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Föllmi, Karl B.

Nom
Föllmi, Karl B.
Affiliation principale
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Ancien.ne collaborateur.trice
Identifiants
https://libra.unine.ch/handle/123456789/34296
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0000-0003-2641-8184

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    The transfer of Cadmium from rock to soil and the associated vegetation cover under natural conditions at the Swiss Jura Moutains
    (2010)
    Quezada Hinojosa, Raul Percy
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    ;
    Matera, Virginie
    ;
    Adatte, Thierry 
    ;
    Verrecchia, Eric 
    ;
    Baize, Denis
    As a result of soil-surveying studies conducted in the Swiss and French Jura Mountains during the early 1990's, anomalous cadmium (Cd) concentrations were identified in soils developed mostly on Bajocian and Oxfordian limestone. Measured Cd concentrations exceed in most of the cases the Swiss official tolerance guideline concentration for non-polluted soils established at 0.8 mg⋅kg-1. Several research works have confirmed the geogenic origin of Cd in soils derived mainly from the weathering of a Cd-rich carbonate substrata. Cd is a highly toxic trace element and the pedogenic / physicochemical conditions leading to its transfer from rocks to soils and its potential bioavailability to plants are in need of a detailed geochemical assessment. The aim of the present work is to complete the geochemical database by studying rock-soil-plant interactions with regard to this element under natural conditions in two specific sites. A first study of rock-soil interaction was carried out determining Cd-bearing phases in a soil developed on top of a road-cut section outcropping at the SW-facing slope of the Schleifenberg hill (canton Basel-Land, Switzerland). This section consisting of an oblique succession of Bajocian oolitic carbonate includes several horizons which are anomalously enriched in Cd (0.03–4.90 mg⋅kg-1). Cd contents in this soil are in the 0.3–2.0 mg⋅kg-1 range. Vertical pedogenetic processes (weathering of underlying bedrock) as well as lateral colluvial limestone (weathering of uphill carbonates) are responsible for the origin of Cd in the soil. Half of the Cd still resides in the carbonate fraction, while the Cd released from the weathered carbonates is associated either with organic matter (over 10%) or with Fe and Mn-oxyhydroxides (approximately 30%). Adsorption of a low percentage of Cd on clays is of less importance since Pb, Zn, Cu and Cr ions will compete with Cd to gain adsorbed sites on clays. No exchangeable Cd phase was found and this, together with the buffer capacity of this calcareous soil, suggests that the amount of mobile Cd is quite negligible, which also greatly reduce the amount of bioavailable Cd. Where developed on steep slopes, the soil will hardly accumulate and colluviums will constantly renew it. A second study regarding the transfer and distribution of geogenic Cd in the soil was conducted on six closely spaced soil profiles at the site called Le Gurnigel (canton Neuchâtel, Switzerland). The soils consist mainly of cambisols and cambic-neoluvisols showing an important allochthonous, aeolian fraction. Cd concentrations generally increase down the soil profiles, showing maxima (up to 16.3 mg⋅kg-1) near the soil-bedrock interface. Most Cd resides in the carbonate and organic fractions in topsoils, whereas the amorphous oxyhydroxides fraction becomes the most important Cd-bearing phase in the middle and in subsoils. Cd, Zn and Cr are positively correlated with comparable distributions in the soil profiles suggesting a common bearing phase such as Fe oxyhydroxides for these three elements. A complex transfer pattern of Cd starts with the release of Cd from the underlying bedrock, and then transferred into oxide, hydroxide, carbonate and organic phases. Additionally, the lateral advection of Cd-rich soils formed on steep slopes acts as a local allochthonous input of Cd to these soils, which in turn is transferred from the topsoil towards the deeper horizons by biological and pedogenic processes. The amount of readily exchangeable and therefore potentially bioavailable Cd is low in these soils (on average 0.2 mg⋅kg-1) provided that the pH remains above 5. Under stronger acidic and oxidizing conditions, Cd bound to organic matter may be mobilised and the bioavailability of Cd would range between 3.3–5.4 mg⋅kg-1 in cambisols and reach up to 1.7 mg⋅kg-1 in deeper cambic-neoluvisols. Soil-plant interactions were studied at the Le Gurnigel analyzing six local plants chosen for their ubiquity in the studied soil profiles. Cadmium accumulation was separately determined in roots and shoots. Three herbs, two graminoids and a tree were used for this purpose. They showed that the accumulation of Cd varies from one species to another and even between plants from the same family. Global levels of Cd in the selected vegetation are in the 2–6 mg·kg-1 range, thus exceeding the official limit value of Cd concentration tolerated in vegetal food for animals established at 1 mg·kg-1. The different behaviours were compared as a function of the variability of Cd in soils. A rise in the concentration of Cd in the soil progressively reduces the transport of Cd toward the shoots reducing also the yield production and increasing the accumulation of Cd in roots. Transfer coefficients from soil / rhizosphere to plant are inversely proportional to the total Cd concentration in soils and do not depend on species identity but instead on soil type. Sequential chemical extractions revealed that variations of Cd distribution between distant soil and rhzosperic soil occur mainly in the first three Cdbearing phases due principally to the incorporation of roots exudates that modify pH and redox conditions of the rizhosphere. High levels of Cd (up to 9 mg·kg-1) were found in shoots of three of the studied plants and may represent a mid-term hazard for animals and human health since these plants are used either for grazing of cattle or for medical purposes. The phenomenon of natural enrichment of soils with geogenic Cd and its progressive accumulation in vegetation covers is suspected to have a widespread occurrence elsewhere, as a function of frequent outcrops of Cd-enriched carbonates of Bajocian and Oxfordian age in western and southern Europe principally in France, Spain and Italy.
