Isotopic tracing (Si, Ca, Sr, H and O) of biogeochemical processes in Indian groundwater along the land-to-ocean continuum

Traçage isotopique (Si, Ca, Sr, H et O) des processus biogéochimiques dans les eaux souterraines indiennes le long du continuum continent-océan Les eaux souterraines forment un système dynamique avec une grande hétérogénéité spatiale et temporelle, et agissent en tant qu'intermédiaire entre les processus de surface dans la zone critique et les fleuves qui apportent les solutés vers l'océan. Des études récentes révèlent que la décharge sous-marine d'eaux souterraines (SGD) est une voie dominante pour l'apport de nutriments aux côtes, dépassant souvent les flux de nutriments fluviaux, formant ainsi une composante importante des cycles biogéochimiques marins. Cependant, les SGD restent négligées dans les bilans de nutriments et sont difficiles à quantifier. Parmi ceux-ci, le silicium (Si) est un nutriment essentiel pour les diatomées, l'un des principaux producteurs primaires des écosystèmes aquatiques. Les bassins versants tropicaux humides avec précipitations saisonnières de mousson, généralement trouvés en Inde, favorisent une altération intense des silicates, ce qui entraîne des flux élevés de Si vers les eaux. Cependant, l'agriculture peut moduler le cycle de Si ce qui nécessite une évaluation plus poussée, notamment dans les eaux souterraines. Cette thèse étudie trois aspects majeurs du cycle de Si dans les eaux souterraines : i) l'impact des modifications de l'utilisation des terres et des précipitations de mousson sur Si dissous (DSi) et la signature isotopique de Si (δ30Si) des eaux souterraines en comparant un bassin versant agricole (Berambadi) et un bassin versant forestier (Mule Hole) à deux saisons, ii) élucider les interactions entre eaux souterraines et eaux de surface dans le plus grand système estuarien de mousson en Inde (Godavari) et, iii) quantifier les flux de Si apportés par la contribution en eaux douces des SGD vers l'Océan Indien grâce à une série d’échantillons d'eaux souterraines côtières. Pour cela, nous utilisons des traceurs isotopiques : isotopes de l'eau et 87Sr/86Sr pour identifier les sources et les mélanges, δ30Si et rapports Ge/Si pour tracer le cycle du Si, et δ44/40Ca pour déterminer l'altération des carbonates. Ce travail a permis d'augmenter la moyenne des δ30Si des eaux souterraines mondiales de 0,49±0,9‰ (1SD, n=66) à 0,81±0,9‰ (1SD, n=224), inférieure aux δ30Si des eaux de rivière et de l’océan. Nous montrons que les signatures δ30Si des eaux souterraines ne sont pas impactées par les modifications de l'utilisation des terres ni la saisonnalité, et sont principalement contrôlées par l'altération des silicates et la formation d'argiles secondaires. Les eaux souterraines présentent généralement un comportement stable avec un équilibre dynamique entre l'apport de Si et la formation de phases secondaires. Les δ30Si issus de l'altération, de l'adsorption et de l'absorption par les plantes qui se produisent dans les horizons peu profonds du sol et du saprolite sont partiellement homogénéisés par l'altération du régolithe dans la zone profonde. Les δ30Si de l'estuaire de Godavari présentent une variabilité saisonnière importante, principalement due aux diatomées et parfois à un apport hétérogène issus des eaux souterraines pendant la saison sèche, alors que l'altération des silicates et la formation d'argiles secondaires dominent pendant la saison humide. L’estuaire est un filtre important pour l’apport en Si à l'océan, en retirant ~15% du DSi total apporté par le fleuve Godavari. Les δ44/40Ca dans l'estuaire (1,3±0,5‰, 1SD, n=16) et ses eaux souterraines (1,6±0,7‰, 1SD, n=15) sont très hétérogènes. Le fractionnement isotopique du Ca, tant dans l'estuaire que dans les eaux souterraines, est principalement dû à la précipitation des carbonates secondaires, un processus qui nécessiterait une étude plus approfondie. Enfin, DSi et δ30Si des eaux souterraines côtières indiennes indiquent que les apports d’eaux douces par SGD contribuent à <1% du flux total de Si apporté par les fleuves ce qui est considéré comme ayant un impact insignifiant sur les budgets océaniques de Si et d'isotopes dans l'Océan Indien Nord.