OCÉANOGRAPHIE CHIMIQUE

OCÉANOGRAPHIE CHIMIQUE

Le grand développement de l’océanographie chimique au cours des années soixante-dix est dû principalement à notre meilleure compréhension de la circulation générale des masses d’eaux dans l’océan profond (océanographie physique) et à l’utilisation des isotopes radioactifs naturels ou artificiels (tels qu’ils ont été introduits dans l’océan par la retombée des explosions nucléaires dans l’atmosphère). La circulation permet notamment de comprendre l’accumulation préférentielle des éléments nutritifs sous forme dissoute dans l’océan Pacifique par rapport à l’océan Atlantique. La mesure des isotopes permet de suivre dans le temps et dans l’espace leur devenir et celui des éléments qui leur sont apparentés du point de vue chimique.

L’océanographie chimique tente actuellement de répondre à deux questions importantes. D’une part, quelles sont les ressources nutritives et minérales de l’océan et à quel taux ces ressources se renouvellent-elles? D’autre part, comment l’activité humaine interagit-elle avec le milieu océanique et quels risques faisons-nous courir à l’océan par les perturbations engendrées par cette activité? Les rejets des activités humaines dans les fleuves ou dans l’atmosphère aboutissent nécessairement à la mer où ils perturbent, soit par inhibition, soit par exacerbation des réactions chimiques, le milieu marin.

L’océanographie chimique actuelle ne se contente donc plus de faire l’inventaire des concentrations en éléments ou des réactions spécifiques en milieu marin, mais elle tente de décrire l’océan comme un système et de comprendre son évolution à long terme. On étudie les cycles naturels des éléments dans l’océan ainsi que les perturbations tant d’origine naturelle qu’anthropogénique et leurs conséquences sur la biomasse (c’est-à-dire l’ensemble de ce qui est vivant dans l’océan). La compréhension de ces cycles demande la connaissance des flux de matière et celle des réactions chimiques aux interfaces-frontières de l’océan: continent-océan, océan-atmosphère et océan-sédiment, ainsi que l’identification des processus ayant lieu à ces interfaces.

Interface continent-océan

L’interface continent-océan correspond aux régions estuariennes et péricontinentales. L’essentiel des apports à l’océan, naturels ou introduits par l’homme, transite par cette région. C’est une zone critique en raison de ses ressources nutritives et il faut préciser comment l’addition de contaminants modifie l’équilibre et la composition du milieu océanique (cf. ACCUMULATIONS MARINES, EMBOUCHURES). L’estuaire est une zone de fort gradient chimique; c’est en effet là que l’eau de mer se mélange avec l’eau du fleuve dont la concentration en sel (et souvent le pH) est beaucoup plus faible. Cependant, certains éléments comme les métaux de transition et les éléments nutritifs (azote, phosphore, silicium) sont en général plus abondants dans le fleuve que dans l’océan; ces éléments nutritifs favorisent, dans l’estuaire lui-même ou à son embouchure, la production de matière organique qui n’est pas toujours complètement assimilée par les organismes vivants. L’altération de cette matière organique représente une source importante d’énergie chimique qui, conjuguée aux énergies mécaniques (houle et marée) et thermiques induites par les petits fonds, engendrera un grand nombre de réactions physico-chimiques. Ces réactions, qui affectent la concentration et la forme spécifique des oligo-éléments lors de leur introduction dans l’océan, font intervenir des phénomènes d’absorption et de désorption (c’est-à-dire de rétention ou de libération de molécules à la surface des solides), de coagulation et de précipitation. Ces phénomènes sont exacerbés par l’action de la biomasse du fait de l’assimilation biologique et de la formation de détritus. Il est fréquent que la silice précipite, ainsi que de nombreux métaux en trace. À partir d’une connaissance approfondie de ces réactions et de leur évolution spatio-temporelle, il sera possible de prédire le bilan des apports nets à l’océan ainsi que la nature physico-chimique de ces apports.