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    The evolution of the Urgonian platform in the Western Swiss Jura realm and its interactions with palaeoclimatic and palaeoceanographic change along the Northern Tethyan Margin (Hauterivian – earliest Aptian)
    (2006)
    Alexis Godet
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    During more than twenty years, a controversy appeared about the age of the Urgonian formation (lower Urgonien Jaune and upper Urgonien Blanc) from the Western Swiss Jura. Depending on previous works, these formations are considered to be Late Hauterivian or Late Barremian in age. This divergence mainly results from different calibration of orbitolinids distribution, as well as divergent sequence stratigraphic models. Because these formations, as well as the underlying Pierre Jaune de Neuchâtel, are linked to the historical succession for the Hauterivian stage, and because they represent the proximal part of a carbonate platform that rose on the northern Tethyan margin during the Early Cretaceous, we developed new approaches to date, as precisely as possible, the Urgonian formations in the Neuchâtel area. At the base of the Urgonien Jaune, high reworking implied that the biostratigraphy did not give an accurate age model. Moreover, biostratigraphical dating can greatly differ as a function of the used taxon. Consequently, we developed sedimentological and geochemical approach. The boundary between the Pierre Jaune de Neuchâtel and the Urgonien Jaune is clearly marked by erosional and reworking processes, suggesting the presence of a sedimentary gap. Indeed, strontium-isotope dating performed on rhynchonellids shells rather indicate a Barremian age for both the Urgonien Jaune and the Urgonien Blanc. The comparison of the phosphorus evolution between the Western Swiss Jura and hemipelagic sections from the Vocontian Trough helped to precise this age to the Late Barremian, as oligotrophic conditions allowing the rise of the Urgonian platform in a photozoan mode only occurred during this period. Finally, sequence stratigraphic correlation of the Western Swiss Jura with the Helvetic realm, the Subalpine Chains and the Northern Vercors implied that the base of the Urgonien Jaune is characterized by the stacking of several sequence boundaries, which may mirror an episode of condensation linked to a carbonate platform drowning event previously described in the Helvetic realm. Moreover, there is no evidence for an other break within the geological record in the Western Swiss Jura after the sequence boundary B3 of the late Early Barremian Coronites darsi ammonite zone. In addition, these results are coherent with the fact that the rise of the Urgonian platform began from the maximum flooding surface of the depositional sequence B3 upward in the Northern Tethys. The Urgonien Blanc of the Western Swiss Jura may thus correspond to the lower Urgonian and to the lower Schrattenkalk formations of the Northern Vercors and the Helvetic realm, respectively. The stable isotopes study of several (hemi-)pelagic sections of the Northern Tethyan margin and their mineralogical contents revealed that the Urgonian platform had a role in paleoceanographic changes that occurred during the Barremian. Whereas the 13C curve exhibits negligible changes during the latest Hauterivian – Early Barremian, it is shifted toward more positive values from the sequence boundary B3 upward. This behaviour may be linked to the production and the export of 13C-enriched aragonitic material by benthic organisms present on the platform. Moreover, the correlation of the kaolinite content along a platform to basin transect through the Northern Tethyan margin showed that the main part of the Barremian was characterized by a humid climate, whereas a seasonally-contrasted climate dominated during the Hauterivian. This correlation also highlighted a differential settling of clay particles, as high amounts of kaolinite were measured in shallow-water carbonates of the Neuchâtel area, whereas hemipelagic limestones from the Vocontian Trough were depleted in this mineral. Thanks to this multidisciplinary approach, the Western Swiss Jura is better integrated within the history of the Northern Tethyan margin. Finally, interactions between carbonate platforms and basinal environments are clearly highlighted.
