To gain an understanding of the transfer of nutrients and trace elements from sediment pore waters to surface waters of eutrophic Lake Rotorua and the early diagenetic processes controlling the transfer, pore water chemistry in the sediments of Lake Rotorua was investigated over a one year period in 2006 by collection of sediment cores on three occasions and deployment of pore water equilibrators on two occasions. Pore water concentrations of Fe2+, Mn2+, S, PO4, NH4, As, Cd, and Pb were analysed. Phosphate and ammonium fluxes to the water column from the sediments were calculated from measured concentration gradients by Fick's law of diffusion. Gas present in the sediments was analysed for composition, and source, and its ebullition rate measured. Anaerobic oxidation of organic matter is indicated by negative Eh values. Sulfate reduction was indicated near the sediment-water interface and releases of Fe2+, Mn2+, PO4 and NH4 into the pore water from particulate material were associated with the reducing conditions. Peaks in concentration of nutrients and elements occurred at the sediment surface over summer and deeper in the pore water profile over the cooler months of May and September. Sampling with peepers at fine scales immediately above the sediment-water interface indicated the presence of a nepheloid layer where elements are actively being recycled. Sulfate reduction appears to occur in the layer above the sediment-water interface, indicating that dissolved oxygen has already been reduced. Phosphorus is possibly being removed by iron and manganese oxide/hydroxide precipitation 5 to 15 cm above the sediment-water interface. Pore water saturation calculations indicate that sulfides may be controlling concentrations of iron and possibly other metals in the pore water by formation of pyrite in the zone of sulfate reduction. Below the zone of sulfate reduction, siderite and vivianite may be precipitating and acting as an additional sink for iron and phosphorus. ii Nutrient release rates based on Fick's law of diffusion indicated 430 tonnes of dissolved phosphorus and 1150 tonnes of ammonium were released to Lake Rotorua's water column in 2006, suggesting nutrient release from the sediments is the dominant flux of nutrients to the water column of Lake Rotorua. Methanogenesis, from acetate fermentation, occurs below the zone of sulfate reduction, where it becomes the dominant process in organic matter degradation. Ebullition of gas was measured at 126 ml m-2 d-1 and this gas was comprised dominantly of methane. Possible remediation techniques that could reduce the internal load of nutrients released from the lake sediments include sediment removal by dredging or capping the sediments with an adsorbent or sealing layer. Capping the sediments could be compromised by ebullition of gas that would disrupt the capped layer, opening up pathways that allow more readily for exchange between pore water nutrients and the water column. Dredging is likely to stimulate the ebullition of most of the trapped gas and result in a rapid efflux of much of the nutrient rich pore water into the lake, however dredging the top 10 to 20 cm of the sediments may partially reduce phosphorus in the pore waters but would not substantially reduce ammonium and fluxes would remain similar to current levels. Improving redox conditions in the sediments could reduce pyrite formation improving phosphorus binding with iron.

Selenium (Se) is a micronutrient, yet elevated Se can be toxic to aquatic organisms. The range of Se concentrations within which Se uptake goes from insufficient to toxic is very narrow. It is thus important to understand the Se biogeochemical cycle in aquatic systems. In this thesis, the study focuses on changes in Se speciation during uptake by green algae. An optimized method was adopted to quantify and speciate Se in water using flow-injection atomic fluorescence spectroscopy coupled with high-pressure liquid chromatography. Details on the method are given here. For the uptake experiments, the uptakes of four Se species (selenite (Se-IV), selenate (Se-VI), selenocystine (Se-Cys) and selenomethionine (Se-Met)) by the green algae Chlamydomonas reinhardtii were compared. This thesis reports that the algae take up higher amounts of organic Se than inorganic Se. Selenomethionine (Se-Met) had the most rapid uptake, during which Se-Cys was produced. For all experiments, Se-IV was produced and found to sorb onto the algae cells, revealing that Se-IV is an important intermediate compound. Mass balance calculations revealed that more than 90% of Se was lost during uptake, probably to the atmosphere. This study also investigated the release of Se during algae decay to simulate the fate of Se during early-diagenesis. Selenium-rich algae cells were mixed with estuarine sediments at the sediment–water interface in a series of column incubations experiments. During the 7-week incubations, Se speciation was measured at the water–sediment interface and in pore water samples. We found that all the Se released to the pore water was in the form of Se-Cys. Although preliminary, these results highlight the key role of organic-Se species in the biogeochemical cycle of Se in the aquatic environment.

