchâtel peut être subdivisé en deux domaines géologiques et hydrologiques différents. Le Jura formé de calcaires et de marnes possède une hydrologie karstique Page 2 A Vverdon 5 km FIG. 1 : Carte bathymétrique du lac de Neuchâtel. Yverdon FIG. 2: Carte du toit du substratum en altitudes compensées (selon H.-A. Bétrix, in Kubier, Rap. int., 1985). Page 3 tandis que la molasse du plateau, constituée de grès, de marnes et de conglomérats, est recouverte de dépôts glaciaires et fluvioglaciaires. Le lac est alimenté par 79 rivières et ruisseaux (Sollberger, 1974) dont les principaux sont la Thielle à Yverdon (débit moyen - 15 m'/s)/ l'Areuse (12.2 m'/s) et le canal de la Broyé (11 m'/s). Le canal de la Thielle, seul émissaire du lac, accuse un débit moyen de 53.1 m'/s. Il arrive parfois que la Thielle coule en sens inverse et refoule dans le lac de Neuchâtel (Pokorni, 1983). E. Sédiments Le lac repose sur la molasse du Plateau suisse, sur des dépôts morainiques et fluvioglaciaires et sur les contreforts extremes de la chaîne calcaire jurassienne. Son orientation privilégiée, parallèle aux directions des vents dominants (Nord-Est et Sud-Ouest), favorise une homogénéisation dynamique en fonction de la bathymétrie et des aires sédimentaires. L'absence de rivières importantes détermine de faibles apports allochtones de terrigènes détritiques. De plus, la sédimentation carbonatée autochtone se différencie parfaitement des sables et des limons d'origine molassique, morainique ou fluvio-glaciaire déposés sur les rives. Selon la teneur en carbonates autochtones et la granulometrie des dépôts, trois grandes aires sédimentaires ont été définies (Kubier et al., 1979; Kubier, Rapport interne, 1985), (Fig. 3): - Un plateau continental, de 0 à 20 m, soumis à l'action des vagues, constitué essentiellement de sables et de limons. La sédimentation carbonatée autochtone y est très faible. - Un talus continental, épargné de l'agitation causée par l'action des vagues. La sédimentation carbonatée y atteint son maximum. - Une plaine bathyale généralement plus profonde que 100 m. il s'y sédimente les particules les plus fines qui sont surtout argilo-carbonatées. De plus, une zone mixte, entre une vallée profonde et un plateau, a été identifiée dans la partie Sud - Sud-Est du lac, entre 60 et 80 m de profondeur. Dans les trois aires sédimentaires, des dépôts d'origine organique accompagnent les particules minérales et se distribuent selon le même modèle granulométrique; les particules planctoniques prédominent en zone bathyale, elles sont diluées par la sédimentation carbonatée sur le talus et seuls les grands fragments allochtones d'origine xylo-herbacée sont susceptibles de se déposer sur le plateau. Ce modèle général doit toutefois être modifié pour le sommet de la Motte et pour les rives du lac où la profondeur n'excède pas 10 m. En effet, l'isolement de la Motte par rapport aux régions littorales et sa culmination à quelques mètres au-dessous du niveau du lac permet la formation de craie lacustre. Celle-ci contient plus de 90 % de CaC03 (Portner, 1951; Beck, 1987). A proximité des rives, la précipitation carbonatée augmente jusqu'à des profondeurs de Page 4 6 à 9 m (Portner, 1951). Il peut ainsi se former des particules de calcite suffisamment grosses pour échapper a l'intense hydrodynamisme de ces zones et enrichir le sédiment côtier en matériel carbonate. Dans les régions profondes et semi-profondes, le sédiment est formé de dépôts homogènes, dépourvus de traces indicatrices des couches annuelles. Vers 1950, il devenait gris-noir à 10 cm de l'interface (Portner, 1951). Depuis lors, la dégradation s'est accélérée et les analyses de 1961 soulignent son enregistrement dans les dépôts sédimentaires. La publication d'une carte de répartition des sulfures met en évidence les zones les plus atteintes et leur corrélation avec des sources de pollution (Sollberger, 1974). En 1978, l'analyse géochimique et granulometrique de 18 échantillons prélevés par bennage a permis d'élaborer des lois naturelles de distribution des éléments. Elles seraient de 2 types: fort gradient teneurs-profondeurs dans la zone agitée, faible gradient dans la zone calme profonde (Kubier et al., 1979). Les atteintes de la pollution seraient alors mesurées par l'écart des teneurs élémentaires comparées à celles prévues par les lois naturelles et par les écarts aux régressions normales entre éléments de même affinité. Les composantes qui sont apparues les plus caractéristiques de la pollution anthropique sont le phosphore, le fer et le zinc extraits par attaque à l'acide chlorhydrique. Grâce a l'orientation du lac (parallèle aux vents dominants) et à ses configurations géométriques (grande surface pour une faible profondeur), les eaux sont régulièrement bien oxygénées jusqu'à l'interface sédimentaire (Bapst et Kubier, 1987). Les particules organiques fines qui se déposent essentiellement dans la plaine profonde subissent donc une première dégradation dans la colonne d'eau. Par contre, des conditions de conservation apparaissent dans le sédiment, au-delà de la micro-couche oxydée de quelque 5 mm d'épaisseur. L'initiation de ce milieu réducteur qui atténue fortement l'évolution de la matière organique peut être illustrée par la prépondérance systématique des acides fulviques, moins évolués, sur les acides huraiques des sédiments superficiels du lac (Beck, 1987). F. Géochimie de l'eau L'évolution chimique locale et mensuelle des différentes couches aquatiques du lac a été suivie et traitée depuis plusieurs décennies par le Laboratoire Cantonal de NeuchStel, devenu le Service Cantonal de la Protection de l'Environnement (S.C.P.E.). Le travail de Sollberger (1974) et la compilation statistique de plusieurs milliers de résultats analytiques par Dubois et Schetty (1977) constituent une abondante source de références historiques sur la connaissance du lac depuis 1957. Actuellement, les rapports internes du S.C.P.E. (Pokorni, 198 3; 1984) s'intéressent particulièrement à l'état sanitaire de l'eau. L'observation systématique de la thermique, des formes du phosphore, de la concentration en oxygène dissous, des chlorures et de la bactériologie a permis de conditionner l'élaboration de nouvelles lois pour juguler la dégradation progressive du lac de Neuchâtel et pour le maintenir dans un état encore satisfaisant. Il nous paraît nécessaire d'évoquer brièvement quelques Page 5 particularités géochimiques de la masse d'eau lacustre qui constitue le support physique des particules en suspension et avec lesquelles elle est continuellement en interaction. - Selon les analyses du S.C.P.E. (Pokorni, 1983; 1984), les concentrations mensuelles moyennes du phosphore total ont atteint leur maximum à la fin des années 70. Elles se sont actuellement stabilisées aux environs de 40 //g/1. Durant les années 1982 et 1983, elles oscillaient entre 25 et 60 //g/1 avec de fortes fluctuations saisonnières dans l'épilimnium qui contrastent avec une meilleure stabilité hypolimnique (Fig. 4). De plus, en individualisant les orthophosphates, directement assimilables par les algues, il est aisé d'observer que c'est cette forme du phosphore qui subit l'épuisement épilimnique printanier (Fig. 5). Durant la période estivale, ils demeurent même quasiment nuls. En hiver, leur concentration augmente à nouveau et oscille autour de 30 //g/1. Dans l'hypoliranion, au contraire, les variations des moyennes mensuelles sont très peu marquées. - D'après la même source d'informations (Pokorni, 1983; 1984), la concentration moyenne des chlorures augmente régulièrement, tout en demeurant fort éloignée des seuils critiques. Elle a dépassé le niveau des 7 mg/1 durant la dernière décennie, alors qu'elle n'atteignait encore qu'environ 4 mg/1 vers 1960 (Sollberger, 1974). L'analyse de nos échantillons provenant des filtrats du résidu particulaire étudié dans ce travail fournit une appréciation pour l'année 1984. vers la mi-juin, la concentration moyenne d'une quinzaine d'échantillons prélevés à toutes profondeurs et à diverses stations fort éloignées les unes des autres s'élève à 8.45 mg/1. Le 4 juillet, la moyenne de 50 prélèvements répartis sur l'ensemble de la masse d'eau du lac atteint 8.30 mg/1. Les variations entre les stations et la profondeur d'échantillonnage sont très faibles. L'évolution mensuelle moyenne de 18 prélèvements de plein lac est très stable (Fig. 6). Par contre, elle contraste fortement avec la teneur des chlorures qui règne dans les affluents et l'émissaire de la Thielle (Fig. 6). - Les sulfates ont également subi une légère augmentation depuis 1960 où leur moyenne avoisinait 13 mg/1 (Sollberger, 1974); les écarts régionaux étaient alors assez prononcés. En 1984, la moyenne mensuelle de juillet s'élève à 15.5 mg/1 et aucun des 50 prélèvements ne présente une mesure au-delà de + 1 mg/1 par rapport à cette concentration. Durant les mois de mai, septembre et décembre, les mesures sont très stables autour de leur moyenne respective de 15.7, 14.4 et 14.8 mg/1. - La concentration des silicates augmente sensiblement avec la profondeur et atteint son maximum à proximité de l'interface sédimentaire (Fig. 7). Chaque station présente individuellement un appauvrissement de surface jusqu'en automne; l'enrichissement enregistré à 1 m du fond est proportionnel à la bathymétrie de la station. De plus, à une profondeur déterminée, les silicates ont une concentration remarquablement homogène sur toute la surface du lac. L'abaissement printanier et estival de la teneur moyenne de plusieurs échantillons épilimniques s'explique aisément par la prolifération diatomique qui absorbe de grandes quantités de silice. Dès la fin du cycle Page 5 A Yverdon 5 km FIG. 3 : Carte des zones morpho-sédimentaires du lac de NeuchStel selon H.-A. Bétrix, in Kubier, Rap. int., 1985; Plateau côtier Talus Plateau intermédiaire Zone profonde PHOSPHORE TOTAL: 1982-83 --Q * S S 13 12 ]4 16 19 28 22 24 MOIS EPILtMNION —© HYP0UMNI0N FIG. 4: Evolution annuelle de la concentration moyenne du Phosphore total dans 1'épilimnium et 1'hypolimniura durant les années 1982 et 1983, sur le site de plus grande profondeur, au large de la Pointe du Grain (selon Pokorny, 1984). Page 5 B ORTHÛPHÛSPHflTES: 1982-83 2 4 e 5 re 12 14 IG TB 29 22 24 HOIS EPILIMNION —© HYPOLIHNION FIG. 5: Evolution annuelle de la concentration moyenne des orthophosphates dans l'épilimnium et l'hypolimnium durant les années 1982 et 1983, sur le site défini en FIG. 4 (selon Pokorny, 1984). mg/1 18 15 12 9 V / CHLORURES: 1984 ,----e- ô* N- —oLPC: 18 ECH. --o OREUSE .....* -.-*THIELlE-CftNflL -O-----h BROYE -© * 5 e i e 9 le il 12 HOIS FIG. 6: Concentration des chlorures dans le lac, l'émissaire de la Thlelle et 2 affluents durant l'année 1984. Page 6 biologique, la concentration de surface retrouve un niveau plus élevé, comparable à la teneur annuelle des eaux profondes. - L'approche de l'évolution de la teneur des eaux en cations majeurs ne devient intéressante qu'après une étude systématique et approfondie qui sortirait du cadre de ce travail. C'est pourquoi nous n'avancerons que quelques moyennes générales et indicatives. Ainsi, le calcium peut varier saisonnièrement entre 40 et 55 mg/1. Le magnésium est beaucoup plus stable aux alentours de 6.0 mg/1. Les moyennes respectives du sodium et du potassium s'approchent de 3.8 et de 1.8 mg/1. Elles montrent toutefois une sensible augmentation depuis les années 1958 - 1961 lorsqu'elles étaient évaluées à 2.8 et 1.5 mg/1 (Sollberger, 1974). I.2 Les campagnes d'étude A. L'échantillonnage 1. Neuf campagnes mensuelles d'échantillonnage d'eau se sont déroulées d'avril 1984 à mars 1985 (Tableau 1). Chacune d'entre elles était subdivisée en deux parties, 11 échantillons étant récoltés autour du lac et 13 autres sur le lac proprement dit (Fig. B). TABLEAU 1: Calendrier des campagnes d'échantillonnage A. PERILACUSTRE B. LACUSTRE 1. 27.04.84 ------ 2. 25.05.84 22.05.85 3. 15.06.84 12.06.84 4. 09.07.84 04.07.84 5. 03.08.84 06.08.84 6. 07.09.84 14.09.84 7. 02.11.84 12.11.84 8. 07.12.84 05.12.84 9. ------ 13.03.85 l.a: Tout d'abord, 6 prélèvements étaient effectués à 1'embouchure des principaux affluents (Areuse [bl], Arnon |b2), Thielle [b4J, Mentue [b5]. Broyé [b9]) et dans l'émissaire de la Thielle [blO). Les 5 autres prélèvements périlacustres proviennent des stations de pompage d'eau alimentaire (Neuchâtel (bO], Grandson [b3], Estavayer [b6], Portalban (b7), Cudrefin (bB]). Leur crépine d'aspiration est toujours située à 35 - 40 m de profondeur et à quelques centaines de mètres au large de chacune des localités. Tous les prélèvements ont pu être effectués sur de l'eau brute, n'ayant pas encore subi de traitements nécessaires à sa transformation en eau de boisson. l.b: Conjointement à ce circuit, la campagne lacustre était conduite à bord du bateau du S.C.P.E. du canton de Page 6 A mg/1 2.2 SILICATES 1.8 1,6 1.« 1.2 i.e : / ,- / —EhAt 1964 --©JUILLET 1964 - - - *QECEMBRE 1984 30 70 -i PROF CM] FIG. 7: Concentration des silicates selon la profondeur des prélèvements durant les mois de mai, juillet et décembre 1984. Yverdon FIG. 6 : Situation des points d'échantillonnage mensuel (a) et de ceux de la couverture du lac le 4 juillet 1984 (•). Page 7 NeuchStel. Les 4 sites d'échantillonnage forment un profil transversal (No III) entre l'embouchure de l'Areuse et la rive fribourgeoise, entre Chevroux et Portalban. Les 13 prélèvements de 10 litres, réalisés avec une bouteille océanographique "Niskin", sont effectués a 5 m de la surface, S 1 m du fond et, selon la profondeur des sites, à 30 m et à 70 ou 80 m. La situation des 4 points (Fig. 8) regroupe l'embouchure de l'Areuse (Station A: 557 000 / 199 315 / 48 m; 3 échantillons), la vallée septentrionale profonde (B: 557 470 / 198 840 / 130 m; 4), le sommet de la Kotte (C: 558 520 / 197 790 / Bm; 2) et la vallée méridionale (D: 559 470 / 196 790 / 100 m; 4). 2. Le 4 juillet 1984, la campagne habituelle a été étendue au prélèvement de 34 échantillons supplémentaires récoltés sur 10 stations réparties en 4 profils transversaux (No I-II-IV-V) situés du NE au SW du lac (Fig. 8). 3. L'étude se réfère également à des particules d'interface récoltées dans l'eau surnageante d'un carottier et & celles qui étaient en suspension dans la colonne d'eau qui la surmontait. La campagne s'est déroulée en mai et juin 1984 et les carottes de sédiment associées constituent la base d'étude d'une thèse (Beck, 1987). La localisation des 23 stations forment une bonne couverture du lac (Fig. 9). B. Les mesures physico-chimiques Durant les années 1985 et 1986, près de 200 profils verticaux de mesures physico-chimiques et turbiditiques ont été effectuées in situ. Il s'agissait d'appréhender l'évolution de la température, de l'oxygène dissous, du PH et de la conductivité conjointement aux mesures turbidirnetriques, représentatives de la concentration des particules en suspension. Ces paramètres apparaissent en effet directement responsables du comportement particulaire d'un milieu 1acut re ou marin. Les campagnes se sont déroulées du printemps à l'arrière-automne, avec un bateau "Shetland" acquis par le L.M.P.G. de l'Institut de Géologie. Au cours de la première saison, la détection des variations régionales et mensuelles a été abordée par 10 campagnes d'enregistrement de mesures sur 16 stations (No 1 a 16) localisées sur l'ensemble des aires morphologiques du lac (Fig. 10). En 1986, par contre, seules certaines stations représentatives ont été conservées, associées à des observations ponctuelles: le 1er juillet, à l'embouchure de l'Areuse, 6 stations supplémentaires (PR: 1-3-4-5-7-8) ont été ajoutées au profil des stations Areuse - Glett; le 25 juillet, un profil longitudinal de 4 stations ( No 17-18-19-20) a été enregistré dans le haut-lac. De plus, au cours de l'année 1986, un système d'échantillonnage des particules par "trappes à sédiments" a été immergé dans la plaine neuchâteloise (Chap IV.1). Le site d'implantation de ce dispositif a constitué une nouvelle station (Nnplaine: No 0), visitée lors de chaque campagne de cette année. Toutes les stations d'enregistrement des paramètres physico-chimiques et turbiditiques sont localisées sur la figure 10. La dénommination des stations et le calendrier des campagnes sont présentés dans le tableau 2, Page 7 A Neuchatel N >10 •P2 *3-p4 •Pf •P23 ÂPp56 *P8»P22 »P7 •P12/ •p21 «pM, •P" rf13, •P17 •P19 »P18 • pt6 •PI5, Yverdon 5 km FIG. 9: Situation des points d'échantillonnage des particules en suspension dans l'eau surnageante et à l'interface sédimentaire, durant les mois de mai et juin 1984. Yverdon FIG. 10: Situation des régulières de mesures phys turbidltiques (•), de la stat et d'échantillonnage par sédiment (A) et des stations mesures ( * ); Les sites situ transversal passant par les s sont identifiés par PRl à l'embouchure de l'Areuse, le de cette campagne (CAMP018) et 8 deviennent PR2 et PR6. 16 stations ico-chimiques et ion de mesures collecteurs à ponctuelles de es sur le profil tations 6 et 8 PR8, à partir de 01.07.86. Lors , les stations 6 Page 8 TABLEAU 2a: Numéros et noms des stations 0 NNPLAINE 1 5 9 13 NEUCH PORT BEVAIX SPLAINE 2 6 10 14 CHAHP AREUSE SHOTTE ESTA 3 7 11 15 SERR NHOTTE FOREL CONCI 4 8 12 16 NPLAINE GLETT ¦ AUBIN MENTUE 17 GRANDSON 16 CORCE 19 CHAHPA 20 ONNENS TABLEAU 2b: Calendrier des campagnes OO 19 - 21 MAI 1985 01 19 - 21 JUIN 1985 02 04 JUIL 1985 03 16 JUIL 1985 04 24 JUIL 1985 05 09 AOUT 1985 06 21 AOUT 1985 07 12 SEPT 1985 08 18 SEPT 1985 09 31 OCTO 1985 10 02 HAI 1986 11 06 MAI 1986 12 13 MAI 1986 13 20 MAI 1986 14 22 MAI 1986 15 27 MAI 1986 16 06 JUIN 1986 17 23 JUIN 1986 18 01 JUIL 1986 19 22 - 25 JUIL 1986 20 08 AOUT 1986 21 - 14 AOUT 1986 22 09 OCTO 1986 23 28 OCTO 1986 24 09 FEVR 1987 1.3 Lfapproche analytique Les collectes d'échantillons des matières en suspension (M.E.S.) et les mesures hydrologiques et turbiditiques n'ont malheureusement pas pu être conduites simultanément pour des raisons pratiques. Elles sont cependant le reflet de l'évolution annuelle de cycles limnologiques tout à fait comparables entre 1984 et 1986. L'approche méthodologique qui a été adoptée au cours de cette étude est brièvement résumée sur le tableau 3. Un accent tout particulier a été porté sur les enregistrements in situ de la turbidité mise en relation avec les conditions physico-chimiques de la colonne aquatique et sur la détermination minéralogique des particules en suspension. Page 9 TABLEAU 3: Présentation générale des manipulations analytiques 1. Mesures in situ de la PHYSICO- CHIMIE et de la TURBIDiTE 2. ECHANTILLONNAGE des par- ticules en suspension Sonde HPTC-84 DIFFUSIOMETRE (DIL) BOUTEILLE OCEA- NOGRAPHIQUE COLLECTEUR de SEDIMENT PROFONDEUR TEMPERATURE PH OKYGENE DISSOUS CONDUCTIBILITE TURBIDITE FILTRATION SEDIMENTATION et FILTRATION CARACTERISATION INITIALE des M.E.S. CONCENTRATION des H.E.S. GRANULOMETRIE MINERALOGIE GEOCHIMIE M,E.B. - E.D.X. FLUX PARTICULAIRE TAUX de SEDIMENTATION Page 10 II. PHYSICO-CHIKIE DE L'EAU II.l Présentation de l'appareil de mesures et du traitement des résultats. Toutes les mesures physico-chimiques ont été acquises avec une sonde HYDROFOLYTESTER HPTC-84, de ZiHlig AG a Rheineck (SG). L'ensemble est constitué de l'assemblage des 5 sondes proprement dites (Profondeur, Température, Oxygène dissous, PH et Conductibilité), d'un cable de 150 m renfermant 18 conducteurs, d'une valise de modules électroniques avec affichage digital, d'un micro-ordinateur EPSON HX-20 et d'une alimentation de 24 Volts. La sonde bathymétrique, munie d'une membrane piézo-résistante protégée par un cylindre en acier, mesure la profondeur avec une précision de + 0.1 m. L'influence de la pression atmosphérique est corrigée avant chaque profil d'enregistrements. Les mesures de température assurent une fiabilité de ± 0.1 0C avec un Thermistor Pt 100. Les valeurs de concentration en oxygène dissous sont assurées à + 0.1 mg/1 par une sonde WTW a pression compensée, selon le principe de la réduction sur des électrodes ampérométriques a membrane couverte (Rodier, 1978). Avant chaque campagne, il est nécessaire de vérifier la droite d'étalonnage entre 0 (par l'emploi d'une solution "nulle" de Na2S) et environ 12 mg/1 d'une solution mesurée. L'analyse du PH est réalisée avec une électrode de verre à pression compensée. Elle atteint une précision de + 0.01 unité en étant souvent soumise à un réglage de normalisation avec une solution tampon de PH - 7; tout aussi régulièrement, il est judicieux de procéder au réglage du correcteur de pente avec une solution tampon de PH » 9.21. La conductibilité, quant à elle, est déterminée par la mesure de la conductance régnant entre 2 électrodes fixées à l'intérieur d'une sonde de verre bien ouverte permettant une excellente circulation de l'eau. Comme il est possible de choisir entre un enregistrement avec compensation thermique à 20 0C ou l'enregistrement des valeurs brutes, des essais ont été opérés en laboratoire sur une solution variant entre 5 et 20 0C. Il est apparu que le réglage électronique permettait une très bonne détermination des valeurs compensées à 20 0C, malgré la légère déviation qui existe entre la loi mathématique et cette correction linéaire. L'écart de précision extrême s'est élevé à ± 3 //S/cm. La vérification du réglage de base aux environs de 0 //S/cm et du correcteur de pente vers 350 //S/cm n'est pas indispensable lors de chaque campagne. La sonde turbidimétrique associée à cet ensemble sera décrite ultérieurement. Durant les mesures, la sonde est descendue manuellement dans la colonne d'eau avec une vitesse approximative de 0.2 m/s, conditionnée essentiellement par la capacité d'acquisition de l'EPSON HX-20. Cette vitesse permet l'enregistrement d^environ 3 cycles de mesures par metre. L'ensemble des résultats est stocké sur mini-cassettes, puis transféré sur l'ordinateur VAX-VMS du Centre de Calcul de l'Université de Neuchâtel. Page 11 La présentation initiale des données permet de déterminer l'évolution des différents paramètres sur des profils verticaux de chaque station lors de toutes les campagnes. Les traitements ultérieurs conduisent à illustrer le comportement physico-chimique saisonnier d'une station a toutes profondeurs par le dessin d'isoplèthes paramétriques. Celles-ci peuvent être obtenues par la méthode des variables régionalisées utilisée comme base de calcul dans un programme de krigeage tel que "BLUPACK" développé au Centre de Géostatistique de Fontainebleau. Finalement, au lieu de suivre une seule station au cours du temps, il est possible de dessiner les isoplèthes physico-chimiques de plusieurs sites d'une même campagne répartis sur un profil longitudinal ou transversal du lac. Il faut toutefois rester très prudent dans l'emploi et l'interprétation de structures fines obtenues par un tel programme, essentiellement lorsque les mesures paramétriques présentent de forts gradients. C'est pourquoi nous limiterons son utilisation à l'identification globale des couches limnologlques, à l'évolution saisonnière d'une station ou encore aux hétérogénéités physico-chimiques et turbidimétriques régionales. il.2 Présentation et discussion des résultats A. La Température Le comportement général de la température du lac a été abondamment traité par Sollberger (1974) et ses prédécesseurs. Cependant, simultanément aux autres paramètres physico-chimiques, l'enregistrement thermique est absolument indispensable pour mieux comprendre les processus biologiques, chimiques et minéralogiques qui se déroulent dans la colonne d'eau. 1. Présentation des résultats: A la fin de l'hiver, le lac possède La même température de la surface au fond; il est très rare qu'il présente une stratification thermique inverse. Au printemps, l'eau de surface se réchauffe sous l'influence du rayonnement solaire, mais la chaleur ne se propage que très lentement en profondeur, ri s'établit ainsi très vite une stratification qui préserve 1'eau chaude, plus légère, au-dessus de 1'importante masse d'eau froide, plus dense. Une série de profils thermiques verticaux de la couche supérieure permet d'illustrer l'identification progressive de la stratification lacustre et son amplification estivale (Fig. 11). Cette couche réchauffée correspond à l'EPILIMNIUM. Le niveau inférieur, ou thermocline, caractérisé par une chute rapide de la température, équivaut au METALIMNIUM. Il est peu développé et proche de la surface en mai; il s'intensifie durant 1'été et s'enfonce au-delà d'une trentaine de mètres en automne (Fig. 12). Au début de son installation, la stratification thermique peut être perturbée par de violentes tempêtes capables de réinstaurer une homogénéisation dans les couches soumises à l'action des vagues (Fig. 13): le 22 mai, la Page 12 stratification est bien établie; le 6 juin, après quelques jours de vents violents, la thermocline s'est enfoncée d'environ 5 m pour atteindre une profondeur de 15 m. Conjointement, la température de la couche décamétrique de surface a baissé de près de 2 0C. Après le rétablissement d'une période calme (le 1er juillet), le réchauffement superficiel et l'enfoncement de la thermocline reprennent leur évolution estivale. Au-dessous du métalimnium, la température ne subit qu'une très faible diminution avec la profondeur (Fig. 12); c'est l'HYPOLIMNlUH. A l'approche de l'hiver, sous l'influence des tempêtes automnales, l'eau de surface déjà refroidie s'y enfonce et engendre un brassage progressif jusqu'au retour homothermique de la masse aquatique du lac. Cette homogénéisation subsiste alors jusqu'au printemps de l'année suivante (Fig. 14). Le dessin des isothermes saisonnières d'une station révèle les températures maximales de surface en juillet et août; il illustre également l'amplification estivale de l'épillmnium et les légères disparités thermiques des couches profondes (Fig. 15 - 16). A proximité du fond, une élévation sensible de la température n'est perceptible qu'à la fin de l'automne. Au cours d'une même campagne, les isothermes de plusieurs stations réparties sur un profil longitudinal ou transversal du lac montrent qu'à une profondeur identique, les variations régionales sont généralement ténues jusqu'à l'approche de la couche benthique. Par contre, au début de l'été, ces isothermes subissent une forte influence de la topographie lacustre à proximité du fond. Il arrive ainsi qu'elles épousent parfaitement le profil bathymétrique du lac (Fig. 17). 