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    Géologie structurale de l'Anti-Atlas oriental, Maroc
    (2006)
    Robert-Charrue, Charles
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    Le Sud marocain constitue, par ses conditions désertiques, un terrain propice aux études géologiques. Toutefois les études publiées sur la déformation de l’Anti-Atlas oriental sont rares. Cette chaîne fait partie de l’orogène varisque (~300 Ma) qui s’est formé à la suite de la collision d’anciens continents nommés Gondwana et Laurussia pour former le super-continent Pangée. L’ouverture de l’Océan Atlantique Central (~200 Ma) et des événements plus récents tels que l’orogenèse alpine, ont également laissé des traces dans l’Anti-Atlas oriental. Les levés de terrain ont permis de dessiner dix nouveaux profils géologiques décrivant en profondeur la structure de l’Anti-Atlas oriental. Les orientations des différentes déformations ayant affecté la chaîne ont été déduites de mesures effectuées sur des plis et des failles à plus petite échelle. Ainsi deux orientations de compression et une orientation d’extension ont été mises en évidence dans l’Anti-Atlas oriental. Ces résultats ont permis d’élaborer un modèle dynamique retraçant la chronologie des différents événements qui ont participé à la construction de cette chaîne. Outre la caractérisation d’un style structural particulier, une méthode originale, prenant en compte la déformation interne des roches, a permis de déterminer (1) la profondeur du détachement crustal et (2) les valeurs de raccourcissement accommodé dans la chaîne. Ce travail, défendant un point de vue inédit et développant des méthodologies novatrices, donne une vision renouvelée de la tectonique de l’Anti-Atlas oriental.
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    Cadmium anomalies in Jurassic carbonates (Bajocian, Oxfordian) in western and southern Europe
    (2006)
    Rambeau, Claire
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    The trace metal cadmium (Cd) is a highly toxic element, with adverse effects both on human health as well as on ecosystem equilibriums. Its transfer into the environment occurs by the mediation of natural and anthropogenic processes. Important natural sources comprise volcanic emissions and the biogeochemical weathering of Cd-enriched rocks, such as phosphorites or organic-rich deposits. This study considers the Cd concentrations in Jurassic limestone, in particular of Bajocian (Middle Jurassic) and Oxfordian (Late Jurassic) age in western and southern Europe. In the Jura Mountains area, carbonate rocks related to these time periods have been shown to contain surprisingly high Cd concentrations, especially since most carbonate rocks are known to be strongly depleted in Cd relative to the average crust. Soils that are developed from bedrocks of these geological ages equally show a strong tendency to be Cd-enriched to anomalously high levels. One of the specific aims of this study is to trace the geographical and stratigraphical distribution of Cd enrichments in Jurassic carbonates, in western and southern Europe, and consequently to develop a predictive tool to identify the presence of Cd-enriched soils related to Jurassic rock substrata in the investigated areas. A further goal is to reconstruct the sedimentary and environmental conditions that have led to Cd enrichments in Jurassic limestone. Ten sections in carbonate successions of Middle or Late Jurassic age have been analyzed in Switzerland, France, Spain and Italy. Additionally, a specific study aiming at quantifying the relationships between Jurassic limestone and associated soils has been conducted in the Lower Burgundy area (France). Our results from the analysis of carbonate sections suggest that for both periods Cd enrichments correspond to a widespread phenomenon in western and southern Europe, unrelated to the specificities of the carbonate facies. Two major features are nevertheless distinguished: - a general increase in Cd values is observed in both open-marine and platform settings, and particularly well marked in basin environments; this shift towards more elevated values is interpreted as a witness of general changes in the cadmium cycle at least within the western Tethyan realm, and perhaps on a wider geographical scale; - shallow-water sections additionally display major enrichments, with Cd values frequently above 1 μg/g, restricted to narrow stratigraphic intervals. These very high concentrations are attributed to a specific mechanism of enrichment. Cd enrichments in Jurassic shallow-water calcareous rocks are proposed to be related to (1) the quantity of Cd available in seawater, and (2) important biological activity and organic matter production on the carbonate platform margin. The general increase of Cd contents in both deep and shallow-water carbonates is tentatively linked to general environmental change, and especially to intense volcanic processes, which may have led to an increase in the availability of Cd in the environment. The results of our investigations with regards to Bajocian and Oxfordian limestone and associated soils in the Lower Burgundy area confirm that a causal link exists between Cd anomalies in soils and high Cd contents in the associated carbonate bedrock. Mean enrichment factors calculated for Cd in the soil relative to the associated carbonate substratum vary from 4.6 to 5.7, those calculated between soil and rock inside restricted geographical areas being around 5.5 – 5.7. The widespread presence of Cd-enriched carbonates in investigated sections of Middle and Late Jurassic age suggests that these enrichments may occur on a larger geographical scale within western and southern Europe. This would also imply that corresponding soils have the potential to be naturally enriched in Cd, in particular for soils related to the weathering of shallow-water limestone.
