19 Jan Les eaux cachées qui façonnent l’océan et le climat

Un chercheur de l’Institut Weizmann découvre l’impact jusqu’alors inconnu des aquifères côtiers sur la chimie des océans.

Nous sommes allés au fond de l’océan pour étudier comment sa chimie façonne le climat de notre planète, allant même jusqu’à poursuivre des volcans sous-marins crachant de la lave pour y parvenir. Mais il s’avère que nous avons peut-être négligé quelque chose de beaucoup plus proche de chez nous : l’eau présente sous nos pieds. Dans une étude récemment publiée dans Nature Communications, le Dr Yael Kiro, géochimiste au département des Sciences de la Terre et des Planètes de l’Institut Weizmann des Sciences, présente de nouvelles perspectives surprenantes sur les échanges d’eau et de substances chimiques entre l’océan et les aquifères côtiers, ces réservoirs d’eau souterraine situés sous les régions côtières. Ses recherches montrent que ces flux d’eau cachés peuvent avoir un effet puissant sur la chimie de l’océan, rivalisant avec l’impact des rivières et des cheminées volcaniques en eaux profondes.

Dr.  Yael Kiro

« Pendant des années, je me suis demandé si la quantité de produits chimiques circulant entre les aquifères côtiers et l’océan avait été mesurée », explique  le Dr. Kiro. « Je pensais que quelqu’un l’avait déjà fait, mais je n’ai trouvé aucune étude abordant ce sujet en détail. Il m’a fallu des années pour trouver le courage de me pencher moi-même sur la question. »

Son intérêt pour les aquifères a commencé dans le bassin salé et brûlé par le soleil de la mer Morte. En tant que doctorante en hydrologie, le Dr. Kiro avait étudié les dolines de la région, un phénomène spectaculaire causé par la dissolution des couches de sel sous la surface du sol par les eaux souterraines. Contrairement aux hypothèses courantes, l’aquifère local contenait non seulement de l’eau douce, mais aussi de l’eau salée riche en minéraux, ce qui laissait supposer qu’il pouvait déclencher des processus chimiques sous la surface. Kiro a réalisé que les découvertes faites dans la mer Morte pourraient éclairer les processus se déroulant dans les aquifères du monde entier, même si cela nécessitait une approche totalement différente. « C’est à ce moment-là que j’ai commencé à réfléchir : je veux étudier cela un jour dans les océans », dit-elle.

Climat, chimie et carbone

La chimie des océans est essentielle à notre compréhension du climat. En effet, les océans absorbent d’énormes quantités de dioxyde de carbone de l’atmosphère, contribuant ainsi à réguler les températures mondiales. Mais la quantité qu’ils peuvent absorber et la vitesse à laquelle ils le font dépendent du contenu de leur eau en diverses substances chimiques.

« Lorsque nous essayons de comprendre comment les océans réagissent à l’augmentation des niveaux de CO₂ liée au changement climatique, nous devons déterminer ce qui contrôle leur équilibre chimique », explique le Dr. Kiro.

Illustration montrant divers processus et sources ayant une incidence sur la chimie des océans : rivières (1), dorsales océaniques et volcans (2), réactions chimiques sous le fond marin (3), réactions chimiques dans la boue du fond marin (4), roches carbonatées (5) et circulation de l’eau de mer dans les aquifères côtiers (6).

Jusqu’à présent, les scientifiques se sont principalement intéressés aux fleuves comme source majeure de substances chimiques se déversant dans l’océan. Une autre source bien étudiée se trouve au fond de la mer : des flux d’eau extrêmement chauds et riches en substances chimiques générés par l’activité volcanique au fond de l’océan, où des chaînes de montagnes se forment sous l’effet du mouvement des plaques tectoniques. Mais les aquifères côtiers ont rarement été étudiés dans ce contexte, et personne n’avait tenté de quantifier leur effet sur la chimie des océans.

Pour comprendre cet effet, le Dr. Kiro a eu une idée originale et créative. Elle a comparé deux types d’échantillons d’eau d’aquifère prélevés par d’autres chercheurs : ceux provenant de sites de forage profonds situés à plusieurs centaines de mètres à l’intérieur des terres et ceux obtenus plus près du rivage, juste sous la côte elle-même.