Selenium (Se) is a micronutrient, yet elevated Se can be toxic to aquatic organisms. The range of Se concentrations within which Se uptake goes from insufficient to toxic is very narrow. It is thus important to understand the Se biogeochemical cycle in aquatic systems. In this thesis, the study focuses on changes in Se speciation during uptake by green algae. An optimized method was adopted to quantify and speciate Se in water using flow-injection atomic fluorescence spectroscopy coupled with high-pressure liquid chromatography. Details on the method are given here. For the uptake experiments, the uptakes of four Se species (selenite (Se-IV), selenate (Se-VI), selenocystine (Se-Cys) and selenomethionine (Se-Met)) by the green algae Chlamydomonas reinhardtii were compared. This thesis reports that the algae take up higher amounts of organic Se than inorganic Se. Selenomethionine (Se-Met) had the most rapid uptake, during which Se-Cys was produced. For all experiments, Se-IV was produced and found to sorb onto the algae cells, revealing that Se-IV is an important intermediate compound. Mass balance calculations revealed that more than 90% of Se was lost during uptake, probably to the atmosphere. This study also investigated the release of Se during algae decay to simulate the fate of Se during early-diagenesis. Selenium-rich algae cells were mixed with estuarine sediments at the sediment–water interface in a series of column incubations experiments. During the 7-week incubations, Se speciation was measured at the water–sediment interface and in pore water samples. We found that all the Se released to the pore water was in the form of Se-Cys. Although preliminary, these results highlight the key role of organic-Se species in the biogeochemical cycle of Se in the aquatic environment.

The northwestern (NW) continental shelf of the Black Sea undergoes seasonal hypoxia. The benthic environment, the exchanges at the water-sediment interface and the diagenetic reactions are influenced by this phenomenon. In the framework of the BENTHOX project, two field cruises were conducted on the shelf in spring 2016 and in summer 2017.The first part of this investigation concerned the study of the impact of low oxygen levels in bottom waters on the diagenetic reactions. The microprofilings of geochemical parameters and the flux measurements showed both spatial and temporal variabilities in the benthic compartment of the NW continental shelf for the two seasons studied. The areas closest to the coasts exhibited the most important fluxes of oxygen consumption and of sulfate. These regions were strongly influenced by riverine inputs inducing a higher productivity and in turn resulting in an increase in the fluxes of organic matter deposited on the seabed.The diagenetic reactions were impacted by seasonal deoxygenation in bottom waters. The oxic respiration was less important in the summer as reflected by the shallower penetration depth of dissolved oxygen. Since 1995, the diffusive oxygen uptake (DOU) reported during hypoxic period indicated that the concentration of dissolved oxygen played an important role in the benthic exchange fluxes. Furthermore, a shallower reduction of sulphate and of Mn- and Fe-oxides observed in the sediments evidenced the impact of low oxygen levels on the diagenetic cascade. As a consequence, the benthic mineralization of organic matter was affected. During summer 2017, the oxic mineralization of organic carbon was less important and the contribution of the reducing species to oxygen consumption increased. The anaerobic mineralization of organic matter became thus the dominant process during the period of deoxygenation.The second part concerned the study of the sulfur and iron cycling in the shelf sediments during the low oxygen event of summer 2017. The sediments from the station close to the mouth of the Danube and that near the Dnieper exhibited a signature of detrital material different from that of the upper crust. The inputs of organic matter, in particular transported by the rivers, could influence the signal. The sediments of the NW shelf investigated were however of marine origin.Following the sulfate reduction already observed and mentioned above, the hydrogen sulfides produced were rapidly consumed as suggested by the low concentrations of acid volatile sulfide (AVS) and of the dissolved sulfide. The presence of pyrite in the upper layers of the sediments close to the water-sediment interface was plausible because the formation of pyrite in the water column had been reported due to the higher resistance of pyrite to oxidation compared to AVS (Wijsman et al. 2001). A non steady-state deposition was observed as suggested by Wijsman et al. (1999). It was characterized by an abrupt drop in the pyrite content caused possibly by fluctuations in salinity, dissolved O2 concentrations and organic matter fluxes.The non-reactive iron constituted the principal fraction of the total iron present in the sediments. Its contribution fell in the range reported for the marine sediments of the continental margins. A spatial variation of the concentration of highly reactive iron was nevertheless observed. Near the Dnieper mouth, the contents of reactive iron were lower and could