FESDIA (v1.0): exploring temporal variations of sediment biogeochemistry under the influence of flood events using numerical modelling

Episodic events of flood deposit in coastal environments are characterized by deposition of large quantities of sediment containing reactive organic matter within short periods of time. While steady-state modelling is common in sediment biogeochemical modelling, the inclusion of these events in current early diagenesis models has yet to be demonstrated. We adapted an existing model of early diagenetic processes to include the ability to mimic an immediate organic carbon deposition. The new model version (FESDIA) written in Fortran and R programming language was able to reproduce the basic trends from field sediment porewater data affected by the November 2008 flood event in the Rhône River prodelta. Simulation experiments on two end-member scenarios of sediment characteristics dictated by field observation (1–high thickness deposit, with low TOC (total organic carbon) and 2–low thickness, with high TOC), reveal contrasting evolutions of post-depositional profiles. A first-order approximation of the differences between subsequent profiles was used to characterize the timing of recovery (i.e. relaxation time) from this alteration. Our results indicate a longer relaxation time of approximately 4 months for SO42- and 5 months for DIC (dissolved inorganic carbon) in the first scenario, and less than 3 months for the second scenario which agreed with timescale observed in the field. A sensitivity analysis across a spectrum of these end-member cases for the organic carbon content (described as the enrichment factor α) and for sediment thickness indicates that the relaxation time for oxygen, sulfate, and DIC decreases with increasing organic enrichment for a sediment deposition that is less than 5 cm. However, for larger deposits (&gt;14 cm), the relaxation time for oxygen, sulfate, and DIC increases with α. This can be related to the depth-dependent availability of oxidant and the diffusion of species. This study emphasizes the significance of these sediment characteristics in determining the sediment's short-term response in the presence of an episodic event. Furthermore, the model described here provides a useful tool to better understand the magnitude and dynamics of flooding event on biogeochemical reactions on the seafloor.</p

Benthic foraminifera as tracers of brine production in the Storfjorden "sea ice factory"

Abstract. The rapid response of benthic foraminifera to environmental factors (e.g. organic matter quality and quantity, salinity, pH) and their high fossilisation potential make them promising bio-indicators for the intensity and recurrence of brine formation in Arctic seas. Such an approach, however, requires a thorough knowledge of their modern ecology in such extreme settings. To this aim, seven stations along a north–south transect across the Storfjorden (Svalbard archipelago) have been sampled using an interface multicorer. This fjord is an area of intense sea ice formation characterised by the production of brine-enriched shelf waters (BSW) as a result of a recurrent latent-heat polynya. Living (rose bengal-stained) foraminiferal assemblages were analysed together with geochemical and sedimentological parameters in the top 5 cm of the sediment. Three major biozones were distinguished. (i) The "inner fjord" zone, dominated by typical glacier proximal calcareous species, which opportunistically respond to fresh organic matter inputs. (ii) The "deep basins and sill" zone, characterised by glacier distal agglutinated fauna; these are either dominant because of the mostly refractory nature of organic matter and/or the brine persistence that hampers the growth of calcareous species and/or causes their dissolution. (iii) The "outer fjord" zone, characterised by typical North Atlantic species due to the intrusion of the North Atlantic water in the Storfjordrenna. The stressful conditions present in the deep basins and sill (i.e. acidic waters and low food quality) result in a high agglutinated ∕ calcareous ratio (A∕C). This supports the potential use of the A∕C ratio as a proxy for brine persistence and overflow in Storfjorden