Les zones précontinentales où s’accumulent de grandes quantités de matière en provenance des estuaires jouent un rôle de tampon entre le fleuve et l’océan, en n’autorisant que des mélanges progressifs entre les deux milieux ^{[cf. ACCUMULATIONS MARINES]}. Il convient de préciser dans quelle mesure l’activité humaine perturbe ce milieu, en particulier les sédiments dont le potentiel oxydoréducteur peut être modifié du fait de l’eutrophisation. Ce phénomène a déjà été mis en évidence pour les régions côtières.

Les phénomènes de précipitation dans l’estuaire et les zones péricontinentales sont, à longue échéance, instables, et les polluants peuvent être entraînés vers les grands fonds par les phénomènes naturels physiques (marées, courants, etc.) [cf. ABRASION MARINE, ÉROSION MARINE] et chimiques (réduction, entraînement des éléments en phase dissoute) [cf. GÉOCHIMIE]. L’ensemble de ce système, constitué d’actions et de réactions, est présenté sur la figure 1.

L’interface océan-atmosphère

Les dimensions de l’interface océan-atmosphère varient selon les phénomènes qu’on désire observer: la vie est essentiellement concentrée dans les premières dizaines de mètres de la surface où pénètre la lumière (cf. vie PÉLAGIQUE). Du point de vue chimique, on peut considérer cette zone comme une «boîte noire» où s’effectuent des recyclages continuels de matière, et observer ce qui s’échappe de cette boîte, soit vers l’atmosphère soit vers le sédiment. À la surface de la mer, des films de matière organique se forment toujours, dont l’épaisseur est souvent inférieure au millième de millimètre. Ils ont probablement pour origine les sécrétions biologiques. Cette microcouche joue un rôle essentiel dans la cinétique des échanges de matière solide, liquide ou gazeuse, entre l’océan et l’atmosphère. Ses propriétés peuvent être directement affectées par les rejets en mer d’hydrocarbures pétroliers; il n’est cependant pas encore possible de prédire avec certitude les effets d’une telle pollution, les processus de formation de la microcouche elle-même étant encore mal connus (fig. 2).

Il est reconnu depuis peu que les apports à l’océan ouvert en provenance de l’atmosphère sont, dans de nombreux cas, aussi importants que ceux provenant des fleuves. Là encore, il s’agit d’un aspect critique des mécanismes de pollution des océans. Cette interface est caractérisée à la fois par des apports et par des départs de matière (plus d’un milliard de tonnes de matière sont échangées chaque année entre l’océan et l’atmosphère).

Un des problèmes majeurs qui concerne notre environnement est celui des cycles atmosphériques de certains constituants en trace tels que le gaz carbonique, les composés soufrés, les oxydes d’azote, le méthane, les hydrocarbures halogénés..., qui pourraient affecter l’évolution du climat. Ces cycles sont en partie gouvernés par des échanges à l’interface air-mer, mais on ne connaît pas avec certitude l’intensité ni parfois même la direction des flux.

La plupart des métaux lourds sont fortement accumulés dans la microcouche superficielle de l’océan. Pour ces éléments, l’existence d’un reflux de l’océan vers l’atmosphère, associé à l’émission des particules de sel, puis d’un recyclage très rapide vers l’océan, pose le problème de l’évaluation précise de l’apport net à l’océan en provenance des continents via l’atmosphère. Cette évaluation est nécessaire si l’on veut prédire l’incidence de cet apport et de sa composante anthropogénique sur la chimie des eaux marines, incidence dont l’effet est déjà perceptible pour le plomb à l’échelle globale.

Il est certain que la connaissance des échanges de matière à l’interface air-mer passe par une étude approfondie des réactions chimiques qui ont lieu dans la microcouche superficielle. Ces réactions sont essentiellement de deux types: réactions photochimiques et réactions pilotées par la matière organique vivante ou inerte.

Interface océan-sédiment

L’interface océan-sédiment se trouve, comme l’interface continent-océan, dans une zone extrêmement critique au point de vue de l’existence de gradients conduisant à des échanges intenses entre le milieu solide et le milieu liquide. Se surajoutent à ces échanges les apports volcaniques et hydrothermaux, dont il convient de mieux comprendre les mécanismes et l’intensité pour mieux évaluer les ressources minérales océaniques. Enfin, dans une perspective de dépôt des déchets industriels sur le fond, il importe de bien connaître la géochimie et l’écologie de cet environnement. En terme de budget, cette interface n’est pas seulement caractérisée par des apports de matière, mais aussi par des départs (bio-utilisation, remise en solution de certains éléments, etc.).

