Frontières en Sciences de la Terre

Introduction

Actuellement, près de 400 lacs individuels ont été documentés sous les calottes glaciaires de l’Antarctique, les types de lacs  » statiques  » et hydrologiquement actifs, à écoulement continu, ayant été définis (Smith et al., 2009; Wright et Siegert, 2012). Le lac Vostok se situe entre 76° et 79 ° S et 100 ° à 107 ° E et est une source de grand intérêt depuis la documentation de sa profondeur par Kapitsa et al. (1996). Le lac Vostok, d’une longueur d’environ 260 km et d’une largeur de 50 km, est le plus grand des lacs sous-glaciaires. Le lac a une profondeur d’eau supérieure à 500 m et il se trouve sous environ 4 km de glace (Siegert et al., 2011). Les estimations de l’âge du lac suggèrent qu’il pourrait exister depuis environ 14 Ma, tandis que l’âge de l’eau est estimé à environ 1 Ma (Siegert et al., 2011). Le forage de la carotte de glace de Vostok a permis de récupérer plus de 200 m d’eau lacustre accumulée sous la glace glaciaire d’origine météorique (Jouzel et al., 1999). D’autres travaux ont permis d’établir qu’il existe deux types distincts de glace d’accrétion (Type 1 et Type 2), le type 1 contenant des particules abondantes, ou « inclusions » (3539-3609 m de profondeur), et la glace plus profonde, de type 2, plus proche du niveau actuel du lac (3610-3623 m de profondeur) étant absente de particules (De Angelis et al., 2004). De Angelis et coll. (2004) ont fait valoir que la glace de type 1 s’est formée à partir de l’eau du lac dans un amas peu profond avec des sédiments de lac érodables, tandis que la glace de type 2 a été produite dans des parties plus profondes du lac où l’accès aux sédiments était minime.

Peu de tentatives ont été faites pour échantillonner directement des environnements sous-glaciaires en Antarctique et la glace d’accrétion du lac Vostok offre un aperçu des processus biogéochimiques se produisant sous la calotte glaciaire antarctique (Wadham et al., 2010). Depuis la découverte initiale de la glace d’accrétion du lac, de nombreux chercheurs ont analysé des morceaux/sections de cette glace d’accrétion pour leurs caractéristiques biologiques, biogéochimiques, géochimiques et minéralogiques (p. ex., Priscu et al., 1999; Souchez et coll., 2000; Simones et coll., 2002; Royston-Bishop et coll., 2005; Bulat et coll., 2009; Leitchenkov et coll., 2015). Des travaux récents incluent également l’analyse de l’eau du lac recongelée et des particules qui y sont associées (Leitchenkov et al., 2015; Lipenkov et coll., 2015). Comme les eaux du lac n’ont toujours pas été échantillonnées directement, la chimie du lac et les processus qui le contrôlent doivent encore être déduits de l’analyse de la glace d’accrétion. Cependant, pour y parvenir, il faut tenir compte des hypothèses concernant le rejet/le cloisonnement du sel pendant la formation de la glace, la nature de la géochimie sous-jacente et des processus qui la contrôlent, la variation à long terme de la taille du lac et d’autres questions (Siegert et al., 2011). En raison de ces nombreuses inconnues, des interprétations différentes des données géochimiques / minéralogiques de la glace d’accrétion ont été faites (Laybourn-Parry et Wadham, 2014). Par exemple, il y a eu un débat rigoureux sur les rôles de l’influence hydrothermale des eaux du lac, de l’altération chimique et de l’hydrolyse des matériaux du bassin du lac, de l’altération in situ des particules et de la dissolution des matériaux évaporitiques comme sources de solutés majeurs dans les eaux du lac (Jean-Baptiste et al., 2001; Souchez et coll., 2003; De Angelis et coll., 2004). De plus, on ignore actuellement si les particules présentes dans la glace d’accrétion de type 1 proviennent d’endroits situés dans le bassin du lac ou de la fonte de la glace du glacier (Souchez et al., 2000; Royston-Bishop et coll., 2005). Christner et coll. (2006) ont prédit à partir de l’analyse de la glace d’accrétion, une gamme d’ions majeurs dissous totaux (TDS) dans l’eau du lac, allant de ~ 50 mM dans l’embayement peu profond à aussi peu que ~ 2 mM pour les parties plus profondes du lac. Cela contraste avec les estimations précédentes de concentrations d’eau d’embaiment de ~ 2 mM par Priscu et al. (1999) et Siegert et al. (2003).