Barium and Carbon fluxes in the Canadian Arctic Archipelago

Seasonal and spatial variability of dissolved Barium (Ba) in Amundsen Gulf, southeastern Beaufort Sea, was monitored over a full year from September 2007 to September 2008. Dissolved Ba displays a nutrient-type behavior: the maximum water column concentration is located below the surface layer. Highest Ba concentrations are typically observed at river mouths, the lowest concentrations are found in water masses of Atlantic origin. Barium concentrations decrease eastward through the Canadian Arctic Archipelago. Barite (BaSO4) saturation is reached at the maximum concentrations of dissolved Ba in the subsurface layer, whereas the remaining water column is undersaturated. A three end-member mixing model comprising freshwater from sea-ice melt and rivers, as well as upper halocline water, was used to establish their relative contributions to the Ba concentrations in the upper water column of the Amundsen Gulf. Based on water column and riverine Ba contributions, we assess the depletion of dissolved Ba by formation and concomitant sinking of biologically bound Ba (bio-Ba), from which we derive an estimate of the carbon export production. In the upper 50 m of the water column of Amundsen Gulf, riverine Ba accounts for up to 15% of the available dissolved Ba inventory, of which up to 20% is depleted by bio-Ba formation and export. Since riverine inputs and Ba export occur concurrently, the seasonal variability of dissolved Ba in the upper water column is moderate. Assuming a fixed organic carbon to bio-Ba flux ratio, carbon export out of the surface layer is estimated at 1.8{plus minus}0.45 mol C m‑2 yr‑1. We propose a climatological carbon budget for the Amundsen Gulf

Le cycle du carbone aux interfaces côtières sous les effets du changement climatique

Coastal zones are particularly vulnerable to the multiple effects of climate change and anthropogenic pressures. Thermohaline stratification of surface waters, eutrophication, deoxygenation and acidification of bottom waters are at the origin of multiple stress factors. In this context, the carbon cycle is undergoing numerous disturbances, and the role of the coastal ocean as a carbon sink or source is still very uncertain. The sedimentary component of these shallow, heterogeneous environments is complex, relatively undocumented and particularly variable in space and time. This manuscript presents the state of knowledge on the carbon cycle at coastal interfaces. It pays a particular attention to sediment biogeochemistry and ocean acidification, with a special focus on early diagenesis and the carbonate system at the sediment-water interface. These issues are addressed on 3 main RiOMars (River-dominated Ocean Margins) systems with very contrasting characteristics: (i) in the Arctic Ocean with the Mackenzie River and the Beaufort Sea, (ii) in the Mediterranean with the Rhône River and its prodeltaic sediments, and (iii) in the northern Gulf of Mexico under the influence of the Mississippi River. Below the water-sediment interface, the characterization of mineralization processes (oxic and anoxic) and their interactions with the carbonate system provide a better understanding of benthic fluxes of dissolved inorganic carbon (DIC) and total alkalinity (TA). Under the influence of ocean acidification, dissolution of sedimentary carbonates may well increase in RiOMars systems. At the sediment-water interface, DIC fluxes enhance the acidity of bottom waters, while TA fluxes buffer bottom waters. This work is the fruit of teamwork resulting from the co-supervision of 3 PhD theses and several M2 internships. Our results contribute to a better understanding of the role of coastal zones, in general, and sediments, in particular, in the carbon cycle at the continent-ocean interface.Les zones côtières sont particulièrement vulnérables aux multiples effets du changement climatiques et aux pressions anthropiques. La stratification thermohaline des eaux de surface, l’eutrophisation, la désoxygénation et l’acidification des eaux de fond sont à l’origine de multiples facteurs de stress. Dans ce contexte, le cycle du carbone subit de nombreuses perturbations et le rôle de l’océan côtier en termes de puits ou de sources de carbone est toujours très incertain. La composante sédimentaire de ces milieux hétérogènes et peu profonds est à la fois complexe, relativement peu documentée et particulièrement variable dans l’espace et le temps. Ce travail présente l’état des connaissances sur le cycle du carbone aux interfaces côtières. Il porte une attention particulière sur la biogéochimie des sédiments et sur l’acidification de l’océan, avec un focus spécial sur la diagenèse précoce et le système des carbonates à l’interface eau-sédiment. Ces problématiques sont abordées sur 3 systèmes RiOMars (River-dominated Ocean Margins) avec des caractéristiques très contrastées :(i) dans l’océan Arctique avec le fleuve Mackenzie et la mer de Beaufort, (ii) en Méditerranée avec le Rhône et ses sédiments prodeltaïques, et (iii) le nord du golfe du Mexique sous l’influence du Mississippi. Sous l’interface eau-sédiment, la caractérisation des processus de minéralisation (oxique et anoxique) et leurs interactions avec le système des carbonates permettent de mieux comprendre les flux benthiques de carbone inorganique dissous (DIC) et d’alcalinité totale (TA). Sous l’effet de l’acidification des océans, la dissolution des carbonates sédimentaires pourrait bien augmenter dans les systèmes RiOMars. A l’interface eau-sédiment, les flux de DIC renforcent l’acidité des eaux de fond alors que les flux de TA tamponnent les eaux de fond. Ce travail est le fruit d’un travail d’équipe résultant du co-encadrement de 3 thèses et de plusieurs stages de M2. Nos résultats contribuent à mieux comprendre le rôle des zones côtières, en général, et des sédiments, en particulier, vis à vis du cycle du carbone à l’interface continent-océan