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    Palaeoceanographic and palaeoclimatic changes during the Late Hauterivian-Barremian and their impact on the northern Tethyan margin: a combined sedimentological and geochemical approach
    (2006)
    Bodin, Stéphane
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    The goal of this PhD study was to decipher the mechanisms responsible for changes in the carbonate platform factory accompanied by incipient drowning. For this purpose, a peculiar condensed level called the Altmann Member, which recorded the northern Tethyan margin drowning during the latest Hauterivian – Early Barremian, and which is now locked up in the Helvetic realm, was studied. Indeed, this horizon is situated at the verge of a major change in the carbonate platform production mode. On one hand, during the Hauterivian, heterotrophic organisms such as crinoids and bryozoans dominated the northern Tethyan carbonate platforms. On the other hand, phototrophic organisms such as corals, green algae and rudists dominated during the Late Barremian. This important transition and its documentation in the shelf and basinal realms of the Tethys offered the framework of this study. Helvetic realm: A first step was to establish as precisely as possible the time range of the Late Hauterivian – Barremian sediments in the Helvetic realm. Thanks to numerous ammonite findings, it was possible to determine that the Altmann Member spans from the Pseudothurmannia seitzi (latest Hauterivian) to the Coronites darsi (latest Early Barremian) ammonite zones. The onset of the Schrattenkalk Formation is dated by sequence stratigraphy correlation and by ammonite findings in the Chopf Member. This event is dated as belonging to the Gerhardtia sartousiana zone. Sedimentology and sequence stratigraphy studies helped to determine the unfolding of the Altmann Member drowning episode, which has proceeded in two steps. The first one is coeval with the Faraoni event, which was thus far only reported from basinal settings. The second step is coeval with the Barremian second-order sea-level rise occurring at the Early – Late Barremian transition. During the Early Barremian second-order sea-level lowstand, the Helvetic platform was submitted to winnowing currents leading to the formation of phosphatized crusts. Basin sections: In order to understand the link between carbonate platform factory changes and drowning events, geochemical studies were done on bulk-rock and belemnite samples from (hemi-) pelagic sections. These include redox-sensitive trace metals, phosphorus, carbon and oxygen isotopes. Four sections were chosen: the Angles section, SE France, which is the Barremian stratotype section; the Veveyse de Châtel – St. Denis section, Ultrahelvetic realm, Switzerland: the Fiume-Bosso and Gorgo a Cerbara sections, Umbria-Marche basin, Italy. These four sections offer a good coverage of the western Tethys and allow thus to establish general trends in the paleoceanographic conditions of the western Tethys at that time. Enrichments of redox-sensitive trace metals were used to trace oceanic anoxic events during the Late Hauterivian – Early Barremian, because numerous black-shale horizons are recognized in the corresponding rocks. Only one level, corresponding to the Faraoni Level, was identified as the result of an oceanic anoxic event. This result is confirmed by the C/P ratio that shows a positive shift associated to the Faraoni Level. Phosphorus burial rates were used to trace nutrient contents in the ocean during the Late Hauterivian – Barremian. They have resulted in a tripartite division of trophic conditions during the studied time interval. Thus, the middle Late Hauterivian is associated to mesotrophic conditions, the latest Hauterivian – Early Barremian to eutrophic conditions and the Late Barremian to oligotrophic conditions. Bulk rock carbon isotopes were investigated in order to obtain information about the carbon cycle and its link to the carbonate platform. It appears that the bulk-rock carbon isotope signal in basinal sections situated close to the northern Tethyan margin is strongly influenced by carbonate factory changes due to carbonate platform shedding into the basin. During the time of heterozoan-dominated platform growth, the pelagic carbon isotope signal is buffered by the shedding of calcite-dominated fragments and dissolved inorganic carbon. During the time of photozoan-dominated platform growth, the pelagic carbon isotope signal is pushed to heavier values due to the export of aragonite. Finally, in order to better understand the interactions between palaeoenvironmental changes and carbonate platform, an integrated approach, coupling numerous geochemical data as well as clay minerals, sea-level changes and others information, was done. This approach allows to conclude that changes in the northern Tethyan carbonate platform factory were driven by the overall nutrient content in seawater. During times of oligotrophic conditions, photozoan carbonate systems dominated the neritic realm whereas during times of meso-eutrophic conditions, heterozoan carbonate systems developed. Moreover, carbonate platform drowning events were linked to changes in ocean current pattern during time of sea-level highstand, together with high seawater nutrient levels. These changes have favored winnowing of platform-surface sediments and the deposition of phosphate-rich layers, and precluded carbonate platform growth along the northern Tethyan margin.