L’interface océan-sédiment désigne surtout la couche superficielle du sédiment, soit environ une dizaine de centimètres, lieu de transformations essentielles de la matière organique. Contrairement à ce qu’on pensait au début des années soixante-dix, cette couche superficielle du sédiment est le siège d’une vie intense, même par plus de 4 000 mètres de fond. La matière vivante représente la source la plus importante d’énergie et il est maintenant établi que son influence sur le bilan des échanges océan-sédiment est prépondérante pour de nombreux constituants. Cependant, là encore, l’intensité et la direction des flux ne sont pas connues avec certitude. Il est de plus en plus certain qu’un phénomène tel que la bioturbation (remaniement continuel des premiers centimètres de sédiment par les organismes vivants) intensifie les échanges entre l’eau interstitielle et l’eau susjacente par rapport à ceux résultant simplement de phénomènes diffusifs. On commence à étudier à l’échelle de la fraction de millimètre les phénomènes de cette interface, notamment la distribution des bactéries qui y sont extrêmement concentrées.

Les échelles de temps des phénomènes qui se déroulent à cette interface sont beaucoup plus courtes que celles qui intéressent la géologie sédimentaire. L’étude approfondie de la chimie de cette interface doit permettre de comprendre comment se forme le sédiment et les phénomènes de diagenèse, d’évaluer le bilan des flux et reflux de matière et, par là même, de mieux comprendre l’équilibre chimique de l’océan, de comprendre les mécanismes d’accumulation de métaux dans les nodules polymétalliques, de prédire le devenir des polluants déposés dans les grands fonds.

La chimie de cette interface peut être décrite par un système complexe d’interactions entre matière solide, matière dissoute et matière vivante (fig. 3).

La matière en suspension dans l’océan

Quel que soit le mode d’apport à l’océan (sous forme soluble ou particulaire), les départs de matière du compartiment de surface de l’océan vers le sédiment se font en majorité sous forme particulaire. On distingue un flux advectif de petites particules, entraînées par les masses d’eaux et qui sédimentent en cinquante à cent ans, et un flux quasi vertical de grosses particules (0,05 à 0,5 mm de diamètre) qui sédimentent en quelques jours. Le flux vers le sédiment des grosses particules organiques produites dans les eaux de surface constitue la source majeure de nourriture pour la faune benthique. Les particules en suspension sont très probablement l’agent de transport prépondérant des polluants organiques, tels que les P.C.B. (polychlorobiphényls), ou métalliques, tels que le plomb ainsi que le plutonium, depuis les zones d’apport, les estuaires et l’atmosphère, jusqu’au fond de l’océan. C’est ce qui explique la contamination rapide des grands fonds en ces éléments.

Enfin, dans l’océan, une partie du cycle des éléments en trace apparaît aussi étroitement gouvernée par la mise en solution des particules en suspension (cycle du calcium et de la silice). Cependant, on assiste, pour certains types de particules, à une inhibition de leur dissolution encore mal expliquée. Ce phénomène semble lié à la présence de revêtements organiques sur les particules minérales en suspension. Il semble également que ces revêtements organiques jouent un rôle prépondérant dans les mécanismes d’échange (adsorption-désorption) des éléments en trace tels que les métaux lourds, entre la matière particulaire en suspension et l’eau de mer.

L’océanographie chimique actuelle subit l’influence de deux tendances, d’ailleurs complémentaires, l’interdisciplinarité et l’analyse de système. L’utilisation conjointe des techniques, des connaissances, et surtout des différents modes d’approche intellectuelle propres à la physique, la chimie, la biologie, la géologie, permet de dépasser la description des phénomènes pour en étudier les effets, les modalités et les causes, de calculer les bilans de masse ou d’énergie et, finalement, d’établir des modèles grâce auxquels la prévision à court et à long terme devient possible.

Encyclopédie Universelle. 2012.