Le cycle du carbone aux interfaces côtières sous les effets du changement climatique

Coastal zones are particularly vulnerable to the multiple effects of climate change and anthropogenic pressures. Thermohaline stratification of surface waters, eutrophication, deoxygenation and acidification of bottom waters are at the origin of multiple stress factors. In this context, the carbon cycle is undergoing numerous disturbances, and the role of the coastal ocean as a carbon sink or source is still very uncertain. The sedimentary component of these shallow, heterogeneous environments is complex, relatively undocumented and particularly variable in space and time. This manuscript presents the state of knowledge on the carbon cycle at coastal interfaces. It pays a particular attention to sediment biogeochemistry and ocean acidification, with a special focus on early diagenesis and the carbonate system at the sediment-water interface. These issues are addressed on 3 main RiOMars (River-dominated Ocean Margins) systems with very contrasting characteristics: (i) in the Arctic Ocean with the Mackenzie River and the Beaufort Sea, (ii) in the Mediterranean with the Rhône River and its prodeltaic sediments, and (iii) in the northern Gulf of Mexico under the influence of the Mississippi River. Below the water-sediment interface, the characterization of mineralization processes (oxic and anoxic) and their interactions with the carbonate system provide a better understanding of benthic fluxes of dissolved inorganic carbon (DIC) and total alkalinity (TA). Under the influence of ocean acidification, dissolution of sedimentary carbonates may well increase in RiOMars systems. At the sediment-water interface, DIC fluxes enhance the acidity of bottom waters, while TA fluxes buffer bottom waters. This work is the fruit of teamwork resulting from the co-supervision of 3 PhD theses and several M2 internships. Our results contribute to a better understanding of the role of coastal zones, in general, and sediments, in particular, in the carbon cycle at the continent-ocean interface.Les zones côtières sont particulièrement vulnérables aux multiples effets du changement climatiques et aux pressions anthropiques. La stratification thermohaline des eaux de surface, l’eutrophisation, la désoxygénation et l’acidification des eaux de fond sont à l’origine de multiples facteurs de stress. Dans ce contexte, le cycle du carbone subit de nombreuses perturbations et le rôle de l’océan côtier en termes de puits ou de sources de carbone est toujours très incertain. La composante sédimentaire de ces milieux hétérogènes et peu profonds est à la fois complexe, relativement peu documentée et particulièrement variable dans l’espace et le temps. Ce travail présente l’état des connaissances sur le cycle du carbone aux interfaces côtières. Il porte une attention particulière sur la biogéochimie des sédiments et sur l’acidification de l’océan, avec un focus spécial sur la diagenèse précoce et le système des carbonates à l’interface eau-sédiment. Ces problématiques sont abordées sur 3 systèmes RiOMars (River-dominated Ocean Margins) avec des caractéristiques très contrastées :(i) dans l’océan Arctique avec le fleuve Mackenzie et la mer de Beaufort, (ii) en Méditerranée avec le Rhône et ses sédiments prodeltaïques, et (iii) le nord du golfe du Mexique sous l’influence du Mississippi. Sous l’interface eau-sédiment, la caractérisation des processus de minéralisation (oxique et anoxique) et leurs interactions avec le système des carbonates permettent de mieux comprendre les flux benthiques de carbone inorganique dissous (DIC) et d’alcalinité totale (TA). Sous l’effet de l’acidification des océans, la dissolution des carbonates sédimentaires pourrait bien augmenter dans les systèmes RiOMars. A l’interface eau-sédiment, les flux de DIC renforcent l’acidité des eaux de fond alors que les flux de TA tamponnent les eaux de fond. Ce travail est le fruit d’un travail d’équipe résultant du co-encadrement de 3 thèses et de plusieurs stages de M2. Nos résultats contribuent à mieux comprendre le rôle des zones côtières, en général, et des sédiments, en particulier, vis à vis du cycle du carbone à l’interface continent-océan