Il est clair qu’après plus de 15 ans à compter de la publication des articles originaux sur les analyses de la glace d’accrétion, il n’y a pas de consensus sur la composition des eaux du lac ni sur la source de la matière particulaire dans la glace. Outre le potentiel d’échantillonnage direct de l’eau du lac, d’autres approches sont nécessaires pour évaluer la géochimie du lac. Dans cet article, nous présentons des données isotopiques du strontium provenant d’un échantillon de glace d’accrétion de type 1 afin de fournir de nouvelles informations sur la source des solutés dans les eaux du lac, et donc de mieux contraindre les processus contrôlant la géochimie / minéralogie du système.

Méthodes et résultats

Un échantillon de 3548 m de profondeur, considéré comme de la glace d’accrétion de type 1 (De Angelis et al., 2004) a été traitée dans des conditions propres à l’Université d’État du Montana en utilisant les techniques décrites par Christner et al. (2006). Après avoir nettoyé l’échantillon, il a été placé dans un récipient en téflon pré-nettoyé et transporté à l’Université d’État de l’Ohio. Le traitement à l’OSU a été effectué dans une hotte propre à pression positive de classe 100 où l’échantillon de glace fondue a été filtré à travers un filtre à membrane nuclépore de 0,4 µm. Une aliquote du filtrat a été analysée pour les cations et anions majeurs à l’aide d’un chromatographe ionique Dionex suivant les méthodes de Welch et al. (2010), bien qu’une grande boucle d’échantillon d’environ 350 µl ait été utilisée pour améliorer la sensibilité de la méthode. La précision des principales mesures d’ions déterminées par la différence de l’analyse en double était < 1 % pour tous les analytes, à l’exception du Ca2+, qui était de 2 %. Une autre aliquote a été traitée dans une salle blanche de classe 100 où des sous-échantillons ont été enrichis de 84Sr pour les mesures du rapport isotopique Sr. Le Sr a été isolé par chromatographie avec des niveaux totaux d’ébauche de < 1%. Les sous-aliquotes (5 de volume variable) ont donné des résultats analytiquement indiscernables, la moyenne des deux analyses les plus fiables donnant un rapport 87Sr/ 86Sr de 0,71655 ± 0,00011 et une concentration totale de Sr dissous de 1,036 ± 0.005 µg kg- 1. Toutes les données sont présentées dans les tableaux 1 et 2.

TABLEAU 1
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Tableau 1. Comparaison des concentrations de 87Sr/ 86Sr et de Sr et de Ca de la glace d’accrétion de type 1 du lac Vostok (ce travail) avec des matériaux sélectionnés résumés dans le texte.

TABLEAU 2
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Tableau 2. Concentrations de cations et de Cl mesurées dans l’échantillon de glace d’accrétion de Vostok 3548 m.

Discussion et conclusions

Le rapport 87Sr/86Sr dans la glace d’accrétion de type 1 est interprété comme représentant la signature isotopique Sr de l’eau du lac à partir de laquelle elle a gelé. Le rapport massique Ca/Sr mesuré dans la glace d’accrétion filtrée est de 219 (Tableau 1). Les concentrations d’ions dissous dans la glace peuvent être fortement influencées par les différences de leurs coefficients de partage respectifs. Par exemple, des expériences dans des solutions pauvres en solutés ont démontré que le partitionnement des ions divalents dans la glace est lié à la taille ionique avec Ca2+ étant ~3x > Sr2+ (Killawee et al., 1998) avec une fourchette de 1,5 à 5 en fonction de l’incertitude des résultats expérimentaux. Compte tenu de cette différence dans les coefficients de ségrégation expérimentaux de Killawee et al. (1998) le rapport massique Ca/Sr dans l’eau du lac est estimé à ~ 70 avec une plage de ~ 44 à 146 en fonction de l’incertitude des coefficients de partage. En utilisant les données Ca de De Angelis et al. (2004) et les données Sr de Gabrielli et al. (2005) à partir des sections météoriques les plus basses du noyau de glace de Vostok, on obtient un rapport massique moyen Ca/Sr de ~190. La comparaison de ces données suggère un afflux de Sr dans le lac provenant d’une autre source que la simple fonte de la glace des glaciers.