be attributed to the less important fluvial inputs, to the sorption and/or precipitation processes or yet to the reallocation of the reactive iron of the shelf deposits towards the sediments in deep and euxinic waters.The last part of this thesis concerned the biogeochemistry of metals (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co and Cd) during the early diagenesis and the assessment of enrichment and pollution of these metals in the sediments of the shelf. The results showed that trace metals are probably linked to iron and manganese oxides as well as to sulphides. Ni and Zn could be involved in adsorption onto and co-precipitation with Fe- and Mn-oxides. Cu seemed to be associated preferentially to sulphides but no clear correlation was found. The enrichment and pollution of these metals in the shelf sediments showed spatial variability. The Danube delta area was enriched in Ni, Cu and Zn while the Odessa region was enriched in Co and Cd. The pollution of shelf sediments ranged from “unpolluted” to “very highly polluted”. Since the late 20th century, the heavy metal contents in shelf sediments remained stable in the Odessa region but increased in the Danube delta area. / Le plateau continental du Nord-Ouest de la Mer Noire subit une hypoxie saisonnière. L'environnement benthique, l'échange à l'interface eau-sédiment et les réactions diagénétiques sont influencés par ce phénomène. Dans le cadre du projet BENTHOX, deux campagnes de prélèvement ont été menées sur le plateau au printemps 2016 et à l'été 2017 dans le but de comprendre ces changements.La première partie de cette recherche concerne l’impact des faibles concentrations en oxygène dans les eaux de fond sur les réactions diagénétiques. Les micro-profils de paramètres géochimiques et les mesures de flux ont montré des variabilités spatiales et temporelles dans le compartiment benthique pour les deux saisons étudiées. Les zones les plus proches des côtes ont présenté les flux les plus importants de consommation d'oxygène et de sulfate. Ces régions ont été fortement influencées par les apports fluviaux induisant une productivité plus élevée et entraînant à son tour une augmentation des flux de matière organique déposée sur le fond marin. Les réactions diagénétiques sont affectées par la désoxygénation saisonnière des eaux de fond. La respiration oxique etait moins importante en été comme en témoigne la profondeur de pénétration moins profonde de l’oxygène. Depuis 1995, l’absorption d’oxygène dissous (DOU) rapportée pendant la période limitée en oxygène a indiqué que la concentration d'oxygène dissous jouait un rôle important dans les flux d'échanges benthiques. De plus, une diminution de la profondeur à laquelle la réduction des sulfates et la réduction des oxydes métalliques témoigne de l'impact d'une faible concentration en oxygène sur la cascade diagénétique. En conséquence, la minéralisation benthique de la matière organique a été affectée. Au cours de l'été 2017, la minéralisation oxique du carbone a été moins importante et la contribution des espèces réductrices à la consommation d’oxygène a augmenté. La respiration anaérobie de la matière organique est ainsi devenue le processus dominant pendant la période d'hypoxie.La deuxième partie portait sur l'étude du cycle du soufre et du fer dans les sédiments du plateau lors de l'événement de faible teneur en oxygène de l'été 2017. Les sédiments de la station proche de l'embouchure du Danube et de celle du Dniepr présentaient une signature de matière détritique différente de celle de la croûte supérieure. Les apports de matière organique, notamment transportés par les rivières, pourraient influencer le signal. Les sédiments du plateau nord-ouest étudiés étaient cependant d'origine marine. Suite à la réduction du sulfate déjà observée et mentionnée ci-dessus, les sulfures d'hydrogène produits ont été rapidement consommés comme le suggèrent les faibles concentrations en sulfure acide volatil (AVS) et en sulfure dissous. La présence de pyrite dans les couches supérieures des sédiments près de l'interface eau-sédiment était plausible car la formation de pyrite dans la colonne d'eau avait été signalée en raison de la résistance plus élevée de la pyrite à l'oxydation par rapport à l'AVS (Wijsman et al. 2001). Un dépôt à l'état non stationnaire a été observé comme le suggèrent Wijsman et al. (1999). Elle a été caractérisée par une chute brutale de la teneur en pyrite causée peut-être par des fluctuations de salinité, des concentrations d'O2 dissous et des flux de matière organiqueLe fer non réactif constituait la fraction principale du fer total présent dans les sédiments. Sa contribution est tombée dans la gamme signalée pour les sédiments marins des marges continentales. Une variation spatiale de la concentration en fer hautement réactif a néanmoins été observée. Près de l'embouchure du Dniepr, les teneurs en fer réactif étaient plus faibles et pouvaient être attribuées aux apports fluviaux moins importants, aux processus de sorption et / ou de précipitation ou encore à la réallocation du fer réactif des dépôts du plateau vers les sédiments en profondeur et eaux euxiniques.La dernière partie de cette thèse concerne la biogéochimie des métaux (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Hg, Co et Cd) lors de la diagenèse précoce et l'évaluation de l'enrichissement et de la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau. Les résultats ont montré que les métaux traces sont probablement liés aux oxydes de fer et de manganèse ainsi qu'aux sulfures. Ni et Zn pourraient être impliqués dans l'adsorption et la coprécipitation avec les oxydes de Fe et de Mn. Le Cu semble être associé préférentiellement aux sulfures mais aucune corrélation claire n'a été trouvée. L'enrichissement et la pollution de ces métaux dans les sédiments du plateau ont montré une variabilité spatiale. La zone du delta du Danube a été enrichie en Ni, Cu et Zn tandis que la région d'Odessa s'est enrichie en Co et Cd. La pollution des sédiments du plateau allait de « non polluée » à « très fortement polluée ». Depuis la fin du 20e siècle, la teneur en métaux lourds des sédiments du plateau est restée stable dans la région d'Odessa mais a augmenté dans la région du delta du Danube. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les écosystèmes côtiers méditerranéens sont soumis à de multiples sources de contamination (activités agricoles, industrielles et touristiques) impactant à des degrés divers les compartiments environnementaux (colonne d'eau, sédiments, biota, ...). En particulier, des études précédentes ont démontré que les sédiments de la Rade de Toulon présentent un niveau de multi-contamination très important, qui pourrait avoir des conséquences non-négligeables sur l'écosystème côtier, ce qui nécessite la réalisation de différentes études complémentaires visant à mieux comprendre les processus régissant le transfert potentiel des polluants vers le milieu environnant. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse consistent à étudier les processus contrôlant la dynamique des polluants inorganiques dans la colonne sédimentaire et à l'interface eau/sédiment et à évaluer leur remobilisation potentielle vers la colonne d'eau. Trois modes principaux de dispersion peuvent conduire à une remobilisation des contaminants: (1) la diagénèse précoce mobilisant des éléments nutritifs et des éléments traces métalliques et métalloïdes, (2) la remobilisation des contaminants lors de remises en suspension sédimentaire, et (3) le flux diffusif à l'interface eau/sédiment en lien avec la mobilité des contaminants dans la colonne sédimentaire. Pour atteindre ses objectifs, ce projet de thèse combine des approches in-situ (carottage d'interface, extraction de l'eau interstitielle, traitement/analyse des eaux interstitielles et des fractions solides, …), des expériences en laboratoire (suivi cinétique de la remobilisation des contaminants lors des mélanges eau/sédiment, extractions séquentielles…), des outils de modélisation (calcul de la spéciation chimique, simulation de la partition dissous/particulaire, simulation des profils sédimentaires, réactivité de la matière organique, …) ainsi que le traçage des sources de contamination et de leur transfert entre différents compartiments environnements à l'aide des isotopes stables du Pb. Ces travaux ont été réalisés en étroite collaboration avec le LASEM et avec la contribution de différents partenaires (EPOC/Université de Bordeaux, Ruđer Bošković Institut/Croatie, CAM/Université de Lausanne/Suisse, IFREMER, IRSN, …). / Mediterranean coastal ecosystems are exposed to several contamination sources (agricultural, industrial and touristic activities) impacting the environmental compartments (water column, sediment, biota ...) at various scales. Some previous studies showed, in particular, that the sediments of Toulon Bay present important contents of several contaminants, which may have non-negligible impacts on the coastal ecosystem, and which require further studies to better understand the processes governing the potential pollutants transfer to the surrounding environment. In this context, the objectives of this PhD are to study the processes controlling the inorganic pollutants dynamic in the sediment column and at the sediment/water interface and to assess their potential remobilization to the water column. Three main modes of dispersion can lead to contaminants remobilization : (1) the early diagenesis mobilizing nutrients, trace metals and metalloids, (2) the contaminants remobilization during sediment resuspension events, and (3) the diffusive flux from the sediment/water interface due to the sedimentary mobility of contaminants. To achieve its goals, this PhD project combines in-situ approaches (interface coring, extraction, treatment and analysis of porewater and solid fractions, ...), laboratory experiments (kinetic monitoring of contaminants remobilization during sediment resuspension, sequential extractions, ...), modeling tools (chemical speciation calculation, dissolved/particulate partition simulation, depth profiles simulation, organic matter reactivity, …) and contamination sources tracking and transfer between various environmental compartments using Pb stable isotopes. These studies were performed in close cooperation with the LASEM and with the contribution of different partners (EPOC/University of Bordeaux, Ruđer Bošković Institute/Croatia, CAM/University of Lausanne/Suisse, IFREMER, IRSN, …).