Distribution et remobilisation du plutonium dans les sédiments du prodelta du Rhône

The aim of the present study was to describe the distribution and remobilisation of plutonium (Pu) in the sediments off the Rhone river mouth. Most of the 238Pu and 239,240Pu isotopes introduced into the Rhone River were discharged by the liquid effluents released from the Marcoule reprocessing plant, located 120 km upstream the river mouth. Due to its high affinity for particles and its long half life, 238Pu is a promising tracer to follow the dispersion of particulate matter from the Rhone River to the Mediterranean Sea. During the 3 REMORA cruises, sediment samples were specifically collected in the Rhone prodelta area and more offshore on the whole continental shelf of the Gulf of Lions. The measurements of alpha emitters gave a first detailed spatial distribution of Pu isotope concentrations in surface sediments off the Rhone mouth. Using 137Cs concentrations and their correlations with Pu isotopes, we were able to give a first estimate of Pu inventories for the sediments of the study area. In 2001, plutonium inventories were estimated to 92 ± 7 GBq of 238Pu and 522 ± 44 GBq of 239,240Pu for an area of 500 km2 in front of the Rhone River mouth. Roughly, 50 % of these inventories are trapped in an area of 100 km2 corresponding to the extent of the Rhone prodelta zone. In spring 2002, an ADCP, with current velocity and wave measurements, was moored off the Rhone River mouth. This unique in situ dataset highlights the major role of South-East swells in the erosion of prodeltaic sediments and their dispersion to the South-Westward direction. Plutonium remobilisation was examined using a new experimental design based on sediment resuspension processes studied within a linear recirculating flume. For Gulf of Lions sediments and for a given hydrodynamic stress, remobilisation fluxes raised a maximum of 0.08 Bq.m-2.h-1 for 238Pu and 0.64 Bq.m-2.h-1 for 239,240Pu. A first plutonium budget determined for the study area indicates that at least 85 % of the Pu discharged over the 40 past years by the Marcoule reprocessing plant, are currently trapped in the sediments off the Rhone River mouth. Plutonium remobilisation is potentially an important process but dispersion of contaminated sediments appeared to be limited in space. These results suggest a low exportation of particulate matter introduced by the Rhone River towards the continental shelf of the Gulf of Lions and the North-Western Mediterranean basin.Ce travail pluridisciplinaire a pour objectif d'étudier la distribution et la remobilisation du plutonium (Pu) dans les sédiments situés face à l'embouchure du Rhône. Les isotopes 238Pu et 239,240Pu introduis dans le Rhône sont principalement issus des rejets d'effluents faiblement radioactifs effectués par l'usine de retraitement de Marcoule, située à 120 km de l'embouchure du Rhône. Etant données sa très forte affinité pour la phase particulaire et sa longue période radioactive, le 238Pu présente un intérêt particulier en tant que traceur anthropique du devenir des apports solides du Rhône en Méditerranée. Au cours de ce travail, les 3 campagnes REMORA ont permis d'échantillonner spécifiquement les sédiments du prodelta du Rhône et du plateau continental du golfe du Lion. Des mesures d'émetteurs alpha ont permis d'obtenir une première cartographie détaillée des concentrations des isotopes du Pu dans les sédiments situés face au Rhône. L'étude couplée du 137Cs et des isotopes du Pu a permis d'estimer pour la première fois les inventaires en plutonium de la zone étudiée. En 2001, les stocks sédimentaires de Pu sont estimés à 92 ± 7 GBq en 238Pu et 522 ± 44 GBq en 239,240Pu, pour une aire d'environ 500 km2. Le prodelta du Rhône joue un rôle essentiel dans la séquestration du plutonium puisqu'il piège à lui seul environ 50 % de ces stocks sur une aire de 100 km2. La remobilisation du plutonium a été appréhendée par des expériences originales de remise en suspension en canal à courant linéaire. Pour les sédiments du golfe du Lion et un stress hydrodynamique donné, les flux potentiels de remobilisation atteignent au maximum 0,08 Bq.m-2.h-1 en 238Pu et 0,64 Bq.m-2.h-1 en 239,240Pu. En parallèle, des mesures ADCP de courant et de houle ont été réalisées au printemps 2002 pour étudier in situ la dynamique sédimentaire du prodelta du Rhône. Ces mesures mettent en évidence le rôle prépondérant des houles de Sud-est dans l'érosion des sédiments prodeltaïques et dans leur exportation en direction du Sud-Ouest. Un premier bilan sur le devenir du plutonium indique qu'au minimum 85 % du plutonium rejetés par l'usine de Marcoule, au cours des quarante dernières années, sont actuellement piégés dans les sédiments situés face à l'embouchure du Rhône. Le remobilisation du plutonium est un phénomène potentiellement important mais la dispersion des sédiments contaminés serait relativement limitée dans l'espace. Ces résultats suggèrent alors une faible exportation du matériel particulaire originaire du Rhône vers l'ensemble du plateau continental du golfe du Lion et vers le bassin Nord méditerranéen