2. Discussion des résultats: - Dans les couches superficielles, de légères disparités thermiques régionales peuvent parfois s'individualiser à une profondeur similaire du lac. Malgré la faiblesse du réseau d'observation (16 stations de mesures), il nous a paru intéressant de représenter la répartition spatiale des isothermes sur une grande partie de la surface lacustre. A chacune des cotes mesurées, des variations régionales appréciables sont susceptibles de déterminer différentes zones thermiques. Des corrélations géographiques nettes existent habituellement entre les cartes de répartition des divers niveaux épilimniques. Ainsi, le 24 juillet 1985, à 5 m de profondeur (Fig. 18), une zone chaude caractéristique prend forme au-dessus de la Hotte. A 20 m (Fig. 19), deux masses froides s'amplifient au-dessus des grandes plaines profondes, au Nord-Est et au Sud-Ouest de la Motte. Elles s'opposent aux deux masses côtières plus chaudes, au large d'Estavayer-le-Lac et de Gorgier. Plusieurs causes plausibles interviennent certainement alternativement ou simultanément pour expliquer les variations régionales de profondeur des isothermes. Tout d'abord, les apports des rivières, surtout au printemps quand ils sont abondants, influencent directement la thermique du lac à leur embouchure. Ainsi, le 2 mai 1986, la "plume" de l'Areuse est magnifiquement soulignée à Page 13 plusieurs centaines de mètres de son embouchure (Station: Areuse, No S, Fig. 10). Le profil thermique vertical y marque un gain important de 1.5 0C entre 15 et 35 m par rapport à la station "Nnplaine" de plein lac (Fig. 20). De même, le 1er juillet 1986, l'arrivée des eaux froides de l'Areuse influencent directement le comportement de la therraocline (Fig. 21) qui subit une nette remontée à l'embouchure de la rivière (FR 1); au-dessus de la vallée profonde (Station: Areuse), son élévation est moins accentuée et se répercute essentiellement jusqu'à 17 m de profondeur. La thermocline est typiquement lacustre plus au large (PR 3). Le sommet de la couche hypoliranique (30 à 50 m) est aussi légèrement affecté par ces perturbations externes. Ensuite, durant la période estivale calme, l'échauffement épilimnique peut être plus rapide à proximité des rives peu profondes qu'au large. Favorisée par une morphologie moins accentuée, la rive Sud possède des eaux plus chaudes que la côte jurassienne jusqu'aux environs de 40 m de profondeur (Fig. 22). Au-delà, elles se refroidissent nettement et atteignent plus rapidement l'isotherme de 5 0C que dans la vallée Nord. Cette distribution thermique est certainement conditionnée par la topographie caractéristique du lac, marquée par l'imposante colline immergée de la Motte. Le décalage bathymétrique des isothermes de part et d'autre de cette colline souligne alors la mauvaise homogénéisation qu'elle engendre et le rôle capital qu'elle procure à l'identification de 2 masses aquatiques différentes. Dans le petit lac, le gain thermique peut être procuré par la faiblesse des fonds; les apports estivaux des affluents sont habituellement ténus et incapables d'apporter d'intenses perturbations dans la masse aquatique. Ainsi, dans un profil longitudinal qui s'étend de l'embouchure de la Thielle à la plaine Sud, profonde, les isothermes du 25 juillet 1986 subissent une remontée très accentuée (Fig. 23). Finalement, la direction et l'intensité des vents peuvent également constituer un facteur important pour susciter la création de zones thermiques distinctes à proximité de la surface et produire ainsi des modifications régionales des profondeurs isotnermiques (Quartier, 1948; Sollberger, 1974). - Dans la couche benthique, des températures similaires peuvent exister sur plusieurs stations de profondeur différente (Fig. 17). Elles caractériseraient une masse d'eau qui épouserait approximativement le fond du lac lorsque la profondeur excède une trentaine de mètres. Une telle structure, vraisemblablement éphémère, n'apparaît pas lors de chaque campagne. Il est probable que sa mise en évidence temporaire peut être illustrée par les perturbations qu'elle cause sur la tendance générale que subissent les isothermes profondes vers un enfoncement en cours de saison (Fig. 15 - 16). L'origine de cette couche thermique demeure complexe. Nous associerons son interprétation à celle des augmentations particulates des couches benthiques néphéloïdes (Chap. III.4). Page 13 A fi: TEMPERATURE - NNPLfiINE — 06.05.86 ___ 20.05.86 ---- 22.05.86 is 28 2« OC Metres e -s- -10 -15 -28 -25 -30 -35 -40 -*5 -5« FIG 11 B: TEMPERATURE - NNPLfiINE --- 27.05.86 -- 08.08.86 -... 14.08.86 12 16 2« 2« OC FIG. 11:A-B: Individualisation et développement de la stratification thermique estivale sur la station NNPLAINE. Page 13 B Metres FIG 12: TEMPERATURE - NNPLPINE 0 -te -2fl -38 -48 -5« -60 r7B -86 -38H ¦iee 12 28.10.86 16 20 FIG. 12: Amplification l'epilimnium thermique. * OC automnale de FIG 13: TEMPERATURE - NNPLAINE --- 22.05.8G __ 96.06.86 .... 01.07.86 12 16 29 2* oC FIG. 13: illustration d'une tempête printanière sur l'évolution de la stratification thermique. Page 13 C Metres FIG 14: TEMPERATURE - NNPLAINE -?0 -48 -68 -80 -1Ö6 -128 --- 09.02.87 8 oC FIG. 14: Evolution thermique verticale en période hivernale; elle souligne l'excellente homogénéisation de la masse d'eau. FIG. IS: Evolution verticale des isothermes au coure de l'année 1985 sur la station SERR. A 100 m de profondeur, la température atteint 5.5 0C en octobre seulement. (¦1 «naanoiowj Page 13 D *J UlW QJ —t W r4 - .. -H O 01 3 «ÖH -nH «J -U 3 C fO O — N O)-H r-l 1-1 ID Q O Ot U£ H -H * *J 0) > U-H -H OJ-H 4J > «1 « JC 4) U 0) U Q,v M 3 Bug U Ol 0) £ O)VD *» CrH O 3-H • ta « —. M > S » JK C «J " flnm r-*a «N W 0) • TJw •t/> tJl I O« C ?-¦a» O E 1.HH O M C Ol O U 4J 0) « J= 4J 4J U «I U ¦O 3 0) > at «01 C C O C •* « 4J - SH -H O > Ol 111 T] • • (D • H 32 0*H •H 3 Ä 1*1 «nsaNOjow Page 13 E Yverdon FIG. 18: Courbes isothermiques du 24.07.35 à 5 m de profondeur. Yverdon F1IG. 19: Courbes isothermiques du 24.07.fl5 à 20 m de profondeur. Metres FIG 20'- TEMPERATURE - 02.05.86 -28 / ( / / I J -40 -68 ----- OREUSE -68 -_ NNPLOINE 108 128 1 IB oC FIG. 20: Profil thermique d'une station influencée par les apports de l'Areuse (AREUSE) comparé à celui d'une station de plein lac (NNPLAINE). Metres FlG 21: TEMPERATURE - 01.07.86 oC FIG. 21: Profils thermiques d'une station très proche de 1'embouchure de l'Areuse (PRl), d'une station encore influencée par ses apports (AREUSE) et d'une station plus distale, de plein lac (PR3) (situation sur FIG. 10). Page 13 G (¦] vnBOKOJOH* « e — OJ-H bj e « 2 >-¦ en — a> m .CjO O) ¦ jj C-- o 3~< e W « «A ¦H >-H O) « O .H nC * U (O CO g m a— u I C-H .u m o 3HU « «T3 •¦ -C a c U) -rj SJ i-H O) 4J li io -H U C3 JJ Ol C V) > O? O C l-> m (O 4J-4 Q 4> C U a« o ¦• 0 4J m u C Q) (N ai i~i 4J-I H) C V • C OjC O 3 G U IH * HJ W O O O es o — 3 ai-— Tl > *> i-I CO Ij • i-l r- «J «O 10.H ¦ ¦ U r-« ----- HiOOE > —a: m OJ (03 017 1-. 0) JJ ¦ jj u JJ O < O - E I Ol «-H p e D1O) (0 O 3 M •H "O H e -h a» a» u H £"P» jj 3 w ai JC -H O IO -H 3 JJ JJ <4jja « o o e « n M OJ U) -H Oj - « U H OjO J= (M O) C 0) NT) Vh -h 01 • - *jc o u*a u m « 3 W (o) anaonoiOHd Page 14 B. La concentration en Oxygène dissous. 1. Présentation des résultats: La teneur en oxygène dissous dans l'eau est étroitement liée au régime thermique du lac. Durant la pause hivernale, l'ensemble aquatique est homotherme (Fig. 14); la distribution de l'oxygène est alors homogène sur toute la colonne d'eau. Au printemps, 1'éveil de la végétation frovoque une intense activité chlorophyllienne dans 'épilimnium. Des sursaturâtions passagères en oxygène peuvent alors atteindre 130 % pour des concentrations proches de 15 mg/1 (Fig. 24). Durant cette période, des influences externes (essentiellement météorologiques) peuvent perturber sa répartition verticale et la concentration épilimnique peut même s'abaisser au-delà de celle des couches profondes (Fig. 25). Toutefois, au terme de ces phénomènes passagers, la production d'oxygène se rétablit a proximité de la surface) son intensité est de plus soulignée par l'amorce d'un déficit qui s'initie dans le niveau sous-jacent (Fig. 26). Vers le milieu de l'été, le pic de haute concentration est momentanément repoussé à une dizaine de mètres de profondeur alors que la couche superficielle est appauvrie en oxygène (Fig. 27). Par la suite, un taux épilimnique proche de 10 mg 02/1 se maintient jusqu'en automne (Fig. 28 - 29: A). La concentration de l'oxygène varie également d'une couche thermique à l'autre. Le métalimnium, c'est-â-dire la couche ?ui recouvre la thermocline, développe ses propres luctuations qui suivent une évolution essentiellement saisonnière, indépendamment du comportement de surface. Un appauvrissement caractéristique s'individualise au début juillet (Fig. 26) et s'intensifie jusqu'en automne (Fig. 28). A proximité du fond, la concentration moyenne évolue généralement entre 11 mg/1 à la fin de l'hiver (Fig. 24) et quelque 6 mg/1 à l'approche des brassages automnaux (Fig. 29: A). Elle diminue beaucoup moins nettement entre le métalimnium et la couche de fond décamétrique qui enregistre cette baisse assez prononcée. Elle varie ici entre 11.5 mg 02/1 au printemps (Fig. 24) et environ 10.0 mg/1 à la fin de la période de stratification thermique (Fig. 29: A). 2. Discussion des résultats: Dans 1'épilimnium, après 1'explosion algaire initiale, les fluctuations reflètent principalement les conditions météorologiques (brusques chutes de la température atmosphérique, tempêtes, brassages dynamiques avec la couche sous-jacente, etc.) et la succession estivale des différentes phases de production planctonique (Pokorny, 1984). Ainsi, en 1985, la température élevée du mois de mai a très rapidement engendré une intense prolifération algaire et, corrolairement, une forte augmentation de la concentration en oxygène dissous dans la couche superficielle (Fig. 24). La brusque diminution superficielle de juin (Fig. 25 - 30) peut s'expliquer par les effets conjugués de la détérioration météorologique et Page 15 du comportement microbiologique. En effet, au début de ce mois, il s'est produit un net refroidissement accompagné de vents- violents, confirmés par les enregistrements de l'Observatoire Cantonal de Neuchâtel, essentiellement les 8, 9, 10, 12 et 14 juin 1985. Les vagues ainsi générées1ont créé un mélange des eaux superficielles très oxygénées avec celles de la couche sous-jacente nettement moins riches. De plus, tout au long de la période de production planctonique, il s'établit un relais entre les populations phytologiques, les populations zoologiques et le potentiel nutritif. Il a été suggéré ailleurs (Schelske et al., 1983; Currie and KaIff, 1984; Gächter and Hares, 1985) qu'après une consommation exagérée des phosphates biodisponibles, une association planctonique ne pouvait plus se développer; elle marquerait même une rapide régression temporaire. Cette accalmie provisoire peut toutefois provoquer un réapprovisionnement phosphorigue capable d'alimenter le renouvellement algaire symbolise, au début juillet, par la réapparition du pic positif de la concentration en oxygène dissous dans l'épilimnium (Fig. 26). Parallèlement à ce problème phytosociologique, le lac de Neuchâtel subit également, vers le milieu de l'été, une forte poussée de zooplancton qui consomme la population algaire du printemps et corrobore ainsi à la disparition de la couche épilimnique sursaturée en oxygène (Pokorny, 1983). A l'épuisement de ce stock alimentaire, la population zooplanctonique s'estompe et cède à nouveau la place dominatrice au règne végétal. Cette alternance, conditionnée par un déséquilibre entre les sources d'approvisionnement nutritif et les populations planctoniques, peut se prolonger tout au long de l'été. Ainsi, tant en 1985 qu'en 1986, une fine tranche aquatique de surface appauvrie en 02 dissous se développe durant la deuxième quinzaine de juillet (Fig. 27). A 5 m de profondeur, les isoplèthes de concentration, comprises entre 7.0 et 10.5 mg 02/1, définissent même une zone très atteinte par ce phénomène (Fig. 31). Durant les mois suivants, la concentration épilimnique reste constamment supérieure à celle de la thermocline. Dans le métalimnium, une chute marquée de l'oxygène dissous s'initie à la suite de la première production planctonique printanière (Fig. 26). Sur les profils verticaux, un pic négatif s'individualise progressivement au cours de l'été pour atteindre un déficit proche de 2.5 mg/1 par rapport à la couche sous-jacente à l'approche des brassages d'automne (Fig. 28). Dans le même intervalle, le PH subit une attenuation très significative et la conductibilité augmente fortement (Fig. 29: A-B-C). La simultanéité de tous ces phénomènes au niveau de la thermocline serait imputable au début de la minéralisation de la biomasse. En effet, la rapide diminution thermique développée dans le métalimnium engendre une nette élévation du gradient de viscosité de l'eau qui va causer un ralentissement appréciable de la vitesse de sédimentation des particules. Comme la majorité de celles-ci sont organiques, elles subissent durant cette période un début de degradation responsable de la consommation de l'Oxygène dissous et de l'abaissement du PH. Page 16 Dans l'hypolimnium, les variations verticales sont ténues au cours d'une campagne; seule la couche benthique subit une désoxygénation estivale dont le seuil ne s'abaisse toutefois jamais au-delà de quelque 7.5 mg/1 en fin de saison {Fig. 28-29: A). Par contre, quelques observations conjointes réalisées sur le lac de Morat en juillet 1986 y révèlent une situation beaucoup plus précai re; la concentration de l'hypolimnium est voisine de 1 mg 02/1 (Fig. 32). Lors d'une campagne, l'évolution verticale de l'oxygène dissous se manifeste de manière comparable sur toutes les stations d'un profil longitudinal (Fig, 33). Dans l'épilimnium, lors d'une grande production çhotosynthétique d'oxygène, sa mise en évidence est généralisée sur toute la surface appréhendée. Au niveau de la thermocline, 1'appauvrissement caractéristique des réactions bia-géochimiques s'étale également sur toute la masse d'eau hypolimnique bien oxygénée. A proximité du fond, cependant, la consommation d'oxygène commence toujours à une altitude comparable à partir de l'interface sédimentaire, quelle que soit la profondeur de la station. Les isoplèthes de concentration suivent ainsi le profil bathymétrique du lac (Fig. 33) et définissent une couche benthique moins oxygénée confondue avec la couche thermique (Fig. 17) qui recouvre le fond lacustre. il faut toutefois noter que si la tendance générale de l'évolution verticale est similaire sur toutes les stations, la concentration absolue de l'oxygène peut notoirement varier d'une région S l'autre {Fig. 31). En septembre 1985, par exemple, des disparités appréciables ont été enregistrées à proximité de la surface. A 5 m de profondeur (FIg. 34), une meilleure oxygénation se développe au-dessus de la Motte et sur le plateau côtier de la rive Sud. A 20 m (Fig. 35), les eaux de ce même plateau demeurent plus riches en 02 dissous que celles qui s'étendent devant la ville de Neuchâtel. Page 16 A Metres FlG 24: 02 DISSOUS - NPLPINE -15 -30- -45 -60 -90 -165 -120 -135 -150 10 12 13 H 15 16 mg/1 FIG. 24: Profil vertical de la concentration en oxygène dissous lors du développement phytoplanctonique maximal, le 19 mai 1985. Metres FIG 25: 02 DISSOUS. - BEVftIX -ts -30 -45 -60 -75 -90 -105 -120 -135 -150 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 mg/l FlG. 25: Profil vertical de la concentration en oxygène dissous après des perturbations superficielles, le 19 juin 1985. Page 16 B Metres e -IS' -38 -45 -Ge -75 -99 -185 -128 -135 -15i FIG 26: 02 DÌSS0US - BEVflIX ~9Ti ûTë ïëTs ûTë ïTTs \T.b mg/1 FIG. 26: concentration rétablissement planctonique l'initialisation d'un niveau appauvri, le 4 juillet 1985. Profil vertical de la en oxygène dissous après le d'une forte production superficielle et métalimnique Metres FIG 27: 02 DISSOUS : NMOTTE IB mg/1 FIG. 27: Profil vertical de la concentration en oxygène dissous dans l'épilimnium, le 24 juillet 1985: le pic positif est repoussé au-delà de 10 m par une forte consommation de surface. Page 16 C Metres FIG 28: 02 DISSOUS - NNPLfiINE -15 -30 -«¦ -Ga- -75 -98 -105- -120- -135 -158 il mg/1 FIG. 28: Profil vertical de la concentration en oxygène dissous à la veille des brassages d'automne. L'intensité de l'appauvrissement métalimnique y est maximale {9 octobre 1986). FIS 29^ OREUSE - 09.10.86 -38 -IBS • IM -1ÏS ¦ ise Ì 3 « Il mg/l H-- 02 DISSOUS -GA -15 -» -i« -lia -135 -i 5^w s« zee 27» ^iS/cm ----- C: CONDUCT]V]TE riG.29: Corrélation des divers paramètres physico-chimiques sur le profil vertical d'une station. Page 16 D NCUCH Sehr ARCUSE SPLAINE FIG. 30: Isoplèthes de la concentration en 02 dissous dans un profil vertical du lac, le long de la rive NW, le 21.06.85. La concentration hypolimnique est supérieure à celle de surface (Echelle horizontale: 1 cm - 1.23 km). Yverdon FIG. 31: Courbes isoplèthes de la concentration en oxygène dissous à 5 m de profondeur, le 24 juillet 19fi5. Une zone fortement affectée par la consommation planctonique se développe au-dessus de l'extrémité NE de la Hotte. Page 16 E Metres FIG 32: 02 DISSOUS - MORAT -?e -38 -48 -5B 15 mg/1 FIG. 32: Profil vertical de la concentration en oxygène dissous dans un lac fortement marqué par la pollution anthropique, le 22 juillet 1986. 1I ' ' ' r ' r ' ' i HEUCR SEKR AREUSE BEVAIX SPLAINE FIG. 33: Evolution de la concentration en oxygène dissous dans une coupe verticale de la vallée HW du lac, le 4 juillet 1965 (Echelle horizontale: 1 cm - 1.23 km). Page 16 F FIG. 34: Courbes isoplèthes de la concentration en oxygène dissous à 5 m de profondeur, le 18 septembre 1985. FIG. 35: Courbes isoplèthes de la concentration en oxygène dissous à 20 ra de profondeur, le 18 septembre 1985. Page 17 C. Le PH L'évolution annuelle du PH est comparable au comportement ?énérai de la concentration en oxygène dissous. Ensemble, Is sont souvent le reflet de processus et de réactions concertés. L'oxygène est essentiellement conditionné par la respiration et la photosynthèse des populations planctoniques et par la minéralisation de la biomasse. Or ces activités influencent directement le taux de concentration du C02 dans l'eau qui détermine finalement son PH. La photosynthèse algaire consomme beaucoup de C02 et provoque ainsi une augmentation notable du PH des eaux de surface. La respiration, au contraire, contribue a son abaissement par production de gaz carbonique. De même, lors de la dégradation et de la minéralisation de la matière organique, le PH raétalimnigue, tributaire de la production de C02, marque une diminution conjointe a celle de la concentration en oxygène. Le PH d'une eau douce naturelle dépend également de la variation du C02 causée par les réactions de précipitation et de solubilisation des carbonates et des bicarbonates. Les effets les plus sensibles se manifestent en été, lorsque l'élévation de la température provoque une précipitation carbonatée accélérée qui induit une alcalinisation de la masse aquatique. L'évolution annuelle de ces processus peut être observée sur les profils verticaux enregistrés dans le lac de NeuchStel. 1. Présentation des résultats: Au printemps, l'éveil de la végétation algaire de la couche photique provoque une élévation du PH diurne jusqu'aux environs de 8.5 par une intense consommation de C02 (Fig. 36: A). Cette tranche plus alcaline s'épaissit rapidement et s'enfonce dans les eaux sous-jacentes ou le PH diminue progressivement avec la profondeur, sans marquer de rupture métalImnique nette (Fig. 36: B). vers la fin mai, par contre, la régression alcaline du PH s'accentue intensément à la base de l'épilimnium; elle crée ainsi une scission nette entre les couches superficielles et 1'hypolimnium. En-dessous de cette brusque rupture du profil vertical, le PH demeure presque constant dans toute la colonne d'eau profonde (Fig. 37). A partir de la mi-juillet, les profils verticaux des deux années d'observation présentent une évolution similaire jusqu'en automne. Au-dessous du PH élevé de la tranche superficielle, un pic négatif s'individualise et s'intensifie progressivement dans la couche thermoclinique (Fig. 38). Son développement est optimal vers la fin de la période estivale de stratification thermique (Fig. 39). Dans 1'hypolimnium, les variations du PH sont très ténues dès que les effets du saut thermique se sont estompés; à proximité du fond, le PH subit toutefois une légère diminution parallèlement à 1'affaiblissement de la concentration en oxygène dissous (Fig. 37 - 38 - 39). Page 18 2. Discussion des résultats: Le 19 juin 1985, les incidences des vents d'Ouest qui avaient fortement atténué la production d'oxygène ne paraissent affecter que succintement le PH épilimnique qui demeure élevé (Fig. 40: A). Seule l'ébauche d'une couche moins basique au niveau de la thermocline pourrait attester de leur répercussion. L'individualisation de cette couche plus ou moins épaisse pourrait être due à la dégradation des particules organiques produites par la mort du phytoplancton (Fig. 40: A) ou au développement d'une population zooplanctonique. Le 21 juin, soit seulement 2 jours plus tard, le PH de surface a subi une nette diminution (Fig. 40: B). De même, entre 20 et 40 m, son abaissement est bien plus intense que le 19 juin. Il semble ainsi que la réaction acido-basique réagisse spontanément mais avec une certaine inertie sur les processus de photosynthèse et de respiration planctoniques. Au début juillet des années 1985 et 1986, le retard de la réaction du' PH métalimnigue est similaire; alors que l'oxygène dissous développe déjà une magnifique couche appauvrie (Fig. 26), il ne marque pas encore de net affaiblissement au niveau du saut thermique (Fig. 41). Le 1er juillet 1986, il est intéressant d'observer les disparités du PH qui régnent sur les stations d'un profil transversal Areuse - Portalban (Fig. 42). Les 2 stations situées sur les versants NW (PR 3) et SE (PR 5) de la Motte montrent un PH affaibli, proche de 7.8. Dans les 2 vallées profondes et à proximité des côtes, au contraire, le PH demeure supérieur a 8.0 (PR 2 - PR 6). Cette observation tendrait à démontrer que l'oxydation des matières organiques créant un fléchissement du PH sur les flancs de la Motte s'atténuerait progressivement au-dessus d'elle et des zones profondes où la precipitation carbonatée aurait déjà été amorcée. En effet, les processus de dégradation et de minéralisation des particules organiques conduisent a une désalcalinisation de la masse d'eau et, corroiairement, amenuisent la réaction de précipitation des microcalcites, selon la formule: 2 HC03" + Ca*4 *==* CaC03 + C02 + H20 L'ensemble des observations récoltées peut être résumé par la représentation des isoplèthes annuelles du PH d'une station (Fig. 43 - 44). Dans 1'épilimnium, elles sont presque horizontales; les légères ondulations qu'elles présentent, au cours des 2 années d'observation, sont caractéristiques des relais entre les populations phytoplanctoniques qui élèvent le PH et les populations zooplanctoniques qui peuvent l'abaisser. La limite métalimnique est très nette; elle est soulignée par le passage à des courbes isoplèthes verticales, représentatives de 1'ensemble de 1'hypolimnium. Au-dessous de la thermocline, la profondeur n'affecte donc pratiquement pas le PH journalier. Par contre, l'alcalinité aquatique profonde varie succintement d'une campagne à l'autre, tant Page 19 en 1985 {Fig. 43) qu'en 1906 (Fig. 44). Dans un profil vertical réunissant les stations de la vallée septentrionale profonde du lac, les courbes d'iso-PH subissent une scission ¦ identique entre l'épilimnium et l'hypolimnium (Fig. 45). En profondeur, les disparités alcalintétriques demeurent très ténues. Elles pourraient être affectées par les apports fluviatiles, plus acides, car les atténuations se manifestent régulièrement au large de l'Areuse (Bapst et KÜbler, 1987). Le 21 juin 1985, les vents violents d'Ouest peuvent être à l'origine du déplacement occidental de la masse aquatique moins basique {Fig. 45). Au cours d'une campagne, telle celle du 18 septembre 1985, les différences régionales peuvent être appréciables (Fig. 46). Le PH le plus élevé se trouve alors sur les zones peu profondes de la rive Sud et de la notte qui constituent des régions très propices à subir une précipitation carbonatée accentuée. Au large de l'embouchure de la Serriêre, le PH marque une évolution verticale particulière. Dès le debut de l'observation, en mai 1985, il présente une atténuation significative entre le métalimnium et 40 - 50 m de frofondeur (Fig. 47: A). Les autres stations de cette poque sont toutes exemptes de cette caractéristique (Fig. 36: B). Au mois de juin, cette particularité subsiste alors qu'en cours d'été elle s'atténue ou va se fondre dans le comportement général de l'alcalinité du lac (Fig. 47: B 38). L'observation de ces résultats semblerait indiquer qu'une intensification spatio-temporelle des mesures printanières du PH permettrait de déterminer la profondeur et l'orientation des eaux de la Serriêre dans celles du lac de Neuchâtel. Page 19 A Metres 0 -15 -30 -«5 -60 -75 -98 -185 -120 -135 -15S FIG 36: PH — ft: NPLOlNE -_ 8: BEVAIX 7.8 e.i 8.4 9.e PH FIG. 36 : Evolution verticale du PH en période printanière, le 2 mai 1986 (A) et le 19 mai 1985 (B). Metres FIG 37: PH - NPLOINE -15 -30 -«5 -G0 -75 -90 -105- -120 -135 -15i 27.05.86 ï.s 8.1 6.