Le but général de ce travail fut de quantifier la silice biogène (BSiO2) dans les sédiments du continuum de l'Escaut (estuaire – zone côtière), ainsi que son taux de recyclage - rétention. Le coefficient de diffusion moléculaire de la DSi a été déterminé pour différentes valeurs de température et deux salinités et une relation empirique reliant le coefficient de diffusion à la température et à la viscosité de la solution a été établie. La distribution longitudinale de la BSiO2 dans les sédiments de surface, ainsi que les profils verticaux de BSiO2 et de silice dissoute ont été déterminés durant différentes saisons en 2004 et 2005. Les flux de DSi ont été également estimés via des expériences d’incubations et par modélisation des profiles verticaux de DSi. Des expériences de dissolution des sédiments ont permis de déterminer (via modélisation) les constantes cinétiques de vitesse de la BSiO2 et une première évaluation du taux de recyclage de la BSiO2 (5 – 70%). Sur base des calculs à partir des profiles de DSi dans l’eau interstitielle, le taux de recyclage de la BSiO2 varie entre 8 et 92% dans l’estuaire, ce qui correspond à une rétention moyenne de la BSiO2 supérieure à 60%, et souligne ainsi l'efficacité du filtre estuarien par rapport à la silice. En revanche, le recyclage de BSiO2 dans la zone côtière apparaît comme très intensif, avec des valeurs souvent supérieures à 40%. Ces résultats montrent l'importance d'inclure les estuaires dans le calcul des budgets globaux de Si. / The general objective of this study was to quantify the BSiO2 in the sediments of the Scheldt continuum, together with its recycling and retention in this area. First an empirical relation linking the diffusion coefficient of DSi to temperature and salinity was determined, via diffusion experiments. The longitudinal BSiO2 distribution in surface sediments and the vertical BSiO2 and DSi profiles in sediment cores where then measured during 2 years and different seasons, together with other parameters characterizing pore waters, such as alkalinity, pH, sulphate… DSi fluxes were also estimated either directly through whole core incubations measurements or via modelling of interstitial water profiles. BSiO2 dissolution experiments allowed the evaluation of the kinetic rate constants also through modelling of the results, and gave preliminary information over the BSiO2 recycling rates (5 – 70%). The recycling rate as obtained from pore water profiles vary between 8 and 92%, with an average value of about 32%, which highlights the importance of the estuarine filter for silica. Recycling is much more intense in the coastal area, with values up to 40%, which we explain by higher salinity and higher sediment permeability. The different experiments and results also indicated that secondary mineral precipitation might be and important process affecting BSiO2 in the Scheldt sediments.

Diagenetic studies of carbonate rocks focused for a long time on photozoan carbonate assemblages deposited in tropical climates. The results of these investigations were taken as models for the diagenetic evolution of many fossil carbonates. Only in recent years the importance of heterozoan carbonates, generally formed out of the tropics or in deeper waters, was realized. Diagenetic studies focusing on this kind of rocks are still scarce, but indicate that the diagenetic evolution of these rocks might be a better model for many fossil carbonate settings ("calcite-sea" carbonates) than the photozoan model used before.<br><br> This study deals with the determination of the diagenetic pathways and environments in such shallow-water heterozoan carbonate assemblages. Special emphasis is put on the identification of early, near-seafloor diagenetic processes and on the evaluation of the amount of constructive diagenesis in form of cementation in this diagenetic environment.<br><br> As study area the Central Mediterranean, the Maltese Islands and Sicily, was chosen. Here two sections were logged in Olio-Miocene shallow-water carbonates consisting of different kinds of heterozoan assemblages. The study area is very suitable for the investigation of constructive early diagenetic processes, as the rocks were never deeply buried and burial diagenetic pressure solution and cementation as cause of lithification could be ruled out. Nevertheless, the carbonate rocks are well lithified and form steep cliffs, implying cementation/lithification in another, shallower diagenetic environment. To determine the diagenetic pathways and environments, detailed transmitted light and cathodoluminescence petrography was carried out on thin sections. Furthermore the stable isotope (δ¹⁸O and δ¹³C) composition of the bulk rock, single biota and single cement phases was determined, as well as the major and trace element composition of the single cement phases.<br><br> Petrographically three (Sicily) to four (Maltese Islands) cementation phases, two phases of fabric selective and one of non-fabric selective dissolution, one phase of neomorphism and one of chemical compaction could be distinguished. The stable isotope measurements of the single cement phases pointed to cement precipitation from marine, marine-derived and meteoric waters. The trace element analysis indicated precipitation under reducing conditions, (A) in an open system with low rock-water interaction on the Maltese Islands and (B) in a closed system with high rock-water interaction on Sicily. For the closed systems case, aragonite as cement source could be concluded because its chemical composition was preserved in the newly formed cements.