Elle a découvert une différence surprenante. Dans les échantillons prélevés près du littoral, la composition chimique de l’eau de l’aquifère n’était que légèrement affectée par le mélange avec l’eau de mer poussée dans l’aquifère par les marées et les vagues – un processus à court terme prenant au maximum un an. Mais les échantillons prélevés plus en profondeur, contenant de l’eau de mer qui s’infiltre dans l’aquifère en raison des différences de densité de l’eau – un processus à long terme qui prend des décennies, voire des siècles –, présentaient une signature de l’eau de mer beaucoup plus forte. Le Dr. Kiro en a conclu qu’une interaction lente mais constante avec l’eau de mer à travers les sédiments avait transformé la composition de l’eau dans les profondeurs des aquifères au fil du temps.

Allant plus loin, le Dr. Kiro a calculé les quantités d’éléments chimiques tels que le calcium, le magnésium, le sodium et le potassium qui circulaient entre les aquifères et l’océan. Elle a déterminé leurs concentrations dans différentes régions et a extrapolé ces chiffres à l’échelle mondiale. Une tendance claire s’est dégagée : certains éléments s’écoulaient régulièrement dans l’océan, tandis que d’autres en étaient éliminés.

(de gauche à droite) Les docteurs Nurit Weber et Keren Yanuka-Golub, anciens membres de l’équipe de recherche du DR. Kiro, prélevant des échantillons d’eau souterraine sur la plage d’Akhziv. Photo : Jie Zhao

L’un de ces éléments était le calcium, qui joue un rôle indirect mais crucial dans le cycle du carbone terrestre. Lorsque le CO₂ se transforme dans l’eau de mer, l’un de ses produits est le carbonate qui, au cours d’une série de réactions biochimiques et géochimiques, se lie au calcium pour former du carbonate de calcium, le minéral qui compose les coquilles des organismes marins. Lorsque ces organismes meurent, leurs coquilles sont enfouies dans les fonds marins, emprisonnant le carbone pendant des milliers, voire des millions d’années. En d’autres termes, le calcium influe sur la capacité de l’océan à piéger le CO₂ atmosphérique sous une forme solide et stable, servant ainsi de régulateur climatique naturel de la planète.

Les calculs du Dr. Kiro ont montré que les aquifères côtiers contribuent à l’eau océanique à hauteur d’environ 5 téramoles de calcium par an, contre environ 13 téramoles provenant des rivières et 1,6 provenant des évents sous-marins. C’est une part importante, ce qui signifie que ces aquifères jouent un rôle réel – et jusqu’ici méconnu – dans le cycle mondial du carbone.

Dans le même temps, d’autres éléments tels que le sodium et le potassium sont retirés de l’océan pour être transférés dans les aquifères : comme ils ont tendance à rester dans l’aquifère, l’eau qui en sort contient nettement moins de ces éléments que celle qui y est entrée.

Une pièce manquante du puzzle climatique

Ces processus jusqu’alors inconnus ajoutent une toute nouvelle dimension à notre compréhension de la chimie océanique. Et cela revêt une importance encore plus grande dans le contexte du changement climatique.

À mesure que le niveau de la mer monte, davantage d’eau de mer est poussée dans les aquifères côtiers, ce qui modifie le flux des substances chimiques entrant et sortant de l’océan d’une manière qui pourrait potentiellement améliorer la capture du carbone par l’eau de mer. C’est la bonne nouvelle. Mais il y a un inconvénient : une plus grande quantité d’eau de mer peut également contaminer les aquifères d’eau douce en les rendant plus salés et en mettant en danger nos réserves d’eau douce.

« La salinisation des aquifères pourrait se produire plus rapidement que ne le prévoient les modèles actuels, ce dont il faut tenir compte dans la gestion des ressources en eau côtières », explique le Dr. Kiro.

Avec des centaines de milliers de kilomètres de côtes à travers le monde, les implications de son étude sont mondiales. « Nous avons montré qu’il existe tout un système caché sous le littoral dont nous ignorions l’existence », explique le Dr.Kiro. « Pour les scientifiques qui tentent de comprendre la chimie des océans et leur rôle dans le cycle du carbone à long terme de la planète, ce système comble une lacune importante. »

La Science en Chiffres

La longueur totale de toutes les côtes bordant les océans et les mers de la Terre est estimée à environ 1,6 millions de kilomètres.
Le flux global à long terme des aquifères côtiers vers les océans est de l’ordre de 1 000 km³ par an.