Le cycle du carbone aux interfaces côtières sous les effets du changement climatique

Coastal zones are particularly vulnerable to the multiple effects of climate change and anthropogenic pressures. Thermohaline stratification of surface waters, eutrophication, deoxygenation and acidification of bottom waters are at the origin of multiple stress factors. In this context, the carbon cycle is undergoing numerous disturbances, and the role of the coastal ocean as a carbon sink or source is still very uncertain. The sedimentary component of these shallow, heterogeneous environments is complex, relatively undocumented and particularly variable in space and time. This manuscript presents the state of knowledge on the carbon cycle at coastal interfaces. It pays a particular attention to sediment biogeochemistry and ocean acidification, with a special focus on early diagenesis and the carbonate system at the sediment-water interface. These issues are addressed on 3 main RiOMars (River-dominated Ocean Margins) systems with very contrasting characteristics: (i) in the Arctic Ocean with the Mackenzie River and the Beaufort Sea, (ii) in the Mediterranean with the Rhône River and its prodeltaic sediments, and (iii) in the northern Gulf of Mexico under the influence of the Mississippi River. Below the water-sediment interface, the characterization of mineralization processes (oxic and anoxic) and their interactions with the carbonate system provide a better understanding of benthic fluxes of dissolved inorganic carbon (DIC) and total alkalinity (TA). Under the influence of ocean acidification, dissolution of sedimentary carbonates may well increase in RiOMars systems. At the sediment-water interface, DIC fluxes enhance the acidity of bottom waters, while TA fluxes buffer bottom waters. This work is the fruit of teamwork resulting from the co-supervision of 3 PhD theses and several M2 internships. Our results contribute to a better understanding of the role of coastal zones, in general, and sediments, in particular, in the carbon cycle at the continent-ocean interface.Les zones côtières sont particulièrement vulnérables aux multiples effets du changement climatiques et aux pressions anthropiques. La stratification thermohaline des eaux de surface, l’eutrophisation, la désoxygénation et l’acidification des eaux de fond sont à l’origine de multiples facteurs de stress. Dans ce contexte, le cycle du carbone subit de nombreuses perturbations et le rôle de l’océan côtier en termes de puits ou de sources de carbone est toujours très incertain. La composante sédimentaire de ces milieux hétérogènes et peu profonds est à la fois complexe, relativement peu documentée et particulièrement variable dans l’espace et le temps. Ce travail présente l’état des connaissances sur le cycle du carbone aux interfaces côtières. Il porte une attention particulière sur la biogéochimie des sédiments et sur l’acidification de l’océan, avec un focus spécial sur la diagenèse précoce et le système des carbonates à l’interface eau-sédiment. Ces problématiques sont abordées sur 3 systèmes RiOMars (River-dominated Ocean Margins) avec des caractéristiques très contrastées :(i) dans l’océan Arctique avec le fleuve Mackenzie et la mer de Beaufort, (ii) en Méditerranée avec le Rhône et ses sédiments prodeltaïques, et (iii) le nord du golfe du Mexique sous l’influence du Mississippi. Sous l’interface eau-sédiment, la caractérisation des processus de minéralisation (oxique et anoxique) et leurs interactions avec le système des carbonates permettent de mieux comprendre les flux benthiques de carbone inorganique dissous (DIC) et d’alcalinité totale (TA). Sous l’effet de l’acidification des océans, la dissolution des carbonates sédimentaires pourrait bien augmenter dans les systèmes RiOMars. A l’interface eau-sédiment, les flux de DIC renforcent l’acidité des eaux de fond alors que les flux de TA tamponnent les eaux de fond. Ce travail est le fruit d’un travail d’équipe résultant du co-encadrement de 3 thèses et de plusieurs stages de M2. Nos résultats contribuent à mieux comprendre le rôle des zones côtières, en général, et des sédiments, en particulier, vis à vis du cycle du carbone à l’interface continent-océan

