Dans l’histoire de la planète, une observation d’il y a plus d’un siècle a mis en lumière des proportions mystérieusement figées entre les différents éléments de l’eau de mer. Des travaux récemment publiés par une équipe internationale impliquant des chercheurs de l’IRD (MARBEC, LEGOS) viennent contredire cette théorie admise jusqu’à présent par la communauté scientifique.

Dans l’eau de mer, des éléments tels que le carbone, l’azote et le phosphore - en relation avec l’oxygène dissous et les nutriments - sont à la base de toute la chaîne alimentaire marine. D’autres, comme le calcium, le magnésium et le strontium reflètent la dynamique des échanges continent-océan-atmosphère et sont des outils précieux en paléo-océanographie ou pour la modélisation des climats du passé.

Importance des éléments Ca, Mg et Sr dans le paysage marin et littoral

© Mario Lebrato

Un dogme vieux de 155 ans remis en question

Sur les 94 éléments chimiques naturels recensés dans le fameux tableau de Mendeleïev, une grande partie entre dans la composition de l’eau de mer fut-ce à l’état de traces. Cette solution est composée à 96,5% d'eau pure et à 3,5% de substances dissoutes (sels, gaz). Si le Chlore et le Sodium sont les composants les plus fréquents, océanographes et climatologues s’appuient sur la mesure d’autres éléments pour estimer les températures passées de l’océan bien évidemment inaccessibles. Il s’agit en particulier des rapports entre la quantité de matière en Calcium (Ca), Magnésium (Mg) et Strontium (Sr) sous la forme Mg/Ca et Sr/Ca (avec comme unité la mole?Une mole est une unité classique de comptage, correspondant à la quantité de matière contenant un nombre immense d’entités élémentaires (atomes, ions, molécules), exactement 6,022 140 76 × 1023, soit environ six cent mille milliards de milliards d’unités.). En 1865, un géologue danois trouve que ces rapports dits molaires sont les mêmes quelle que soit la zone de l’océan global considérée. C’est le Principe de Forchhammer, du nom de son inventeur. Autrement dit, si la concentration totale des sels dissous varie en fonction du lieu, la proportion des composants les plus importants resterait à peu près constante. Avec comme corollaire la certitude que les eaux des différents océans se seraient mélangées très rapidement (par rapport aux périodes de temps géologiques qui se comptent en milliers d’années), avec des flux d’entrée et de sortie en équilibre. Il aura fallu la collaboration de chercheurs de plus de dix pays pour mettre à bas ce dogme. Ceux-ci ont collecté et analysé, lors de 79 expéditions océanographiques, plus de 1000 échantillons d’eau provenant de 14 écosystèmes marins allant de la surface à 6000 mètres de profondeur.

Cartes illustrant la variabilité dans l’océan moderne des rapports Mg:Ca (a) et Sr:Ca(b) dans l’eau de mer, sur les 250 m en surface sur une résolution horizontale de 5°x5° Latitude / Longitude. Données accessibles à http://accession.nodc.noaa.gov/0171017

© NOAA

Des valeurs chimiques variables selon les régions océaniques

Les rapports molaires Mg/Ca et Sr/Ca dissous dans l’eau de mer sont «  enregistrés » sous forme particulaire dans les squelettes riches en carbonates de calcium d'organismes marins fossiles et actuels tels que les foraminifères?Organismes unicellulaires microscopiques protégés par une coquille appelée test et composée de calcite. Les variations de la composition des assemblages de Foraminifères sont de plus en plus utilisées pour les reconstructions paléocéanographiques., les mollusques ou les coraux. Leur étude permet de comprendre les fluctuations de température de l'eau de mer et d'autres conditions environnementales du passé. L’analyse à grande échelle dont les résultats sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) a donc mis à l’épreuve l’hypothèse selon laquelle les rapports Mg/Ca et Sr/Ca seraient relativement constants selon la province océanique, l’écosystème, la profondeur, la latitude et les conditions chimiques (pH, salinité, oxygène dissous). « Les résultats réfutent l’hypothèse de départ, montrant au contraire une large variabilité dans les régions polaires, en zone d’upwelling en océan ouvert, sur les plateformes continentales et dans les zones influencées par les rivières, avec des rapports Mg/Ca et Sr/Ca respectivement de ~4,40 à 6,40 millièmes et ~6,95 à 9,80 millièmes » affirme Mario Lebrato, auteur principal de la publication. Comparées aux données historiques, ces données suggèrent une variabilité régionale importante, similaire aux changements reconstruits à partir d’échantillons fossiles durant les 20 dernières millions d’années du Néogène?Période géologique s’étendant de – 23,03 millions d’années (fin du Paléogène) à – 2,58 Ma (début du Quaternaire).

