Traceurs Radionuclides “Scavenging” et Soustraction

Ou comment comprendre la dynamiquedes particules et la chronométrer

Ce que nous allons voir..

• “Scavenging” = soustraction chimique et entrainement (Goldberg 1954)

• Particules marines

• Processus d’adsorption

• Traceurs radionuclide tracers, cinétiques– 234Th export flux from surface waters– 230Th whole water column scavenging

Scavenging

• Concentrations océaniques de nombreux éléments chimiques plus faibles que ce que leurs “flux d’apport” laisseraient supposer Fritz Haber (Nobel Prize in 1918)

• “La grande conspiration des particules” Karl Turekian (1977)

• Particules séquestrent les éléments réactifs (Fe, Cu, Pb, Th, Pa, etc.)

• Petites particules (0.01 – 100 μm) : grande surface de réaction pour séquestrer les éléments chimiques

Adsorption: une réaction reversible

chemisorption = inner-sphere complex, a strong chemical bondphysisorption = outer-sphere complex, weaker electrostatic forces, van der Waal

Les deux sont affectées par la force ionique…

liquid

Distributions verticalesConservatif vs. ScavengedConservative elementConcentration Profile

De

pth

De

pth

Scavenged elementConcentration Profile

e.g., Na, K, Mg, Cs, Cl, SO4 …

A quoi ressemblent les particules marines?

La majorité est microscopique: 0.1 - 100 µm

The “Fabulous Faecal Photo” from Debbie Steinberg

Marine snow aggregates

Inanimate particles greaterthan 0.5 mm diameter

The principal vehicles fordownward particle flux

From J. Murray

Clegg and Whitfield 1990 (DSR)

Mass fluxMassS.A.

Les particules qui présentent la plus grande surface de contact et la plus grande masse ne sont pas celles qui chutent!

Le spectre de taille des particules est continu

Catherine Jeandel, CNRS

La vie et la matière dans l’océan

0

150 m

5000 mslow

exportfast

export

large particules

precipitationwind

cosmic dust

dissolved phase

euphotic zone

river

deep ocean

small particles

light

sediment

sedimentresuspension

Le couple Uranium -Thorium

234Th, période 24 j: processus de surface230Th, période 75 000a: processus profonds

ParticulesDissous

Usoluble

Thinsoluble

Désintégration et production simultanéedNt

dt Nt Pt

ttt e

PeNN

10

Nt P

Evolution du fils au cours du temps

Equilibre séculaire (si t très grand)

Père

Fils

Si P est constant autour du temps (fréquent)

Une analogie pour comprendre l’équilibre séculaire

Discussion sur 234Th dissous

Si 238U 238U = 234Th 234Ths, le 234Th produit est

perdu par la désintégration du 234Th dissous

k1 = et T1 = +.

Si 234Ths très faible, le 234Th produit par

désintégration de 238U est fixé par les particules :

k1 = +et T1 = 0

Si la vitesse de fixation de 234Th par les particules est

constante (k1 = constante) dans la colonne d'eau

234Ths P 234Th

234Th k1 234Ths constante

Mais cette vitesse varie avec la quantité de particules présentes: forte en surface et plus faible en profondeur (ex de la Figure de Coale et Bruland).

Temps résidence du 234Th

particulaire

Même principe que pour 234Th dissous

Accède au temps résidence particules en surface.

On analyse le 234Th retenu par filtration eau de mer.

234Thp = Qté 234Th retenue sur filtre/ volume eau filtrée.

d234Th p

dtk1

234Ths 234Th

234Thp kp234Thp

(Pas de production radioactive car pas d'U ds particules)

Etat Stationnaire (d234Thp/dt = 0).

kp 234Th

k1234Ths

234Th

234Thp

1

234Th

238U

238U - 234Th

234Ths

234Th

234Thp

1

Discussion sur 234Th particulaire

Si 238U 238U = 234Th 234Ths + 234Th 234Thp,

tout le 234Th produit par désintégration de 238U est perdu par sa propre désintégration. L'effet de la sédimentation des particules est nul

Kp = et Tp = +.

Si 234Thtotal très faible, tout le 234Th produit par

désintégration de 238U est perdu par sédimentation

Kp = +et Tp = 0

(234Th a à peine le temps de se fixer sur les particules qu’elles quittent la couche de surface : flux très élevé)

Figure extraite de Coale et Bruland :

Tp = 10-17 jours dans la couche mélangée.

234Th : exemple de profil

chute

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20

200

400

600

234Th / 238U

particules dissous

Équilibre U-Th

Déséquilibre U-Th

= export de 234Th

Activité totale

Export de 234Th = Export de carbone

Pro

fon

deu

r (m

)

Higher biomass - Higher fluxHawaii-OligotrophicHigh recycling - low export)

NW Pacific-ProductiveLow recycling - high export

Vertical line = Uranium-238 activityBuesseler et al., DSR 2009

K.Buesseler, 1998

Le 234Th : traceur de l’export de carbone organique

Mission CARUSO (M. Rutgers van der Loeff et al., AWI)

Le 234Th : traceur de l’export de carbone organique

230Th: modèle irréversible ?

230Th : même comportement chimique que 234Th ;

produit par 238U en solution.