<br><br> By integrating these results, diagenetic pathways and environments for the investigated locations were established, and the cement source(s) in the different environments were determined. The diagenetic evolution started in the marine environment with the precipitation of fibrous/fibrous-bladed and epitaxial cement I. These cements formed as High Mg Calcite (HMC) directly out of marine waters. The paleoenvironmentally shallowest part of the section on the Maltese Islands was also exposed to meteoric diagenetic fluids. This meteoric influence lead to the dissolution of aragonitic and HMC skeletons, which sourced the cementation by Low Mg Calcitic (LMC) epitaxial cement II in this part of the Maltese section. Entering the burial-marine environment the main part of dissolution, cementation and neomorphism started to take place. The elevated CO2 content in this environment, caused by the decay of organic matter, lead to the dissolution of aragonitic skeletons, which sourced the cementation by LMC epitaxial cement II, bladed and blocky cements. The earlier precipitated HMC cement phases were either partly dissolved (epitaxial cement I) or neomorphosed to LMC (fibrous/fibrous-bladed and epitaxial cement I). In the burial environment weak chemical compaction took place without sourcing significant amounts of cementation. In a last phase the rocks entered the meteoric realm by uplift, which caused non-fabric selective dissolution. This study shows that early diagenetic processes, taking place at or just below the sediment-water-interface, are very important for the mineralogical stabilization of heterozoan carbonate strata. The main amount of constructive diagenesis in form of cementation takes place in this environment, sourced by dissolution of aragonitic and, to a lesser degree, of HMC skeletons.<br><br> The results of this study imply that the primary amount of aragonitic skeletons in heterozoan carbonate sediments must be carefully assessed, as they are the main early diagenetic cement source. In fossil heterozoan carbonate rocks, aragonitic skeletons might be the cement source even when no relict structures like micritic envelops or biomolds are preserved. In general, the diagenetic evolution of heterozoan carbonate rocks is a good model for the diagenesis of "calcite-sea" time carbonate rocks. / Diagenetische Untersuchungen an Karbonatgesteinen beschränkten sich lange Zeit auf photozoische Karbonatvergesellschaftungen der tropischen Breiten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden als modellhaft für den Diageneseverlauf vieler Karbonatgesteine angesehen. Erst in den letzten Jahren wurde die Bedeutung heterozoischer Karbonatvergesellschaften, die sich im Allgemeinen außerhalb der Tropen oder in tieferem Wasser bilden, erkannt. Diagenetische Untersuchungen an dieser Art von Karbonatgesteinen sind immer noch selten, deuten aber an, dass der Diageneseverlauf in diesen Karbonaten ein besseres Model für viele fossile Karbonatgesteine ("Calcit-Meer"-Karbonate) darstellt als das bisher benutzte photozoische Diagenesemodel. Ziel dieser Studie war die Bestimmung des Diageneseverlaufs in solch flachmarinen Karbonaten mit heterozoischer Biogenvergesellschaftung. Die Milieus, in denen die diagenetischen Veränderungen stattfanden, sollten bestimmt werden. Besonderes Augenmerk lag auf der Art und Menge von Veränderungen, die frühdiagenetisch, nahe dem Meeresboden, stattfanden. Dabei war vor allem der Anteil an konstruktiver Diagenese in Form von Zementation von Interesse.<br><br> Das Arbeitsgebiet wurde im zentralen Mittelmeerraum gewählt und befindet sich auf den Maltesischen Inseln und Sizilien. Hier wurden zwei Profile in Flachwassserkarbonaten oligo-miozänen Alters aufgenommen, die sich aus unterschiedlichen heterozoischen Biogenvergesellschaftungen zusammensetzen. Dieses Arbeitsgebiet ist für die Untersuchung konstruktiver frühdiagenetischer Prozesse besonders geeignet, da die Gesteinsabfolgen niemals tief versenkt wurden und versenkungsdiagenetisch bedingte Drucklösung und Zementation als Ursache für die Lithifizierung ausgeschlossen werden können. Trotzdem sind die untersuchten Karbonatgesteine gut verfestigt und bilden steile Kliffs, was auf Zementation/Verfestigung in einem anderen, flacheren Diagenesemilieu hinweist. Zur Bestimmung der Diageneseabfolge und der diagenetischen Milieus wurden detaillierte petrographische Untersuchungen im Durchlicht und mit Kathodolumineszenz an Dünnschliffen durchgeführt. Außerdem wurden die Verhältnisse der stabilen Isotope δ¹⁸O und δ¹³C am Gesamtgestein, an einzelnen Biogenen und an einzelnen Zementphasen bestimmt. Die Haupt- und Spurenelement Zusammensetzung (Ca, Mg, Fe, Mn und Sr) wurde an den einzelnen Zementphasen ermittelt.