* B.7 9.0 PH FIG. 37: Intensification du PH épiliranique et identification d'une rupture nette au niveau du métalimnium. Page 19 B Metres FIG 38: PH e -15 -38 ¦ *5 -G8 -75 -98 -185 -128 -135 ••A --- O: RREUSE -_ B: PREUSE .... C: NPLfUNE 7.8 8.1 8.4 8.7 9.8 PH FIG. 33: Développement estival de la désalcalinisation métalimnique, le 16 juillet (A), le 9 août (B) et le 18 septembre 1985 (C). FIG 39: PH - NNPLAINE fi: 03.10.86 -- B: 28.18.86 8.7 9.8 PH f,ïG-, 39: intensité maximale de la désalcalinisation métalimnique en fin de période de stratification thermique (A) et attenuation par les prémices des brassages automnaux B). ' Page 19 C Metres FI6 40 fl: PH - 19 JUIN 1985 -15 -30 -45 -GB -75 -W -185 -120 -135 -150 BEVO IX e.e e.) B.2 8.3 e.4 8.s e.6 PH Metres FIG 40 B: PH - 21 JUIN 1985 e -15 -30 -45 -GB -75 -38 -165 -126 -135 -I507 SPLAINE 3 B. 8 8.1 8.2 8.3 6.4 8.5 8.6 PH FIG. 40:A-B: Evolution verticale du PH durant une deterioration météorologique (A) et 2 jours plus tard (B). at»» Metres Page 19 O FIG 41: PH - BEVfiIX 8 -151 -39 -45 -BB -75 -98 -IBS -128 -135 -158, 04.07.65 7.B 8.1 8.4 8.1 9.8 PH FIG. 41: Evolution verticale du PH à l'aube de la période estivale. VM FIG. 42: Profil PH sur une coupe verticale perpendiculaire au lac, entre l'embouchure de l'Arèuse et la rive Sud, le 1er juillet 1986 (Echelle horizontale: 1 cm - 0.41 km). Page 19 E 1— 0130 BE i— OUO 6 P O O 3W Q Z i-i se< CU J Oi O Z T) 2 (U C ^ O (B-H C O U -H 3 AJ U 3 Hlfi OtO >c* U-H Ol • • 'QJ *» C ^r C «J Ih « -H O IH * InTJ (¦1 HnsattoJOUd -0100 TC l_ IVH 61 « — OJ EC • a. cti 3 M XJ W 4> C -H O Rl ~4 u -u -. m U U) > « -H C O w -H 3 OCO ..»OJ m c •** C Q O fc.*0 [«] unsaHOiowd Page 19 F in Sl CO a> (71 C9 Œ m c\ I I 1 ^ 1 1 I I ¦^ b™,\r *" " S « « ? 3 s r 3 P-H U)-4 4-> *» > C H^ O ¦HUN • C l-l -H -H 0 0) 4J-H > OJ « *J 1OIK) 4J c a> c m OKO 4Jx: 4J ai 3 O A >-i H p IjjJ O O 3 3 >X) 0>A UE-H VU ID »cm ¦•HOT) I- U ^r r '¦ CD V m J- un W ^ SRS S S ST ST 0130 «t «1 IO (U 3 (L»cs *o w T)O* « Oi» 6 ^H QJ n nmu m s — .-( C u £ < m e U H u « > W -h - M HJ U *J^H C > UOV »I 4) 0) «~H I Vi Vj >TJ ¦W H MOY I H U) tz ahi tj OHJ iinr rt C D -H C3 0 O *J — -H U 3 «i iinr i JJ •H4JW Hinr ti rl3Z O « M e e > •< o > mnr 9 MD Cu f-l 1Q> U IW tt CQ-rt « IYS CI r)J3 O " J3 JJ IYK Z l/J -^t -H m •»* OJ JJ *> IT) JJ U (D U —. 3 JJ DZ • ¦a « .•a m O C O C CQ M O * MOD Cu U~H fu U < Page 22 O FIG. 54: Courbes isoplèthes de la conductibilité à 5 m de profondeur, le 21 juin 1985. F1IG. 55: Courbes isoplèthes de la conductibilité à 50 m de profondeur, le 18 septembre 1985. Page 22 E Metres FIG 56: CONDUCTIBILITE - 01.07.86 -IS -38 -45 -GB -75 -98 -185 -128 -135 -,5¾. «e ----S 256 268 278 288 298 ----- PRl - - flREUSE --. - PR3 388 jjS/cr FIG. 56: Diminution de la conductibilité lacustre à partir de l'embouchure de l'Areuse (PRl) vers le large (PR3|. 0 -| _i__ ----------1------------- ¦_______ ¦ -----------«- -IO " -l**-"-"*"^-— -to -JO - \ -M> ---------- 2«0_____J —- les— ~~^~~y -30 ¦ -HO ¦ -M -SO ili — -SO -60 - -BO -TO - -TO -eo • -(O -to ¦ -M -IOO- V -100 -110 ¦ , -110 -IÎO y / t -IW -Ul -iso SFLA HE ' I ' ' I ' CONCI OKHBMS 1 1I1I1I CHAMPA CORCE C JIAMl FIG. 57 : Influence bathymétrique sur le comportement des lignes d'iso-conductibilité dans une coupe verticale du haut-lac, le 25 juillet 1986 (Echelle horizontale: 1 cm - 1.306 km). Page 23 E. Conclusion L'appréciation et la compréhension des interdépendances entre les paramètres physico-chimiques conduisent à formuler une description annuelle du comportement biologique, mînéralogique et sédimentologique du milieu lacustre dont l'interprétation ultérieure pourra être soutenue par l'analyse turbidimétrique. En effet, à l'aube d'un nouveau c^cle limnologique (à la fin de l'hiver), le soleil rechauffe la surface du lac. La capacité nutritive étant suffisante, les populations algaires peuvent se développer très rapidement dans la zone photique. La photosynthèse de ces organismes va produire une sursaturation d'oxygène dans l'épilimnium et engendrer une grande consommation de gaz carbonique. Parallèlement a son assimilation chlorophyllienne, le C02 peut aussi s'échapper dans l'atmosphère à la suite de l'élévation thermique; la prédominance d'un de ces deux processus sur l'autre n'est toutefois pas aisée à démontrer (Kelts and HsU, 1978). Leur complicité procure en tous cas une élévation du PH et une diminution de la conductibilité (Fig. 58) qui vont créer de nouvelles conditions physico-chimiques pour 1'indice de saturation de la calcite et sa précipitation ultérieure. Durant l'été, la tranche épilimnique réchauffée s'épaissit progressivement. Elle est accompagnée par une amplification simultanée de la couche supérieure moins conductrice. La thermocline est soulignée par une forte consommation d'Oxygène et un abaissement du PH (Fig. 59); ces deux derniers phénomènes, tributaires des réactions de dégradation des particules organiques en décantation et provisoirement ralenties sur le gradient de viscosité, se raffermissent jusqu'en automne (Fig. 29). A proximité du fond, l'évolution estivale voit également l'amplification de processus amorcés à la fin du printemps: consommation d'Oxygène, abaissement du PH et légère élévation de la conductibilité (Fig. 59-29). Le développement simultané de ces nouvelles conditions physico-chimiques pourra être mis en relation avec l'individualisation d'une couche néphéloïde profonde (chap. III.4). Bien que la plupart des réactions demeurent épilimniques, leurs conséquences se répercutent ainsi sur toute la colonne d'eau. A leur mort, les particules planctoniques se décantent, accompagnées des néocristaux de calcite; lors de leur minéralisation, elles enrichissent les couches profondes en C02 et consomment de l'oxygène. Tout au long de l'année (Fig. 58 - 59 - 29), les variations thermiques, l'alternance des populations phyto- et zooplanctoniques caractérisées par les fluctuations de l'oxygène dissous et du PH, la précipitation des carbonates déterminée indirectement par la diminution de la conductibilité de l'eau et les brassages hydrodynamiques de surface vont ainsi conditionner le comportement quantitatif et qualitatif des particules en suspension dans le lac de Neuchâtel. Page 23 A • B « 5 S 3 S S CD OO CS) CSJ Ci Si hi qo w to a CO LT) Page 23 B OJ U"> CD l/ï Ö & Ul ID \ft g> i/i a> m œ sssa U) V)IQJ C OJ 4J n 3 -H •rH rrR 4-1 -H —1 «1 CT X -H O « kl ,-H Ll ffl O Û. > U T) >v« C. VI *J ai (Il Tl U) Fi r "l n ¦H C -H n O 4J R -H •H -Vl 4J1O-H (J C O 4J O U »Ol ¦n R C O 4) U U) ~H S) T3 ans ». Tt fTi U) 1/1 9) VI fH Ql n—ixt O At C -H > n 4J ^H M O U 4J H U) Ib > O)TJ CT) in as *n m in m — m » io S S S R S S Page 24 III. TURBIDIMETRIE III.l La concentration particulaire. A. Méthodologie Les échantillons sont récoltés avec une bouteille océanographique "Niskin" de 10 litres. Après le prélèvement, un litre de solution est soustrait du volume total et immédiatement formole. La détermination quantitative des particules solides est ensuite réalisée le plus rapidement possible en laboratoire. L'échantillon est filtré sur une membrane SARTORIUS de 47 mm de diamètre et 0.45 ,um de porosité, selon les méthodes régulièrement employées en océanographie (Kanheim et al., 1970; Meade et al., 1975; Drake, 1977). La concentration particulaire est déterminée par la pesée du filtre chargé et desséché à laquelle on soustrait son poids initial mesuré sous des conditions strictement identiques. La pesée du filtre en nitrate de cellulose est effectuée après l'avoir soumis à un rinçage préliminaire à l'eau distillée, à une exposition d'une heure dans une étuve à 105 0C et à une stabilisation thermique dans un dessicateur pendant 2 heures. B. Résultats L'évolution annuelle de la charge particulaire du lac a été abordée par la récolte mensuelle d'échantillons entre avril 1984 et mars 1985, selon le calendrier déjà décrit (Tableau 1: chap. I.2.A). L'analyse se réfère à 174 échantillons dont la profondeur, la localisation et la période de prélèvement sont différentes. La moyenne générale de la concentration des particules en suspension dans le lac de Neuchâtel se situe à environ 1.6 mg/1; en comparaison, le Léman compte 1.8 mg/1 et le lac de Zürich 2.2 mg/1. Le lac de Brienz, tributaire d'apports fluviatiles considérables, peut atteindre 25 mg/1 (Sturm, 1985). Toutefois, au-delà d'une moyenne annuelle théorique, la concentration des M.E.S. évolue considérablement en cours de saisons. La charge est importante en juillet et les plus faibles teneurs se rencontrent en décembre (Fig. 60). De plus, lors de chaque campagne, la répartition verticale moyenne est très hétérogène; elle évolue mensuellement de manière individuelle dans chaque couche d'eau (Fig. 61 - 62). Sur une seule station, l'observation de l'évolution annuelle de la concentration particulaire des isobathes permet d'illustrer les époques où règne une similitude ou une disparité entre l'epilimnium (5m) et les couches profondes (Fig. 63). C. Discussion L'origine des particules en suspension dans un lac peut être allocatone ou autochtone. Leur concentration dépend de l'évolution des sources d'apport (affluents, atmosphère, etc.), des processus chimiques internes (précipitation, coagulation) et du développement planctonique. De plus, des remises en suspension et des éboulements subaquatiques Page 25 peuvent aussi enrichir les couches aquatiques profondes en matières solides. Les effluents, par contre, amenuisent le bilan particulaire du milieu lacustre (Sturm, 1985). L'approche des apports allochtones n'a pas été abordée dans toute son acuité. En effet, le bassin du lac de Neuchâtel compte un très grand nombre de petits affluents, quelques rivières moyennes, mais aucune source fluviatile prédominante susceptible de réunir une part prépondérante des matériaux détritiques. De plus, l'évolution annuelle des débits et des charges de tous ces cours d'eau subit d'innombrables et intenses fluctuations tributaires des conditions météorologiques. Une étude exhaustive aurait donc nécessité un échantillonnage en continu de plusieurs rivières en cours d'année, ce qui serait considérablement sorti du cadre de ce travail. Il est ainsi rapidement apparu utopique de vouloir tenter d'établir un bilan annuel sérieux des apports particulaires. Toutefois, des prélèvements mensuels dans les 5 plus importants affluents et dans l'émissaire de la Thielle ont permis de déceler le cadre dans lequel pouvait évoluer la charge des cours d'eau périlacustres. En-dehors des périodes de crues (orages, tempêtes: Areuse - novembre 83, fonte des neiges, etc.), l'intensité des apports détritiques sous forme particulaire demeure très faible (Tableau 4). TABLEAU 4: Mesures mensuelles de la concentration en M.E.S. (en mg/1) des 3 principaux affluents du lac de NEUCHATEL et de son exutoire du canal de la Thielle. MOIS I AREUSE | THIELLE | BROYE | THIELLE (canal) 25.08.83 3.78 2.52 7.57 7.55 31.10.83 0.71 2.38 2.20 4.29 29.11.83 22.75 5.55 8.84 23.01.84 1.39 2.24 - 10.75 27.ÒV84 5.38 5.62 9.47 5.03 25.05.84 \ 7.00 2.80 8.31 7.85 15.06.84 2.00 2.68 7.52 5.13 09.07.84 3.28 3.25 8.40 4.42 03.08.84 2.40 3.16 8.44 3.32 07.09.84 5.85 3.22 11.52 5.68 02.11.84 3.04 3.40 3.78 2.17 05.12.64 0.77 2.28 2.28 4.66 Page 26 Dans le lac proprement dit, nous avons déjà noté la prépondérance de 1'activité phytoplanctonique printanière qui régit l'état physico-chimique des eaux de surface. De même, nous avons suggéré que la diminution estivale de la conductibilité était due à la précipitation des carbonates de calcium. Bien que nous ne débattrons que plus tard de la nature et du comportement des particules autochtones (chap. V.3), il apparaît clairement qu'elles influencent directement la concentration des particules en suspension. Au printemps (mai et juin), la charge maximale est épilimnique (Fig. 61-63-64); c'est surtout du phytoplancton. En juillet, la concentration s'homogénéise a travers les différentes couches d'eau par la décantation des particules biologiques qui vivaient dans la zone photique et par la précipitation des microcristaux carbonates (Fig. 61-63-64). En août, la concentration particulaire subit une diminution généralisée (Fig. 63), alors qu'en septembre, une reprise sensible caractérise l'ensemble de la colonne d'eau (Fig. 62-63-64). Vers l'arrière-automne, les brassages dynamiques produisent une excellente homogénéisation. En décembre, la concentration moyenne s'atténue distinctement (Fig. 63 ), à l'exception de l'eau hypolimnique de la vallée méridionale du lac (Station D) (Fig. 64). Il arrive en effet que de fortes densités particulaires puissent apparaître épisodiqueraent et localement à proximité du fond. Elles nous conduiront à postuler, avec l'aide de l'observation des profils turbidimétriques, l'existence de courants sous-lacustres capables d'engendrer des remaniements ou des remises en suspension des sédiments d'interface. Le 4 juillet 1984, une campagne d'échantillonnage de 14 stations réparties sur tout le lac a permis de réaliser une couverture globale du lac. La concentration moyenne atteignait alors 1.9 mg/1. Au-delà du plateau côtier (plus de 30 m de profondeur), la charge particulaire de l'eau du fond diminue avec l'augmentation de la profondeur du site de f relèvement (Fig. 65). Seules les stations III B et III D, l'embouchure profonde de l'Areuse et au large de Portalban, présentent un écart vers des concentrations plus prononcées. Elles atteignent environ 2.2 mg/1 alors que les autres stations de profondeur comparable ne dépassent guère 1.0 mg/1. Echantillonnées durant les campagnes mensuelles, ces deux stations présentent toutefois régulièrement des charges plus élevées. L'atténuation vers les zones de grande profondeur pourrait s'expliquer par la vitesse de chute de la "pluie" particulaire qui atteindrait plus tardivement ces aires sédimentaires (voir chap. III.4.B). A cette date, le volume aquatique du lac (14 km') contient plus de 25000 tonnes de matières solides en suspension; sa moyenne annuelle, calculée sur la base d'une concentration voisine de 1.6 mg/1, s'élèverait à 23000 tonnes. mg/1 FIG 60: CONCENTRATION des M.E.S. 3.e 2.5 2.0 LS 1.8 e.5 a.e Î ; Î d 3 l > 2 D 3 O u 1 S -> -> < co O tu Z O MOIS FIG. 60: Evolution annuelle de la concentration moyenne des particules en suspension dans le lac de NeuchStel obtenue par l'analyse mensuelle de 18 échantillons récoltés sur le profil III (FIG. 8) et les 5 stations de pompage périlacustres. Metres F16 61= CONCENTRATIONS MENSUELLES -se -100 -ist MOI 1984 --©JUIN 1984 ---•JUILLET 1984 .0 0.5 1.0 l.S 2.0 2.S 3.0 mg/1 FIG. 61: Evolution verticale de la concentration moyenne des M.E.S. lors des campagnes mensuelles de mai, juin et juillet 1984; elle est calculée à partir des échantillons du profil III (à 5 - 30 - 80 m et à 1 m du fond) et des 5 stations de pompage (30 m). Page 26 B Metres FIG 62: CONCENTRATIONS MENSUELLES Bi -se -tee —Q SEPT 1984 --oNOV 1984 ---*DEC 1984 Le a.5 i.e 1.5 2.B 2.5 3.e mg/1 FIG. 62: Evolution verticale de la concentration moyenne' des H.E.S. lors des campagnes mensuelles de septembre, novembre et décembre 1984; elle est calculée à partir des échantillons du profil III (à 5 - 30 - 80 m et à 1 m du fond) et des 5 stations de pompage (30 m). FI6 63: CONCENTRATION des M.E.S. STATION ft -oSTPJION ft -?STATION ft MOIS 5 H 38 H 48 H FIG. 63: Evolution annuelle de la concentration à la station III A, proche de l'embouchure de l'Areuse (FIG. 8). Page 26 C in OO LT) CD Z LO O UJ O LO LO L/l a; a: CD O S 8 S S S . Î W Q) Q)Mt) "OrH > W 0> .-1 -o ^H ffl C OJ O 3 tw UMO C n Ij OJ n Oj E ai « Cr-I C OrH ~M JJ > JJ io- ni JJ U H Q JJ C M a m m U 4) M C-t O JJ U 4) 3 — LO CO LO CU U-! cn LO LD ¦o r- ¦ - ijj UUO 1-4 • Lj V I u. E a S 3 3 S Page 26 D Metres FIG 65: CONCENTRATION DES 0, MES P IM DU FOND -30 / T /O / -60 ¦! / -90 9 / B 7 P ' E III D / / / /? ? III B / 1.0 0.5 1.0 1.5 2.9 2.5 3.0 mg/1 FIG. 65 : Concentration des particules en suspension à 1 m du fond du lac selon la profondeur de la station, le 4 juillet 1964. Page 27 III.2 Le turbldimètre A. Le principe de mesure. Les mesures de la turbidité sont réalisées avec un Diffusiomètre Intégrateur Léger (DIL) associé a la sonde originale HPTC-84 de Züllig AG. Il a été construit par cette même entreprise, selon la conception de PROSPER, groupe de recherche océanographique associe à l'Université de Neuchâtel, qui a lui-même bénéficié des expériences réalisées en France, au LPCM de Villefranche-Sur-Mer par D. Prieur (F. Nyffêler, coram. pers.). L'acquisition des résultats et leurs traitements graphiques sont similaires â ceux des paramètres physico-chimiques. Le diffusiomètre, ou néphélomètre, évalue la concentration des particules en suspension à partir de leur diffusion lumineuse. Un pinceau lumineux rouge collimate traverse un échantillon diffusant (eau lacustre, marine, etc,) d'épaisseur fixée. On mesure alors la variation d'intensité des rayons "directs" due a l'absorption et la fraction de lumière diffusée sous un petit angle (2 à 5 degrés). Pour les faibles concentrations particulates, le rapport du flux diffusé au flux direct est proportionnel au coefficient de diffusion du milieu observé. L'appareil est constitué de deux caissons étanches où sont logés les blocs "source" et "réception", ainsi que l'électronique associée. Trois colonnettes les relient rigidement et permettent le maintien et le centrage d'un diaphragme médian. L'appareil est alimenté au moyen d'un connecteur étanche dont deux contacts sont utilisés pour la transmission des signaux. Le "point source", placé dans le plan focal d'une lentille plan convexe, est constitué par une pastille diffusante collée sur un diaphragme et éclairée au moyen d'une diode lumineuse. Le diamètre du faisceau est déterminé par un diaphragme accolé a la lentille. Deux photo-diodes mesurent le flux direct et les rayons lumineux diffusés sous un angle compris entre 2 et 5 degrés (C-H. Godet, comm. pers.). B. L'étalonnage. Les premiers essais d'étalonnage électronique ont été réalisés avec des solutions d'eau dégazée chargées de différentes concentrations de particules minérales, le plus souvent avec des argiles. Malheureusement, 1'homogénéisation consécutive aux rajouts successifs de nouvelles concentrations n'a jamais permis d'obtenir des résultats probants. Malgré un intense brassage réalisé par un dispositif en circuit fermé engendré par une pompe péristaltique, la turbidité de l'eau d'étalonnage subissait une constante atténuation avec le temps, après avoir atteint un maximum quelques minutes après un nouvel apport particulaire. Cette diminution pouvait même conduire les mesures à des valeurs inférieures à celles de la concentration précédente. Aucune explication unilatérale n'a pu être formulée pour expliquer cette disparition progressive des particules en suspension, il nous parut ainsi illusoire de poursuivre la réalisation d'un étalonnage Page 28 direct entre les mesures électroniques et les concentrations particulates. C'est pourquoi nous ¦ avons passé par une étape intermédiaire, caractérisée par la mesure électronique de concentrations turbiditiques produites par une solution chimique. Il s'agit d'une solution colloïdale de FORMAZIHE, mélange de 5 g de Sulfate d'Hydrazine (N2 H6 S04) et de 50 g d'Hexaméthylène tétramine (C6 H12 N4 ) dans 1 litre d'eau bidistillée filtrée (Rodier, 1978). Cette solution correspond à 40Op FTU (FORMAZIN TURBIDITY UNIT). L'étalonnage est basé sur l'adjonction répétée de 0.5 ml de cette solution dans 2.5 1 d'eau filtrée et dégazée pour empêcher la formation de bulles. La courbe (Fig. 66) est parfaitement linéaire pour des concentrations inférieures a 4.8 FTU, domaine englobant largement les valeurs turbidimétrigues du lac de Neuchatel. Cependant, la relation expérimentale avec le poids sec des particules en suspension est très complexe. Elle dépend étroitement des propriétés physiques des particules et de leur composition, organique ou minérale. Or, les particules de l'épilimnium sont essentiellement composés d'organismes planctoniques qui produisent une diffusion lumineuse différente de celles des particules hypolimniques, à majorité minérales. Toutefois, a la suite de nombreuses mesures turbidimétriques concertées avec des pesées de résidus secs, il nous parait convenable, à titre indicatif, d'attribuer une relation expérimentale proche de l'équation suivante: CONC (mg/1) - 1.7 * CONC (FTU) Cette relation est satisfaisante lorsque les particules en suspension sont essentiellement minérales. En effet, lors de mesures en laboratoire sur des eaux troubles récoltées en hiver dans le canal de la Thielle et mélangées selon diverses proportions avec de l'eau de robinet, la relation expérimentale est remarquablement constante autour de 1,7. Par contre, lors de mesures in situ dans le lac en juillet 1965, elle dépasse nettement 2.0 dans les couches superficielles riches en plancton; elle se rapproche à nouveau de 1.7 en profondeur, lorsque les particules minérales redeviennent prépondérantes. De même, les mesures acquises lors de missions océanographiques en Méditerranée ont révélé des difficultés semblables pour établir une bonne corrélation entre les concentrations particulates et les appréciations turbidimétriques. Cependant, ces fortes distorsions deviennent plus compréhensibles quand on apprend que des disparités importantes apparaissent déjà entre la pesée de plusieurs filtrations successives du même échantillon récolté lors de ces mêmes missions océanographiques (Aloïsi; corn. pers.). Page 29 III.3 Observations et définitions Les mesures du diffusiomètre intégrateur limnologique {DIL) permettent de poursuivre et d'affiner les analyses de la concentration des particules en suspension réalisées par la pesée des résidus de filtres, d'en suivre l'évolution verticale et surtout d'établir des relations avec les conditions physico-chimiques du milieu. Au cours des deux années d'observation, de mai à octobre, tous les profils présentent une évolution verticale globale comparable: forte opacité de surface, clarté maximale au sommet de l'hypolimnium (vers 30 m) avec légère augmentation de la charge particulaire dans les couches subséquentes ou seulement à proximité du fond. Suivant l'exemple des océanographes (Biscaye and Eittreim, 1977; Nyffeler et al. ,1984), 4 niveaux turbiditiques de la colonne d'eau du lac de Neuch&tel ont pu être établis (Fig. 67): 1. L'EPILIMNIUH: Couche qui, selon la définition limnologique habituelle, englobe la partie supérieure du lac soumise a de grands écarts thermiques, une intense froductivité biologique, une précipitation minérale et une nfluence des vagues. Il est limité a sa base par un saut thermique estival nommé "Hétalimnium". 2. La CLEAR WATER LAYER (CWL): Couche sous-jacente dont l'amplitude dépend du développement de la stratification thermique. Au printemps, elle s'individualise au-dessous des effets épillmniques, au-delà de 30 m de profondeur et peut s'enfoncer jusqu'à proximité du fond. Au début de la période estivale, elle est réduite à quelques mètres d'épaisseur; elle se confond alors approximativement au métalimnium thermique. Dès cette époque, son amplitude se remet à croître. La couche claire se développe à partir du métalimnum, s'amplifie en suivant la décantation particulaire et atteint à nouveau les niveaux profonds à l'approche de l'automne; elle retrouve ainsi une structure semblable à celle du printemps. 3. La PELAGIC NEPHELOID LAYER (PNL): Couche profonde subissant une augmentation turbiditique postérieurement à l'établissement de la stratification thermique et qui constitue une deuxième masse d'eau d'identité propre. Elle pourrait être engendrée par la minéralisation des particules de dégradation algaire qui se décantent ou par la croissance des micro-cristaux de carbonates précipités dans l'épilimnium (Portner, 1951). 