This study is the geochemical examination of mineral weathering and its path from hinterland, through sediment deposition and pedogenesis, to its dissolution and eventual uptake into plants or precipitation as carbonate minerals. The three papers examine the rate and character of carbonate and silicate mineral weathering over a wide range of climatic and tectonic regimes, time periods, and lithologies, and focus on very different questions. Examination of the 87Sr/86Sr ratios of architectural ponderosa pine in Chaco Canyon, New Mexico confirms a societally complex style of timber procurement from the 10th to the 12th centuries. In El Malpais National Monument, New Mexico, we measured the 87Sr/86Sr ratios in local bedrock and soils and compared them to the leaf/wood cellulose of four conifers (Pinus ponderosa, Pinus edulis, Juniperus monosperma, Juniperus scopulorum), a deciduous tree (Populus tremuloides), three shrubs (Chrysothamus nauseosus, Fallugia paradoxa, Rhus trilobata), and an annual grass (Bouteloua gracilis) and a lichen (Xanthoparmelia lineola). We found that plant 87Sr/86Sr ratios covaried with variations in plant physiognomy, life history, and rooting depth. In addition, the proportion of atmospheric dust and bedrock mineral contributions to soil water 87Sr/86Sr ratios varied predictably with landscape age and bedrock lithology. On the Himalayan floodplain, soils and paleosol silicate weathering intensities were measured along a climatic transect and through time. Overall, carbonate weathering dominates floodplain weathering. But, periods of more intense silicate weathering between 9 - 2 Ma, identified in soil profile and in the 87Sr/86Sr ratios of pedogenic carbonates, appear to be driven by changes in tectonic, rather than climatic, regime. All three papers are good examples of how 87Sr/86Sr isotopic tracer studies can shed light on pedogenic formation rates and internal processes. The complexity of each system warns against generalizations based on just one locale, one species or lithology, or a few isotopic ratios.

Human-caused emissions of CO2 and other greenhouse gases are an established reason for the climate changes that affect planet Earth. Negative emission technologies (NETs), for example, bio-accelerated silicate weathering bioreactors, seek to capture and store carbon from the atmosphere. Bio-acceleratedsilicate weathering utilizes microorganisms to increase natural silicate weathering processes.This project aimed to evaluate the potential bio-accelerated weathering of two silicate rock types, Basalt Lavagestine, and La Palma lapilli, using a mixture of microorganisms, Bacillus Subtilis, Cupriavidus Metallidurans, Aureobasidium Pullulans, and Suillus Variegatus. Straw was used as an organic carbon and nutrient source for the organisms. There were six types of reactors, biotic, abiotic,and mineral controls for each of the two minerals, with triplicates. The reactors were watered five times a week with 50 mL of autoclaved distilled water, after each week the leachate from each reactor wascollected. Geochemical analyses of all leachates were performed, these were pH, conductivity, alkalinity, and carbon analyses. After the experiment, the mineral grains and straw were examined in a scanning electron microscope (SEM) to observe the growth of organisms and the differences between reactor types.The biotic reactors for both minerals showed signs of enhanced weathering compared to their controls. The geochemical analyses showed that the alkalinity was doubled between the abiotic and biotic reactors for the basalt, and increased by roughly a third for the lapilli. The DIC was tripled for thebiotic basalt and doubled for the biotic lapilli. This indicated increased weathering rates and more sequestered carbon for the biotic reactors. SEM showed growth of fungi and bacteria in all biotic reactors. The extensive growth of fungi and biofilm formation was prominent in the basalt Lavagestineand a possible reason for the increased weathering compared to lapilli. The contrast in the surface structure of the minerals could be a second reason for the result. The two bacteria were colonizing one mineral each, which indicates differences in chemical composition. The C.Metallidurans were observed on the basalt grains and B.Subtilus on the lapilli. This report concludes that bio-enhanced weathering isa promising aspirant for NETs and that the selection of minerals is an important factor.