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    Les séries carbonatées crétacées d’arc volcanique du Terrane Guerrero (Mexique)
    (Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2004)
    Beltramo, Julien
    ;
    Föllmi, Karl B. 
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    Formation and transport of CH₄ and CO₂ in deep peatlands: isotope geochemical analysis and numerical modelling based on field research at the Etang de la Gruère Bog in Switzerland
    (2002)
    Eilrich, Bernd
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    Le but de cette thèse est d'examiner la production de méthane et de CO2 dans les sols marécageux profonds, autant que d'évaluer le rôle des différents processus de transport de gaz (advection, diffusion, ébullition). Les implications de ceux-ci pour les variations saisonnières et hydrologiques seront discutées. Cette recherche est basée sur des études de terrain dans une tourbière typique de l'hémisphère nord, le haut marais de l'Etang de la Gruère (EGr) dans le Jura Suisse. La tourbe s'y est accumulée sans interruption pendant les dernières 14500 années environ. Des paramètres chimiques de l'eau interstitielle, comme les concentrations en ions principaux, acide organique, méthane et carbone organique dissous ont été mesurés mensuellement en utilisant des alvéoles de diffusion pour filtration in situ (" peepers "), qui ont été installés jusqu'à une profondeur de presque 6 m. La composition des isotopes stables du carbone a été déterminée pour le méthane dissous, pour le carbone organique et inorganique, pour la tourbe ainsi que pour le méthane et le CO2 des émissions superficielles de la tourbière. La température, la hauteur et la direction d'écoulement de l'eau interstitielle constituent les principaux paramètres physiques examinés. Le travail de terrain à EGr inclut 22 campagnes durant la période de juin 1999 à octobre 2001. Les concentrations en méthane mesurées dans l'eau interstitielle d'EGr étaient élevées. Elles s'échelonnaient de moins de 0.1 mM dans le catotelm supérieur à presque 2.5 mM à une profondeur de 5 m. D'importantes variations saisonnières, par exemple une diminution hivernale de la concentration de 20 à 30 %, surtout dans le catotelm profond (>3 m de profondeur), peuvent être expliquées par des taux de transformation en baisse : Une transformation biochimique réduite en hiver est probablement la conséquence d'un réservoir d'acétate qui s'épuise et provoque ainsi une réduction de la quantité de méthane produit par dissociation d'acétate. La composition des isotopes stables du carbone appuie cette interprétation. Les valeurs d 13C-CH4 sont caractéristiques pour une mélange de méthane produit par deux mécanismes microbiens différents, la dissociation d'acétate et la réduction de CO2. Dans le catotelm inférieur, le d 13C-CH4 s'étage d'environ -69 à -63 ‰. Au début de l'année 2001, il a montré une tendance vers des valeurs encore plus négatives, ce qui indique une influence affaiblie de la dissociation d'acétate durant cette période-là. Dans le catotelm au-dessus de 1,5 m de profondeur, la dissociation d'acétate prédomine, pendant toute l'année, mais surtout en hiver et en printemps. La réduction de CO2 est plus importante dans le catotelm inférieur. Plus généralement, la réduction de CO2 semble représenter un processus méthanogène toujours actif à l'arrière-plan, tandis que la dissociation d'acétate se produit principalement en fonction de la disponibilité de l'acétate comme précurseur et de la température. Une dépendance directe des seuils de température pour le commencement des mécanismes méthanogènes, comme cela a été postulé par un certain nombre d'auteurs, n'a pas été observée à EGr. L'advection de l'eau interstitielle, la diffusion moléculaire et le transport de gaz par ébullition peuvent affecter sensiblement les concentrations et les compositions isotopiques du carbone. On présente un modèle numérique, qui simule la production et les mécanismes de transport de gaz au sein de la tourbière EGr. Les concentrations obtenues par la simulation correspondent à celles de l'analyse. En outre, les données hydrologiques indiquent que l'advection de l'eau interstitielle constitue