The dissolved oxygen concentration has progressively decreased in the bottom water of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) during the last century and reached the severe hypoxic threshold ([O2] < 62.5 µmol L-1) in the 1980s where it has hovered ever since. This thesis investigates the causes and impacts of the large-scale persistent hypoxia in the bottom water of the LSLE, using multidisciplinary tools. The causes were identified, by examining the processes governing the oxygen distribution in the water column, using a two-dimensional advection-diffusion model representing the transport of oxygen in the bottom water along the Laurentian Channel (Gulf of St. Lawrence, Canada). The impacts of persistent hypoxia were highlighted on modifications of sediment chemistry, more specifically by the diagenetic response of three redox-sensitive elements, Mn, Fe, and As, as well as on the fluxes of nutrients and metabolites across the sediment-water interface. Results of numerical simulations revealed that the oxygen distribution in the water column is governed by the combination of physical and biogeochemical processes, but its vertical distribution is mostly controlled by the deep-water circulation. In other words, the vertical distribution is much more sensitive to variations in physical than biogeochemical processes, and oxygen conditions at the continental shelf edge, where Laurentian Channel bottom waters originate, are mostly responsible for the establishment of hypoxia in the Lower Estuary. Whereas the concentrations and vertical distributions of sedimentary Mn phases seem to adjust rapidly to the progressive depletion of oxygen in the overlying waters and remained at steady-state since the 1980s, the development and persistence of hypoxia strongly modified the chemistry of Fe and As in LSLE sediments. The lower overlying-water oxygenation increased the proportion of organic matter that is oxidized by anaerobic pathways in the sediments, which contributed to increase the proportion of dissolved and solid reactive phases of Fe and As. The greater availability of reactive Fe and As phases restricted the formation of pyrite, which, in turn, limited the sequestration of As with pyrite, increasing the availability of this potentially toxic trace element to benthic organisms. Despite the accumulation of Fe and As in sedimentary reactive phases over the past 25 years, it has not significantly modified their fluxes across the sediment-water interface, and their sequestration within the sediment is maintained. / La concentration d'oxygène dissous dans l'eau de fond de l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL) a progressivement diminué au cours du siècle dernier, pour atteindre, dans les années 1980, le seuil de l'hypoxie sévère ([O2] < 62.5 µmol L-1) autour duquel elle a fluctué depuis. Cette thèse examine, à l'aide d'outils multidisciplinaires, les causes et les impacts de l'hypoxie persistante à grande échelle dans l'EMSL. Les causes sont identifiées à l'aide d'un modèle d'advection-diffusion à deux dimensions représentant le transport d'oxygène dissous dans l'eau de fond le long du Chenal Laurentien (Golfe du Saint-Laurent, Canada). Les impacts de l'hypoxie persistante sont illustrés par les modifications de la chimie du sédiment, notamment par la réponse diagénétique de trois éléments redox-sensibles, le Mn, le Fe et l'As, ainsi que sur les flux de nutriments et métabolites à l'interface eau-sédiment. Les résultats des simulations numériques révèlent que la distribution de l'oxygène dissous dans la colonne d'eau est gouvernée par une combinaison de processus physiques et biogéochimiques, mais sa distribution verticale dépend principalement de la circulation de la masse d'eau de fond. En d'autres termes, la distribution verticale de l'oxygène dissous dans le chenal est beaucoup plus sensible aux variations physiques que biogéochimiques et le niveau d'oxygénation à la limite du plateau continental, d'où la masse d'eau de fond provient, est principalement responsable de l'établissement de l'hypoxie dans l'EMSL. Tandis que les concentrations et distributions verticales des phases sédimentaires du Mn semblent s'être rapidement ajustées à la diminution progressive d'oxygène dans les eaux surnageantes et être restées à l'état stationnaire depuis les années 80, le développement et la persistance de l'hypoxie ont fortement modifié la chimie du Fe et de l'As dans les sédiments de l'EMSL. La diminution de l'oxygénation des eaux surnageantes aurait augmenté la proportion de matière organique métabolisée sous des conditions anaérobiques, contribuant à augmenter la proportion des phases réactives solides et dissoutes du Fe et de l'As. La plus grande disponibilité des phases réactives du Fe et de l'As a restreint la formation de pyrite authigène, qui, par conséquent, a limité la séquestration de l'As avec celle-ci, augmentant la disponibilité de cet élément potentiellement toxique aux organismes benthiques. Malgré l'accumulation du Fe et de l'As dans les phases sédimentaires réactives au cours des dernières 25 années, leur flux à l'interface eau-sédiment n'a pas été modifié significativement, maintenant ainsi l'efficacité de leur puits sédimentaire, pour le moment.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107797 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Lefort, Stelly |
| Contributors | Alfonso Mucci (Supervisor1), Bjorn Sundby (Supervisor2), Yves Gratton (Supervisor3) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Earth and Planetary Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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