4. La BENTHIC NEPHELOID LAYER (BNL): Couche de fond, d'une épaisseur maximale de 30 à 40 m, qui peut être en proie à de très fortes élévations de la charge particulaire. Sa limite supérieure est soulignée par un niveau de turbidité minimale, le CLEAR WATER «INIMUH (CWH). Page 29 A FTU (Diu FTU COiL) : FTU (THEORIQUE) '• FTU (TtCORIQUE) FIG. 66: Courbe d'étalonnage turbidimétrique (FTU) du diffusiomètre intégrateur limnologique (DIL) avec la concentration théorique d'une solution de Formazine dans 2.5 litres d'eau filtrée. *. Concentration EPtUMNUM CWL t. C (max) L... C (cwmî FIG. 67: Paramètres structuraux d'un profil turbiditique typique caractérisé par une forte couche benthique néphéloïdale (BNL). Page 30 III.4 Résultats et discussion A. L'épilimnium: 1. Présentation des résultats: Au seuil du printemps, la colonne aquatique est complètement claire. Puis, après un premier échauffement thermique, une intense prolifération algaire se développe à la surface du lac (WUtrich, 1965; Pokorny, 1983, 1984). Elle induit une opacité de l'eau qui peut atteindre une turbidité de 4 à 5 FTU (Pig. 68). A certains endroits, la densité particulaire s'élève même au-delà de 6 FTU, mais les valeurs d'enregistrement ne sont alors qu'indicatives car elles dépassent l'intervalle de la droite d'étalonnage. Durant le mois de mai, la population phytoplanctonique atteint son développement maximal (Fig. 69 A). Elle subit ensuite jusqu'en juillet un déclin qui peut être causé par la collusion de plusieurs phénomènes: diminution des réserves nutritives, intensification zoologique ou encore brutales perturbations météorologiques. Nous avons montré que ces dernières sont capables d'engendrer d'intenses répercussions sur la physico-chimie aquatique de surface (Fig. 13 - 25 - 40). Or la turbidité de l'épilimnium dépend directement du développement des micro-organismes vivants, eux-mêmeE tributaires des conditions hydrologiques superficielles. Ainsi, tout comme en 1985 (Bapst et Kubier, 1987), une perturbation météorologique de l'évolution turbidimétrique printanière a été mise en évidence en juin 1986. Entamé au cours du mois de mai (Fig. 69 B), le déclin de la population algaire, ou sa dilution, s'amplifie brutalement le 6 juin (Fig. 70 A) alors que des vents violents balayent la surface du lac. A la fin du mois, le retour au calme et l'augmentation thermique favorisent la réalisation de la fin du "bloom" planctonique de surface (Fig. 70 B). Lors des deux années d'observation, l'épilimnium a présenté une structure turbiditigue plus complexe au début juillet. Au-dessous de la couche nephéloïde de surface, un deuxième pic de forte intensité particulaire s'individualise entre 10 et 20 m de profondeur (Fig. 71 A - B - C). Comme une forte consommation d'oxygène a été mesurée simultanément, son origine pourrait être due à l'éclosion du zooplancton vivant Ä ce niveau et qui va provisoirement supplanter les populations végétales. A partir de la mi-juillet, les conditions climatiques estivales susceptibles de conditionner la précipitation carbonatée (Portner, 1951) et de provoquer une deuxième explosion algaire tardi-estivale (Wutrich, 1965) vont maintenir une forte opacité épilimnique jusqu'en automne (Fig. 72); seules de légères oscillations temporaires pourront la perturber. A la fin octobre (Fig. 73), l'intensité néphéloïdale de la Page 31 couche superficielle s'atténue fortement alors que son épaisseur s'accroît distinctement. A cette même époque, des complications imprévisibles viennent s'ajouter sur de nombreuses stations par de brusques variations verticales de la turbidité jusqu'au voisinage de 50 m (Fig. 74). L'interprétation d'une telle structure demeure incertaine (voir plus loin). 2. Discussion des résultats: L'évolution estivale de la turbidité des eaux superficielles du lac de Neuchatel dépend essentiellement des processus biologiques et chimiques internes; les apports fluviatiles apparaissent très ténus durant cette période. Toutefois, leur influence sur la concentration des particules en suspension est difficilement décelable, surtout si l'accent n'est pas mis sur une étude deltaïque fine. Pourtant, en mai 1986, l'influence thermique (Fig. 20) et turbiditique (Fig. 75) de l'Areuse est encore identifiable à une distance appréciable de son embouchure (voir carte: Fig. 10). A cette même époque, l'intrusion de la Mentue peut également s'observer sur une station lacustre (Fig. 76). De même, en juillet, la stratification turbiditique du haut-lac est perturbée par les apports de la Thielle, de la Mentue et de l'Arnon (Fig. 77: A) alors que les caractéristiques estivales typiquement lacustres sont préservées sur les stations profondes plus éloignées (Fig. 77: B). On voit ainsi, malgré les faibles intensités détritiques des M.E.S., qu'il pourrait parfois être concevable d'étudier le mélange et les interactions deltaïques des eaux lacustres avec celles d'un affluent. A la fin de ce chapitre, nous présenterons une illustration remarquable d'une telle structure à 1'embouchure méditerranéenne du Rhône, en été 1986 (Fig. 84: A), B. L'hypolimnium: Selon le schéma structural de la colonne aquatique du lac de Neuchatel défini précédemment (Fig. 67), l'ensemble hypolimnique va rassembler la CWL (CLEAR WATER LAYER), la PNL (PELAGIC NEPHELOID LAYER) et la BNL (BENTHIC NEPKELOID LAYER). La turbidité de ces différentes couches présente des variations saisonnières appréciables, directement tributaires des phénomènes qui régissent la concentration particulaire de 1'épilimnium. Dans le but d'éviter des répétitions, la présentation mensuelle des résultats sera directement suivie d'une discussion ou d'une interprétation (précédées par une *). Lors des premières observations annuelles; en mai, la majeure partie de la masse hypolimnique est composée d'eau claire, très peu chargée, avec une turbidité voisine de 0.4 FTU. Cependant, conjointement à l'explosion particulaire de surface, la concentration métalimnique établit un lien entre cette couche opaque et la CWL profonde. La turbidité décroît d'abord fortement à la base de 1'épilimnium, puis très légèrement avant d'atteindre le sommet de la masse d'eau claire (Fig. 68 - 69 - 78: A). * L'identification de cette couche transitoire de turbidité Page 32 peut provenir de la décantation préliminaire des particules de surface épargnées des processus de dégradation, moins actifs qu'en période estivale. Elle initialise le mécanisme qui va augurer le comportement turbidimétrique des couches profondes durant l'été. A proximité du fond, la BNL (BENTHIC NEPHELOID LAYER) est encore généralement inexistante {Fig. 78: A) ou très réduite sur le fond (Fig. 68 - 69 B). Exceptionnellement, au cours de la campagne du 2 mai 1986, une BNL nette de 20 m d'épaisseur occupe la base de la vallée NW du lac et de la plaine neuch&teloise {Fig. 69 A - 75: A-B). Elle disparaît presque complètement en 4 jours (Fig. 68) et n'apparaît plus qu'une seule fois (6 juin 1986) durant les 6 campagnes ultérieures échelonnées jusqu'à la fin juin (Fig. 69 B - 70 A). * Le caractère éphémère de cette structure tendrait à lui attribuer une origine dynamique, en relation avec les conditions météorologiques de surface. Il est tout à fait plausible que les eaux superficielles, balayées par des vents d'Ouest, génèrent en retour un courant de fond, capable de produire une remise en suspension des particules d'interface. Vers la fin de cette période printanière (20 juin 1985 23 juin 1986), une augmentation générale de la turbidité a été observée sur toute la colonne d'eau (Fig. 70 B - 78: B). Cet enrichissement particulaire conditionne l'élaboration de la PNL (PELAGIC NEPHELOID LAYER) qui s'individualise entre l'épilimnium et l'interface sédimentaire ou jusqu'à sa supplantation par la BNL. En effet, dès cette époque, une couche benthique néphëloïde estivale commence à se développer. En 1985, elle est encore locale; elle est restreinte au profil Saint-Aubin / Estavayer-le-Lac et aux stations de la vallée Sud du lac (Fig. 78: B - 79). Elle demeure insignifiante partout ailleurs. * L'apparition rapide de la PNL résulte très certainement d'un brusque accroissement de la décantation des organismes de surface causé par la soudaine apparition de conditions hydrologiques néfastes (Bapst et Kubier, 1987). La diversité des tailles et des densités particulai res détermine leur vitesse de sédimentation et engendre une homogénéisation de leur répartition sur 1'ensemble de la colonne d'eau. Au début juillet, au cours des deux années d'observations, la BNL se généralise à l'ensemble des stations du lac (Fig. 71). Elle atteint une trentaine de mètres d'épaisseur et une concentration proche de 1.5 mg/1. Une CWL (CLEAR WATER LAYER) encore très réduite apparaît en-dessous de l'épilimnium. Elle est immédiatement relayée par la PNL dont l'intensité turbiditique augmente avec la profondeur jusqu'à sa disparition sous l'influence dominante de la BNL {Fig. 71: A). * L'apparition de la CWL coïncide avec la multiplication des pics superficiels de turbidité certainement causée par l'apparition du zooplancton. Cette nouvelle population est susceptible d'absorber une grande proportion des particules végétales mortes et de réduire d'autant le flux particulaire Page 33 de sedimentation. De plus, à cette même époque, une couche appauvrie en oxygène et marquant une atténuation du PH commence à se développer sur ce même niveau (Fig. 26 - 38). L'avènement de cette diminution turbidimétrique s'élabore au sommet de la colonne hypolimnique, à la base de l'épilimnium. Ainsi, comme au début juillet la consommation particulaire vient de débuter, l'amplitude de la CWL demeure très ténue. La PNL illustre la réminiscence des particules en cours de décantation et qui avaient pu transiter par le métalimnium avant l'avènement de l'ensemble zoologique. L'explication de la généralisation de la BNL, amorcée en juin, devient malaisée. A cette époque, en effet, la stratification thermique est bien établie et l'intensité du régime des vagues de surface s'est fortement résorbée. Il devient donc douteux d'évoguer un courant sous-lacustre amorcé par le comportement météorologique superficiel. De même, l'explication par une résultante dynamique profonde' due à l'établissement différentiel de la stratification thermique suggérée par Chambers et Eadle (1981) pour l'élaboration d'une telle structure dans le lac Michigan nous paraît difficilement transposable dans le lac de Neuchâtel. Par contre, l'existence simultanée de la BNL et des variations hydrologiques (diminution de la concentration en 02 dissous et du PH, augmentation de la conductibilité) nous amène à formuler l'hypothèse de réactions bactériologiques ou biogéochimiques susceptibles d'enrichir les couches profondes en matériel particulaire (Fig. 80). Vers la fin du mois, l'épaisseur de la couche benthique s'atténue (< 15 m). La PNL maintient son identification entre elle et la CHL qui s'est amplifiée depuis la campagne précédente (Fig. 77: B - 81). * L'augmentation de 1'amplitude de la couche claire {CWL), dirigée vers la profondeur, permet d'illustrer et de suivre la vitesse de chute des particules en suspension. Entre le 4 et le 25 juillet, la base de la CWL a passé de 30 à 50 m de profondeur (Fig. 82 A et B); elle a ainsi repoussé le toit de la PNL d'une vingtaine de mètres en 21 jours, soit à une vitesse approximative de 1 m/jour. L'ensemble de ces observations permet de démontrer l'existence d'une stratification particulaire imprimée sur la stratification thermique. Dans l'épilimnium, elles suivent un comportement similaire; dans la masse hypolimnique supérieure, la structure de la charge en suspension est plus complexe avec son évolution saisonnière de la CWL et de la PNL. A proximité du fond, l'influence du profil bathymétrique est davantage marquée sur la turbidité que sur la température. En effet, si l'individualisation d'une couche thermique ou turbiditique moulant la topographie lacustre peut être comparable, le gradient d'atténuation thermique est moins affecté par la profondeur du site que le gradient turbidimétrique; ce dernier est nettement plus fort dans les zones profondes (Fig. 83: A - B). En août, la BNL s'estompe et la PNL se confine au-delà de 60 m de profondeur (Fig. 82: C). Elle génère ainsi une couche claire plus importante, malgré l'enfoncement du métalimnium. A la fin septembre, la PNL en tant que telle Page 34 disparaît tandis qu'une BNL significative a été réinstaurée (Fig. 82: D). * Comme l'enfoncement de la CWL s'est poursuivie assez régulièrement depuis son identification du début juillet et comme la BNL estivale disparaît totalement vers la fin août, il apparaît judicieux d'expliquer la genèse de la BNL automnale par l'arrivée de la FNL à proximité du fond. Selon la vitesse de 1 m/jour déterminée précédemment, la base de la CWL devrait s'enfoncer de 76 m du 4 juillet au 18 septembre. Or cette distance correspond exactement aux 80 m observés entre 30 et 110 m sur les profils turbiditiques. A cette époque, il paraît donc plus rigoureux de parler de l'arrivée au fond de la PNL que d'une véritable BNL conforme à sa définition estivale. Durant le mois d'octobre, l'épaisseur de la couche turbide épllimnique s'amplifie conjointement à l'enfoncement de la thermocline (Pig. 12). Elle vient absorber le niveau dévolu au métalimnium (Fig. 73) dont la caractérisation particulaire devient hasardeuse. La couche claire sou6-jacente retrouve sa signification printanière où elle définit la prépondérance de la masse aquatique profonde. A proximité du fond, une légère BNL résiduelle subsiste avec une structure inhabituelle en "feuilletage" (Fig. 73 A - 74). Une telle configuration structurale, déjà ébauchée au début du mois, constitue la prolongation en profondeur de son développement maximal observé entre 15 et 45 m (Fig. 74). * L'élaboration de cette structure à la veille des brassages automnaux demeure obscure. Toutefois, selon des études récentes opérées sur la bordure septentrionale de la Méditerranée (Aloïsi, 1986), il a été suggéré qu'une alimentation verticale pouvait nourrir des couches turbides intermédiaires comprises entre le panache superficiel et la couche benthique néphéloïdale. Une partie des suspensions organo-minérales issues de la couche dense de surface serait alors provisoirement bloquée au niveau d'un gradient de viscosité (Cauwet, 1985, in: Aloïsi, 1986). Les fluctuations bathymétriques d'immersion de ce gradient, de faible amplitude, consécutives à l'alternance fréquente de deux régimes météorologiques dominants, expliqueraient alors l'existence de plusieurs couches turbides secondaires (Aloïsi, 1986). Des mesures personnelles réalisées en Méditerranée, à proximité de l'embouchure du Rhône, avec l'appareillage employé sur le lac de Neuchâtel¦ont confirmé l'existence de ces structures intermédiaires (Fig. 84: A). Malgré les énormes différences qui caractérisent le delta du Rhône d'un milieu lacustre, il ne nous semble pas inopportun de songer à l'idée d'une évolution graduelle du gradient de viscosité pour expliquer la formation automnale des couches nëphéloïdes intermédiaires du lac de Neuchâtel. Des analyses ultérieures sur la composition des particules de ces niveaux denses seraient alors nécessaires. Page 34 A Metres FIG 68= TURBIDITE - NPLflINE e -15 -38 -4S- -68 -75 -38 -105 -128 -135 -160 06.05.86 e t .....- T 2 3 4 5 FTU FIG. 68: Profil turbidìtique typique lors de la prolifération phytoplanctonique printanière. Page 34 B Metres FIG 69 fi: TURBIDITE - NNPLfìiNE e -15 -38 -»5 -68 -75 -98 -185- -1?8- -135 -158 02.05.86 e * g 8 ie FTU Metres FIG G9 B: TURBIDITE - NPLAINE -15 -38 -«5 -68 -75 -38 -IBS -128 -135 -160 27.85.8G FTU fig. 69:A-B: intense extansion de la turbidité épilimnique (A-B) et présence exceptionnelle d'une légère BNL printaniète . Page 34 C Metres FIG 70 ft: TURBIDITE - NNPLfìlNE 0 -15 -30 -*S -St- -75 -38 -105 -128 -135-1 -15 0G.06.8G ).0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 FTU Metres e -15 -30 -45 -68 -15 -3d -185 -120 -135 -1 FIG 70 B: TURBIDITE- NNPLfìlNE 23.06.BG ].0 0.5 1.0 1.5 2.8 2.5 FTU FXG. 70:A-B: Profil turbiditique succédant à un épisode de détérioration météorologique (A) et après le rétablissement des conditions estivales normales (B). Page 34 D Metres e -15 -38 -AS -68 -75 -se -186 -128 -135 FIG 71 A: TURBIOlTE - BEVfìlX 84.07.85 e.5 I. B 1.5 2.« 2.5 FTU Metres e -15 -38 -45 -68 -75 -38 -185 -128 -135 "15Ie FIG 71 8: TURBIDITE - NNPLflINE 01.67.86 8.5 1.8 1.5 2.8 2.6 FTU Page 34 E Metres FIG 71 C: TURBIDITE - PREUSE e -15 -38 -45 -G8 -75 -96 -IBS -129 -135 -15I 01.07.86 e.s i.e 1.5 2.a 2.5 FTU FIG. 71:A-B-C: Développement de multiples pics de turbidité dans 1'épilimnium en juillet. Metres fl -15 -38 -45 -68 -75 -90 -185 -128 -13S -158 \ FIG 72: TURBIDITE - SPLflINE 14.08.86 8 2 3 4 5 FTU FIG. 72: Profil turbiditique typique d'une fériode estivale déjà fort éloignée de 'établissement de la stratification thermique. Page 34 F Metres FIG 73 fl: TURBIDITE - NPLfìlNE -JS- -30 -45 -60 -75 -98 -IBS -12» -135 -15¾* 31.10.85 e.s 1.0 1.5 2.0 2.5 FTU Metres el -15 -38 -45 -68 -75 -90 -105 -120 -135 -t 5S FIG 73 B: TURBIDITE - NNPLfiINE 28.10.86 0-5 1.0 1.5 2.8 2.5 FTU FZG. 73:A-B: Fotte extension épilimnique sur des profils turbiditiques automnaux. Page 34 G Metres FIG 74: TURBIOITE - SERR 8 -15 -38 -45 -68 -75 -90 -ies -128 -135 -158 31.10.85 .e .8.5 i.a 1.5 2.8 2.5 FTU FIG. 74: Structures "feuilletées" suc un profil turbiditique tardi-autoranal. Metres FIG 75: TURBIDITE - 82.05.86 -45 -ce -75 -98 -195 -IW -135 -158 *\ fl: AREUSE B: NPLflINE e FTU FIG. 75: Influence des charges de l'Areuse entre 15 et 30 m (profil A) comparée à un profil typiquement lacustre (B). Metres FIG 76= TURBIDITE - HENTUE ei -18 -20 -30 -40- -56 25.05.85 18 FTU FIG. 76: influence des charges de la Mentue entre 8 et 14 m sur un profil printanier d'embouchure. FIG 77: TURBIOITE - 25.07.86 --- fi: CORCE -- B: SPLflINE 2 3 4 5 FTU FIG. 77: Perturbations dans un profil turbiditique du haut-lac (A) comparé à un profil typiquement lacustre (B). Page 34 I Metres FIG 78: TURBIDITE -GLETT 8 -18 > ____ -28 -30 — fl: 19.05.85 -48 -- B: 19.0G.85 -58 -68 -78 -88 I -90 1 \ 188 ^ FTU FIG. 78: Profils turbiditiques printaniers avec CWL hypolimnique généralisée (A) et après l'établissement de la PNL (B). Metres FIG 79: TURBIDITE - SPLflINE B1 -38 -4S -68 -75 -981 -185 -128 -135' -1 5S* --- 21.06.65 8.5 ì.e 1.5 2.8 2:5 FTU FIG. 79: Disparition des troubles épilimniques après des perturbations météorologiques, établissement de la BNL. Page 34 J - R in £ ft W ST in CD es er —i U) OJtJ O) 3 C Lj CTO 3—H *l -U R U H 3£ 3 U UTJ .U I in M U ID -H JJ m U) H ai >.B ¦H £ •H ¦ Q.X J O T, m C u m U O a 4-t -H (0 C-UHOrH U P .-I 4J a> w n CTJ a> UMU R4J C *. m c IUHH Sl > « B ¦H 4-t ¦H C) C Dt U U r; O) u) n U) a-H h n> UIrH 3 J3 n » «j -¦-i ai j-> O 4JiH »fl> CO-H a - Tl U-H J3 JJ U n kl u a H T n > fe. -U > « 2 S 5 SUI Œj CO Ll_ Page 34 K Metres 0- -15 -38 -45-1 -G0 -75 -90 -105 -128 -135 -IS FIG 81: TURBIDITE - PORT 24.07.85 1.0 0.5 1.8 1.5 2.0 2.5 FTU FIG. 81 : Profil turbiditique estival avec intensification de la CWL (15 à 50 m), enfoncement de la PNL (50 à 100 m) et réduction de la BNL (100 à 110 m). Page 34 L Z) CX ___I Cu CD CO CC C-J co CD CX ___I D_ 1 LU CO CC co CD in oo 8 CO > S 3s * S S S S Sf ci ___i Q_ CQ _l Q= i •« Xj U *— I II a Œ 1 « TJ CnI CO s CD (I I in 2£ 00 CX I O n ^ (Vl URB î h— « CQ I • Tl CsI e CO CD O -.___I S R 3f" SSSR « j a) nit «41 ï CHOlQIiJ (J 3 3"O 4J CT Ol U -H O) O (0 « —J3 *J h a« a-3 UUUC tu tt> c o* a ¦o *o> o -h (U "0 CO C WO C m -h o AJ in u U E Cl JJ J C U> JJ-H 01 CJ IO 3 C > JJ U C C DiE « U O 4IrH E JJ Z CnO-O (O Cu CJ O >-h tr .¾ ta JJ u) « Vj 41 «0 p lO-D W ¦• o Qi a> «J o) Oi w,h . 00 4) d) JJ 3 41 ki 4) U) <4> U TD pi (I) -HO VJ 4) AJ Jj -H [3-H « JJ 3 m v •h 3 £ -H 4) <0 *4> eu cru > aaa Page 34 M ai 3 ¦¦ -ITI N > -ri tH U U ai 0 3 mx: CP-H ¦H 3 C 4J i-C o ai .-H .-H • > ¦H « III a, Sj; a-t-i O .H Ol u in ve oj • m HJ .-I C C 0 m n) n "0 .-H ~H soi m o jj-OjC TJ CH ¦H C(U JD 0.-I Ij rH --, P ai 4J aix: I —I U o (J M - — ¦H U - IU "O «H If) CD M 3d (D1OH C cnat 4J • ¦r* r-l Ol — UHJi •H i-I ¦ • 4J 3 m • a e O 3 - O w O 3 [oI unaauoiovd Page 34 N Metres 0 -5 -18 -15 -20 -25 -38 FIG 84 fi: TURBIDITE - STRTION 5 26.11.86 8 i 5 FTU FIG. 84 A: Profil turbiditigue à 1'embouchure mèdi te rranéenne du Rhone ; il présente des couches néphélo'ides Intermédiaires entre le panache superficiel et la BNL. Metres FIG 84 B: TURBIDITE - MORPT -le -28 -38 -48 -58 22.87.86 10 FTU FIG. 8 - C(cwm)] dx Fond Amin ¦ Hauteur de là BNL F - Facteur de transformation de la concentration-FTU en concentration-mg/1 - 1.7 C(max) - Concentration maximale à proximité du fond C(cwm) - Concentration du CLEAR WATER MINIMUM La détermination quantitative du NET CROP n'est pas toujours très aisé, l'intensité de la PNL pouvant parfois estomper le CLEAR WATER MINIMUM. Il est toutefois possible et intéressant de fournir quelques approximations sur la surcharge particulaire en suspension dans les couches profondes: Au cours de la campagne du 4 juillet 1985 qui présente une BNL généralisée, la moyenne du NET CROP de 12 stations vaut 2.8 g/ra2. Le 25 juillet, elle s'abaisse è 2.1 g/m2, le NET CROP présentant ici une excellente corrélation avec la profondeur de la station. La surcharge totale ainsi répartie dans la BNL {net CROP) qui recouvre toute la surface morphologique du lac qui se trouve au-delà d'une trentaine de metres de profondeur {environ 140 km1; selon Sollberger, 1974) présenterait alors un stock particulaire de 390 tonnes et respectivement de 300 tonnes. La moyenne annuelle (mai à octobre) de 2 stations profondes (NPLAINE et AREUSE) s'approche de 2.7 g/m2. La courbe d'évoluticn présente un minimum en mai et en octobre (0.3 g/m2), un maximum en juillet (jusqu'à 7 g/m2) et une légère recrudescence en septembre, soit durant les deux principales périodes de production planctonique épiliranique. Page 37 A -100 - ¦J AOUT H H M H 3 O, 3 JUI 3 3 +3 S H 01 H CO en to « r4 Œ ™ Ä Ä » in U> r~ CD CO CS CT) CS CC E U -v t/1 3 Oi 4-t C Œ • _ Ij Ol O Oj VD l— +J -H 4J LJ C -U 3-H ^ OJ Ol fljTj«H ? se -h Z o-e JJ j3 O •rt O C -H O E U) 111 AJ io u e e u I a> ai o ot 3 *> jt: u wo ' U 4-1 Ul C O) -H O u m ra u ¦H EHJ3 Tj 3 «J m -H Ol » , 10 H CX-H CD -HOt-i K « - - (0 TJ-ITj > I 0) I «t at D •• n D 3 O1 r- 3 CT CT to CO Ol -H -H 3 (0 4-1 C U M-H S -Cl „ •H TJ -H d—> (0 -rt r-t «J ^s. • CL Jl *»H Ol O1Ot U 4-t E 1-1 - 3 »01 AJ *~~* U-H AJ g Q) Ou. « » g co CD (S m. A. Granulometrie des échantillons prélevés par bouteille océanographique 1. Résultats: La plupart des histogrammes granulométriques des particules en suspension dans le lac de Neuchâtel sont blmodaux. Le premier pic se situe vers 4 ym (entre 3.5 et 5.0 />m) j le deuxième s'individualise généralement aux alentours de 10 - 12 ,um (Fig. 89). Leur intensité respective est comparable en mai; des le mois de juillet, le rapport entre la deuxième famille et la population fine s'élève considérablement, spécialement dans les couches profondes et dans la vallée septentrionale du lac (Fig. 90: A-B). A côté de ce cortège granulométrique fondamental, quelques échantillons présentent des particularités individuelles plus rares qui peuvent se rassembler dans 3 catégories. - Tout d'abord, il arrive exceptionnellement que le mode particulaire fin (3-5 ^m) soit unique (Fig. 91); de même, la deuxième population peut parfois se retrouver isolée (Fig. 92: A - B). - En second lieu, les échantillons épilimniques (5 et 30 m) de novembre et décembre présentent une distribution unimodale avec un développement maximal intermédiaire vers 7 jum (Fig. 93). - Les rares prélèvements qui se regroupent dans la troisième catégorie possèdent 3 populations granulométriques bien distinctes; un pic proche de 30 ,um vient en effet juxtaposer les 2 modes habituels principaux (Fig. 94). Sur le tableau 6, l'ensemble de ces caractéristiques annuelles est résumé pour la station III D aux diverses profondeurs de la colonne aquatique. La constance remarquable des 2 modes principaux Page 46 et les légères disparités qui définissent les 3 catégories annexes y sont illustrées. TABLEAU 6: Nombre et diamètre des pics du volume particulaire des échantillons de la station de Portalban (III D) N - Nombre de pics D-Pl - Diamètre du premier pic D-Pi - Diamètre du pic intermédiaire D-P2 - Diamètre du deuxième pic D-P3 - Diamètre du troisième pic DATE PROF. D-Pl D-Pi D-P2 D-P3 MAI 5 m 1 10.0 30 m 3 4.0 - 12.0 32.0 70 m 3 4.0 - 12.0 29.0 105 m 2 5.0 - 11.0 - JUIN 5 m 2 5.0 _ 12.0 _ 30 m 1 5,0 - - - 70 m 2 5.0 - 12.0 - 105 m 2 5.0 - 14.0 - JUIL 5 m 2 5.0 _ 11.0 _ 30 m 2 4.5 - 11.0 - 70 m 2 4.5 - 12.0 - 105 m 2 4.5 - 11.0 - AOUT 5 m 2 5.0 _ 9.0 _ 30 m 2 5.5 - 10.0 - 70 m - - 11.0 - 105 m 4.5 - 10.0 28.0 SEPT 5 m 5.5 _ 9.0 _ 30 m 4.5 - 12.0 - 70 m 5.0 - 10.0 - 105 m - - 9.0 - NOV 5 m _ 7.5 _ _ 30 m - 7.5 _ - 70 m 2 4.5 - 8.5 - 105 m 2 4.5 - 10.0 - DEC 5 m 2 4.5 7.5 _ _ 30 m 1 - 7.0 - - 70 m 2 5.0 - 10.0 _ 105 m 1 - - 10.0 - MARS 5 m 2 5.5 _ 12.0 _ 30 m 2 5.0 - 12.0 - 70 m 2 5.0 - 12.0 - 105 m 2 5.0 - 14.0 — Page 47 Les courbes cumulatives du volume particuletre rendent également compte des caractéristiques uni- et poly-modales de la granulometrie des suspensions (Fig. 95: A-B- C). En outre, elles fournissent l'avantage de permettre le calcul de la moyenne de la taille de toutes les populations d'un échantillon (Fig. 96). En période estivale, celle-ci est relativement constante dans les trois niveaux supérieurs; elle est par contre fortement influencée par les particules de 30 //m en mai alors que son élévation de mars est due & la croissance modale de la deuxième population. A 1 mètre du fond, au contraire, son évolution annuelle présente des caractéristiques propres très distinctes de celles des couches susjacentes (Fig. 96). 