L’analyse de la « poussière » éolienne de la carotte de glace de Vostok elle–même a donné des valeurs de 87Sr/86Sr dans la plage de 0,708047-0.711254 (Basile et coll., 1997; Delmonte et coll., 2004), qui est clairement beaucoup moins radiogène que la valeur de la glace d’accrétion de type 1. Par conséquent, l’altération in situ des particules dans la glace glaciaire elle-même ne peut pas être la seule source manquante de Sr dans la glace d’accrétion, et donc dans l’eau du lac. Gabrielli et coll. (2005) ont démontré qu’entre 20 et 40% de la Sr dans la glace de Vostok provient d’une contribution des aérosols marins, le pourcentage le plus élevé provenant des périodes interglaciaires. Si nous supposons que 40% du Sr dissous dans l’eau du lac provient de la source marine, qui a un rapport 87Sr / 86Sr maximal de 0,7092, les 60% restants du Sr devraient avoir un rapport de ≈ 0,72150. Cette valeur serait moins radiogène, si la contribution de la source marine était plus faible ; c’est-à-dire à 20%, la source Sr manquante aurait un rapport de ≈ 0,718. On pense que le lac Vostok existe depuis que la calotte glaciaire a été à l’échelle continentale, au moins 14 millions d’années (Siegert et al., 2001). Le rapport isotopique marin 87Sr / 86Sr a varié au cours de cette période, allant de ~ 0.708 à ~ 0,709 (McArthur et Howarth, 2004), mais elle n’a jamais été supérieure à la valeur moderne. Par conséquent, notre calcul est basé sur la valeur maximale pour la composition 87Sr / 86Sr de l’eau de mer. Une source plus radiogène de Sr est nécessaire pour expliquer le rapport isotopique de Sr obtenu à partir de la glace d’accrétion. Cette source plus radiogène doit provenir de l’altération chimique des matériaux géologiques dans le bassin du lac lui-même.

Les roches crustales continentales peuvent avoir une large gamme de composition isotopique Sr (Faure et Powell, 1972). À titre de référence, les ratios 87Sr/ 86Sr pour divers types de roches trouvés dans les vallées sèches de McMurdo, en Antarctique, varient d’environ 0,705 à 0,750, certains écarts minéraux étant beaucoup plus élevés (Lyons et al., 2002). En général, les roches felsiques sont enrichies en K+ et Rb+, et ont donc plus de 87Sr radiogéniques à partir de la désintégration de 87Rb. La composition isotopique Sr de la lithologie du lit du lac n’est pas connue.

Les principales données sur les ions soutiennent également l’idée d’une contribution chimique à l’altération des cations du bassin du lac. Si nous supposons que tout le Cl-présent provient d’une source marine / aérosol, nous pouvons utiliser le rapport cation / Cl de l’eau de mer pour calculer la contribution de l’altération chimique pour les cations dans l’échantillon. Cela conduit à des concentrations dues à l’altération chimique de 5,2 µM Na +, 0,7 µM K +, 3,5 µM Mg2 + et 5,3 µM Ca2 +. Les rapports molaires Mg/Na et Ca/Na placent cette composition au milieu des valeurs représentatives des grands fleuves mondiaux (Gaillardet et al., 1999).

L’Antarctique oriental est considéré comme un craton plutôt stable qui s’est initialement formé au Précambrien. Travaux récents de Leitchenkov et al. (2015) soutient cette notion car les zircons et les monazites dans les amas de roches sédimentaires de la glace de lac ont donné des âges de 0,6 à 2,0 Ga, avec deux amas distincts de 0,8–1,15 et 1,6–1,8 Ga. Les études géophysiques indiquent qu’il y a un manque de sédiments recouvrant les roches du sous-sol, ce qui annule l’idée que le bassin est un rift mésozoïque tel que proposé à l’origine (Leitchenkov et al., 2015). Les données géophysiques suggèrent également l’absence de volcanisme actuel ou d’autre activité magmatique associée au lac, et un faible flux de chaleur est compatible avec un âge crustal de 800 Ma ou plus (Studinger et al., 2003). Nos données 87Sr / 86Sr indiquent qu’une source primaire de Sr, et peut-être d’autres solutés dans le lac, est l’altération chimique des minéraux aluminosilicates dans le bassin du lac.