un processus lent avec des taux de mouvement inférieurs à 2 cm par jour. En concordance avec des résultats d'expériences de laboratoire, le modèle montre clairement que le transport en deux phases par ébullition est plus important que la diffusion moléculaire. L'ébullition est particulièrement efficace pour le transport de méthane dans le catotelm au-dessous d'un mètre de profondeur, c'est-à-dire dans la partie la plus volumineuse de la tourbière. Selon le modèle, le méthane y occupe entre 70 et 90 % du volume des bulles., This thesis investigates the formation of methane and CO2 in deep peatlands, the role of different gas transport processes (advection, diffusion, ebullition) and their implications for seasonal geochemical and hydrological variations. The study is based on field research at the Etang de la Gruère Bog (EGr) located in the Swiss Jura Mountains, a typical northern hemisphere peatland, where peat has accumulated continuously over the last ca. 14,500 years. Pore water chemical parameters, such as major ion, organic acid, methane, and dissolved organic carbon concentrations were measured on a monthly basis using diffusion chambers for in situ filtration ("peepers"), which were installed up to a depth of 6 m below ground surface. The carbon stable isotope composition for the dissolved methane, for the organic and the inorganic carbon in the pore water, for the peat matrix as well as for the methane and CO2 emissions at the bog's surface was determined by isotope ratio mass spectrometry. Major physical parameters investigated included pore water temperature, depth of the water table, and groundwater flow direction. Field research at EGr included 22 campaigns during the period from June 1999 to October 2001. The methane concentrations measured in the EGr pore water ranged from below 0.1 mM, in the upper catotelm, to almost 2.5 mM at 5 m depth. These levels show seasonal variations of ca. 20 to 30 %. The lower concentrations, particularly in the deep catotelm (>3 m depth) in winter, can be explained by declining turnover in that season. This is probably a consequence of a depleted acetate pool and hence reduced acetoclastic methanogenesis. Carbon stable isotope composition data support this interpretation. The d 13C-CH4 values mark a gas mixture produced by two pathways, acetate splitting and CO2 reduction. In the lower catotelm, d 13C-CH4 ranged from ca. -69 to -63 ‰ and showed a distinct trend towards more negative values in early 2000, indicating the influence of the acetate splitting pathway is less in winter. Acetoclastic methanogenesis is the predominant methanogenic pathway in the upper catotelm (<1.5 m depth) in all seasons, yet particularly in winter and spring. CO2 reduction is important in the lower catotelm. In more general terms, CO2 reduction seems to represent the "background" methanogenic process, whereas acetate splitting occurs predominantly a function of the availability of acetate as a precursor and temperature. However, a direct dependence upon temperature thresholds for the onset of methanogenic mechanisms, as postulated by some authors, has not been observed at EGr. Pore water advection, molecular diffusion and gas transport by ebullition may considerably affect concentration and isotope patterns. A numerical model developed to simulate gas production and transport processes for the EGr peat bog provides good fit for the measured concentrations. Moreover, hydrological data indicate that pore water advection is sluggish with rates of less than 2 cm per day. The model results are coherent with laboratory experiments and clearly show the predominance of two-phase transport by ebullition over molecular diffusion. In the catotelm below ca. 1 m depth, i.e. in the bulk of the bog, ebullition is a particularly efficient means of transport for methane, which, according to the model, constitutes 70 to 90 % of the bubble volume.
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    Geochemical weathering in the sub- and proglacial zone of two glaciated crystalline catchments in the Swiss Alps (Oberaar- and Rhoneglacier)
    (Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2002)
    Arn, Kaspar
    ;
    Föllmi, Karl B. 