2. Discussion: Les deux grandes populations granulomëtriques des suspensions du lac de Neuchâtel s'individualise entre 3.5 et 5.0 tim et vers quelque 10 trn. La corrélation entre ces tailles particulaires et les spectres de diffraction des rayons X nous permet de formuler une approche de la nature minéralogique des diverses populations. Nous attribuons les essences argileuses et les microcristaux de calcite néoformée à la famille 3.5 - 5.0 pm. Les autres minéraux détritiques (Quartz - Feldspaths - Dolomites - Calcites allochtones ..), une partie des particules originaires de la population planctonique épilimnique et divers minéraux néoformés (Oxalates- Phosphates- Carbonates- de calcium; voir chap. VI) sont susceptibles de constituer la famille de 10 ^m. Ainsi, toute disparition ou apparition d'un nouvel ensemble granulométrique, toute variation du rapport d'intensité entre les 2 pics principaux ou encore tout déplacement de la taille d'un mode, vont déterminer des épisodes locaux ou temporaires caractéristiques. - La population regroupée autour de A ym constitue un stock de particules fines qui peuvent quasiment toujours demeurer en suspension (Brun-Cottan; in Ruch, 1987). Sa disparition exceptionnelle est donc tout à fait logique. Seuls des processus bio-géochimiques capables de créer des amalgamations par digestions biologiques (pellets) ou par aggregations chimiques (floculation, adsorption) peuvent provoquer son élimination provisoire. La seule disparition des particules fines, en mai 1984 à la surface de la station III D (Fig. 92: A), est synchrone à la première forte explosion algaire de l'année limnologique. Elle serait donc imputable aux nouvelles conditions physico-chimiques générées par le développement de ces populations: fortes élévations de la concentration en Oxygène dissous et du PH, assimilation du C02, de la silice et des orthophosphates biodisponibles. De plus, 1'intensité du pic du premier mode peut être affectée artificiellement par la concentration des particules plus grossières; lorsque celle-ci s'élève notablement, elle peut diluer la population fine jusqu'à sa disparition sous le spectre représentatif du deuxième ensemble particulaire. Ainsi, les histogrammes privés du premier mode granulométrique conservent fréquemment Page 48 l'ébauche graphique de sa présence écrasée par la prépondérance des particules de 10 /jm (Fig. 92: B). D'autres échantillons n'atteignent pas cette extrémité et la population fine, bien que minoritaire, n'est pas complètement effacée par le deuxième ensemble modal (Fig. 90: A - B). Selon ces divers rapports d'intensité, il apparaît fondamental d'établir durant la période estivale une scission entre la granulometrìe des matières en suspension dans les eaux de la rive jurassienne et celle de la rive Sud du lac. En effet, les particules de la vallée méridionale définissent presque constamment 2 populations distinctes de même concentration ou très légèrement dominées par la fraction grossière (Fig. 89). Dans la vallée Nord, par contre, l'intensité du pic de 10 ym l'emporte toujours très nettement. La majorité du flux sédimentaire annuel est très certainement constituée par les particules qui se regroupent vers 10 - 12 ym. Cette fraction, régulièrement présente, forme un ensemble qui ne devrait pas échapper aux prélèvements par bouteille "Niskin". C'est d'ailleurs cette population qui s'amplifie notoirement lorsque la concentration globale s'élève, essentiellement à proximité du fond. La variation du rapport d'intensité entre les pics des deux modes principaux et son aboutissement extrême caractérisé par l'effacement artificiel de la première famille incombent donc fort probablement à son comportement. De plus, l'analyse des courbes granulométriques des dépôts superficiels et des suspensoïdes de l'eau surnageante révèle les mêmes distinctions et la même suprématie des particules du deuxième mode (Fig. 97). - L'individualisation éphémère d'une troisième population vers 30 pm dans la masse aquatique intermédiaire du mois de mai pourrait provenir des squelettes de certaines diatomées encore vivantes lors du prélèvement ou d'apports détritiques printaniers qui demeurent brièvement en suspension. En mars 1985, la moyenne de la taille particulaire des échantillons s'accroît sensiblement (Fig. 96). Cette augmentation est due à l'intensification de la deuxième population et à son élévation granulométrique, de même qu'à l'apparition sporadique d'une troisième famille dans la vallée Nord, à l'embouchure de l'Areuse. Sur la station méridionale (ni D), les histogrammes conservent leur identité bimodale et ne présentent pas d'évolution tangible avec la profondeur (Fig. 98). La vallée Sud du lac formerait alors une seule masse aquatique bien homogène. Sur la rive jurassienne, au contraire, les stations III A et III B mettent en évidence de fortes inhomogénéités verticales et locales. En surface et à 30 m, les histogrammes s'apparentent grandement à ceux de la masse d'eau méridionale avec un mode de particules fines et un autre, plus important, vers 12 ^m (Fig. 99). En Page 49 profondeur, c'est-à-dire au-delà de 70 m et à 1 m du fond, la population fine est intensément diluée par l'enrichissement des particules grossières, d'origine probablement allochtone. La structure granulométrique de cette nouvelle entité se manifeste par une disymétrle positive accentuée du pic ou même par l'apparition d'un troisième pic vers 20 /jm (Fig. 100). Nous attribuons l'origine de ces perturbations à des transferts particulaires latéraux certainement engendrés par les apports de l'Areuse. L'analyse granulométrique des suspensions permettrait ainsi de fournir une illustration de la dilution des eaux de l'Areuse dans celles du lac de Neuchâtel en ce mois de mars. Elles s'enfonceraient directement dans la couche benthique, se réfugieraient dans les zones profondes et épargneraient ainsi la rive Sud, au-delà de la Hotte. Cette schématisation ne constitue qu'une confirmation plus tangible des disparités moins accentuées observées durant les mois estivaux. La Hotte forme bien un relief susceptible d'individualiser les diverses zones morpho-sédimentaires du lac de Neuchâtel. B. Granulometrie des échantillons prélevés par collecteurs de sédiment. 1. Résultats: Les 9 échantillons analysés proviennent des 3 périodes d'exposition (25.04.86 - 20.05.86; 20.05.86 - 29.05.86; 04.10.86 - 28.10.86) et des 3 profondeurs aquatiques déterminées par les collecteurs (30 - 60 - 95 m). Chaque mesure a été renouvelée une seconde fois et les résultats sont parfaitement reproductibles. Tous les histogrammes présentent un premier pic vers 5 t/m et un deuxième, légèrement plus variable, entre 12 et 18 //m (Fig. 101). Lors d'une même période printanière, la taille particulaire est remarquablement homogène sur toute la colonne d'eau (Fig. 102). Du 25 avril au 20 mai, le rapport entre l'intensité du deuxième pic et celle du premier pic s'approche de 3.65- Il s'élève à 8.5 durant le dernier décan de mai. Pendant le mois d'octobre, les échantillons de 30 et 60 m sont semblables et le rapport modal s'abaisse à 2.0. A 5 m du fond, le spectre se distingue par un spectaculaire enrichissement des particules plus grossières (Fig. 103). 2. Discussion: Comparativement aux analyses des échantillons prélevés par bouteille, la granulometrie des particules provenant des collecteurs de sediment fournit des confirmations et des informations complémentaires tout à fait remarquables. Tout d'abord, la présence de 2 populations bien distinctes est confirmée. La population fine, attribuée aux suspensions "permanentes", s'individualise toujours à 5 pra. La deuxième famille, par contre, accentue sa suprématie; son développement maximal se déplace de plus de 10 /jm vers 15 ^m. Nous pensons que non seulement ces observations peuvent aisément s'expliquer mais qu'elles confirment les mécanismes Page 50 sédimentologiques suspectés. En effet, lors d'un prélèvement ponctuel et instantanné par bouteille, les particules fines homogénéisées dans la masse d'eau sont récoltées en surnombre^ comparativement aux grosses particules qui se décantent très rapidement. Par contre, le collecteur de sédiment, exposé durant une longue période, récupère très peu de suspensions fines en sédimentation lente. Au contraire, il récolte toutes les grandes particules qui transitent vers le fond par la colonne d'eau. Il apparaît donc tout à fait normal que le deuxième pic de fopulation s'amplifie au détriment de celui de S pm qui llustre un ensemble dilué par l'abondance de grains plus grossiers. Les analyses minéralogiques viendront confirmer ces premières observations {chap. VI). En dernier lieu, l'augmentation du rapport d'intensité entre les 2 pics de 3.65 à 8.5 à la fin mai peut s'expliquer par l'évolution printanière du phytoplancton (Diatomées) et par l'intensification de la précipitation carbonatée (Chap. VI). En octobre, les 2 échantillons supérieurs sont moins affectés par la suprématie des particules plus grossières. Leur histogramme révélerait alors une intensification des suspensions détritiques (Argiles et minéraux en grains) au détriment des cristaux de néoformation. La granulometrie confirmerait ainsi l'hypothèse formulée lors de la détermination du flux particulaire; elle attribuerait une certaine part des suspensions d'octobre à des apports exogènes ou à des remaniements sédimentaires. A proximité du fond, l'histogramme granulométrique (Fig. 103) s'apparente totalement à celui des échantillons de l'interface sédimentaire (Fig. 97). Il nous conduit ainsi à attribuer l'origine de la forte concentration de la couche benthique d'octobre 1986 à des mécanismes locaux et éphémères de resuspensions et/ou de . transports en "avalanches". L'élévation aux environs de 15 ^m de la taille moyenne des particules de la deuxième population lorsqu'elles sont prélevées par collecteurs pourrait également provenir du système d'échantillonnage. Il est fort possible que cet ensemble particulaire n'avait été que faiblement récupéré par bouteille; l'analyse de son spectre total masquerait alors le pic développé précédemment vers 10 //m. Cette observation tendrait à suspecter une limite "statistique" maximale de la taille des particules récoltées par bouteille "Niskin". V.4. Essai de caractérisâtion du flux particulaire 5 partir des analyses qranuloméfcriques. La détermination du flux total a été calculée à partir de la masse particulaire déposée dans les collecteurs durant 2 périodes d'exposition printaniètres. Il atteint respectivement 6.8 et 8.2 g/m1-jour. L'approche de cette détermination a également été tentée par l'analyse des spectres granulométriques de ces mêmes particules. L'élaboration et la démonstration d'une telle démarche ont déjà été abordées en milieu marin (Lambert et al., 1981). A la suite de la valeur comparative des résultats, cette Page 51 méthode a également été appliquée aux suspensoïdes récupérés par filtration de volumes d'eau récoltés par bouteilles. Le flux total est obtenu par l'équation: FLUX - Concentration * Vitesse de chute des particules Comme les particules sont dans un milieu fluide et que leur chute est considérée verticale, la loi de Stokes peut être appliquée pour calculer leur vitesse de sédimentation. L'équation devient alors: FLUX - Concentration * 2/9 * (f - f') • g ¦ R'/n avec: f - masse volumique des particules dans l'eau, soit 2.65 g/cm1 f- masse volumique du fluide, soit 1.00 g/cm1 g - gravité, soit 981 cm/s R - rayon des particules n - viscosité du fluide, c.à.d. de l'eau à env. 60C, soit 1.5 • 10-J g/cm-s. Durant toute la période d'exposition des collecteurs, la turbidité a été mesurée plusieurs fois (chap. III). Elle s'apparente à celle des couches hypolimniques claires et s'éleva à environ 0.5 FTU. Selon la relation admise précédemment, la concentration s'élèverait alors à: Conc [mg/1] - 1.7 • Cone [FTU) Donc; Conc - 0.85 mg/1 Cependant, la distribution granulométrique est bimodale avec une population proche de 5 ym et une autre de 15 /jm. Si l'on admet que les particules fines ne peuvent sédimenter selon la loi de Stockes, leur vitesse de chute étant du même ordre de grandeur que leur dispersion par diffusion turbulente (Brun-Cottan; in Ruch, 1967), seules celles qui appartiennent au second mode détermineront le flux particulaire. La concentration se réduit donc selon le même rapport que la surface des pics granulométriques . A la suite de cette modulation et selon la vitesse de chute des particules qui dépend du rayon particulaire, le flux peut être calculé pour cette population granulométrique. Sa valeur est comparable à celle obtenue par pesée des dépôts récoltés dans les collecteurs (Tableau 7). Selon les mêmes calculs, le flux obtenu par la granulometrie des échantillons mensuels prélevés tout au long du printemps 1964 par bouteille "Niskin" s'élève à 3.7 g/m*-jour. Le poucentage de concentration de la deuxième population a ici été évalué approximativement sur la moyenne de tous les histogrammes. Page 52 TABLEAU 7: Caractéristiques physiques des particules en suspension durant diverses périodes et selon divers types de prélèvements: A - échantillonnage par collecteurs: 25.04.86 - 20.05.86 B - échantillonnage par collecteurs: 20.05.86 - 29.05.86 C - échantillonnage par bouteille : Moyenne printemps 84 FLUX selon pesée 6.8 8.2 [g/m!-jour J Rayon des particu- les de la deuxième -3 t -3 -3 population E cm]: 0.75 ¦ ¦ 10 0.75 ¦ ¦ 10 0.6 • 10 Vitesse de chute des particules de la 2eme population tm/jour]: 11.65 11.65 7.45 Proportion des parti- cules de la deuxième population [%]: 75 85 60 -6 -6 -6 10 0.72 ¦ • 10 0.5 ¦ 10 Concentration de la deuxième population [g/cm»]: 0.64 FLUX selon granulome- trie [g/m'-jourj 7.45 8.4 3.7 Discussion: Malgré l'excellente reproductibilité des résultats, il nous est indispensable de formuler certaines précautions vis-à-vis de cette méthode. Dans l'application de la loi de Stockes, la viscosité et la masse volumique de l'eau ne présentent pas de problèmes majeurs. Par contre, la signification de la mesure du rayon particulaire doit absolument être claire avant l'attribution d'une densité aux particules en suspension. En effet, dans leur milieu naturel, les suspensoïdes fins forment généralement des aggrégats organo-minéralogiques très poreux. Leur volume Page 53 s'accroît alors conjointement à la diminution de leur densité et de leur vitesse de sédimentation. Toutefois, les entités particulai res analysées au Coulter ont été fractionnées et épurées de leur liant organique. Les mesures reflètent alors bien la taille des particules de base, constitutives d'aggrégats en milieu lacustre et celle des grains plus grossiers, certainement moins affectés par les processus d'amalgamation. Dans notre calcul de la vitesse et du flux particulaires, seule la deuxième population a été conservée, c'est-à-dire celle gui est dominée par les minéraux en grains. La densité s'apparente donc à celle des éléments individuels, soit de la calcite, de la silice et d'autres minéraux détritiques; elle s'approche ainsi de 2.65 g/cm*. Une masse volumique beaucoup plus faible se rapporterait à des suspensoïdes amalgamés que nous n'avons manifestement pas mesurés. L'analyse de la structure estivale des profils turbiditiques avaient permis de déterminer une vitesse d'enfoncement de la couche pélagique néphéloïdale (PHL) équivalente à environ lm/jour (chap. ni.4). Cette vitesse a été attribuée à celle de la sédimentation particulaire totale. Elle est parfaitement similaire à celle qui a été calculée dans le lac de Zoug (Bloesch and Sturm; 1984). Les vitesses obtenues à partir des déterminations granulométriques des particules sont sensiblement plus importantes (environ 12 ra/^our). Elles sont toutefois uniquement le reflet de la sedimentation des fractions plus élevées que 5 ^m de diamètre. Or, durant les périodes tardi-printanières de prélèvement, il y a une abondance de diatomées et de calcites néoformées; ces grains sont alors capables d'induire une élévation appréciable de la vitesse de chute des particules en suspension. A certaines périodes de haute précipitation carbonatée, cette vitesse pourrait même atteindre 100 m/jour (Sturm et al,; 1982). Il n'y aurait donc aucune incompatibilité entre la vitesse de sédimentation totale de 1 m/jour et la vitesse de 12 m/jour pour la deuxième fraction granulométrique proche de 15 /jm de diamètre. Comme il avait été admis que seule cette population constituait la part prédominante des dépôts sédimentaires, il est logique que le calcul de son flux sédimentaire s'apparente au flux total déterminé par pesée des suspensions piégées dans les collecteurs. L'analyse granulométrique de ces particules permet donc de définir le flux particulaire principal, et finalement une approximation du taux de sédimentation annuelle. Par contre, le flux déterminé à partir de la granulometrie des particules récoltées par bouteilles et filtrées sur membranes n'est pas comparable à celui qui a pu être obtenu par la pesée des dépôts des pièges ou par leur taille particulaire (Tableau 7}. La fraction fine également supprimée pour le calcul, il est nettement sousestime car il ne représente qu'une partie de la deuxième population. Il serait donc inopportun de tenter d'établir un flux sédimentaire à partir des analyses granulométriques dé telles associations particulaires trop affectées par la ségrégation du mode d'échantillonnage. Page 53 A m M — 3 -U 03 TJ-O- TJ C Ut* at o C E > Z O O) I ¦hhC« *j nj o sa IO -H -H .-H "O rH U -U .-H C modal e en i lac : 3*ai «o m o Q1O1-U > -* TJ •H U 3 ¦ .Q-H TJ ¦<* (S CO rH 3 < U rH 4> P O IO IO er--* c s TJ ti (J TJ OHO) rH 4-1 iH ¦H Ë I Ol 4-i (BTJr* *J O *-> «rH 3« I e 3 io *» E n I »o> C .C eo u ta tt .re granule population a vallée md , m du fond 0:A-B: Sup e mode g c pée dans le - 4 juillet ation III re 84). 4-* r-t t-t o>êa -un U 0» HJ W I 0.-1 c to a a •a G. ux i è velo 50 m : s ptem H «« Ol O) Ol H« TJ C M IwTJTJ I — » O Hl 0\ -H (O Ol « C 3 C O croi-h ¦ •h a.*-) O ami ta Hl >|3*J b.u n ni Page 53 B < ..6 - ai C ~-t 3 3 0* I -H n E 4J «a» o o •-< i 3 C Q a C M O IO 3 *J Q, re O *J Ol 0\ ID TJ O • e • H Cf [K 3(O ¦¦ 3 •a C « 4 .. ai u a) r. *J U ai a> ¦¦-I *o jj -H Geo U M -H Q, ai « » .H E -^ —» n 3f>l ^T "O tM CO ., *J (D O O I ¦h R O < *J m «in (S rH ^ Ol 3 l a OQ i « a. TI l1) W r. l-l IO M O U. i-t IH "H 2.0 FIG- 93: Particularité épilimnigue automnale symbolisée par une seule population granulométrique entre les 2 modes habituels (III D - 30 m - 12 novembre 84). (/VUJV/JLOCI0) FIG: 94: Présence exceptionnelle de 3 modes granulométriques (III D - 70 m - 22 mai 84). Page 53 O OT*- * m ix — IO U) E " W CU C O •—-H ¦H-IH « +J +J MTJ a io I a o <-HrH .H g 3 3Ci «-< e D. T) u 3 O m O 4J u an ë ja 4J „TT ----TT Ui CO ^r (O OJ U U CD J3 « «i Oi -w u T) ¦-* tj m 3 «j3*j e o T) e a» U OVHM E 4J-H rs -H Oi-H C 0) 3 I 3 U-n B 41 ai tt o •¦ 3 3 «H I <*> LT) CT C ot~4*-< El 4J Ll I U *J OO ¦Ht«) m U GTt M 141 o C I m UH O H usuo ••QC O H « H- HIJU3HO Cu O Oi*0 H — In 4- IO f4 — MOYENNE ?e PROF = 5M PROF = 30 M PROF = 80 M PROF = 105 M • »¦ J (B 5530» o * w 1994 PIG. 96: Evolution annuelle de la moyenne granulonéttique des particules en suepeneion aux divers niveaux de la station III D. Page 53 F 7. Il/V)*dV/dLOGID) 1.0-r 2.0 3.0 4.0 6.0 8.010. IS. 20. 30. 40. Di ama t r« tu»] FlG. 97: Spectre granulométrique caractéristique des particules d'interface et en suspension dans 1'eau surnageante (station P16, FlG. 9). Page 53 G :> a O IO Q) ¦ Q)XJ Tl U S) Q) a 3 3 CT". 0--H e -h ki (GlS) ^J P XQJ a* ¦ R m O < —1 X- 3 P C (Ouï m O)OO U >CTl • n ¦HiH-" C S m 141 W U O 4J V A)O i-I i-t Ë.-4 U m V) C I rH P V -<-l o a e *j a -r* ? * U M IO (OO lu ftHI^ Page 53 H I (l/V)*dV/JlOG(0) 2.0 S.O 4.0 8.0 B.010. IS. 20. 50. 40. OI*Mt r*t*al FIG. 99: Spectre granulometrique des suspensions des niveaux supérieurs de la station III B (5 m), sur la vallée Nord, comparable à ceux de la vallée Sud représentés sur la FIG. 98, le 13 mars 65. 1.0 FIG. 100: Particularité des suspensions hypolimniques de la vallée Nord, en mars 85 (III B - 80 m): intensification de la population fine et élargissement du pic représentatif de la 2èrae population vers des tailles plus grossières. Page 53 I Ot Ol U O •-* Z H l4-> Ol jJ C Z vz V m O V C CtT1O -ri «41 -«"J U -r4 JJ Jj Cl ta ¦V JJ F U U « — .-j Oi 3 mo <1 IA **1 M aim IiU-OiN I 3 Q. <0 C tr u o -rf W -U Lj Lj O OV JJ iv O MJ • iV JJ B "J — E>-t -HE OO T3 H UlO Ul C LjCTI V (O HH I Lj tO 3 « *J •' o e e e ~4 IU IA JJ O V Lj Ot *Û> to u #3(N JJ UCb -t I oj to ai « io OtV —I «¦DO-rt ••> M BJ-J C-J tu u as c Page 53 J /VUdV/iLOGIDl O 3.Q 4.0 6.0 8.010. 15. 20. 30. 40. Ol»¦•tr•[um] FIG. 103: Spectre granulométrique des particules récoltées par pièges en octobre 1986, à 5 m du fond. Page 54 VI• Minéralogie des particules en suspension vi.1. introduction. L'importance de l'étude quantitative et qualitative des matières en suspension (KES) n'a été appréciée que récemment. Elles sont pourtant le reflet du comportement dynamique, géochimique, biologique et géologique d'un milieu marin ou lacustre. Dee sources multiples, telles qu'affluents fluviaux, atmosphère, bioproduction, précipitation chimique et resuspension conditionnent leur concentration, leur granulometrie et leur composition (Sturm, 1985). D'origine externe, les minéraux allogènes transportés dans le bassin de sédimentation permettent, suivant leur association, de définir des provinces hydrodynamiques et sédimentologiques en jouant le rôle de traceurs naturels. Les minéraux endogènes, formés dans la colonne d'eau, dépendent des, conditions physico-chimiques et biologiques du milieu. De plus, la présence sporadique de minéraux authigènes en suspension, formés dans le sédiment, ?ermet d'approcher la dynamique des couches profondes sur 'interface sedimentai re. Enfin, toutes les particules peuvent constituer un support géochimique occasionnel ou définitif et un véhicule sédimentologique pour de nombreux éléments chimiques qui formeront ensemble les sédiments futurs. Dans le lac de Neuchâtel, la concentration des matières en suspension dépend de l'intensité des apports terrigènes, de la prolifération planctonique printanière et estivale, de la précipitation minéralogique, du taux de sédimentation particulaire et des remises en suspension locales et épisodiques des sédiments d'interface. L'alternance, la combinaison ou la domination temporaires de certains processus définiront ainsi la succession saisonnière des diverses associations minéralogiques. VI. 2 . Procédures expérimentales. Au cours de l'année 1984, 7 campagnes mensuelles d'échantillonnage ont été effectuées sur 4 stations du lac (Tableau 1). Les sites choisis s'étendent au large de l'embouchure de l'Areuse. Ils forment un profil transversal qui recoupe la vallée septentrionale profonde, la Motte et la vallée méridionale (Fig. 8). De plus, le 4 juillet 1984, l'échantillonnage a été généralisé à une quinzaine de stations sur 1'ensemble du lac (Fig. 8). Les prélèvements de 10 litres ont lieu à 5 m (épilimnium), 30 m (raétalimniura), 80 m (hypolimnium) et à 1 m du fond. L'eau récoltée est immédiatement formolée, amenée au laboratoire et filtrée dans les 24 heures. La récupération des particules en suspension a été soumise à différentes approches expérimentales. Il semble finalement que, tout comme en océanographie où les concentrations sont encore 20 a 50 fois plus faibles que dans le lac de Neuchâtel, les méthodes de centrifugation et de sédimentation soient beaucoup plus fastidieuses que la filtration, méthode largement adoptée (LaI, 1977 ) . Seule la récupération in situ par trappes à sédiments la supplante Page 55 avantageusement, mais avec des moyens techniques considérablement plus importants (Rathke et al., 1981; Sturm et al., 1982; Sturm, 1985). Suivant la méthode définie par Milliman et al. (1975), la suspension est injectée sous une pression de 2.5 bars sur un filtre "Killipore HAWP" de 142 mm de diamètre et 0.45 //m de porosité. Les particules sont ensuite remises en suspension par ultrasons dans 100 ml dreau distillée légèrement oxydée (3 % H202). Après !'evaporation de cette solution â 60 0C, le résidu sec est repris par de l'eau distillée et récupéré sur un filtre en argent de petit diamètre (25 mm) et 0.45 ^m de porosité (Hanheira et al., 1972). La préparation ainsi réalisée, représentant environ 5 à 8 mg de matière minérale, peut alors être soumise à la diffraction des rayons X sur un appareil Philips fonctionnant avec un programme lent: - Vitesse de rotation du goniomètre: 1/2 "/min - Vitesse de déroulement du papier : 1 cm/0 - Rayonnement CuKalpha; 40 KW; 18 mA - Constante de temps : 4 secondes - Coefficient pleine échelle : 4 • 101 VI.3. Les associations minéralogiques. La composition des particules qui constituent les diverses associations minéralogiques des matières en suspension [MES) dépend de l'évolution du rapport entre les minéraux allogènes, endogènes et authigenes. Celui-ci est fortement influencé par les saisons, mais également par la localisation géographique, la profondeur et la proximité d'un delta ou de l'interface sédimentaire. C'est pourquoi nous avons défini 3 associations minéralogiques dépendant essentiellement de l'origine des particules : A: les suspensions qui proviennent surtout des apports détritiques des rivières et peut-être accessoirement des apports éoliens; ces derniers n'ont malheureusement pas pu être rigoureusement individualisés. L'association regroupe les minéraux argileux et silicates. B: les suspensions qui proviennent de divers mécanismes de néoformation géobiochimique. Elles sont principalement représentées par la calcite endogène, mais également par différentes formes calciques telles que les phosphates, oxalates, sulfates et formates de Calcium. C: les suspensions qui proviennent des résidus solides des kystes d'organismes planctoniques tels que les diatomées. Il faut toutefois reconnaître d'emblée que malgré 1'excellent cadre général qu'elle constitue, cette classification est très rigide. Bien souvent, certaines attributions minéralogiques seraient trop rigoureuses sans recouper les limites des définitions préliminaires. Ainsi, certains minéraux peuvent avoir une origine multiple: la calcite est essentiellement endogène, mais une petite proportion peut avoir une source allochtone; le quartz Page 56 provient des apports détritiques, mais aussi indirectement des kystes de diatomées; les phosphates, oxalates, sulphates et formates de Calcium sont certainement néoformés, mais leur origine géobiochimique peut être divergeante. De plus, des mécanismes de resuspension locale et épisodique peuvent perturber l'ensemble particulate par des enrichissements détritiques, mais aussi par des minéraux authigènes et endogènes. A. Les particules d'origine essentiellement allochtone, 1. Les minéraux argileux: La CHLORITE et la MUSCOVITE constituent l'essentiel du stock argileux détritique (Fig. 104). Leur origine allochtone est confirmée par leur forte concentration dans les suspensions des affluents du lac. L'appréciation des intensités minéralogiques a été effectuée selon les méthodes habituelles de mesure de la hauteur des pics. Elle révèle une évolution annuelle très similaire pour la chlorite (002) et la muscovite (001). Lors de la campagne d'avril, leur intensité moyenne est élevée; elle s'affaiblit nettement durant l'été pour montrer une nouvelle intensification de septembre à décembre (Tableau 8). TABLEAU 8: Intensités minéralogiques moyennes (hauteur des pics en mm) de la chlorite et de la muscovite lors de chaque campagne. DATE CHLORITE MUSCOVITE 27.04.64 35 mm 26 mm 22.05.84 11 7 12.06.84 5 3 04.07.84 10 5 06.08.84 5 4 14.09.84 