<br><br> Petrographisch lassen sich drei (Sizilien), beziehungsweise vier (Maltesische Inseln) Zementationsphasen, zwei Phasen von materialabhängiger und eine Phase von materialunabhängiger Lösung, sowie eine Phase von Neomorphismus und eine chemische Kompaktionsphase unterscheiden. Die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse an den einzelnen Zementphasen deuten auf Zementausfällung aus marinen und meteorischen Wässern sowie aus Fluiden marinen Ursprungs hin. Die Spurenelementanalyse lässt außerdem auf Zementausfällung unter reduzierenden Bedingungen schließen. Diese fand einerseits, im Falle der Maltesischen Inseln, in einem offenen System mit geringer Gesteins-Wasser-Interaktion, andererseits, im Falle von Sizilien, in einem geschlossenen System mit großer Gesteins-Wasser-Interaktion statt. Bei der Zementation in einem geschlossenen System konnte Aragonit als Zementquelle bestimmt werden, da seine charakteristische chemische Zusammensetzung im neu gebildeten Zement erhalten blieb.<br><br> Durch die Integration aller Ergebnisse konnten für die beiden Lokalitäten die Diageneseabfolgen und die diagenetischen Milieus sowie die Zementquelle(n) in diesen Milieus bestimmt werden. Die diagenetische Entwicklung begann im marinen Milieu mit der Ausfällung von fibrösem bis fibrös-blättrigem und epitaxialem Zement I. Diese Zemente wurden als Hoch Magnesium Calcit (HMC) direkt aus marinem Wasser ausgefällt. Die paläogeographisch flachsten Abschnitte des Profils auf den Maltesischen Inseln gelangten dann unter den Einfluss meteorischer Wässer. Dieser meteorische Einfluss führte zur Lösung von aragonitischen und HMC Schalen, was die Zementation mit Niedrig (Low) Magnesium Calcitischem (LMC) epitaxialem Zement II in diesem Profilabschnitt speiste. Im marinen Versenkungsmilieu fand anschließend der Hauptteil an Lösung, Zementation und Neomorphismus statt. Der erhöhte CO2-Gehalt in diesem Milieu, verursacht durch den Zerfall von organischem Material, führte zur Lösung von aragonitischen Schalen, was die Zementation mit LMC epitaxialem Zement II, blättrigem und blockigem Zement speiste. Die vorher ausgefällten HMC Zementphasen wurden entweder teilweise gelöst (epitaxialer Zement I) oder in LMC umgewandelt (fibrös/fibrös-blättriger und epitaxialer Zement I). Im versenkungsdiagenetischen Milieu fand anschließend geringe chemische Kompaktion statt, ohne aber die Ausfällung von größeren Mengen an Zement zu speisen. In einer letzten Phase gelangten die Gesteine durch Hebung wieder ins meteorische Milieu, was materialunabhängige Lösungserscheinungen verursachte. Diese Untersuchung zeigt, dass frühdiagenetische Prozesse, die an der Sediment-Wasser-Grenzfläche oder knapp darunter stattfinden, sehr wichtig für die mineralogische Stabilisierung von heterozoischen Karbonatabfolgen sind. Der Hauptteil der konstruktiven Diagenese in Form von Zementation findet in diesem Milieu statt, gespeist durch die Lösung von aragonitischen und, zu einem geringern Teil, HMC Schalen.<br><br> Die Ergebnisse dieser Studie implizieren, dass der ursprünglich vorhandene Anteil an aragonitischen Schalen in heterozoischen Karbonatsedimenten sehr sorgfältig bestimmt werden muss, da diese Schalen die wichtigste frühdiagenetische Zementquelle darstellen. In fossilen heterozoischen Karbonatgesteinen können aragonitische Schalen die wichtigste Zementquelle darstellen, auch wenn keine Reliktstrukturen wie mikritische Hüllen oder Biomolds erhalten geblieben sind. Im Allgemeinen stellt der Diageneseablauf in heterozoischen Karbonaten ein gutes Modell für die Diagenese von "Calcit-Meer"-Karbonatgesteinen dar.

Reactive Transport Models (RTMs) provide quantitative tools to analyze the interaction between transport and biogeochemical processes in subsurface environments such as aquatic sediments and groundwater flow. A tremendous amount of research has shown the role and impact of scaling behavior of the reactive systems which stems from geologic heterogeneity. Depending on the kinetics of the reactions, different types of formulations have been proposed to describe reactions in RTMs. We introduce a novel quantitative criteria on the range of validity of local equilibrium assumption (LEA) in aquatic sediments with irreversible heterogeneous sorption reactions. Then we present a one-dimensional (1-D) early diagenetic module, MATSEDLAB, developed in MATLAB. The module provides templates for representing the reaction network, boundary conditions and transport regime, which the user can modify to fit the particular early diagenetic model configuration of interest. We describe the theoretical background of the model and introduce the MATLAB pdepe solver, followed by calibration and validation of the model by a number of theoretical and empirical applications. Finally, we introduce a new pore-scale model using lattice Boltzmann (LB) approach. It uses an iterative scheme for the chemical transport-reaction part and recent advances in the development of optimal advection-diffusion solvers within the lattice Boltzmann method framework. We present results for the dissolution and precipitation of a porous medium under different dynamical conditions, varying reaction rates and the ratio of advective to diffusive transport (Pe, Peclet number) for linear reactions. The final set of calculations considers sorption reactions on a heterogeneous porous medium. We use our model to investigate the effect of heterogeneity on the pore-scale distribution of sorption sites and the competition between three different sorption reactions.