Preface to Bjørn Sundby’s Special Issue of Aquatic Geochemistry

International audienc

Distribution et remobilisation du plutonium dans les sédiments du prodelta du Rhône (Méditerranée nord-occidentale)

AIX-MARSEILLE2-BU Sci.Luminy (130552106) / SudocSudocFranceF

Variabilité des flux benthique d'oxygène pendant la transition hiver-printemps dans les sédiments côtiers : estimation par micro-électrodes in situ et par mini-électrodes au laboratoire

International audienceTwo expeditions were achieved at the winter-spring transition in the Golfe de Fos (Mediterranean Sea) at a site situated at 21 m depth. An in situ autonomous oxygen profiler and laboratory oxygen mini-electrodes were used to measure the oxygen distribution in the sediments and calculate the diffusive oxygen fluxes. Clearer waters during the second expedition promoted a rapid shift from a net heterotrophic environment to a photosynthesis-dominated sediment. The diffusive exchange fluxes of oxygen through the sediment-water interface varied from an average consumption of 5.3 mmol m-2 d-1 (February) to a net production of 12 mmol m-2 d-1 (March). At both periods, a large spatial heterogeneity was recorded by the different electrodes, with a larger difference between oxygen profiles when photosynthesis was active. This is probably indicative of a coupling between photosynthesis and respiration in hot spots located close to the photosynthetic organisms. The comparison between in situ micro-electrode profiles and laboratory mini-electrode measurements revealed a good agreement when respiration was dominant, but photosynthetic activity was not detected by the laboratory mini-electrode profiles.Deux campagnes ont été effectuées lors de la transition entre l'hiver et le printemps dans le golfe de Fos (mer Méditerranée) à un site situé à 21 mètres de profondeur. Un profileur benthique autonome et des mini-electrodes de laboratoire ont été utilisés pour mesurer la distribution d'oxygène dans les sédiments et calculer les flux diffusifs d'oxygène. Lors de la seconde campagne, la présence d'eau moins turbide a entraîné un changement rapide passant d'un environnement dominé par l'hétérotrophie à un environnement où la photosynthèse est le processus le plus actif. Les flux d'échanges d'oxygène à l'interface eau-sédiment varient d'une consommation nette de 5.3 mmol m-2 d-1 (février) à une production nette de 12 mmol m-2 d-1 (mars). A chaque période, une grande hétérogénéité spatiale est enregistrée par les différentes électrodes; des différences plus importantes sont notées quand la photosynthèse est active. Ceci indique probablement un couplage entre photosynthèse et respiration dans des « points chauds » situés à proximité des organismes photosynthétiques. La comparaison entre les mesures effectuées par micro-électrodes in situ et par mini-électrodes de laboratoire montrent un bon accord dans des conditions où la respiration est dominante, mais la photosynthèse n'est pas detectée sur les profils des mini-électrodes de laboratoire