En comparaison avec la géochimie de l’eau drainant l’ancien craton continental, les données des rivières drainant les bassins versants du Bouclier canadien donnent des rapports 87Sr/86Sr compris entre 0,7346 et 0.7517 et rapports massiques Ca/Sr de ≈ 430 à ≈ 480 (Millot et al., 2003). Cependant, Blum et Erel (1997) ont démontré la solubilisation préférentielle du 87Sr dans les premiers stades de l’altération des dépôts glaciaires. Ainsi, nous interprétons les valeurs intermédiaires que nous avons mesurées (entre le Bouclier canadien et l’eau de mer) pour refléter la plus longue durée de contact de l’eau avec ces matériaux de bassin très anciens. Cet argument est également soutenu en partie par les types de minéraux trouvés sous forme d' »inclusions » dans la glace d’accrétion de type 1. Christner et coll. (2006) ont signalé la présence de biotite, de feldspath potassique, de plagioclase et de quartz dans la glace d’accrétion et une partie de la biotite semblait être écrasée par la glace (Priscu et al., 1999). La signature isotopique Sr dérivée de la dissolution de minéraux tels que le mica pourrait être responsable des valeurs 87Sr/86Sr dans la glace d’accrétion de type 1. Anderson et coll. (1997) ont clairement démontré que les bassins versants qui ont été glaciés ont tendance à avoir un Ca2+ et un K+ dissous relativement plus élevés dans leurs eaux de drainage en raison du broyage et de la dissolution préférentielle de la calcite et de la biotite. La valeur 87Sr / 86Sr soutient clairement l’idée que plus de composants minéraux felsiques, ceux associés à la croûte continentale, sont une source majeure de Sr et probablement d’autres cations dissous dans les eaux du lac. Ces données soutiennent l’idée que l’altération des minéraux aluminosilicates est une source majeure de solutés dans les eaux du lac Vostok, comme le suggéraient initialement Wadham et al. (2010). On ne sait toujours pas si cette altération se produit principalement lorsque des particules sont en suspension dans le lac, ou sous forme de sédiments sur le fond du lac, ou à partir de l’altération des roches du sous-sol. Les travaux futurs devraient inclure une étude de la géochimie des particules dans la glace d’accrétion ainsi que l’analyse des isotopes Sr dans la glace d’accrétion de type 2 afin de limiter davantage la source des cations vers le lac.

Contributions des auteurs

WL est le chef de file de cette étude. WL, JP et MT. conçu de la recherche et des idées fondamentales qui la sous-tendent. GR et KW assistés pour le traitement des échantillons. KW a effectué une analyse ionique. Tous les auteurs ont apporté des idées et ont aidé à la rédaction et à l’édition du manuscrit.

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par les subventions de la National Science Foundation des États-Unis NSF 0085400 et NSF 0237335 à JP, et la bourse d’études NERC britannique NER/S/A/2002/10332 à GR. De plus, les analyses isotopiques du Sr ont été effectuées dans le laboratoire du Dr K. A. Foland à OSU avec le soutien de la subvention NSF EAR-0127546. Nous sommes reconnaissants à K. A. Foland et J. S. Linder pour effectuer l’analyse isotopique. Nous remercions toutes les personnes impliquées dans le traitement des carottes de glace, le nettoyage, etc. surtout le Dr Brent Christner. Nous remercions trois critiques de ce manuscrit dont les commentaires et les conseils ont grandement clarifié et amélioré notre prose.

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Wright, A., et Siegert, M. (2012). Un quatrième inventaire des lacs sous-glaciaires de l’Antarctique. Antarctique. Sci. 24, 659–664. doi: 10.1017/S095410201200048X

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