Les objectifs de cette thèse sont (1) de définir les facteurs contrôlant le développement à grande échelle des plateformes carbonatées intracratoniques et (2) de relier la diagenèse précoce des discontinuités avec les paléoenvironnements et les modèles de stratigraphie séquentielle. L’évolution de la plateforme carbonatée de l’ouest de la France a été reconstituée de l’Aalénien à l’Oxfordien (17 millions d’années). La topographie du socle contrôle la répartition latérale des bathymétries jusqu’au Bathonien moyen. La tectonique régionale favorise ou empêche localement la production carbonatée. À l’échelle des bassins ouest-téthysiens, des phases généralisées de disparition et de croissance des plateformes carbonatées sont contrôlées par les variations du climat d’une période de 9 millions d’années. La production carbonatée est faible pendant les périodes humides et importante au cours des périodes sèches perturbées par de courtes moussons. Des analyses isotopiques (δ18O et δ13C) à haute résolution ont été réalisées sur des ciments précoces variés localisés sous des discontinuités, permettant de reconstituer l’histoire paléoenvironnementale aboutissant à leur formation. Les ciments en dents de chien ainsi que les ménisques et enveloppes micritiques analysées ont précipité directement en calcite faiblement magnésienne dans l’eau de mer. Un nouveau modèle reliant architecture, stratigraphie séquentielle, faciès et diagenèse précoce est proposé pour une bordure de plateforme oolithique. Sur la plateforme interne, les discontinuités passent latéralement de surfaces subaériennes à des hardgrounds marins, dont l’érosion aboutit au dépôt de niveaux à intraclastes sur la bordure de plateforme. La cimentation précoce est uniquement localisée sous les discontinuités et est absente dans la bordure de plateforme où la sédimentation est continue. / The objectives of this thesis are (1) to characterize the factors controlling the large-scale development of intracratonic carbonate platforms and (2) to link early diagenesis of discontinuities with palaeoenvironments and sequence stratigraphy models. The evolution of the western France carbonate platform is reconstructed from the Aalenian to the Oxfordian (17 million years). The basement topography controls bathymetries until the mid-Bathonian. Regional tectonics promotes or prevents locally carbonate production. General stages of carbonate platform growth and demise in western Tethyan basins are controlled by 9 million years’ climatic variations. Carbonate production is low during humid intervals and high during dry intervals disturbed by short periods of intensive rainfall. High resolution isotopic analyses(δ18O and δ13C) were performed on various early cements located below discontinuities to reconstruct the palaeoenvironmental conditions leading to their formation. Dogtooth cements, micritic meniscus and envelopes precipitated in low-magnesium calcite directly in seawater. A new model, linking architecture, facies, sequence stratigraphy and early diagenesis is proposed for an oolitic platform wedge. On the inner platform, discontinuities change laterally from subaerial surfaces to marine hardgrounds, whose erosion leads to the deposit of an intraclasts level on the platform wedge. Early cements are only located under discontinuities and are absent in the platform wedge because of a continuous sedimentation rate.

L’océan côtier occupe une position clé dans le cycle du carbone et est exposé à l’acidification des océans. Une grande partie de matière organique(MO) marine et continentale est minéralisée dans les sédiments estuariens par des voies aérobies ou anaérobies. Cette minéralisation produit du carbone inorganique dissous (DIC), mais aussi de l’alcalinité totale(TA) pour la partie anoxique, ce qui tamponne les variations de pH du système et augmente la capacitéde l’eau de mer à absorber du CO2. Des mesures dans les sédiments du prodelta du Rhône ont montré que la minéralisation anoxique, surtout la sulfato-réduction, y est dominante et produit des forts flux de TA et de DIC. Proche de l’embouchure, c’est surtout la MO continentale qui est minéralisée et la fraction marine augmente vers le large. Une expérience d’acidification des sédiments de la baie de Villefranche-sur-mer a montré que l’acidification des océans cause la dissolution des carbonates ce qui tamponne le pH dans les sédiments. / Continental shelves are key regions for theglobal carbon cycle and particularly exposed to oceanacidification. A large part of organic matter (OM) ofcontinental and marine origin is mineralized in estuarinesediments following oxic and anoxic pathways.This mineralization produces dissolved inorganic carbon(DIC) leading to acidification of the bottom waters.Anoxic mineralization can produce total alkalinity(TA) that can contribute to buffer bottom water pHand increase the CO2 storage capacity of seawater. Measurementsin the sediments of the Rhˆone River prodeltashowed that anoxic mineralization, especially sulfate reduction,are the major pathways of OM mineralizationand create high DIC and TA fluxes. Land derived OMis mineralized close to the river mouth and marine OMtakes over on the shelf. An acidification experiment withsediment cores from the bay of Villefranche evidencedthat acidification causes carbonate dissolution at thesediment surface that buffers porewater pH.