Calcium dynamics in a silicate watershed under semi-arid conditions: Insights from pedogenic carbonate nodules (Far North Cameroon)

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ID Serval
serval:BIB_13FEDD19ABED
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Calcium dynamics in a silicate watershed under semi-arid conditions: Insights from pedogenic carbonate nodules (Far North Cameroon)
Auteur(s)
Dietrich Fabienne
Directeur(s)
Verrecchia Eric
Codirecteur(s)
Deschamps Pierre
Détails de l'institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2017
Langue
anglais
Résumé
Ca is closely related to the long-term carbon (C) cycle through global silicate weathering, and both elements are ultimately sequestrated in the océan. However, Ca and C are not systematically directly transferred into the océan and can be transiently stored on continents as pedogenic carbonate. In Far North Cameroon, significant accumulations of pedogenic carbonate nodules, associated with Vertisol relies and inherited from the African Humid Period (AHP, from 14.8 to 5.5 ka BP), have been observed in a silicate watershed. Their occurrence was unexpected as these carbonate nodules represented large amounts of Ca within Ca-poor silicate settings. Therefore, this study aimed at improving our understanding of the origin of pedogenic carbonate nodules and at better defining their rôle within the coupled Ca and C biogeochemical cycles. The problem was tackled by providing new dues upon i) the Ca sources of the carbonate nodules, ii) the processes involved in the transfer of Ca from sources to carbonate nodules, iii) and by testing the U-Th dating method on carbonate nodules in such a geosystem.
Sr isotopes have demonstrated that the Ca sources of the carbonate nodules are the plagio- clases from the local bedrock and the Saharan dust, with a small contribution of the biotite. The proportions of Ca found in the carbonate nodules and originating from the Saharan dust never exceed 50% and are a function of dust abundance in the soil parental material. We concluded that Ca is mainly supplied by in situ weathering of the local bedrock, whereas many studies dealing with the Ca origin of secondary carbonates report a dominance of atmospheric inputs. The only two studies having reported a dominance of an in situ weathering in Ca origin are concerning carbonate nodules associated with Vertisols, as it is the case in Far North Cameroon. Therefore, it is suggested that the nature of the Ca sources (i.e. in situ weathering and atmospheric inputs) could be function of the type of pedogenesis and edaphic conditions. By using the geochemical compositions of the différent sedimentary deposits composing the landscape and the carbonate nodules, as well as by crossing these results with the paleoenvi- ronmental évolution of the landscape proposed by a concomitant thesis, it was possible to highlight three main processes involved in the Ca transfer from local sources to carbonate nodules: 1) hydrolysis of the plagioclases and Saharan dust within the soil parent material; 2) release of Ca in the soil solution; due to the specific edaphic conditions of Vertisols, as well as to the wetter climate during the AHP, Ca was mainly stored in the végétation, in soil organic matter, and associated to 2:1 clays; 3) finally the précipitation of carbonate nodules resulted from an onset of drier conditions. Changes in mass calculations between carbonate nodules and soil parent material demonstrated that four volumes of parent material are needed to produce the amount of carbonate nodules trapped in one volume ofthe present-day Vertisol relies. Consequently, Ca was strongly accumulated in carbonate nodules and was therefore not transferred into rivers. As quantification of C02 consumption by silicate weathering is based on river geochemistry, carbonate nodules can have a potential impact on this quan¬tification, and therefore on the C cycle assessment. Moreover, carbonate nodules are not limited to Far North Cameroon and have been reported ail along the Sudano-Sahelian belt on soil maps. Their occurrence has also been noted in numerous locations around the World, such as India, Texas (USA), or Russia. The attempt to date carbonate nodules of Far North Cameroon using the U-Th method, by means of density séparation to isolate calcite, has not been fully successful, due to the high and multiple detrital contents ofthe carbonate nodules. Therefore, the U-Th dating method is not trivial in such peculiar settings and not ready yet to be used as a routine. One of the main outeomes of this PhD thesis is that carbonate nodules can act as a transient and Iong-term Ca trapping compartment. This results from the peculiar edaphic conditions provided by Vertisols and changes in climatic conditions, building this way a "geochemical cascade".
