L'océan Austral est connu pour être la plus vaste zone "High-Nutrient, Low-Chlorophyll" de l'océan mondial. Bien que les concentrations en nutriments (nitrate, phosphate, silicate) soient élevées, le développement du phytoplancton est paradoxalement limité principalement par les faibles concentrations en fer (Martin et al. 1990). Les archipels de Crozet et des Kerguelen, situés dans le secteur Indien de l'océan Austral, constituent deux obstacles topographiques important à l'écoulement vers l'Est du Courant Circumpolaire Antarctique. L'interaction du courant avec les sédiments des plateaux peu profonds alimente en fer les eaux en aval de ces îles, générant ainsi d'importants blooms phytoplanctoniques (Blain et al. 2007, Pollard et al. 2007). Ceux-ci constituent des laboratoires uniques à ciel ouvert pour étudier la réponse des écosystèmes et l'impact de la fertilisation naturelle en fer sur les cycles biogéochimiques.
Dans le cadre du projet KEOPS-2, nous avons utilisé les isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra and 228Ra) qui constituent de puissants outils pour étudier la circulation océanique et le mélange. Ces quatre isotopes ont des périodes de demi-vies allant de quelques jours à plus d'un millier d'années et sont produits par la décroissance radioactive du thorium dans le sédiment. Ils sont apportés à l'océan par des processus de diffusion et d'advection où ils se comportent comme des traceurs conservatifs de telle manière que la masse d'eau garde la signature de son contact avec les sédiments. Par conséquent, nous avons utilisé les isotopes du radium pour (i) tracer les origines et la dispersion des éléments chimiques libérés par les sédiments - y compris le fer - et (ii) estimer les échelles de temps du transite des eaux de surface depuis les plateaux continentaux vers les eaux du large. Nous avons comparé les informations acquises avec les isotopes du radium avec les informations issues d'outils physiques (drifters de surface et modèle Lagrangian dérivé de l'altimétrie).
Premièrement, l'utilisation de ces trois méthodes indépendantes dans la région de Crozet - géochimiques et physiques - nous a permis de valider leur utilisation. Deuxièmement, nous avons montré que le panache de phytoplancton associé aux Iles Crozet est alimenté par deux différentes trajectoires d'eau qui ont interagi avec soit le plateau ouest soit le plateau est. Troisièmement, cette approche couplée physique-géochimique a également été utilisée dans la région des Kerguelen et nous a aidé à contraindre l'origine de la fertilisation en fer dans cette zone. L'observation des activités de 223Ra et 224Ra dans les eaux de surface à l'est des Iles Kerguelen indique que ces eaux ont récemment interagi avec les sédiments peu profonds. La variabilité spatiale de ces isotopes en surface au sud du PF suggère que le passage des eaux et des éléments chimiques à travers ou via le PF peut varier à la fois spatialement et temporellement. Cette voie constituerait un mécanisme de fertilisation en fer et autres micronutriments du bloom phytoplanctonique à l'est des Iles Kerguelen. Le PF n'agirait donc pas comme une barrière physique aussi forte qu'on le pensait, pour les masses d'eau et les éléments chimiques. Ces résultats pourraient également s'appliquer dans d'autres systèmes de fronts de l'océan mondial. Finalement, nous avons regardé les distributions de 226Ra et de baryum (Ba) au large des iles Crozet et Kerguelen dans le but de fournir des contraintes supplémentaires sur la circulation locale. En particulier, nous avons observé des variations temporelles des rapports 226Ra/Ba dans la phase dissoute. Parmi les hypothèses potentielles, on peut évoquer (i) un changement de la circulation ou (ii) un impact des processus biologiques sur les concentrations de Ra et Ba dans la phase dissoute.
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The Southern Ocean is known to be the largest High-Nutrient, Low-Chlorophyll region of the global ocean. While nutrient concentrations (nitrate, phosphate, silicate) are high, the phytoplankton development is paradoxically limited mostly because of the dissolved iron concentrations of the Southern Ocean waters (Martin et al. 1990). The Crozet and Kerguelen Archipelagos, located in the Indian sector of the Southern Ocean, constitute two major topographic obstacles to the eastward-flowing Antarctic Circumpolar Current. The interaction of the current with the sediments of the shallow Crozet and Kerguelen plateaus contributes to the supply of iron downstream of these islands, thus leading to large phytoplankton blooms in these regions (Blain et al. 2007, Pollard et al. 2007). These phytoplankton blooms constitute unique open-air laboratories to study the response of the ecosystems and the impact on biogeochemical cycles to natural iron fertilization.
In the framework of the KEOPS-2 project, we used radium isotopes (223Ra, 224Ra, 226Ra and 228Ra) that are powerful tools to study the ocean circulation and mixing. These four natural occurring isotopes display half-lives ranging from a few days to thousands of years and are produced by the decay of particle-bound thorium isotopes in sediments. They are delivered to the open ocean by diffusion and advection processes where they behave as conservative tracers in such a way that the water body keeps the signature of its contact with the sediments. Therefore, we used Ra isotopes to (i) investigate the origin and the dispersion of the sediment-derived inputs - including iron - and (ii) to estimate the timescales of the transfer of surface waters between the shelf and offshore waters. We compared the Ra dataset with data acquired using physical tools (surface drifters and Lagrangian model derived from altimetry).
Firstly, the use of three independent methods in the Crozet region - including geochemical and physical methods - allowed us to validate each method. Secondly, we show that the Crozet Island phytoplankton plume is fed by two different flows of water that interacted with either the western plateau or the eastern plateau. Thirdly, this physical-geochemical coupled approach was also used in the Kerguelen region and helped us to constrain the origin of the iron fertilization in that area. The observation of 223Ra and 224Ra in surface waters east of the Kerguelen Islands, south of the polar front (PF), indicates that these waters have recently interacted with shallow sediments. The spatial variability observed in the 223Ra and 224Ra distribution in surface waters south of the PF suggests that the input of waters and associated chemical elements across or via the PF – potentially driven by wind stress or eddies – act as sporadic pulses that may highly vary in both space and time. This pathway may thus constitute a mechanism that contributes to fertilizing the phytoplankton bloom with iron and other micronutrients east of the Kerguelen Islands. This finding also suggest that the PF may not act as a strong barrier for surface waters and associated chemical elements, a finding that may also apply for other frontal systems of the world's ocean. Finally, we investigated the 226Ra and barium (Ba) distributions offshore from the Crozet and Kerguelen islands, with the aim to provide additional constraints on the circulation patterns in this area. In particular, we observed temporal changes in the dissolved 226Ra/Ba ratios. Among potential hypothesis, one can invoke (i) changes in the circulation patterns or (ii) the impact of biological processes on the dissolved Ra and Ba concentrations.
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