26 28 12.11.84 20 18 05.12.64 28 29 Selon la même approche, la moyenne annuelle du stock argileux est supérieure sur la rive jurassienne, au NW, que sur la rive molassique, vers le SE; elle est minimale sur la flotte (Tableau 9). Sur une même station, la concentration des argiles augmente légèrement avec la profondeur. Elle Page 57 est toutefois continuellement élevée à 30 m de profondeur sur la station B, au large de l'embouchure de l'Areuse (Tableau 10). TABLEAU 9: intensité annuelle moyenne (hauteur des pics en mm) de la chlorite et de la muscovite sur les 4 stations en 1984. STATION - - RIVE CHLORITE HUSCOVITE HOYEHNE A - NW 15.0 13.0 14.0 B - NW 15.0 13.0 14.0 C - HOTTE 13.0 9.0 11.0 D - SE 13.0 12.0 12.5 TABLEAU 10: Evolution verticale de l'intensité annuelle moyenne (hauteur des pics en mm) de la chlorite et de la mus- covite sur les 4 stations en 1984. STATION PROF. RIVE CHLORITE MUSCOVITE A 5 m NW 12.0 11.0 A 30 m NW 15.0 12.0 A 48 m NW 17.0 17.0 B 5 m NW 7.0 6.0 B 30 m NW 28.0 25.0 B 80 m NW 13.0 12.0 B 130 m NW 14.0 10.0 C ITl m HOTTE 12.0 8.0 C 8 m HOTTE 14.0 11.0 D 5 m SE 13.0 11.0 D 30 m SE 9.0 7.0 D 70 m SE 10.0 10.0 D 100 m SE 20.0 20.0 La moyenne annuelle du rapport Huscovite (001)/Chlorite (002) se maintient toujours entre 0.5 et 1.0. Elle présente un minimum estival et une nette augmentation au début de l'hiver (Fig. 105). Son évolution s'apparente à celle de l'intensité propre des minéraux argileux. L'élévation de la concentration des argiles dépendrait donc essentiellement de l'augmentation des micas détritiques. Page 58 Malgré sa présence fréquente dans les suspensions des rivières jurassiennes (Serriêre, Areuse, Arnon), la KAOLINITE n'apparaît que très sporadiquement dans le matériel particulaire du lac. Elle est toujours absente dans la vallée SE mais elle décelée par intermittence à la station de pompage de Cudrefin, dans le bas-lac. La plus forte concentration kaolinitique se développe toutefois au large de l'embouchure de la Serriêre (Fig. 106) et, un peu moins nettement, de celle de 1'Areuse, spécialement à proximité du fond. Quant à la SKECTITE, pourtant abondante dans certaines formations géologiques et quaternaires du Jura (Pochon, 1978; Persoz, 1982; Adatte et Rumley, 1984) et du Plateau (Monnier, 1979), elle est quasiment inconnue de la phase particulaire analysée dans le lac de Neuchâtel. Cette absence pourrait s'expliquer par la faible concentration totale des minéraux terrigènes et par leur dilution dans la phase carbonatée et organique. Il est en effet apparu au cours d'études comparatives que la smectite pouvait disparaître des spectres de détection minéralogique par diffraction des rayons X lorsque la concentration déposée sur un filtre devenait trop faible. Il a été démontré (Tucholke, 1974) qu'un sédiment qui présente des smectites lorsque sa concentration demeure élevée s'en retrouve complètement dépourvu après une dilution. Dans un même site, la détection minéralogique d'un sédiment très dilué (0.20 g/cm1) s'apparente alors à celle des MES; les 2 échantillons sont exempts de smectites (Tucholke, 1974). Cette explication de l'absence de montmorillonites nous paraît plus opportune que celle qui l'attribuerait au passage des particules très fines au travers des membranes de 0.45 jjm durant la filtration. Plusieurs auteurs ayant abordé ce problème ont conclu que la porosité effective s'atténuait très rapidement après le passage d'un faible volume de suspension (Tucholke, 1974; Heade et al., 1975; etc.). L'analyse des MES des affluents jurassiens confirmerait cette hypothèse. En effet, lorsque les concentrations sont faibles, les particules sont récupérées par filtration; les smectites sont alors régulièrement absentes. Par contre, le 29 novembre 1983, les rivières étaient fortement en crue et la concentration de leurs suspensions très élevées. La récupération a alors pu se faire par décantation et centrifugation. Après un fractionnement granulométrique, la smectite a été décelée, certes faiblement, dans tous les échantillons des fractions fines (Fig.107). Il semble donc bien que la détection des minéraux gonfflants soit tributaire de la concentration soumise à 1'analyse et que celle-ci soit rarement suffisante dans le cas des particules en suspension dans un milieu aquatique. Finalement, des traces de PALYGORSKITE ont été observées dans les MES de la rive NW et en décembre 1984 seulement. La préservation de ce minéral (SiS Hg5 O20 (OH)2 (OH2)4 . 4 H20] requiert un environnement chimique alcalin (Carroll, 1970); il a été trouvé dans des formations actuelles, dans des milieux toujours riches en cations tels que des lacs et des sols (CaiIlere et Hénin; 1963). Comme il a été identifié dans certaines formations jurassiennes (Kubier, 1962; Persoz, 1982), sa présence dans le lac de Neuchâtel est donc tout à fait plausible. Page 59 2. Le talc (Hg3 Si4 OIO (OH)2]: La présence sporadique du talc dans les particules en suspension paraît à priori assez incompréhensible. Son identification est très peu répandue dans les sédiments, mais elle s'intensifie dans la phase particulaire, tout comme en milieu marin (Emery et al., 1973; Killiman et al., 1975). Bien que sa concentration régionale et saisonnière soit assez inhomogene, il est tout à fait possible d'en déterminer certaines aires de répartition. Les 2 rivières qui traversent la ville de Neuchâtel (Serrière et Seyon) contiennent régulièrement une importante concentration de talc qui se retrouve ensuite dans les suspensions et les sédiments lacustres au large de leur embouchure (Fig. 106); il atteint même la rive SE du bas-lac, entre Portalban et Cudrefin (Fig. 108 et Fig. 118). Il se retrouve ensuite. généralement dans les MES de l'émissaire de la Thielle. A l'exception du mois de novembre, les 2 stations de la vallée NW sont toujours exemptes de talc. Elles s'opposent à la station de la vallée méridionale, au-delà de la Motte, qui en renferme régulièrement dans une partie de ses prélèvements. De manière générale, tous les affluents contiennent alternativement du talc. Il est donc possible, tout comme Pierce et al. (1971), d'émettre une origine anthropogénique de sa dispersion dans les rivières. En effet, l'emploi du talc est courant dans l'industrie des cosmétiques, peintures, papiers et autres diluents d'aérosols insecticides. Il serait suffisant pour induire une pollution minéralogique perceptible dans les matières en suspension (Pierce et al.; 1971). Sa répartition aquatique ultérieure par les courants lacustres en ferait alors un traceur pour définir diverses provinces et expliquer sa présence locale et sporadique. Sa concentration dans le bas-lac serait conditionnée par les apports du Seyon, de la Serrière et parfois de l'Areuse. La dominance des courants d'Ouest le dirigerait vers l'Est et le Nord-Est, expliquant ainsi sa présence régulière à Portalban et à Cudrefin. Une deuxième province serait délimitée par la vallée septentrionale profonde, dépourvue de talc jusqu'en novembre. Lors de cette campagne, un régime préliminaire de bise aurait pu provisoirement orienter la décharge de ces mêmes rivières vers le Sud-Ouest et expliquer ainsi cette disparité tardi-automnale. Enfin, la province du haut-lac, sporadiquement pourvue en talc par l'Arnon, la Thielle (Fig. 109) ou la Mentue, s'écoulerait vers le NE par la vallee méridionale, quatrième aire aquatique. Ces observations confi rmeraient alors les conclusions émises dans 1'étude turbiditique des couches hypolimniques qui distinguait cette vallée par une concentration particulaire supérieure à celle du Word de la Motte (Bapst et Kubier, 1987). 3. Les minéraux silicates: Le quartz forme la concentration majeure de cette famille minéralogique. Les feldspaths potassiques et les plagioclases montrent une présence régulière mais seulement accessoire (Fig. 104 - 106 - 109). L'appréciation de l'évolution annuelle du quartz ne se dissocie pas beaucoup Page 60 de celle des argiles. D'ailleurs, la concentration du quartz est constamment très élevée dans les MES des rivières périlacustres; elle confirmerait ainsi l'importance des apports allochtones vers le bassin du lac. En automne, sa forte intensité est corrolaire à celle des argiles détritiques. Il n'est malheureusement pas possible d'estimer par diffraction des RX le rapport entre le matériel quartzitique terrigene et les particules siliceuses du plancton. D'autres études susceptibles de doser la silice amorphe de ces organismes n'ont pu être réalisées si ce n'est quelques observations qualitatives au MEB pour reconnaître les espèces diatomiques les plus répandues {chap. VI.C). 4. Discussion: La combinaison des observations réalisées sur la répartition des kaolinites et du talc permet de déterminer 4 masses aquatiques dans le lac de Neuchatel (Fig.110). La première (I) recouvre le bas-lac, au NE de la Motte; elle contient régulièrement du talc et de la kaolinite apportés par les rivières jurassiennes et dispersés jusqu'à la rive de Portalban-Cudrefin. La deuxième province (II) se confond h la vallée NW; elle est marquée par les apports de l'Areuse: présence sporadique de kaolinite, traces de palygorskite en décembre, absence totale de talc sauf en novembre où il aurait été ramené par un courant dominant du NE. La troisième aire (III) semble s'identifier par le transfert longitudinal des eaux du haut-lac vers le bas-lac par la vallée méridionale. Elle est exempte de kaolinite; par contre, elle renferme des traces de talc qui proviendraient de la masse d'eau du haut-lac (IV), enrichie par ses affluents du Plateau et du Jura. B. Les particules d'origine essentiellement autochtone. 1. Les carbonates de calcium: La CALCITE, la DOLOMITE et la VATERITE constituent la population carbonatée des MES du lac de NeuchStel. Elle peut avoir 3 origines distinctes (Kelts and HsU, 1976): a) Les particules d'érosion d'un bassin versant carbonate apportées au lac par ses affluents. b) Les particules bioclastiques produites par des organismes et le plancton. c) Les particules minérales engendrées par la précipitation inorganique primaire ou par l'activité bactériologique. Cependant, la détermination de la nature originelle des cristaux de calcite est souvent un problème. Dans le lac de Neuchatel, la concentration calcitique moyenne approchée par diffraction des RX augmente régulièrement d'avril i août. Elle diminue en automne et s'anhile pratiquement en novembre et décembre (Fig. 111). Un échantillonnage supplémentaire en mars 1985 n'a également révélé aucune trace de calcite. Il apparaît donc clairement qu'elle possède une source Page 61 endogene importante et que sa concentration est tributaire de l'évolution thermique et du cycle biologique du lac (Portner, 1951). De plus, en juillet et août, de nombreux prélèvements contiennent de la vatérite, ou micro-calcite (Fig. 112-113); cette présence confirme indubitablement la prédominance de la précipitation chimique sur les autres causes potentielles de formation de particules carbonatées. Enfin, l'analyse des grains au MEB permet d'observer une multitude de micro-cristaux de calcite {< 12^m) avec magnifiques mâcles de croissance ; la taille et la texture viennent ainsi corroborer l'hypothèse de la priorité de la précipitation chimique sur les mécanismes d'apports élastiques et bioclastiques (Photos 1-2). Des études ont démontré qu'une telle réaction chimique ne pouvait se dérouler qu'en conditions de sursaturation vis-à-vis de la calcite (Kelts and Hsü, 1978). La précipitation carbonatée inorganique doit en effet vaincre l'obstacle initial de la nucléation. La réaction nécessite donc une grande concentration de calcium et de carbonates. Les ions de calcium aboutissent dans la masse aquatique par apports fluviatiles ou souterrains et éventuellement par resuspension sedimentai re. Les anions de carbonates peuvent dériver directement de l'équilibre atmosphérique, de la respiration et de la réduction bactériologique de la matière organique. Deux mécanismes limnologiques sont aptes à induire une sursaturation capable d'engendrer la précipitation minéralogique de la calcite: un facteur biologique agissant par assimilation photosynthétique du dioxyde de carbone et un facteur physico-chimique régissant les variations thermiques saisonnières responsables de la solubilité du C02 et de la calcite. Selon Stumm et Morgan (1970), la consommation algaire de dioxyde de carbone s'approche de la relation stoechiométrique suivante: 106 C02 + 16 N03 + HP04 + 122 H20 + 18 H - C106 H263 O110 N16 Pl + 138 02 Or, l'échange avec 1'atmosphère étant comparativement beaucoup plus faible, la concentration du C02 diminue rapidement et cause une sursaturation carbonatée susceptible de former des micro-cristaux de calcite. D'autre part, la température et les brassages de 2 masses d'eau conditionnent les réactions purement physico-chimiques de précipitation ou de solubilisation. Dans le lac de Neuchâtel, il a été démontré que la combinaison des 2 facteurs conditionne la précipitation des carbonates de calcium (Portner, 1951). En effet, la concentration en gaz carbonigue régit tout le système: son augmentation conduit à une élévation de la matière organique et à une diminution du CaC03 particulaire; sa diminution par assimilation phytoplanctonique favorise la formation minéralogique de la calcite. La précipitation du carbonate de calcium dépend donc uniquement de la saturation en gaz carbonique. Page 62 Conjointement à cette forte concentration estivale de calcite endogène, il est difficile d'estimer la proportion annuelle de carbonates bioclastiques et détritiques. D'après de nombreuses observations au HEB, elle doit cependant demeurer très modeste. En effet, peu d'organismes planctonigues lacustres sont capables de produire de la calcite (Kelts and HsU, 1978). Seule l'algue verte "Phacotus" fait exception; elle est toutefois très rare dans les suspensions analysées. Par contre, la faune benthique, essentiellement littorale, pourrait contribuer a l'enrichissement des sédiments en carbonates de calcium. Leur transport hydrodynamique sous forme particulaire reste cependant négligeable vis-à-vis de leur conservation sous forme bioclastique plus grossière (Kubier et al., 1979). L'estimation de la calcite allogène est tout autant complexe. Une approche est envisageable en admettant que la dolomite soit totalement détritique. Le taux de calcite clastique serait alors fourni par leur rapport minéralogique (Kelts and Hsü, 1978). Il faudrait alors connaître leur rapport en période hivernale, lorsque la néoformation est nulle. Cependant, les moyens techniques utilisés ne permettent pas d'identifier avec suffisamment de netteté les traces de dolomites présentes. Il ne paraît donc pas judicieux de subdiviser la population carbonatée selon ce modèle. Par contre, la meilleure approche demeure la visualisation cristallographique des particules au MEB; il se confirme alors qu'une très forte proportion de petits cristaux carbonates présentent des faces de croissance polyhédrales ou rhombiques typiques de néoformation endogène. Les grains mats, grossiers et arrondis par un transport fluviatile sont très rares. Les micro-calcites en suspension dans le lac de Neuchâtel sont donc en forte majorité endogènes. 2. Les oxalates de calcium; Ces composés sont présents sous 2 formes cristallographiques d'hydratation distinctes. Il y a la WHEWELLITE [Ca C2 04 . H20) et la WEDDELLITE [Ca C2 04 . 2 H20]. Leur répartition est généralisée dans toute la masse aquatique du lac. Leur intensité mensuelle moyenne augmente fortement au début de l'été (juin - juillet), s'atténue déjà en août et ne subsiste que succintement en automne. La distinction entre les 2 polymorphes paraît conditionnée par leur milieu (lac ou rivière) et par leur situation dans la colonne aquatique. La whewellite se concentre essentiellement parmi les particules en suspension dans le lac (Fig. 113) alors que la- weddellite, plus rare, est principalement présente dans l'eau qui surnage à l'interface des sédiments (Fig. 114), à la surface du lac lors du bloom planctonique qui "rougit" l'eau (Fig. 115) et dans les rivieres péri lacustres ; La coexistence des 2 minéraux dans un même échantillon est extrêmement rare; elle se présente parfois sur la Motte ou à proximité du fond du lac. Page 63 Discussion: Les oxalates de calcium ont été rarement identifiés en milieux sédiraentaires naturels. Pendant longtemps, l'intérêt de leur étude était focalisé sur la concentration importante qu'ils formaient dans les calculs rénaux (Prien and Frondel, 1947; Gibson, 1974; Levinson et al., 1985). Conjointement au développement de ces connaissances, de nouvelles études cristallographiques (Sterling, 1965; Koutsoukos et al., 1980) et physico-chimiques (Rodgers and Garside, 1980; Tomazic and Nancollas, 1979) ont été réalisées pour soutenir les approches pathologiques qui conditionnent leur croissance dans les organes humains (Khan et al., 1979). Les oxalates de calcium ont également été formellement identifiés et dosés dans plusieurs espèces biologiques depuis longtemps. Ils ont été reconnus dans divers champignons (Graustein et al., 1977), dans certaines plantes (Baker, 1952) et tiges de bois (Scurfield et al., 1973). De même, Griffin et al. (1984) citent différents travaux qui traitent de la cristallisation de la weddellite et de la whewellite dans de nombreuses plantes. Dans les sédiments actuels, la weddellite a été reconnue pour la première fois dans sa localité-type, la mer de Weddell, entre 2425 et 2739 brasses (Bannister and Hey,1936). Après avoir été longtemps mise en doute à cause de l'éventualité de sa cristallisation postérieure a l'échantillonnage (Hutton and Taft, 1965), elle a été formellement réhabilitée lorsque sa présence a été confirmée dans d'autres milieux similaires (Marlowe, 1970; Matsubara and Ichikura, 1975; Van der Lingen, 1979). Il y eut même la meilleure confirmation possible lorsque la weddellite fut à nouveau authentifiée avec certitude dans la mer de Weddell plus de 30 ans après sa première découverte par Bannister et Hey (Lowenstam; 1968). De plus, la weddellite a été fréquemment reconnue dans des sols (Graustein et al., 1977) et autres dépôts riches en matières organiques telles que des tourbes (Griffin et al., 1984). L'éventualité d'une cristallisation après les prélèvements a été définitivement déniée de toute crédibilité par les travaux de Griffin, Sawyer et Melkote (1984). Afin d'obtenir une réponse irréfutable, ces auteurs ont multiplié les échantillonnages et les analyses sur les mêmes sites; ils ont aussi réalisé les déterminations minéralogiques le même jour que les prélèvements car la suspicion principale provenait de la durée de conservation des échantillons. Les résultats obtenus ainsi ont été rigoureusement identiques à ceux qui avaient été acquis sur du matériel stocké durant quelques mois en laboratoire. Finalement, ils ont également disculpé l'emploi de l'eau oxygénée durant la préparation des échantillons. La weddellite existe indifféremment sur tous les préparats, qu'ils aient été ou non traités par H202. Tout effet d'artefact semble donc inopérant sur la cristallisation des oxalates de calcium dihydratés. La whewellite a été répertoriée dans diverses formations géologiques, toujours riches en carbonates et en matières Page 64 organiques {Pecora and Kerr, 1954; Leavens, 1968). Quelque soit leur degré d'hydratation, les oxalates de calcium peuvent donc exister dans les sédiments lacustres, fluviatiles et marins actuels. Par contre, à notre connaissance, ils n'ont encore jamais été identifiés dans les suspensions d'un milieu aquatique avant leur découverte dans celles du lac de Neuch&tel et de ses affluents. Nous pensons toutefois que cette ignorance est due aux méthodes analytiques de la minéralogie, généralement peu adaptées aux faibles concentrations et de ce fait rarement appliquées aux études des suspensions marines. D'ailleurs, dans les sédiments eux-mêmes, la reconnaissance des oxalates de calcium n'est pas aisée car leur concentration ne représente qu'une très faible proportion du matériel et leurs caractéristiques minéralogiques (indices de réfraction, pics de diffraction) et cristallographiques (bipyramides) peuvent aisément les confondre avec d'autres espèces (Van der Lingen, 1979). Ainsi, selon divers auteurs (Griffin et al., 1984; Van der Lingen; 1979), la weddellite existe certainement beaucoup plus souvent qu'elle a été répertoriée et constituerait même un minéral authigène commun de nombreux sédiments. Seules les difficultés de détermination émises précédemment la rendent encore aléatoire. A la suite de toutes ces observations, aucune restriction majeure ne pourrait s'opposer à la présence des oxalates dans les MES du lac de Neuch&tel. La concentration de la weddellite dans les rivières s'accorde parfaitement avec les résultats de Marlowe (1970). La présence d'un environnement alcalin nécessaire à leur stabilité et à leur conservation (Marlowe, 1970; Pecora and Kerr, 1954) est également satisfaite. Seul le problème de leur origine précise, maintes fois discuté, reste à élucider, Il est aujourd'hui acquis que la concentration des oxalates de calcium dépend directement de la quantité de matière organique (Griffin et al., 1984). Il est également certain que des cristaux de whewellite et de weddellite peuvent exister simultanément à l'acide oxalique dans plusieurs types d'espèces biologiques. Ainsi, l'accumulation de plantes, de tiges de bois, de feuilles et autres produits de dégradation organique dans les couches sedimentai ree permet de concentrer des oxalates de calcium solides ou dissous; cette dernière forme étant susceptible de précipiter dans l'eau intersticielle (Marlowe, 1970; Van der Lingen, 1979); A côté de cette précipitation géochimique ou d'une croissance "biologique", les cristaux d'oxalate de calcium peuvent provenir de la biominéralisation des matières organiques par activité bactériologique (Lowenstam, 1981). Cependant, à l'état actuel de nos investigations, l'origine de la whewellite et de la weddellite en suspension dans les eaux du lac de Neuchâtel et de ses affluents ne peut être formulée avec certitude. Seules les hypothèses suivantes peuvent être émises: la weddellite existe essentiellement dans les couches limniques profondes et dans les rivières; elle proviendrait alors de la précipitation de l'acide oxalique dans l'eau intersticielle des sédiments superficiels grâce aux apports de la biomasse. Cette éventualité s'accorderait avec les conclusions de Marlowe (1970) et de Van der Lingen (1979) qui ont identifié de la Page 65 weddellite authigène dans les dépôts de 2 fleuves canadiens et de la mer de Corail. Sa présence parmi les HES résulterait alors de sa remise en suspension par les courants fluviatiles ou par des courants limnigues de fond. Quant aux whewellites, essentiellement pélagiques, elles proviendraient soit d'une néoformation par biominéralisation bactériologique in . situ des particules organiques en décomposition dans la colonne aquatique (Lowenstam, 1981), soit simplement de la conservation des cristaux formés dans les espèces biologiques autochtones ou allochtones. L'évolution annuelle de leur concentration avec une intensification estivale très marquée tendrait à leur attribuer une origine de néoformation bactériologique plutôt qu'une origine biologique intrinsèque, sans preuves formelles toutefois. 3. Les phosphates de calcium: Des cristaux d'hydroxy-orthophosphates de calcium apparaissent régulièrement dans les suspensions printanières et estivales du lac. Ils sont par contre absents dans tous les affluents. Leur concentration maximale atteint son apogée lors de l'échantillonnage mensuel de juin. Cette forte intensité, déjà amorcée en mai, se poursuit jusqu'en juillet. Dès le mois d'août, leur persistence s'atténue jusqu'à l'aube de l'hiver qui les voit pratiquement disparaître en novembre et décembre. En mars 1985, leur disparition est totale. Selon les analyses minéralogiques par diffraction des HX, ces cristaux s'identifient à de 1'HYDROXY-APATITE [Ca5 (P04)3 (OH)). Les pics de diffraction répertoriés sur les échantillons des MES (Fig. 116) s'apparentent en effet parfaitement aux principaux pics définis sur la carte PDF 9-432 (Tableau 11). L'observation des spectres de tous les échantillons dévoile 2 états de cristallisation bien distincts. L'hydroxy-apatite apparaît tantôt sous une forme cristalline Çarfaite (Fig, 116), tantôt, et le plus souvent, dans un état intermédiaire entre les phases amorphes et cristallines (Fig. 117). Les particules qui contribuent à l'excellente cristallisation observée sur les spectres d'analyse appartiennent à la couche benthique (Fig. 118) ou à la station de pompage de Portalban (Fig. 116). C'est d'ailleurs à 1 m du fond que les variations qualitatives et quantitatives de l'hydroxy-apatite sont les plus intenses, tandis qu'une plus grande homogénéité règne dans la masse aquatique susjacente. Page 66 TABLEAU 11: Pics principaux d'un spectre de diffraction d'une hydroxy-apatite en suspension danê le lac de NeuchStel (MES) comparés à ceux §Üi sont définis par la carte PDF 9-432 {PDF): Intensité d (A)-MES d (A]-PDF 12 8.17 8.17 10 - 4.07 10 3.88 3.88 40 3.44 3.44 12 3.17 3.17 ie 3.09 3.08 100 2.822 2.814 60 2.779 2.778 60 2.734 2.720 25 2.629 2.631 20 2.270 2.262 Conjointement aux analyses minéralogiques, des investigations ont été entreprises au KEB relié à une microsonde à énergie dispersive (EDX) pour confirmer l'existence des hydroxy-apatites et pour observer leur morphologie granulaire. En-dehors des pollutions de silicium, l'analyse chimique semi-quantitative des éléments majeurs ne révèle que la présence de Calcium et de Phosphore (Fig. 119); ce sont bien les seules composantes majeures des phosphates de calcium hydratés. L'observation des particules au heb est également de grand intérêt. Les hydroxy-apatites ressemblent à des "plaquettes" polygonales proches de 20 //m de côté et d'une épaisseur inférieure à 5 ym (Photo 3). Un examen plus attentif permet de déceler qu'il s'agit en fait de l'assemblage latéral d'une multitude de micro-cristaux dont la longueur équivaut à l'épaisseur de la plaquette constitutive (Photo 4). Certains endroits présentent même une deuxième couche de cristaux créés par un "bourgeonnement" cristallin au-dessus de la plage précédente (Photo 5) . Au cours d'une campagne préliminaire, en octobre 1983, des traces de VIVIANITE (Fe3 (P04)2 . 