Étude des isotopes du radium et de l'actinium-227 le long de la section SWINGS dans l'océan Austral - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2023

Study of the radium and actinium 227 isotopes along SWINGS section in the indian sector of the Southern Ocean

Étude des isotopes du radium et de l'actinium-227 le long de la section SWINGS dans l'océan Austral

Résumé

The Southern Ocean absorbs around 20% of the world's atmospheric CO2, thanks in part to the biological carbon pump, regulated by the abundance of surface nutrients. The interaction of the Antarctic Circumpolar Current with sediments results in significant inputs of chemical elements to the ocean, inducing phytoplankton blooms in the vicinity of the sub-Antarctic islands. As part of the GEOTRACES program, the SWINGS cruise took place in 2021 in the Indian sector of the Southern Ocean to study the distribution, sources and sinks of various trace elements and isotopes, as well as their internal cycles in the Indian sector of the Southern Ocean. Radium isotopes (223Ra, 224Ra, 228Ra and 226Ra) are mainly diffused in the dissolved phase from marine sediments and then dispersed in the ocean. Thanks to their different radioactive half-lives, these isotopes are powerful tracers of the contact of water masses with sediments, enabling the study of processes on various time and space scales. Similarly, 227Ac is mainly released by diffusion from deep sediments, making it a complementary tracer to Ra isotopes. In the first chapter, methodological work has been carried out to improve the estimation of Ra and 227Ac isotope activities from large-volume seawater samples. Two methods for assessing the absorption efficiency of Ra isotopes on pre-concentrated radionuclide cartridges are compared. The first consists in comparing the activities observed on the cartridges with the activities observed on a media where the water has been filtered at less than 1L/min to allow complete adsorption of the radioelements onto the media. A second method involves comparing the activities of two cartridges placed in series. While the Ra efficiencies estimated by the two methods are similar (79.2% and 63.9%), the extraction efficiency of 227Ac is lower (49.3%). The possibility of estimating the extraction efficiency of 227Ac from that of Ra is therefore discussed. Finally, it is recommended to determine the extraction efficiencies of Ra and 227Ac for each sample, rather than applying an average. The second chapter presents vertical profiles of radium and 227Ac isotopes at two stations on the edge of the Southwest Indian Ridge. The radioelement profiles confirm the presence of a hydrothermal plume, thanks to the high Ra isotope activities observed. A 1D diffusion model was applied to the vertical profiles of short-lived Ra isotopes to estimate vertical diffusion coefficients (Kz) between 38 cm²/s and 149 cm²/s. Then, by combining these coefficients with the dissolved iron gradient (dFe), a vertical flux of dFe between 193 and 1131 nmol/m-2/d was estimated. These high values suggest strong mixing, probably favored by the region's complex bathymetry, and confirm that low-expansion ridges could be important sources of dFe in the deep ocean. Finally, the third chapter combines 226Ra and barium (Ba) data from the SWINGS and KEOPS 1 & 2 cruises, which took place in the Crozet and Kerguelen region. This chapter therefore brings together a substantial dataset and presents the distribution of dissolved 226Ra and Ba in the Indian sector of the Southern Ocean. The relationship between these two elements is studied, as well as the impact of biology, ocean circulation or island effects on the distribution of these elements, notably through a time series of 226Ra, Ba and the 226Ra/Ba ratio on the Kerguelen Plateau. Finally, a vertical diffusion coefficient (Kz) equal to 8.8 10-4 m²/s is estimated from 226Ra activities sampled at deep-sea stations around the Kerguelen Plateau.