L'altération chimique des roches primaires et des minéraux dans les systèmes naturels a un impact majeur sur la formation des sols et leur composition. L'altération chimique est largement pilotée par la dissolution des minéraux. Les éléments chimiques libérés dans les eaux souterraines par la dissolution des minéraux réagissent facilement pour former des minéraux secondaires comme les argiles, zéolites et carbonates. Les carbonates se forment par réaction des cations divalents (Ca, Fe et Mg) avec CO2 dissous tandis que la formation des kaolins et de la gibbsite est attribuée à l'altération des minéraux riches en aluminium, le plus souvent les feldspaths. Le projet Carbfix à Hellisheiði (sud-ouest de l'Islande) a pour but d'utiliser les processus d'altération naturelle pour former des minéraux carbonatés par réinjection dans les roches basaltiques environnantes de CO2 provenant d'une centrale géothermique. Ce processus trouve son origine dans la dissolution des roches basaltiques riches en cations divalents (Ca, Fe et Mg) qui se combinent au CO2 injecté pour former des minéraux carbonatés. Cette thèse est centrée sur la dissolution du basalte cristallin de Stapafell qui est composé essentiellement de trois phases minérales (plagioclase, pyroxène et olivine) et qui est riche en cations divalents. La vitesse de libération des éléments du basalte à l'état stationnaire et loin de l'équilibre a été mesurée dans des réacteurs à circulation à des pH de 2 à 12 et des températures de 5 à 75°C. Les vitesses de libération de Si et Ca à l'état stationnaire présentent une variation en fonction du pH en forme de U avec une diminution des vitesses lorsque le pH augmente en conditions acides et une augmentation avec le pH en conditions alcalines. Les vitesses de libération du silicium par le basalte cristallin sont comparables à celles par le verre basaltique de même composition chimique aux faibles pH et aux températures ≥ 25°C mais elles sont plus lentes aux pH alcalins et aux températures ≥ 50°C. Par contre, les vitesses de libération de Mg et Fe diminuent de manière monotone avec l'accroissement du pH à toutes les températures. Ce comportement a pour cause les variations contrastées, en fonction du pH, des vitesses de dissolution des trois minéraux constitutifs du basalte: plagioclase, olivine et pyroxène. Les vitesses de libération des éléments déduites de la somme des vitesses de dissolution du plagioclase, pyroxène et olivine normalisées à la fraction volumique de ces minéraux sont, à un ordre de grandeur près, les mêmes que celles mesurées dans cette étude. En outre, les résultats expérimentaux montrent que, durant l'injection d'eaux chargées en CO2 de pH proche de 3.6, le basalte cristallin libère préférentiellement Mg et Fe en solution par rapport à Ca. L'injection de fluides acides chargés en CO2 dans des roches cristallines basaltiques peut donc favoriser la formation de carbonates de Mg et Fe aux dépends de la calcite aux conditions de pH acides à neutres. Le plagioclase, qui est la phase la plus abondante du basalte, influence fortement la réactivité de ce dernier. La vitesse de dissolution du plagioclase, basée sur la libération de la silice, présente une variation en forme de U en fonction du pH, diminuant lorsque le pH augmente aux conditions acides mais augmentant avec le pH aux conditions alcalines. En accord avec les données de la littérature, la vitesse de dissolution du plagioclase à pH constant, en conditions acides, augmente avec sa teneur en anorthite. L'interprétation et le fit des données obtenues suggèrent que la vitesse de dissolution du plagioclase est contrôlée par la décomposition d'un complexe activé riche en silice, formé par le départ de Al de la structure du minéral. Le plus remarquable, par comparaison aux hypothèses antérieures, est que la vitesse de dissolution du plagioclase en conditions alcalines est indépendante de sa teneur en anorthite - e.g. les vitesses de dissolution des plagioclases riches en anorthite augmentent avec le pH aux conditions alcalines. A ces conditions, il est probable que la vitesse de dissolution rapide du plagioclase domine, en raison de sa forte teneur en Ca, la libération vers la phase fluide des cations divalents du basalte cristallin. La gibbsite est généralement le premier minéral qui précipite lors de la dissolution du plagioclase. C'est un hydroxyde d'aluminium que l'on trouve dans divers sols et qui est aussi la phase principale des minerais de bauxite. Les vitesses de précipitation de la gibbsite ont été mesurées dans des réacteurs fermés, en conditions alcalines à 25 et 80°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Les analyses des solides après réaction ont démontré que la précipitation de gibbsite s'est produite dans toutes les expériences. L'interprétation de l'évolution dans le temps de la chimie du fluide réactif fournit des vitesses de précipitation de la gibbsite qui sont près des vitesses de dissolution du plagioclase. En plus, des vitesses de précipitation de la gibbsite diminuent plus rapidement que des vitesses de dissolution du plagioclase quand le pH descende. Ceci suggère que l'étape limitant de l'altération du plagioclase sur la surface de la terre est plutôt la consommation d'Al par formation de la gibbsite que la dissolution même du plagioclase. La kaolinite est en général le second minéral formé après la gibbsite lors de la dissolution du plagioclase à basse température. Les vitesses de précipitation de la kaolinite ont été mesurées dans des réacteurs à circulation à pH = 4 et t = 25°C, en fonction de l'état de saturation du fluide. Au total, 8 expériences de précipitation de longues durées ont été réalisées dans des fluides légèrement supersaturés par rapport à la kaolinite, en utilisant comme germes pour la précipitation une quantité connue de de kaolinite de Géorgie (KGa-1b) contenant peu de défauts et préalablement nettoyée. Les vitesses de précipitation de kaolinite mesurées sont relativement lentes comparées aux vitesses de dissolution du plagioclase. Cette observation suggère que la formation de kaolinite lors de l'altération est limitée par sa vitesse de précipitation plutôt que par que la disponibilité en Al et Si issus de la dissolution du plagioclase. L'ensemble des résultats de cette étude fournit un certain nombre de principes scientifiques de base nécessaires à la prédiction des vitesses et des conséquences de la dissolution du basalte cristallin et du plagioclase à la surface de la Terre et lors de l'injection du CO2 à proximité de la surface dans le cadre des efforts de stockage du carbone. Les résultats obtenus indiquent, bien que les vitesses de précipitation de la gibbsite soient relativement rapides, que la vitesse de précipitation relativement lente de la kaolinite peut être le processus contrôlant la formation de ce minéral à la surface de la Terre. Cette observation souligne la nécessité de poursuivre la quantification de la précipitation de ce minéral secondaire aux conditions typiques de la surface de la Terre. En outre, comme les proportions des différents métaux divalents libérés par les basaltes cristallins varient sensiblement avec le pH, la carbonatation des basaltes doit produire un changement systématique de l'identité des minéraux carbonatés et des zéolites précipités en fonction de la distance au puits d'injection. Cette dernière conclusion pourra être directement testée dans le cadre du projet CarbFix actuellement conduit à Hellisheiði en Islande.