8 H20] ont été répertoriées dans les suspensions des eaux prélevées aux stations de pompage de Cudrefln et Portalban (Fig. 120). Malgré leur identification irréfutable à cette époque, elles n'ont plus jamais pu être idenfiées clairement lors des campagnes ultérieures. Page 67 Discussion: Similairement à sa présence dans certaines formations géologiques, le phosphore intervient dans de nombreux processus authigènes des sédiments lacustres actuels. Bien qu'il soit considéré comme un élément mineur de la chimie lacustre avec ses concentrations très faibles (0.25 à 0.75 % du poids sédimentaire sec), il joue un rôle primordial dans le développement des populations planctoniques et conditionne leur relation avec les phénomènes d'eutrophisation. Une abondante littérature, encore loin d'être achevée, a été nourrie par l'étude des interactions entre la phase dissoute et la phase particulaire du phosphore, par 1'évolution saisonnière et bathymétrique de ces relations et par les transferts qu'il peut organiser entre diverses formes chimiques (phosphore organique, phosphore inorganique apatitique et phosphore inorganique non apatitique). Il semble que toutes les recherches actuelles intéressées par la compréhension des mécanismes qui régissent la précipitation des phosphates se regroupent sur 2 axes principaux: (1) celui de la précipitation chimique directe et (2) celui de la biominéralisation par activité bactériologique. Il s'avère cependant que des expériences récentes peuvent démontrer que les 2 mécanismes sont généralement intimement liés (3) (Lucas et Prévôt, 1984). (1): Dans leur brève synthèse consacrée à la minéralogie des phosphates des sédiments lacustres actuels, Jones et Bowser (1978) résument le cheminement des études axées sur la précipitation chimique directe et relèvent la complexité d'une transposition des expériences de laboratoire en milieu naturel. Quelque soient les caractéristiques chimiques du milieu approché (sédiments diversement calcaires, conditions euxiques ou anoxiques), le phosphore peut exister sous toutes ses formes; son environnement favorisera toutefois certaines réactions au détriment des autres. Ainsi, les orthophosphates inorganiques non apatitiques pourraient tantôt se fixer sur des oxydes et hydroxydes ou sur des fractions non cristallines (Williams et al., 1971; 1976), tantôt précipiter sous forme d'hydroxy-apatites ou autres espèces apatitiques criptocristallines (Williams and Mayer, 1972; Nriagu and Dell, 1974), tantôt coprécipiter avec des carbonates (Otsuki and Wetzel, 1972). Selon ces derniers auteurs, dans .un lac alcalin fortement calcaire, les phosphates peuvent s'incorporer dans les particules carbonatées précipitées lors d'une nette élévation du PH causée par l'absorption photosynthétique du C02. La coprécipitation se produirait soit par adsorption du micro-composant par le minéral principal, soit par formation de cristaux mixtes. L'expérience a été conduite sur les eaux du lac Lawrence (Michigan), très riches en calcium (63.3 mg/1) et en magnésium (29.3 mg/1). Après un faible ajout de phosphates (P041-), une période d'incubation, une variation de température et un réajustement du PH, une grande partie du phosphate précipite avec les carbonates. L'élévation du PH constitue le facteur principal dans l'élaboration de la cristallisation. D'après les caractéristiques de cette réaction, les phosphates seraient incorporés aux cristaux de calcite. Toutefois, même si le PH d'un milieu lacustre peut fortement augmenter par la Page 68 photosynthèse phytoplanctonique, la simple transposition de telles expériences en domaine naturel demeurerait fort hasardeuse, essentiellement à cause de la méconnaissance des effets des acides organiques dissous. Dans une expérience comparable, Avnimelech (1983) a pu observer la cristallisation surfacique de composes phosphatés sur des particules carbonatées prélevées dans les eaux du lac Kinneret, dont les caractéristiques alcalines et carbonatées s'approchent de celles du lac de Neuchâtel. Ces composés ne constitueraient pas vraiment des cristaux mais plutôt des surfaces complexes de Ca3 (HC03)3 P04 souvent mal cristallisées et transformées ultérieurement en apatites cristallines. Selon cet auteur, divers travaux auraient démontré 1'existence commune de ces cristaux mixtes ou surfaces complexes de phosphate dans de nombreux lacs. La cristallisation épitaxique d'hydroxy-apatite a également été réalisée sur une autre phase minérale composée d'oxalate de calcium (Koutsoukos et al., 1980). Toutefois, cette croissance minéralogique ne serait induite que sur l'oxalate de calcium trihydraté; elle n'apparaîtrait pas du tout sur les formes mono- (Whewellite) et di-hydratées (Weddellite). Cette expérience a également permis de photographier de magnifiques micro-cristaux d'hydroxy-apatite en germes ou en croissance sur l'oxalate de calcium. Norvell (1974) a conduit des expériences similaires sur des échantillons de sédiment prélevés dans un lac anoxique et conservés dans des conditions identiques. Il a pu observer une corrélation linéaire entre l'insolubili sation des phosphates et la diminution de la somme des cations solubles. De plus, la diminution des cations divalents (Hn -Fe-Ca - Hg) surpasserait nettement celle des ions monovalents (Na - K - NH4) et s'opposerait à une légère augmentation du Si. En conséquence, et en se basant sur les capacités d'échange cationique, 1'auteur suggère que la précipitation phosphatée directe dépasserait nettement la création de nouveaux échanges avec formation de cristaux mixtes. En se basant sur la comparaison des produits de solubilité des composés phosphatés connus avec ceux des solutions intersticielles échantillonnées, il a pu reconnaître la forme minérale de quelques espèces compatibles, telles que la vivianite, l'hydroxy-apatite et le calcium triphosphate [Ca3 (P04)2]. Selon lui, ces 2 derniers minéraux pourraient même constituer un facteur limitatif du phosphore organique dans les sédiments anoxiques d'un lac. (2): L'importance de l'activité bactériologique est actuellement reconnue dans les processus geochimiques naturels (Hanselmann, 1986). Les microbes affectent indirectement toutes les réactions de précipitation et dissolution, d'adsorption et désorption, d'oxydation et réduction, etc. Diverses études ont montré le rôle primordial que les bactéries peuvent jouer dans les mécanismes de dégradation du phosphore organique et dans la sédimentation ou le relargage des phosphates (GSchter and Mares, 1985; Avnimelech, 1983; Lowenstam, 1981). Cependant, l'intervention des bactéries se répercute déjà sur le comportement de l'évolution annuelle de la Page 69 concentration du phosphore particuXaire dans la colonne d'eau. Eh effet, le rapport C/P (Oarbone/Phosphore) de la biomasse particulaire peut considérablement s'écarter de la valeur théorique de 106 établie par Redfield et al. (1963) suivant la profondeur, la saison ou l'état trophique des eaux (Gächter and Hares, 1985; Gächter and Bloesch, 1966). En surface, le phosphore est abondamment assimilé lors du développement printanier et estival des populations phytoplanctoniques. Toutefois, bien que le phosphore devienne ainsi un facteur limitant, la croissance des algues persiste, à une vitesse réduite certes. La composition bioparticulaire s'enrichit alors en carbone aux dépens du phosphore et provoque ainsi une forte majoration du rapport C:P au-delà de 106. La diminution verticale de ce rapport peut s'expliquer par la conjugaison de 2 mécanismes chimiques simultanés: l'atténuation du carbone organique dans l'ensemble sestonique par sa minéralisation et l'augmentation du phosphore particulaire durant la décantation des composés solides en décomposition (Gächter and Mares, 1985). Il a en effet été démontré que non seulement la minéralisation de ces particules ne produisait pas de phosphore soluble, mais qu'au contraire elle en consommait par adsorption physico-chimique ou précipitation, ou encore par l'activité colonisatrice des bactéries sur les détritus (Currie and Kalff, 1984; Gächter and Mares, 1985). La concentration du phosphore particulaire augmente donc avec la profondeur d'eau, s'intensifie à l'interface sédimentaire et atteint son maximum dans la couche centimétrique oxydée des dépôts superficiels (Bloesch, 1974; Gächter and Mares, 1985). Par contre, cette concentration s'atténue fortement avec la profondeur d'enfouissement du sédiment à partir de l'instauration du milieu réducteur. Bien que les mécanismes de fixation du phosphore soluble sur les particules soient très complexes, il semble bien que conjointement aux processus physico-chimiques tels qu'adsorption sur des surfaces cristallines ou précipitation, son absorption par les algues en suspension ou par les microorganismes et les bactéries colonisant le matériel en décantation puisse être très importante (Paerl, 1975; Barsdate et al., 1974). Ailleurs, il a été démontré que l'augmentation de la concentration des phosphates pouvait activer la décomposition et la minéralisation d'organismes par son influence bénéfique sur l'activité microbienne (Sherr et al., 1982). Les bactéries seraient même capables d'entrer en compétition avec les algues planctoniques lors de l'absorption de phosphore soluble, essentiellement lorsque celui-ci se trouve dans de faibles concentrations (Lean and White, 1983; Currie and Kalff, 1984). (3): L'augmentation verticale de la fixation du phosphore soluble dans la colonne d'eau et sa poursuite à la surface sédimentaire repoussent aux couches anoxiques inférieures la possibilité de trouver une source pour les phosphates benthiques solubles. La phosphatogenèse se produirait alors au sein de la vase superficielle fortement organique, avant que le sédiment ne soit enfoui, dans des conditions Page 70 aérobiques (Lucas et Prévôt, 1984). Selon les observations de laboratoire de ces derniers auteurs, il n'y aurait aucune précipitation phosphatée en milieu anaérobique et une inertie totale dans des préparations stérilisées. L'intervention des bactéries apparaît donc déterminante dans les processus qui conduisent à la synthèse apatitique. Leur rôle est encore confirmé par le temps de latence observé avant l'apparition des premières traces d'apatite qui serait nécessaire au développement d'une population bactérienne à partir des éléments en solution. Il apparaît de plus en plus que toute précipitation phosphatée nécessite des mécanismes biologiques largement plus importants que les processus purement physico-chimiques qui interviendraient ultérieurement lors de la néocristallisation (GSchter and Kares, 1985). Conclusion: La brève synthèse des travaux cités précédemment ne prétend pas apporter de solution claire à la présence d'hydroxy-apatites dans le lac de Neuchâtel. Toutefois, elle permet de démontrer les problèmes inhérents à de telles particules et de situer l'éventail des processus plausibles a leur formation. Bien gue l'observation au microscope électronique à balayage révèle que leur précipitation néocristalline est fort plausible, des interrogations demeurent sur le lieu, le temps et la durée de la réaction. D'après diverses études (Lucas et Prévôt, 1984; Gächter and Kares, 1985), la phosphatogenèse pourrait se dérouler dans la couche oxydée du sédiment superficiel, en milieu aérobique. Elle ne constituerait alors que le prolongement des processus bactériens amorcés dans la colonne d'eau. La présence de ces particules parmi les MES devraient toutefois recourir à des mécanismes de remise en suspension qui nous paraissent nécessiter des courants trop importants. C'est pourquoi nous formulons l'hypothèse d'une précipitation phosphatée endogène conditionnée par une concentration artificielle engendrée par les stations d'épuration. Tant le P que le Ca seraient suffisamment abondants; dès l'instauration de conditions aérobes, en milieu lacustre, la formation pourrait s'amorcer grâce à l'activité des microorganismes bactériens. Des mécanismes plus purement physico-chimiques achèveraient le transfert phosphorique vers les particules par précipitation ou par adsorption éventuelle sur des cristaux de carbonates ou d'oxalates de calcium (Otsuki and Wetzel, 1972; Avniraelech, 1983; Koutscukos et al., 1980), tous abondants dans le lac de Neuchâtel. Quant à la présence sporadique de vivianite en suspension vers la fin de la période de stratification thermique, elle pourrait plus aisément provenir d'une resuspension sédimentaire locale. Les conditions de sa précipitation définies par Nriagu et Dell (1974) montrent qu'en effet la vivianite est formée au cours de la diagenèse précoce du sédiment et qu'elle est probablement l'un des minéraux phosphatés les plus stables en milieu réducteur. Des études réalisées sur les sédiments du lac Majeur (Viel, 1983) ont confirmé ces caractéristiques pour l'environnement des Page 71 mécanismes de cristallisation de la vivianite. Elles ont également démontré que les processus d'oxydation gui interviennent après l'échantillonnage peuvent lui causer une rapide et intense altération. La reconnaissance de telles particules en suspension dans le lac tend à confirmer l'existence de courants limnigues capables de procurer une resuspension des sédiments d'interface et de sa sous-couche réduite. La sporadicité et la faiblesse de leur présence s'expliqueraient par 1'effet conjugué de 2 processus chimiques typiques de ce lac. Tout d'abord, la géochimie sedimentai re du milieu riche en carbonate de calcium et relativement pauvre en fer par rapport au soufre ne favorise guère la précipitation minéralogique de la vivianite (Nriagu and Dell, 1974). Ensuite, les conditions aérobiques de la colonne aquatique atténueraient le temps de conservation des particules qui auraient pu se former. La probabilité d'échantillonnage de la vivianite deviendraient alors très restreinte. 4. Les sulfates et les formates de calcium. Le GYPSE {Ca S04 . 2 H20) et 1'ANHYDRITE (Ca S04) peuvent exister en suspension dans les couches benthiques du lac et surtout dans ses affluents. Les plus fortes concentrations ont été répertoriées dans les rivières périlacustres et dans l'émissaire de la Thielle, essentiellement de mai à août 1984. Dans le lac proprement dit, du sulfate de calcium en suspension a été observé uniquement en juillet et à proximité du fond des 4 stations mensuelles. Le gypse apparaît aussi régulièrement dans l'eau surnageante ou ä l'interface sédimentaire oxydée de la plupart des prélèvements récoltés par un carottier sur l'ensemble de la surface du lac (Fig. 9). Il est généralement accompagné d'un autre minéral bien cristallisé qui disparaît après un chauffage à 500 0C. Il se répertorie non seulement très bien sur des préparations orientées, mais également sur les poudres de sédiment total. D'après les caractéristiques crista11ographiques qu'il révèle par 1'analyse aux RX, il s'agirait d'un FORMATE de CALCIUM [Ca (CH02)2). L'association de ces 2 minéraux, située a l'interface des sédiments, se répartit sur la zone du haut-lac et celle de la plaine profonde du SW de la Motte. Tous deux peuvent manifester une intensité minéralogique tout a fait remarquable (Fig. 121). Discussion: Il paraît vraisemblable que la coexistence des sulfates et des formates de calcium observés à l'interface sédimentaire du fond du lac provienne d'un même processus physico-chimique. Par contre, le gypse en suspension dans les rivières aurait une source differente. L'origine des sulfates de calcium de la couche superficielle des dépôts lacustres peut paraître â priori fort suspecte. Toutefois, l'interface eau-sédiments constitue un milieu si complexe, et encore mal connu, qui pourrait éventuellement réunir les conditions physico-chimiques propices à la précipitation des Page 72 ions de Ca1+ et de S041-. Les cations de calcium sont très abondants dans un lac alcalin. Ils ne constitueront donc certainement pas une limitation à la formation des sulfates de calcium. Par contre, les eaux douces sont pauvres en S04'-; leur concentration est voisine de 12 mg/1 dans le lac de Neuchâtel. Le soufre peut toutefois provenir d'autres sources et enrichir les couches benthiques en sulfates après avoir subi plusieurs transformations chimiques et bactériologiques. Il constitue en effet 0.1 à 2.0 % du poids sec de la biomasse des organismes vivants (JOrgensen; in Krumbein, 1983). Il peut être assimilé par des bactéries aussi bien que par les algues et les plantes aquatiques sous forme de sulfates. A leur mort, tous ces organismes vont tomber au fond du lac et constituer la fraction organique autochtone du sédiment. Dans le lac de Neuchâtel, celle-ci supplante nettement la proportion qui provient des apports organiques allochtones (Beck, 1987). La composition générale de la matière organique des sédiments s'apparentent alors globalement et dans une première approximation à celle qui a été fournie par Redfield (1958): (CH2OU06 (NH3)16 (H3P04)! a) La réduction des sulfates. Les dépôts accumulés au fond du lac subissent alors une décomposition bactériologique essentiellement anaérobique; il y aura une production de sulfures si la respiration est sulfatée et une formation de méthane lors d'oxydation. Ce dernier mécanisme est très fréquent dans les lacs. Les réactions respectives sont les suivantes (Krumbein and Swart, 1983): (CH2O)106 (NH3J16 (H3P04) + 53 S041- ---> 106 C02 + 16 NH3 + H3P04 + 53 S- + 106 H20 (CH2OJ106 (NH3H6 (H3P04) ---> 53 C02 + 53 CH4 + 16 NH3 + H3P04 + 106 H20 La réduction sulfatée est importante en milieu océanique; elle pourrait également être intense dans un milieu fortement perturbé par diverses activités anthropiques qui engendrent des concentrations artificielles de sulfates. Dans le lac, la deuxième réaction est certainement prépondérante (Krumbein and Swart, 1983). Le méthane ne serait toutefois pas nécessairement un produit terminal de dégradation; il pourrait migrer en zone aérobique et s'oxyder (Krumbein and Swart, 1983). Il passerait par différentes formes telles que le methanol, le formaldehyde, les formates, bicarbonates et carbonates. Selon les conditions physico-chimiques de l'interface sédimentaire, la concentration et les caractéristiques électrochimiques des éléments constitutifs, l'oxydation du méthane pourrait momentanément engendrer divers cristaux tels que les formates et les carbonates de calcium. D'après des études récentes (Reeburgh, 1982), il semble même que le méthane puisse s'oxyder en demeurant dans un milieu réducteur. La réaction serait due a une activité biologique associée à la Page 73 réduction des sulfates. Ainsi, un cycle complet du carbone pourrait s'opérer et conduire à une ¦ reminéralisation vers des composés carbonés même dans des conditions anaérobiques. La réduction des sulfates s'opère très rapidement dans les sédiments lacustres. Elle est favorisée par le développement bactériologique des Desulfovibrio et des Desulfotomaculum, Les sulfates sont alors relayés par l'amplification verticale du méthane (JOrgensen, 1983). b) L'oxydation des sulfures sédimentaires: Au-dessous de la micro-couche oxydée, les dépôts sédimentaires aquatiques renferment tous divers sulfures [H2S; CH3SH; (CH3)2H]. D'après JOrgensen (1983), leur oxydation en S041- peut régulièrement s'opérer grfice II l'activité de 2 groupes physiologiques de bactéries. Il y a tout d'abord celles qui agissent sans lumière et en consommant de l'oxygène, telles que les thiobacilli et les beggiatoa. Le soufre est alors oxydé selon la stoichiometric générale suivante: 2 H2S + 02 ---> 2 S° + 2 H20 2 S* + 3 02 + 2 H20 ---> 2 H2S04 Le deuxième groupe physiologique est caractérisé par des bactéries phototrophes qui oxydent le soufre en assimilant du C02 en présence de lumière. La réaction se déroule sans oxygène: C02 + 2 H2S ---> [CH20] + 2 S0 + H20 3 C02 + 2 S" + 5 H20 ---> [CH20] + 2 H2S04 JOrgensen (1983) décrit l'évolution de ces processus bactériologiques qui se déroulent dans les sédiments marins et lacustres pour aboutir a la formation de sulfates. Xl propose finalement un modèle sur le cycle complexe du soufre a l'interface des dépôts marins côtiers. Selon lui, seule une très faible fraction de sulfures proviendrait de la décomposition de la matière organique. La majeure partie résulterait de la réduction des sulfates d'interface dont l'existence serait elle-même causée par la réoxydation des sulfures sédimentaires. Ce cycle continuel atténuerait la précipitation des sulfates au détriment des sulfures (Pyrites). Il donnerait ainsi une explication à la prépondérance des sulfures qui existent toujours dans les sédiments malgré la très faible part de soufre qu'ils peuvent fixer. c) Conclusion: Les diverses espèces de thiobacilli et de beggiatoa qui participent au cycle du soufre existent abondamment dans tous les lacs {JOgensen; in Krumbein, 1983; Hanselmann, 1986). Elles seraient donc tout à fait susceptibles d'intervenir dans la formation des sulfates de calcium des Page 74 couches benthiques du lac de Neuchâtel. A la suite de leur oxydation, les sulfates plongés dans un milieu très riche en calcium pourraient alors précipiter momentanément sous forme de gypse. La chaîne d'oxydation du méthane qui se produit conjointement à celle des sulfures conditionnent la Ïrécipitation momentanée des formates de calcium qui 'accompagnent généralement. En milieu fluviatile, par contre, ce serait 1'intervation des bactéries phototrophes qui pourraient produire l'oxydation des sulfates dans des zones provisoirement calmes et confinées ou alors simplement dans les stations de traitement des eaux qui se déversent ultérieurement dans les rivières. C. Les particules d'origine essentiellement biologique Certains organismes planctoniques peuvent produire des tests qui se dispersent parmi les suspensions d'un milieu aquatique. Les groupes susceptibles de former des coquilles ou des squelettes calcaires sont extrêmement rares dans les lacs. La seule exception importante est représentée par l'algue verte du genre Phacotus. Elle n'est toutefois apparue que très rarement dans les suspensions observées au HEB. Par contre, les populations de diatomées (algues à kyste siliceux) abondent durant la période de productivité biologique du lac. Elles présentent des proliférations périodiques plus accentuées lors du premier développement printanier et vers la fin de l'été (Wüthrich, 1965). Le rythme de cette alternance d'intensité diatomique dépend des conditions physico-chimiques de l'eau et du développement des autres espèces planctoniques; comme dans les Grands Lacs (Schelske et al., 1983), il est certainement aussi influencé par l'évolution de la concentration de la silice et du phosphore épilimniques qui constituent des facteurs limitants lors de proliférations phytoplanctoniques exagérées. En 1965, Wüthrich avait déterminé toutes les espèces de diatomées du lac de Neuchâtel, leur évolution spatio-temporelle, leur relation avec les autres groupes planctoniques et leur variation depuis le début du siècle. Actuellement, Straub (1984; thèse en prép.) décrit les espèces du périphyton épilithique et épiphytique littoral de divers lacs jurassiens et du lac de Neuchâtel. Dans notre approche, il n'était pas envisageable de réaliser une étude taxonomique complète des diatomées, ni de quantifier rigoureusement leur évolution annuelle. Dans notre cadre, elles ne constituent qu'une fraction, certes parfois importante (Photo 6), de la masse particulaire minérale en suspension. En tant que composante essentielle de la phase phytoplanctonique, les diatomées sont toutefois capitales car elles vont régir les conditions physico-chimiques de 1'épilimnium qui peuvent augurer d'autres précipitations minéralogiques telles que la cristallisation des carbonates. Sur les échantillons observés au MEB, diverses espèces ont pu être déterminées. Cependant, il faut d'emblée signaler que grâce aux nouvelles performances apportées par cet appareil, certaines formes abondantes attribuées autrefois à Page 75 une espèce sont maintenant transférées dans une autre espèce (Straub, com. pers.