    Dans ce projet de thèse ont été étudiés à la fois les processus d'altération chimique proglaciaire et subglaciaire ainsi que la composition des ruissellements et de la fraction particulaire des deux bassins versants glaciaires de l'Oberaar et du Rhône (Alpes suisses). Ces deux sites d'étude se trouvent sur les roches cristallines du Massif de l'Aar. Les lithologies sont homogènes et comparables, exception faite de la présence d'une zone fortement foliée et déformée du socle varisque, composée de gneiss et de schistes, dans le bassin versant de l'Oberaar. Ce dernier peut localement contenir plus de 5% de calcite et est plus érodable que le bassin versant rhodanien, purement granitique. Il existe deux domaines d'altération dans les environnements glaciaires : ce sont les zones subglaciaire et proglaciaire. Le domaine subglaciaire est dominé par les processus d'altération à court-terme matérialisés par les phénomènes de dissolution des particules fines non-altérées présentes dans les eaux de fonte glaciaire diluées. Le minéral le plus réactif dans ce contexte est la calcite. Les processus d'altération à long-terme prennent place dans les zones proglaciaires, où les conditions associées avec la pédogenèse, telle que l'acidité, augmentent le taux général d'altération chimique. La première partie de cette thèse concerne le bilan de masse de ces deux bassins versants. Les flux d'altération annuels sont calculés en utilisant une moyenne pondérée sur une période d'accumulation mensuelle, ainsi que par un échantillonnage bi-journalier des eaux de fonte de juillet 1999 à mai 2001. Ces derniers sont corrigés par rapport aux précipitations. Ils sont dominés par le calcium qui représente respectivement 81% et 55% du flux total de cations dans les bassins versants de l'Oberaar et du Rhône. La teneur en calcite est trois fois plus élevée pour les sédiments en suspension de l'Oberaar par rapport à ceux du Rhône (2.1% contre 0.8%). Couplé avec une plus grande érodabilité et une plus forte teneur en sulfures des roches présentes dans le bassin versant de l'Oberaar, ceci mène à un flux de Ca2+ cinq fois plus élevé. Ceci démontre l'extrême sensibilité des systèmes glaciaires à des changements mineurs de la teneur en calcite et en sulfures des roches cristallines et suggère que la séquestration à court-terme du CO2, associée à l'hydrolyse des carbonates, peut être localement variable. L'altération de la calcite est plus importante dans les bassins versants glaciaires que dans les non-glaciaires, ceci pour de régions granitiques. Les taux d'altération des silicates que nous avons mesurés dans ces bassins versants alpins actuellement englacés (ainsi que ceux publiés pour d'autres bassins versants glaciaires des Alpes et de l'Antarctique) sont du même ordre de grandeur que ceux de bassins versants granitiques tempérés non-glaciaires à débits similaires. Ceci implique que l'altération des silicates n'est pas accélérée dans les environnements subglaciaires. La zone de gneiss fortement foliés que l'on trouve dans le tiers central du bassin versant de l'Oberaar a également un impact majeur sur le taux d'érosin physique. En comparaison avec le bassin versant du Rhône, durant la période de la présente étude, l'exportation de matières en suspension dans les eaux de fonte de l'Oberaar était environ deux fois plus importante que dans celles du Rhône. Dans la deuxième partie de cette thèse, la composition isotopique du strontium des eaux de fonte, des précipitations, des sédiments en suspension et du socle a été analysée. La composition des sédiments en suspension du Rhône est interprètée comme étant un mélange de Granodiorite du Grimsel et de Granite Central de l'Aar. Le faible rapport isotopique du strontium des eaux de fonte est expliqué par l'altération préférentielle de la calcite disséminée, qui a un rapport 87Sr/86Sr relativement bas. De plus, dans les bassins versants purement granitiques, une libération précoce et non-stoechiométrique du strontium peut être visible. Les eaux de fonte de l'Oberaar montrent un rapport 87Sr/86Sr plus élevé par rapport à celui des sédiments en suspension de même provenance, ce qui reflète l'altération préférentielle de la calcite présente dans les gneiss varisques. La concentraton en strontium des eaux de pluie correspond à 8-9% de celle des eaux de fonte. Leur faible rapport 87Sr/86Sr suggère que la contribution atmosphérique n'est pas importante dans les eaux de fonte. La calcite disséminée exerce un impact majeur non seulement sur la composition des ions majeurs des eaux de fonte, mais également sur la systématique des isotopes du strontium. En troisième partie, la minéralogie des argiles des sédiments glaciaires des deux zones proglaciaires a été examinée par diffraction des rayons X afin de déterminer les processus et les taux d'altération du matériel morainique de la marge proglaciaire. Les sédiments datés fournissent une chronoséquence consistant en : (A) des sédiments en suspension récents provenant de l'eau de fonte, (B) des moraines terminales (frontales) datant du Petit Age Glaciaire ( années 1300-1850) et (C) des moraines datant du retrait de Dryas Récent (11'600 ans BP). Les sédiments en suspension, qui sont dérivés de l'abrasion mécanique du socle, ont été récemment érodés et n'ont subi ni stockage et ni altération subglaciaire. De plus, aucun produit secondaire d'altération n'a été observé. L'altération chimique devient de plus en plus importante dès que les