L'Océan Austral absorbe environ 20 % du CO2 atmosphérique mondial, grâce en partie à la pompe biologique de carbone, régulée par l'abondance de nutriments en surface. L'interaction du courant Antarctique Circumpolaire avec les sédiments génère d'importants apports d'éléments chimiques à l'océan, induisant des blooms phytoplanctoniques aux abords des îles subantarctiques. Dans le contexte du programme GEOTRACES, la campagne SWINGS s'est déroulée en 2021 dans le secteur indien de l'Océan Austral pour étudier la distribution, les sources et les puits de différents éléments traces et isotopes ainsi que leurs cycles internes dans le secteur indien de l'Océan Austral. Les isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 228Ra et 226Ra) sont principalement apportés dans la phase dissoute depuis les sédiments marins pour être ensuite dispersés dans l'océan. Grâce à leurs différentes périodes radioactives, ces isotopes sont de puissants traceurs du contact des masses d'eau avec les sédiments, permettant l'étude de processus sur des échelles de temps et d'espace variées. De façon similaire, l'227Ac est principalement libéré par diffusion depuis les sédiments profonds et constitue un traceur complémentaire aux isotopes du Ra. Dans un premier chapitre, un travail de méthodologie a été effectué afin de mieux estimer les activités des isotopes du Ra et de l'227Ac à partir de prélèvements de grands volumes d'eau de mer. Deux méthodes permettant d'évaluer l'efficacité d'absorption des isotopes du Ra sur des cartouches préconcentrant les radionucléides sont comparées. La première consiste à comparer les activités déterminées sur les cartouches avec les activités déterminées sur un media où l'eau a été filtrée à moins d'1L/min pour permettre une adsorption complète des radioéléments sur le media. Une deuxième méthode consiste comparer les activités de deux cartouches placées en série. Si les efficacités du Ra estimées par les deux méthodes sont similaires (79,2 %, et 63,9 %), l'efficacité d'extraction de l'227Ac est inférieure (49,3 %). La possibilité d'estimer l'efficacité d'extraction du 227Ac à partir de celle du Ra est ainsi discutée. Enfin, il est préconisé de déterminer les efficacités d'extraction du Ra et de l'227Ac pour chaque échantillon plutôt que d'appliquer une moyenne. Le second chapitre présente des profils verticaux d'isotopes du radium et d'227Ac au niveau de deux stations situées aux abords de la dorsale sud-ouest indienne. Les profils de radioéléments confirment la présence d'un panache hydrothermal grâce aux fortes activités des isotopes du Ra observées. Un modèle de diffusion 1D a été appliqué aux profils verticaux des isotopes Ra à courte période radioactive afin d'estimer des coefficients de diffusion verticale (Kz) entre 38 cm²/s et 149 cm²/s. Puis, en combinant ces coefficients avec le gradient de fer dissous (dFe), un flux vertical de dFe compris entre 193 et 1131 nmol/m-2/d a été estimé. Ces fortes valeurs suggèrent un fort mélange probablement favorisé par la bathymétrie complexe de la région et confirment que les dorsales à faible taux d'expansion pourraient être des sources importantes de dFe dans l'océan profond. Enfin, le troisième chapitre combine les données de 226Ra et de baryum (Ba) issues des campagnes SWINGS et des campagnes KEOPS 1 & 2 qui se sont déroulées dans la région de Crozet et Kerguelen. Ce chapitre réunit donc un jeu de données conséquent et présente la distribution de 226Ra et de Ba dissous dans le secteur indien de l'Océan Austral. La relation entre ces deux éléments est étudiée ainsi que l'impact de la biologie, la circulation océanique ou les effets d'îles sur la distribution de ces éléments, notamment grâce à une série temporelle de 226Ra, Ba et du rapport 226Ra/Ba sur le plateau des Kerguelen. Enfin, à partir des activités de 226Ra prélevées à des stations profondes situées aux abords du plateau des Kerguelen, un coefficient de diffusion verticale (Kz) égal à 8.8 10-4 m²/s est estimé.
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Dates et versions

tel-04631893 , version 1 (02-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04631893 , version 1

Citer

Morgane Leon. Étude des isotopes du radium et de l'actinium-227 le long de la section SWINGS dans l'océan Austral. Océan, Atmosphère. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. Français. ⟨NNT : 2023TOU30384⟩. ⟨tel-04631893⟩
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