}- Ces données nouvelles, ajoutées à l'évolution de l'état trophique du lac, perturbent alors considérablement les rapports de densité et de fréquence des espèces déterminées par Wüthrich (1965}. Ainsi, Stephanodiscus Hantzschii Grünow, que l'on croyait très abondant, n'a pas été retrouvé. Par contre, deux petites espèces de ce genre, caractéristiques de lacs eutrophes, apparaissent en masse; il s'agit de Stephanodiscus minutulus (Kütz.) Round et de stephanodiscus parvus SToermer è~E HSkansson. Parmi les espèces rencontrées, nous citerons (identification par F. Straub): - Fragilaria crotonensis, Kitton (Ph. 7) - Stephanodiscus neoastraea, HSk. et Hickel (Ph. 8) - Stephanodiscus parvus, Stoermer et H§k. - Stephanodiscus minutulus (Kz.) Round ~ Cyclotella atomus, Hust. - Meloslra lslandlca ssp. helvetica, O. Hüll. - Asterionella formosa, Hassal - Diatoma vulgare, Bory - Synedra acus, Kütz. - Tabellaria fenestra (Lyngh.) Kütz. - Havicula vlridula var. rostellata (Kütz.) Cl. (Ph. 9) - Navicula schoenfeldii, Hustedt - Navicula cf cincta (Ehr.) Kütz. - Cymatopleura solea (Bréb.) Smith. ~ Cocconeis pedi cuius Kütz. (Ph. 10} D. Particularités minéralogiques des matières en suspension prélevées par collecteurs de sédiments. Le système de prélèvement des particules en suspension peut considérablement influer sur la nature quantitative et qualitative des échantillons. Il a déjà été démontré (chap. v) que les caractéristiques granulométriques d'une population particulaire récoltée instantannément sur un point fixe (par filtration d'un volume d'eau récolté avec une bouteille océanographique) différait notablement de celle qui s'accumulait par décantation dans un collecteur durant une période de plusieurs jours. Il s'avère cependant que ces différences granulométriques résultent d'une Page 75 A LEGENDE DES PHOTOS PHOTOS 1-2: Microcristaux de calcite néoformée, 4 Juillet 1981. PHOTO 3: Ensemble de "plaquettes" d'hydroxyapatite, 4 juillet 1984. PHOTO 4 : Assemblage de microcristaux d'hydroxyapatite, constitutifs des plaquettes, 4 juillet 1984. PHOTO 5: Cristallisation d'hydroxyapatite. Mai 1984. PHOTO 6: Population diatomique, Avril 1984, Portalban, - 40 m. - Stephanodiscus neoastrea, HSk. et Hickel - Stephanodiscus parvus,~5toerroer et HSk. - Asterioneila formosa, Hassal - Melosira sp. PHOTO 7: Fragilaria crotonensis, Kitton; octobre 1983, - 40 m. PHOTO 8: Stephanodiscus neoastrea, H§k. et Hickel PHOTO 9: Navicula viridula var. rostellata (Kiitz.) Cl. PHOTO 10: Cocconeis pediculus, Kütz. (Détermination des diatomées: F. STRAUB, cité en bibliographie). '">*i-\^ r - .-"J* I • ja li *•.;,.*. I Ip JmP 40HM 5 022 * s ' 7 20IO / 00 Page 76 constitution minéralogique distincte, elle-même conditionnée par l'hydrodynamisme de l'ensemble particulairê. En effet, durant une période saisonnière similaire, le Eapport entre la concentration des minéraux argileux et celle des carbonates et des silicates est beaucoup plus faible dans les pièges gue sur les filtres prélevés ponctuellement. L'analyse minéralogique permet donc d'identifier la nature des particules qui engendrent les variations granulométriques tributaires du mode d'échantillonnage. Au printemps, les dépôts particulaires accumulés dans les collecteurs renferment énormément de calcite et une petite fraction quartzitique (Fig. 122). Durant la première période d'exposition des pièges {25.04. - 20.05.86), le rapport d'intensité des pics de diffraction entre la calcite (102) et le quartz (101) vaut approximativement 4 à toutes les profondeurs. Il s'élève à 6 durant la deuxième période (20.05 - 29.05.86). Les minéraux argileux fins n'apparaissent pratiquement pas. Durant la troisième période d'exposition (03.10 - 28.10.86), au contraire, ce même rapport minéralogique s'abaisse aux environs de 0.5. L'intensification du quartz s'accompagne également d'une concentration non négligeable de minéraux détritiques tels que la chlorite, le mica, les plagioclases, les feldspaths potassiques et la dolomite (Fig. 123). Discussion: La détermination minéralogique des particules permet de confirmer les hypothèses ébauchées lors de l'analyse des spectres granulométriques. La prédominance de la deuxième population, répertoriée entre 12 et 15 yra (Fig. 101 - 102), s'associe à l'importance de la fraction carbonatée (Fig. 122) tandis que la population fine (Fig. 103) caractérise la concentration des minéraux argileux (Fig. 123). La supériorité de la taille des calcites nèoformées leur procure alors une vitesse de sédimentation nettement plus rapide que celle des particules fines et les concentre ainsi abondamment dans les collecteurs. A la fin mai, l'accentuation de la deuxième population granulométrique (12 - 15 ^m) se poursuit et elle s'accompagne également d'un enrichissement de la phase calcitique aux dépens des silicates. Ainsi, même si la masse particulairê fine qui se maintient très longtemps en suspension demeure plus ou moins constante, elle va se retrouver diluée par l'ensemble carbonate. En automne, l'augmentation du flux sédimentaire avait été attribué à un enrichissement des minéraux détritiques d'origine externe ou dûs à des mécanismes de resuspension interne. Cette interprétation se trouve confirmée par la nature silicatée des particules gui accompagnent les calcites néoformées et par la légère croissance de la concentration de la population granulométrique fine. L'abondance et l'origine néocristalline des calcites particulaires sont soutenues par une observation au MEB qui permet de reconnaître et d'authentifier de magnifiques cristaux avec mâcles de croissance indubitable (Photo 1 - 2). Page 77 VI.4. Conclusion La composition minéralogique globale des matières en suspension dans le lac de Neuchâtel subit de fortes variations saisonnières causées principalement par l'importance des particules biologiques et des minéraux endogènes et authigenes. En effet, le cycle limnologique commence par un réchauffement épilimnigue printanier qui amorce une intense prolifération diatomique susceptible d'enrichir ultérieurement la population particulaire. Leur développement physiologique, lié à l'augmentation thermique, va créer de nouvelles conditions physico-chimiques (diminution du C02, augmentation du PH et de la concentration en oxygène dissous) propices a la précipitation des carbonates de calcium, induisant ainsi une augmentation corrolaire de la charge des particules en suspension. Toute l'évolution estivale ultérieure dépendra ensuite de l'intensité de ces mécanismes biologiques et chimiques; l'influence des apports détritiques s'en trouvera alors fortement atténuée. La diminution relative des minéraux argileux et silicates entre les mois de mai et d'août peut s'expliquer par la complémentarité de 2 processus indépendants: - Tout d'abord, les apports externes, tributaires du régime hydraulique des affluents, sont nettement plus conséquents au printemps et en automne. De plus, lors du brassage automnal des eaux, il semble que des remobilisations internes puissent également contribuer à l'enrichissement particulaire de la masse aquatique. C'est en tous cas la suggestion que laisse présager l'analyse du flux sédimentaire du mois d'octobre. - En second lieu, la diminution estivale de la concentration des suspensions élastiques peut être partiellement relative car elle se retrouve diluée dans une masse carbonatée fortement enrichie. La contribution de l'étude des minéraux détritiques est par contre intéressante lorsqu'ils sont caractéristiques d'une source d'apports. Ils peuvent alors constituer des traceurs naturels a l'intérieur de la masse lacustre et déterminer ainsi des provinces distinctes. Le rôle du talc et de la kaolinite est sur ce point primordial dans le lac de NeuchStel (Fig. 110). A côté de la précipitation des calcites, la place complexe des autres minéraux néoformés tels que les oxalates, phosphates, sulfates et formates de calcium est plus minoritaire; ils constituent néanmoins l'aboutissement de processus microbiologiques, bactériens, géochimiques et minéralogiques très importants qui mériteraient chacun des prospections très poussées qui n'ont pas pu être abordées ici. Grâce à la compilation de plus de 200 spectres de diffraction minéralogique, nous avons tente d'établir l'évolution annuelle de la contribution moyenne des principaux minéraux de la phase particulaire (Fig. 124). La saison estivale, riche en éléments néocristallisés, se distingue radicalement des périodes pré- et post-hivernales Page 78 marquees par des apports détritiques plus intenses. Bien qu'il ne s'agisse pas de mesures purement quantitatives puisque l'intensité des pics prise en considération est spécifique pour chaque minéral et qu'il est hasardeux de les ramener tous sur une même base de calcul, cette analyse apporte tout de même une excellente synthèse relative de la minéralogie des particules en suspension dans le lac de Neuchatei. Page 78 A sea • AON 'ides Ino v -Wllinr u\nr lew U (O O C) at- Q44J «i «I Ij 3 U m 3 rH •n M C •H r~t Jj 3 V) .H C O (O >T3 U ai xj •»I «• U in O O ^H H£ LJ S • m O U — o> £ U) C O) 0) >> Li 3 ai «H Ll « U •¦ a «* ^H O X .-4 3 0> «r-( - U —* • Ol U) T O C CaD H 1-1 « e* STJW Page 78 B O M 3 •-i O) « «S C Ol E-C- ».H ¦»H a ta •O ta 4J JJ . ~* « Oi-~ C 0) Oi ¦H U Ol •HlOI O O-H (O • « > «H O K-HUI-I U UtM O) JJ T3 C « Ul-H1-H U Ol - U1OrH U C 3 U MO « W Ol >U UHin U P O Pj H1 .C-H- U P - V .. 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A. introduction La détermination géochimique des particules en suspension n'est pas aisée car la plupart des méthodes analytiques appliquées a leur approche nécessitent des concentrations de matériel fort élevées qui ne se rencontrent que très rarement en milieu aquatique. Bien que des moyens performants et mieux adaptés aux concentrations infimes commencent à se multiplier (Activation neutronique, spectrométrie d'émission , spectrométrie par émission de plasma, etc.), ils demeurent encore trop restreints et fort dispendieux; ils révèlent en outre des résultats dont la représentativité géochimique en milieu naturel peut parfois être soumise à caution. Cette réserve doit spécialement être appliquée aux analyses particulaires par microsonde à énergie dispersive (EDX) reliée â un microscope électronique à balayage (HEB). En effet, les préparations de particules minérales et organiques déposées sur un filtre présentent une surface fort accidentée et un milieu très poreux qui engendrent d'intenses perturbations au parcours des rayons émis. Il nous a donc paru trop hasardeux de généraliser cette méthode à l'étude chimique globale des matières en suspension (MES), même en moyennant les résultats sur plusieurs aires de répartition. Par contre, la focalisation du rayonnement incident sur une seule particule peut constituer un précieux soutien lors de son individualisation minéraiogique (Bassin, 1975; Bishop and Biscaye; 1982}. Une telle application nous a permis d'authentifier la morphologie structurale des hydroxyapatites (Fig. 119), des calcites néocristallines et des divers minéraux argileux. B. Méthodes analytiques Les analyses gèochimiques ont été restreintes aux 9 échantillons de suspension prélevés par collecteurs aux 3 profondeurs et 3 périodes précitées (chap. IV), à 4 prélèvements de particules en suspension dans l'eau surnageante ou à proximité de l'interface sédimentaire et a 6 courtes carottes de sédiment (env. 10 cm de longueur). Les modalités de mise en solution pouvant être multiples, nous avons adopté une méthode largement utilisée lors d'analyses de sédiments ou de sols meubles (Kubier et al., 1979). Les échantillons de particules et de sédiment sont traités par une méthode relativement douce vis-à-vis des Page 80 alumino-silicates et autres phyllo-silicates {Beck, 1987): sur une aliquote de 1 gramme d'échantillon séché à 110 °C pendant une nuit, on ajoute 20 ml d'HCl 1 N et on chauffe à 60 0C durant 30 minutes sous agitation. Après filtration sur une membrane Hillipore (HVLP), le filtrat est amené a 100 ml avec de l'eau désionisée. Le résidu insoluble (RI) est pesé et rapporté au poids initial total <% RI). Dans la phase soluble, les cations (Hg, Sr, Hn, Fe, K, Al, Cu, Pb, Ni, Zn) sont dosés par absorption atomique (Perkin Elmer 603). Le calcium est analysé potentiométriquement sur un Metrnom 678 avec une électrode spécifique de calcium. Une méthode colorimétrique (Technicon Autoanalyser) a été utilisée pour le dosage des anions de phosphate et de silicate acido-solubles. VII. 2. Géochimie des particules et du sédiment. Les résultats des analyses chimiques sont présentés sur le tableau 12. Les échantillons de la série nT" proviennent des collecteurs de particules exposés durant les 3 périodes précitées. Les 4 échantillons de la série "P" ont été prélevés dans l'eau surnageante à proximité du fond et à l'interface sedimentai re. Ils étaient situés dans les diverses provinces du lac (voir situation sur Fig. 9). Les 6 échantillons de la série "P'n (correspondant à la situation de P sur la Fig. 9) sont des sédiments récents du lac qui forment environ 10 cm d'épaisseur (Beck, 1987). Ces deux derniers groupes peuvent constituer une base referentielle de la composition chimique des particules benthiques et des sédiments lacustres. Après un traitement initial des résultats, il ressort plusieurs constatations très significatives. Elles ermettent d'affiner les interprétations minéralogiques et es caractérisations limnologiques qui en avaient découlées. 1. Les 6 prélèvements printaniers diffèrent toujours notablement des 3 échantillons d'octobre (Tableau 12). 2. La composition géochimique des suspensions automnales s'apparente globalement à celle des particules d'interface et du sédiment (Tableau 12 - Fig. 125-131). 3. Les coefficients de corrélation ne sont pas directement affectés par ces diversités saisonnières car ce sont essentiellement des augmentations élémentaires de la phase détritique qui les caractérisent (Fig. 125-129). ? Page 81 TABLEAU 12: Composition chimique des suspensions récoltées par pièges (T), des suspensions d'interface (P) et des sédiments (P'). w f « iAr-m » m « inaiar- n v r- (t< m « v vnmv o 01 Ot .h «) .* O O O O O O O O O O O O O O 0t Ol Q Oi O OOO OOO OOOO ooo ooo oooo lu lu lu mi h in fi «> a v *^ o o « I^ « m r* c in r* 01 *a to io «a tfi * « « O O Ot q a to o* r< » o « a AAr* ?*» r* r-- o ini -4 a in **i r* f*i v o> *r a oo<-4 ooo #*i *n m M rt ^ h c* *n ^* in -i 40 a 0> O ¦) r* ff *i O* A v V *N i-4 •£> o a Ot v in v in ot *-i a in ooo oooo oooooo t£ V} \D *""< vo *i äj m o >-i a m -** a r* *N in co P* Ot Pt m h V*l *n A U-ITU-IlD 4 « 4 It i£ ID v io tfìo^o o* oi o» c v oi rj\ fN r* **> v o* if* fN n —i «-i in r» m so a ot v 10 so so *n NS «n r- OS «J O O « Ot Co BO Ot VOr-ACh O « T fl O lfl *i r* r* in in u Op^o *¦*»-« v r** a o n- --¾ ViAiD Ot o» **> A v vo v r* in «"i ooo ooo ooo oooo oooooo r>0\ l/i Ot NO *0 A (O o* r~ v at r*- ** A m A ri tri Oi v v *-*¦&« O A U? n *"1 O O ^ n iTi Oiion- » r*- r» a r- vj v ^ *> -r /** .-* os ot a m ovfN*H m^n r> r* r- m «> ot ^ >© m v u> m «> r* o* v vin« fN * « to a to o o o r* -h *x *n ¦> %o »-i v r- a r* « r* r* a in a r^ ^ r4 n » c 5*9 9 ^ T »«* o-HVrt t< * * P f> ™ S ^i *c in ^ ** * f\ e* «wow m m « r- r« n • to « wo« m to to • n n » «to« o r- o -• w m niotD T «i w in ,-1.-1.-1 -I .-• r« -4 *h «« ¦* r-Br4 am« * n 0 «1 w r* w 0 vonmnn r* «•> O « »• w to • n "• RCh S C (P CCP SSScC Ò. Ò. è. Ò. C. Ò, Page 02 A. Covariation interélémentaire de Fe-Hg-Hn-K-Al-Cu-Ni. Les coefficients de corrélation entre les fractions acido-solubles de ces divers éléments composant principalement les minéraux argileux et silicates sont généralement bons à très bons (Tableau 13). La présence de Fe et Hg dans cette association corrélative implique que la phase carbonatée, susceptible d'en intégrer, n'en apporte en fait aucune contribution significative. En effet, tous deux corrèlent très bien avec Al, élément indubitablement phyllo-silicaté (Tableau 13 - Fig. 125) . De plus, la concentration élémentaire des 2 périodes printanières opère une nette scission avec celle du mois d'octobre, plus proche de la composition des particules d'interface et du sédiment (Fig. 125-126). Le manganèse s'intègre également assez bien dans ce schéma corrélatif (Fig. 127) avec de bons coefficients (Tableau 13). Au printemps, il présente toutefois une augmentation notable de la concentration avec la profondeur. Durant la période initiale, sa concentration à 5 m du fond s'apparente même à celle des échantillons automnaux et à celle des sédiments lacustres (Fig. 127). B. Covariation de Fe-Hg-Hn-K-Al-Cu-Ni avec le Si02. L'excellente corrélation de ces éléments avec le SÌ02 (Tableau 13 - Fig. 128) les confirme dans leur appartenance a une même phase minéralogique. La contribution silicique à la phase acido-soluble proviendrait donc pcesqu'unilatéralement des alumino-silicates. Elle ne dépendrait ainsi que fort succinctement de la silice des diatomées qui sont episodiquement très abondantes dans le matériel particulaire. Cette constatation est en accord avec des observations réalisées au HEB qui dévoilent de magnifiques espèces diatomiques dans du matériel préalablement decarbonate (Ruch, comm. pers.). C. Covariation des éléments des alumino-silicates avec le résidu insoluble (Ri). Le RI des échantillons printaniers est notablement plus faible que celui des suspensions d'octobre et des sédiments (Tableau 12). Il conserve ainsi la même dichotomie saisonnière et maintient les suspensions automnales dans leur similarité avec les dépôts lacustres. Les coefficients de corrélation demeurent significatifs (Tableau 13) bien qu'ils soient légèrement perturbés par 2 échantillons d'interface qui proviennent de zones peu profondes influencées par des apports allochtones (Fig. 129). Page 83 TABLEAU 13: Coefficients de corrélation interélémentaire [Rj Eléments R Nombre de paires Al - K .87 Al - Fe .96 Al - Mn .80 Al - Hg .64 Al - Cu .77 Al - Ni .76 K - Fe .83 K - Hn .77 K - Hg .93 K - Cu .71 K - Ni .68 Fe - Mn .87 Fe - Mg .82 Fe - Cu .61 Fe - Ni .77 Mn - Mg .72 Hn - Cu .79 Hn - Ni .73 Mg - Cu .70 Mg - Ni .75 Al - SÌ02 .89 K - SÌ02 .93 Fe - SÌ02 .90 Hn - SÌ02 .87 Mg - Si02 .92 Cu - SÌ02 .81 Ni - Si02 .80 Al - RI .70 K - RI .¦57 Fe - RI .75 Mn - RI .56 Hg - RI .64 Cu - RI .82 Ni - RI .53 19 19 19 19 13 13 19 19 19 13 13 19 19 13 13 19 13 13 13 13 19 19 19 19 19 13 13 19 19 19 19 19 13 13 RI - Si02 .67 13 Page 84 D. Covariation des éléments tcèe sensibles à l'attaque KCl. Le calcium présente une excellente corrélation négative avec le RI dans les suspensions (R - - .99); elle est légèrement affectée lors de l'introduction du dosage des sédiments (R ¦ .93). Son indépendance vis-à-vis des alumino-silicates est vérifiée par de bons coefficients négatifs avec Fe-Hg-Hn-K-Al-Cu (R - - .80 à - .90). Il possède également une bonne corrélation avec le carbone organique acido-soluble (COA) (Fig. 130), alors que celui-ci évolue négativement envers le RI (R - - .71) et tous les éléments des alumino-silicates (R - - .75 à - .80). Cette évolution comparable du calcium et du COA juxtaposerait la précipitation carbonatée à la production planctonique. Pour les 3 périodes étudiées, les concentrations maximales se situent à la fin mai. E. Le Carbone Organique. Dans les sédiments, le carbone organique total [COT] atteint rarement 2 % (Beck, 1987). Dans les suspensions d'octobre, ce pourcentage n'est que très légèrement dépassé (Tableau 14). Par contre, la concentration du COT est beaucoup plus élevée au printemps, spécialement à la base de la couche épilimnique (Tableau 14). Elle peut même atteindre près de 6 % à la fin mai. il est aussi intéressant de noter que les concentrations printanières sont tout à fait similaires à 60 et à 95 m de profondeur. La subdivision du COT en COA (Carbone organique Acido-soluble) et en CORI (Carbone Organique du Résidu Insoluble; voir VII.1.B) permet toutefois de déceler des variations verticales qui pourraient provenir d'une minéralisation hétérogène. En effet, le rapport COA/CORI des mois d'avri,l et mai marque une nette atténuation à 60m de profondeur (Tableau 14). A proximité du fond, le COA s'élève à nouveau distinctement. En octobre, par contre, cette recrudescence benthique du COA a disparu; elle est remplacée par une diminution caractéristique à partir des couches susjacentes. La dichotomie saisonnière qui règne dans la composition particulaire se répercute donc aussi sur les différentes fractions de Carbone Organique. Page 85 TABLEAU 14: Concentration des différentes formes du Carbone dans les particules en suspension dans le lac de Heuchâtel (en % du matériel total). CTOT - Carbone Total CMIN - Carbone Minéral COT - Carbone Organique Total CORI - Carbone Organique du Résidu Insoluble COA - Carbone Organique Acido-soluble avec: CTOT - CMIN + COT COT - CORI + COA ECH. Prof. CTOT CHIN COT CORI COA COA/CORI Tl 30 m 13.41 9.14 4.27 3.23 1.04 0.32 T2 60 12.96 9.49 3.47 2.71 0.76 0.28 T3 95 12.76 9.29 3.47 2.41 1.02 0.42 T4 30 15.24 9.43 5.81 3.67 2.14 0.58 T5 60 14.15 9.73 4.42 3.02 1.40 0.46 T6 95 14.28 9.88 4.40 2.82 0.58 0.56 T7 30 11.12 8.47 2.65 1.80 0.85 0.47 T8 60 11.07 8.11 2.96 2.10 0.86 0.41 T9 95 10.51 8.13 2.38 1.72 0.66 0.38 F. Cas des phosphates acido-solubles. Les phosphates acido-solubles ne présentent aucune corrélation significative avec les autres éléments analysés. Cependant, l'existence d'hydroxy-orthophosphates de calcium (hydroxyapatite) a été démontrée parmi les suspensions (chap. Vl.3.B). Les phosphates pourraient donc se rattacher à cette phase mineralogique néocristalline. La mauvaise corrélation qu'ils manifestent vis-à-vis du calcium n'excluerait en rien cette affectation car la concentration prioritaire de cet élément est rattachée aux calcites. Or, la fraction hydroxyapatitique est toujours nettement plus faible que celle des carbonates de calcium. Page 86 G. Cas du Strontium. La relation du strontium avec le calcium est surprenante. Il est effet communément admis et démontré que la majorité du strontium est coprécipité avec la calcite {Kubier et al., 1979). Or, lorsqu'on associe les résultats des échantillons de sédiments, relativement homogènes en Ca et en Sr, avec ceux des suspensions, il n'y a plus aucune corrélation (Fig. 131). Par contre, si l'on ôte les sédiments et les suspensions d'octobre qui leur sont comparables, on retrouve une bonne corrélation entre Ca et Sr. Le nombre d'échantillons devient toutefois trop restreint pour accorder une valeur hautement significative à son coefficient de corrélation. Les suspensions printanières, très riches en calcite, présentent donc une relation Ca-Sr individuelle qui ne peut être directement transposée dans les dépôts sédimentaires. Ici, les concentrations de strontium sont trop importantes vis-à-vis de celles du calcium. Tout se passe comme si la précipitation carbonatée particulaire était très rapide et serait alors incapable d'inclure suffisament de Sr dans les réseaux cristallins néocalcitiques. Un réajustement s'opérerait après la sédimentation des particules. VI1.3. Essai de détermination du flux sédimentaire du phosphore acido-solubTe. D'après toutes les mesures turbiditiques et tous les résultats des pesées de résidus particulaires secs, les échantillons récoltés à 60 m de profondeur sur un profil bathymétrique de 100 m peuvent sans contexte représenter l'état de la couche hypolimnique claire. C'est pourquoi nous accepterons que le flux particulaire de ce niveau sera tout à fait représentatif de la sédimentation des matières solides. A cette cote, la concentration du phosphate acido-soluble est remarquablement stable lors des 3 périodes d'échantillonnage (Fig. 132). Sa moyenne atteint 0.14 % du sédiment total. La moyenne du flux annuel total avait été déterminée aux environs de 4.2 g/m1-jour (chap. IV). Il implique alors un flux annuel moyen de 5.9 mg/m'-jour de phosphate acido-soluble, soit 2.1 g/m1-année. En admettant une certaine homogénéité de ce flux sur l'ensemble de la surface sédimentaire du lac épargnée par l'hydrodynamisme des vagues, c'est-à-dire au-delà d'une vingtaine de mètres de profondeur (soit près de 160 kmJ; Sollberger, 1974), il serait possible d'estimer la quantité de PHOSPHORE acido-soluble qui disparaîtrait annuellement de la masse aquatique du lac par sédimentation. Elle atteindrait approximativement 120 tonnes. Page 87 VI I. 4. Conclusion. L'observation des analyses géochimiques des particules en suspension récoltées par pièges permet de confirmer les diverses conclusions émises sur le comportement limnologique vertical saisonnier. L'identification des particules printanières, riches en calcium et en carbone organique acido-soluble, pauvres en éléments principaux des minéraux phyllo-silicatés et en résidu insoluble, est caractéristique de processus biologiques et chimiques internes. Elle correspond a l'établissement de la stratification thermique et à l'élaboration des diverses couches turbiditiques de la colonne aquatique. En octobre, au contraire, l'enrichissement accentué en Fe-Mg-Hn-K-Al-Cu et Si02 correspond à une atténuation de la concentration du calcium et du carbone organique acido-soluble. Cette forte différence saisonnière de la composition des particules équivaut à un transfert de la géochimie des suspensions automnales dans le domaine caractéristique des sédiments. Cette particularité qualitative nous conforte dans l'hypothèse déjà émise lors du traitement des analyses dynamiques, granulométriques et minëralogiques de ces échantillons: les matières en suspension durant le mois d'octobre 1986 sont très semblables aux dépôts sédimentaires; elles peuvent donc résulter de la remise en suspension des particules préalablement déposées par des courants qui se manifestent à proximité du fond. Les résultats analytiques du manganèse abondent dans le même sens. Cet élément est en effet généralement considéré comme une résultante des réactions géochimiques d'interface à la fin d'une période de stratification thermique (Sturm et al., 1982) ; il constitue donc un indicateur de l'origine du matériel particulaire. Or, sa concentration printanière est très faible, sauf à 5 m du fond durant la première période d'exposition; le manganèse y subirait alors une alimentation résiduelle à partir de l'interface activée durant l'hiver par les courants de fond. En automne, la concentration du manganèse particulaire est comparable à celle des sédiments. Cette similitude permet de rattacher la plupart des particules en suspension aux dépôts lacustres récents qui en seraient alors la source principale. %AL FIG 125: FE I ftL ++ o PIEGES; AVRIL-MAI ° & + o PIEGES: OCTOBRE + è. INTERFACE + SEDIMENTS tf3 1XFE FIG. 125: Corrélation entre le fer et l'aluminium dans les suspensions récoltées en 1986 (9 éch.), à l'interface (4 éch.) et dans le sédiment (6 éch.)- Le coefficient de corrélation vaut 0.96. La population particulaire printanière se distingue très nettement des suspensions d'octobre gui s'apparentent à celles d'interface et au sédiment. %k FIG 126: MG / K 8.835 * + + + O + e.Bse % * + e.Bîs Ä o a.e» Q s.eis ff S ? PIEGES= AVRIL-MAI o PIEGES: OCTOBRE Ä INTERFACE + SEDIMENTS