sédiments proglaciaires sont déposés dans la zone proglaciaire. Avec l'augmentation de l'âge, une couverture végétale se développe sur les dépôts morainiques et les umbrets initiaux subissent une podzolisation. Les données de diffraction des rayons X dans cette chronoséquence montrent une augmentation de la vermiculite d'origine pédogénique et une diminution continue de la biotite avec l'augmentation de l'âge du sédiment. La teneur en biotite dans les trente premiers centimètres du sol décroît de 25% à 50% en un laps de temps de 140-270 ans. L'altération des feldspaths devient apparente pour des sédiments proglaciaires de plus de 270 ans. Les taux d'altération de la biotite ont été calculés en utilisant les différences de concentration en biotite entre l'horizon C et les 30cm supérieurs d'un profil de sol. Les surfaces de réaction des minéraux ont été estimées géométriquement, aussi bien pour leur surface totale que pour leur surface de bordure. Les taux d'altération ainsi obtenus sont plus rapides de plusieurs ordre de grandeur que ceux trouvés dans la littérature. Deux explications sont proposées : (1) La prédominance des particules de faible diamètre (<63mm) dans les sédiments glaciaires qui, ayant subi une désaggrégation mécanique, sont lessivées de manière préférentielle. (2) Les sédiments glaciaires étudiés sont très bien drainés et hautement perméables et aucune hétérogénéité des directions d'écoulement n'a été observée. Il est confirmé que les matériaux d'origine glaciaire sont sujets à une forte altération chimique commençant immédiatement après leur dépôt dans la zone proglaciaire et se poursuivant durant des milliers d'années après le retrait des glaces. Dans une quatrième partie, les textures de dissolution de l'apatite ainsi que les taux d'altération à long terme du phospore ont été déterminés à partir des chronoséquences. Les grains d'apatite ont été classés selon les changements de morphologie de leur surface provoqués par l'altération. Les grains d'apatite récents sont fortement indentés et arrondis par dissolution. Les grains du Petit Age Glaciaire provenant d'échantillons récoltés entre 0cm et 10cm de profondeur montrent déjà une dissolution extensive, similaire à celle observée sur des grains provenant de profils du Dryas Récent. Le front d'altération s'approfondit progressivement à cause de la bio-corrosion dans la pédosphère acide en évolution, avec une indentation des grains agissant comme sites de dissolution préférentiels. Les concentrations de phosphore lié au fer, organique et détritique ont été mesurées dans les chronoséquences : le phosphore lié au fer et le phosphore organique remplacent le phosphore détritique dans les profils du Dryas Récent. Durant les 300 premières années d'exposition des sédiments glaciaires, les taux de dissolution du phosphore étaient environ 70 fois plus élevés que le flux global moyen de phosphore dissous dans les rivières drainant des continents libres de glace. Calculé pour les profils du Dryas Récent, le taux est égal à 2.5 fois la moyenne globale. Ces données renforcent l'argumentation en faveur des changements du flux de phosphore bio-limitant pour des échelles de temps de l'ordre glaciaire-interglaciaire. Une cinquième partie de cette thèse compare les différentes formes de phosphore. Elle montre les différentes bio-disponibilités, dans l'Apure (climat tropical, Venezuela) et dans les parties englacées des bassins versants du Rhône, et de ses affluents, et de l'Oberaar. Les eaux tropicales contiennent généralement des formes de phosphore plus bio-disponibles (POD, organique et lié au fer), alors que les écoulements en provenance des bassins versants actuellement englacés sont dominés par le phosphore détritique (97%), difficilement bio-disponible. Cependant, les processus glaciaires jouent un important rôle de régénération en apportant de grandes quantités de phosphore détritique fraichement broyé à la biosphère. L'augmentation du flux de phosphore réactif soluble dérivé de l'altération, provenant d'un affluent du Rhône récemment désenglacé, indique que la dissolution du phosphore détritique est accélérée dans les sédiments proglaciaires par rapport à la moyenne globale. Au contraire, dans le bassin versant de l'Apure, la principale source de phosphore soluble est probablement atmosphérique. Les glaciers ainsi que les périodes glaciaires peuvent donc induire des changements complexes dans la dynamique du phosphore et dans la productivité des écosystèmes terrestres et marins. Pour résumer, l'impact global de l'altération subglaciaire, comparée à l'altération proglaciaire, n'est pas encore complètement clair, de nombreuses données étant encore nécessaires pour résoudre les différents problèmes évoqués dans cette thèse. Nos données semblent indiquer qu'il n'y a pas d'impact de l'altération subglaciaire sur le taux d'altération global des silicates. Cependant, l'état actuel de nos données implique qu'il y a certainement un potentiel significatif pour un impact indirect sur l'altération chimique globale par l'intermédiaire de matériaux d'origine glaciaire, facilement altérables, déposés dans les zones proglaciaires. Ce travail confirme le couplage positif de l'altération physique et chimique ; le couplage augmente dans les milieux dont les régimes d'altération sont dominés par des processus glaciaires limités par l'érosion. L'érosion globale est considérée comme étant limitée par l'altération durant les périodes de glaciation.