Rapports molaires Mg:Ca et Sr:Ca en fonction de la profondeur reportée dans cette étude en rouge et comparée aux données historiques en noir.

© Mario Lebrato, Geosciences Department, Kiel University, Allemagne

Incorporer la variabilité dans les modélisations

Du fait des liens étroits entre les flux élémentaires de Ca, Mg et Sr, des échanges entre compartiments abiotiques et biotiques?Biotique = vivant ; abiotique = non-vivant et des variations d’alcalinité?Capacité de l’eau à résister à des changements de pH qui la rendrait plus acide., la représentation de la chimie de l’eau de mer passée, issue d’archives fossiles comme les organismes calcifiants, pourrait donc être largement biaisée. « Par exemple, chez les coccolithophores?Algues unicellulaires habitant les couches de surface de la mer. Elles sont caractérisées par des écailles microscopiques (coccolithes) qui les recouvrent. L'accumulation de leur squelette fossilisé est le composant majoritaire de la craie., un changement du rapport Mg/Ca de l'eau de mer de 5,10 à 5,90 millièmes produit un changement de la calcite Mg/Ca de 0.05 à 0.25 millièmes qui peut altérer les reconstitutions de la température passée basées sur ces organismes » rapporte Juan-Carlos Molinero, co-auteur de l’étude et chercheur à MARBEC. De même, des variations Sr/Ca dans l'eau de mer de 4 à 10 millièmes augmentent la Sr/Ca dans la calcite de 1.3 à 3.5 millièmes, ce qui remet en question les reconstructions de paléo-productivité marine, car la variabilité moderne dépasse celle reconstruite. De plus, dans certains écosystèmes tels que les récifs coralliens ou chez les communautés planctoniques calcifiantes, les organismes peuvent à leur tour influencer ces paramètres chimiques via des processus biochimiques comme la calcification, le type de carbonate produit (calcite ou aragonite) ou la dissolution de ces carbonates. « Les interprétations modernes des conditions passées sont donc confrontées au défi d’incorporer aussi bien la variabilité environnementale que celle des organismes afin d’éviter les biais » confie Aurélien Paulmier, chercheur au LEGOS. Certaines incohérences - telles que les variations spatiales de Mg, Ca et Sr aux longs temps de résidence dans l’océan (entre ~1 et ~13 millions d’années) au regard des notions actuelles de transport et mélange - pourraient alors être réduites ou « réconciliées » en considérant les variations régionales induites non seulement par les processus abiotiques mais également écosystémiques, notamment liés aux différences d’espèce et à leurs habitats. Enfin, cette étude pose la question des bilans de Ca, Mg et Sr au cours de l’histoire géologique de la planète et de leurs effets environnementaux négligés jusqu’alors et donc à revisiter. La prise en compte des mécanismes réellement impliqués améliorera non seulement la représentation de la chimie de l’eau de mer passée mais apportera également un éclairage sur la dynamique actuelle des processus biogéochimiques.

Prélèvements eau de mer et organismes marins calcifiants

Publication : Lebrato, M., Garbe-Schönberg, D., Müller, M.N., Blanco-Ameijeiras, S., Feely, R.A., Lorenzoni, L., Molinero, J.C., Bremer,K, Jones, D.O.B, Iglesias-Rodriguez, M.D., Greeley, D., Lamare, M.D. Paulmier, A., Graco, M., Cartes, J.E., Barcelos e Ramos, J., de Lara, A., Sanchez-Leal, R., Jimenez, P., Paparazzo, F.E., Hartman, S.E., Westernströer, U., Küter, M., Benavides, R., da Silva, A.F., Bell, S., Payne, C., Olafsdottir, S., Robinson, K.L., Jantunen, L.M., Korablev, A., Webster, R.J., Jones, E., Gilg, O., Bailly du Bois, P., Bełdowski, J., Ashjian, C., Daly-Yahia,N., Twining, B.S., Chen, X.G., Tseng, L.C., Hwang, J.S., Dahms, H.U., Oschlies, A. 2020.  Global variability in seawater Mg:Ca and Sr:Ca ratios in the modern ocean. PNAS 2019-18943RR. doi:10.1073/pnas.1918943117

Aller plus loin :

A Guide to 1,000 Foraminifera
Chimie de l’eau de mer

Contacts science : Juan-Carlos Molinero, IRD, UMR MARBEC juan-carlos.molinero@ird.fr 
Aurélien Paulmier, IRD, UMR LEGOS Aurelien.Paulmier@legos.obs-mip.fr
 

Contacts communication : Fabienne Doumenge, Julie Sansoulet communication.occitanie@ird.fr