Equations plus simples : la désintégration de 230Th

négligeable (T1/2 = 75200 a donc 230 = 0 ; tout le 230Th

produit doit être éliminé par sédimentation)

230Ths P 230Th

k1

234U

234U

k1 dissous:constant avec z

Profils de 230Th dissous et particulaire dans l’océan

Reversible scavenging causes 230Thconcentration to increase with depth

234U 230Th

A230>A234

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th

230Th 230Th

230Th 230Th 230Th234U

234U

234U

234U

230Th 230Th 230Th 230Th

SinkingParticlesCarry230ThDownward

230Th 230Th 230Th 230Th 230Th

kads

kdes

Profiles linéaires de concentration de 230Th:Echange réversible

Low Flux

High Flux

Diss. 230Th (fg/kg)

230Th et modèle réversible

Modif. modèle : à la rapide fixation du Th dissous sur les

particules on ajoute une dissolution lente du Th particulaire

vers la solution.

Hyp : vitesse de fixation/ vitesse de dissolution constant

avec z.

désintégration

désintégration

Solution

adsorption k1

désorption k-1

petites particules

chute

Production in situ

d230Ths

dtP 230

Th k1

230Ths k -1230Thp

d230Th p

dtk1

230Ths k-1230Th p V

230Thp

z

230Th et modèle réversible (suite)

En additionnant ces 2 équations :

230Th p z P 230Th

Vz

Au fur et à mesure que la particule descend, elle accumule du 230Th

par fixation : à z donnée, le flux de 230Th particulaire est déterminé

seulement par la quantité de 230Th produite dans la colonne d'eau

située au dessus de cette profondeur.

Puis en combinant avec le dissous :

230Ths z P 230Th

k1

k -1

k1

P 230Th

Vz

P 230Th

k1

k -1

k1

230Thp z

Le modèle réversible prédit une augmentation linéaire de 230Ths(z):

une faible partie du 230Ths fixé en surface par les particules est

redissous en profondeur. Tout se passe comme s’il y avait un équilibre

chimique rapide entre la solution et les particules.

Low Flux

High Flux

Diss. 230Th (fg/kg)

K varies with abundance and reactivity of particles

K = kads/kdes

Profiles linéaires de concentration de 230Th:Echange réversible

230Th dissous et particulaire

Station Aloha au large d’Hawaii, Océan Pacifique

= vitesse de chute des petites particules : 300 m/ an

Simple 1-D scavenging model fits 230Th data at many Pacific stations

SAFeAloha

QuickTime™ and a decompressor

are needed to see this picture.

INOPEX

Hayes et al., EPSL 2013

INOPEX

SAFe

Aloha

Higher particle flux (K) inNW Pacific lowers 230ThConcentration.

NP

P (

gC

m-2 y

r-1)

Aloha data from Roy-Barman et al., 1996

Lateral mid-depth dissolved 230Th concentration gradients reflect scavenging intensity

Nearshore

Offshore

Changing slope indicates shoreward increase in “S•K”, most likely an increase in particle abundance (K)

2212 11 10 9

Schéma du transport particulaire

Grosses particules provenant de la surface entraînent sur

leur passage les petites particules enrichies en 230Th situées

en profondeur fixation des petites particules sur grosses.

Cette fixation doit être réversible car sinon concentration

constante de thorium particulaire sur les petites particules

désintégration

désintégration

désintégration

Solution

adsorption k1

désorption k-1

agrégation k2

désagrégation k-2

petites particules

grosses particules

faible vitesse forte vitesse

Production in situ

Adsorption réversible avec plusieurs tailles de particules (Bacon et al., 1985)

Quelques limites de ces modèles

Un modèle n’est pas une image de la réalité !

Hypothèses rarement remplies :

Etat stationnaire : flux variables dans temps

Absence de diffusion et advection verticales : transport

latéral de Th observé…

Simplicité des schémas d'interaction D-P et P-P : un ou deux types de particules, cinétiques d’ordre 1, nature des phases porteuses du Th etc…

238 U 230Th

238 U 230Th

238 U 230Th

238 U 230Th

PTh sur z

Comparaison PTh (attendu) et FTh (mesuré)

= donne efficacité de collection du piège à particule

PTh = FTh (efficacité 100 %)

Marcantonio et al., 2001

231Pa : = 200 a

230Th : = 40 a

Boundary scavenging

Anderson et al., 1990

230Th, 231Pa, 10Be

A) Production rates of these three tracers are uniform across an ocean basin.

B) Particle fluxes (F P) are higher at ocean margins than in the interior.

C) The concentration of each tracer dissolved in the water column (C D) depends on the ratio between the scavenging rate of the tracer (A>>B>>C) and the lateral mixing rate of the ocean.

D) The flux of each tracer is proportional to F P x C D

A : 230 ThB : 231 PaC : 10 Be

Nd ?

Le rapport 231Pa / 230Th= caractérise l’intensité du flux de particules

« scavenging »

Broecker & Peng, 1982

océanouvert

marge

Influence de la nature des particules sur le scavenging de 230Th, 231Pa ?

Chase et al., 2002; Geibert et Usbeck, 2004

MnO2, silice biogène, CaCO3 , particules lithogènes

Adsorption préférentielle de 230Th & 231Pa?

Silice biogène : adsorption 231Pa

Fractionnement 230Th & 231Pa

= fonction du rapport silice : carbonates

(Chase et al., 2002)

pb proxy 231Pa/ 230Th pour reconstituer flux particules

Pa, Th : traceur de ventilation,Remontée d’eau profonde

McManus et al.(2004) Nature 428, 834-837 :

231Pa/230Th des sédiments : traceur de l’intensité de la circulation thermohaline

Conclusions

Isotopes du Th : excellents traceurs de la dynamique des particules

Pa/Th: En raison de la différence de réactivité, ouvre encore les champsd’application

Application : chronomètre de ventilation lente?