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Lors de l'altération des silicates, le calcium (Ca) interagit fortement avec le cycle du carbone (C) sur le long terme. Cela est dû à la séquestration de ces deux éléments dans les océans. Pourtant, Ca et C ne sont pas systématiquement et directement transférés dans les océans et peuvent être piégés sur les continents au sein des carbonates pédogéniques. Dans l'extrême nord du Cameroun, des accumulations significatives de nodules carbonatés pédogéniques, associés à des reliques de Vertisols et hérités de la fin de la période humide africaine (de 5.5 à 14.8 ka BP), ont été observés dans des bassins versants silicates. Leur présence est inattendue car ces nodules carbonatés représentent des quantités importantes de Ca au sein d'un contexte silicate pauvre en Ca. Cette thèse a donc pour but de contribuer à notre compréhension de l'origine des nodules carbonatés pédogéniques et de mieux définir leur rôle au sein des cycles couplés du Ca et du C, et ce, en amenant des éléments nouveaux relatifs, i) aux sources de Ca des nodules carbonatés, ii) aux processus impliqués dans le transfert de Ca des sources aux nodules carbonatés, et iii) sur la méthode de datation U-Th appliquée aux nodules carbonatés dans ce contexte si particulier.
Les isotopes du strontium démontrent que les sources de Ca des nodules carbonatés sont les plagioclases issus du substratum rocheux local ainsi que les poussières sahariennes, avec une faible contribution des biotites. La proportion de Ca fournie aux nodules carbonatés par les poussières sahariennes n'excède jamais 50% et est fonction de leur abondance dans le matériel parent. Nous pouvons conclure que le Ca est principalement originaire de l'altération in situ du substratum rocheux local, alors que d'autres études, traitant de sources de Ca dans les carbonates secondaires, ont rapporté une dominance des apports atmosphériques. Il est remarquable de noter que les deux seules études ayant reporté la dominance de l'altération in situ comme étant à la source du Ca, concernent des nodules carbonatés associés à des Vertisols, comme c'est également le cas à l'extrême nord du Cameroun. Ainsi, cette thèse propose que la nature des sources de Ca (i.e. altération in situ et apports atmosphériques) est fonction du type de pédogenèse et des conditions édaphiques. De plus, le fait que la source de Ca soit principalement le substratum rocheux local suggère qu'une part importante du Ca est transférée des sources vers les nodules carbonatés. En utilisant les compositions géochimiques des différents dépôts constituant le paysage et celles des nodules carbonatés, et en couplant ces résultats avec l'évolution du paléoenvironnement proposée par une thèse effectuée en parallèle à celle-ci, il est possible de mettre en lumière trois processus principaux impliqués dans le transfert du Ca des sources locales vers les nodules carbonatés : 1) l'hydrolyse des plagioclases et l'altération des poussières sahariennes au sein du matériel parent, 2) la libération du Ca dans la solution du sol; du fait des conditions édaphiques particulières qui caractérisent les Vertisols et des conditions climatiques plus humides présentes à cette période, le Ca fut stocké dans la végétation, la matière organique du sol, et sur les argiles de type 2 :1 ; 3) enfin, la précipitation des nodules carbonatés a résulté de l'arrivée de conditions climatiques plus sèches. Ce dernier processus aboutit à un piégeage du Ca au sein des nodules carbonatés. Les calculs de changements de masse entre les nodules carbonatés et leur matériel parent démontrent que quatre volumes de matériel parental sont nécessaires pour produire la quantité de nodules carbonatés contenu dans un volume de reliques de Vertisols présents actuellement dans le paysage. En conséquence, le Ca est fortement accumulé au sein des nodules carbonatés et n'est de ce fait que faiblement transféré vers les rivières. Etant donné que la quantification du C02 consommé par l'altération des silicates est fondée sur la composition géochimique des rivières, les nodules carbonatés peuvent avoir un impact potentiel sur cette quantification, et de ce fait, sur celle cycle du C. De plus, les nodules carbonatés ne sont pas limités à l'extrême nord du Cameroun, ils ont été observés tout le long de la ceinture soudano-sahélienne sur les cartes pédologiques. Leur présence a également été notée dans de nombreux endroits sur Terre, tels qu'en Inde, au Texas, ou en Russie. Comme les nodules carbonatés semblent constituer un point clé du cycle couplé Ca-C, il apparaît important de pouvoir les dater. Ainsi, une tentative de datation U-Th des nodules carbonatés de l'extrême nord du Cameroun, utilisant les liqueurs denses pour isoler la calcite, a été effectuée, mais elle ne s'est pas avérée concluante, due au contenu détritique important et ayant en plus des origines multiples. De ce fait, la méthode de datation U-Th ne semble pas triviale dans ce contexte particulier et n'est pas prête à être appliquée en routine.
En conclusion, l'un des principaux apports de cette thèse est que les nodules carbonatés agissent comme un compartiment transitoire piégeant le Ca à l'échelle géologique. Cette propriété résulte des conditions édaphiques particulières fournies par les Vertisols et des variations climatiques Holocène se produisant à l'extrême nord du Cameroun, construisant ainsi une véritable « cascade géochimique ».
Création de la notice
08/12/2017 16:22
Dernière modification de la notice
20/08/2019 13:42
Données d'usage