La géochimie des lacs ou l'eau qui dort .... peu !

Eric Viollier, PhD et G. Sarazin, PhD, Laboratoire de Géochimie des Eaux

Vous vous êtes probablement déjà promené au bord d'un lac ou d'un étang. Vous gardez en mémoire l'image d'une vaste étendue d'eau calme et vous vous souvenez, comme si c'était hier, de cette atmosphère propice à la méditation. Réveillez-vous ! Vous avez devant vous une " usine " naturelle des plus performantes. Et comme dans tout procédé de fabrication ou de traitement, des " déchets " y sont produits en permanence. Ils constituent en fait les sédiments (la vase) qui s'accumulent au fond des lacs, de quelques fractions de millimètre à quelques centimètres par an. Ces sédiments enregistrent en permanence les changements des conditions de l'environnement (changement atmosphérique, érosion du bassin versant, changement de végétation, contamination accidentelle, etc.) Et des milliers ou des millions d'années plus tard, ils feront le bonheur des chercheurs en Sciences de la Terre qui les analyseront pour tenter de découvrir l'environnement du passé.

Entrée en matière ...

Figure 1 : Lac Nyos (Cameroun) ©M. Halbwachs

Vous vous êtes probablement déjà promené au bord d'un lac ou d'un étang. Vous gardez en mémoire l'image d'une vaste étendue d'eau calme et vous vous souvenez, comme si c'était hier, de cette atmosphère propice à la méditation. Réveillez-vous ! Vous avez devant vous une " usine " naturelle des plus performantes. Et comme dans tout procédé de fabrication ou de traitement, des " déchets " y sont produits en permanence. Ils constituent en fait les sédiments (la vase) qui s'accumulent au fond des lacs, de quelques fractions de millimètre à quelques centimètres par an. Ces sédiments enregistrent en permanence les changements des conditions de l'environnement (changement atmosphérique, érosion du bassin versant, changement de végétation, contamination accidentelle, etc.) Et des milliers ou des millions d'années plus tard, ils feront le bonheur des chercheurs en Sciences de la Terre qui les analyseront pour tenter de découvrir l'environnement du passé.

Processus de transformation

Figure 2 :Colonies de Microcystis (x400)

Les quantités de matières en solution et en suspension qui sont transportées vers un lac sont très sensibles à la pluviosité et par conséquent, varient au cours du temps. L'énergie primaire transmise à cette usine est l'énergie solaire directe (absorption des radiations lumineuses) ou indirecte (énergie mécanique du vent). Dans certains cas, le flux de chaleur provenant du sous-sol (causé par le gradient géothermique local) constitue un apport important. Ces contributions énergétiques changent également au cours des saisons. Quand énergie et matière se combinent de façon optimum, l'usine se met en route. Les réactions qui s'y produisent sont dominées par les processus biologiques :

- tout d'abord, la photosynthèse des molécules constitutives du plancton végétal, encore appelé phytoplancton. C'est l'étape dite de production primaire.
- ensuite la dégradation (ou minéralisation) de cette matière organique fraîchement élaborée.

La photosynthèse

Figure 3 :\"Bloom\" de Microcystis photographié depuis la rive du lac de Villerest (Loire). On notera la teinte très prononcée de l'eau.

Le développement en surface de micro-algues se fait par l'action des radiations solaires à partir des composés minéraux dissous essentiels :
- des nutriments comme les phosphates, les nitrates et le gaz carbonique dissous
- des oligo-éléments comme le zinc, le molybdène ou le fer.

Il mène à la production in situ d'oxygène dissous caractéristique de la photosynthèse. Elle est accompagnée d'une élévation du pH. Un litre d'eau peut contenir, en période d'efflorescence ou "bloom" jusqu'à 108 cellules de micro-algues de différentes espèces dont certaines sont capables de produire des toxines (Figs 2 et 3). Le développement exagéré et chronique de ces organismes, le plus souvent lié à un excédent de phosphates, traduit un état du lac dit " eutrophe ".

Cette série de forages a fourni des données très précieuses pour la pétrologie magmatique. Combinée avec des expériences de pétrologie expérimentale en laboratoire, elle a permis de retracer l'histoire dynamique de la cristallisation et de la différenciation en mettant en évidence des mouvements de liquides et de cristaux à l'intérieur du lac.

Les grandes étapes de la diagenèse précoce

Figure 4 : Lac Pavin (Massif Central)

- La dégradation aérobie

La durée de vie d'une cellule algale est de l'ordre de la semaine ; les algues mortes sédimentent ensuite dans la colonne d'eau où des micro-organismes, les bactéries, vont minéraliser (ou décomposer) cette matière organique, en consommant de l'oxygène (on parle alors de métabolisme aérobie). Dans les pays industrialisés, on trouve de plus en plus de lacs où les eaux de fond sont complètement dépourvues d'oxygène, pendant des périodes de plus en plus longues et sur des hauteurs d'eau de plus en plus élevées. Ce phénomène saisonnier est connu par le grand public sous le nom d'" eutrophisation " des systèmes aquatiques. Une matière organique plus réfractaire s'accumule à la surface du sédiment. Si la production primaire est faible, la colonne d'eau reste bien oxygénée et c'est mieux pour les poissons ! C'est seulement au niveau du sédiment que l'oxygène disparaît, là où la concentration de substrat organique et l'activité bactérienne deviennent naturellement très importantes. Quand la production primaire est intense, l'oxygène disparaît des eaux de fond. Il existe même des lacs, comme le lac Pavin en Auvergne, qui, en raison d'une géométrie particulière, ont des eaux de fond constamment dépourvues d'oxygène (fig 4).

- La dégradation anaérobie

Au fond du lac, les bactéries anaérobies, vont faire démarrer le second réacteur de notre usine lacustre : elles sont capables de " respirer " non plus l'oxygène dissous dans l'eau et qui a disparu, mais des nitrates, des oxydes de fer et de manganèse ou des sulfates.

- La fermentation

Lorsque tous ces " substrats " ont été utilisés, au cours d'un " repas " dont l'ordre n'est pas quelconque et s'il reste encore de la matière organique à consommer, notre troisième réacteur va démarrer : c'est la fermentation. Cette fois, des bactéries particulières achèvent ce processus de dégradation en transformant les derniers cadavres en gaz carbonique et en méthane. Ce dernier venu, c'est le " gaz naturel " qui alimente nos cuisinières ; il est peu soluble dans l'eau et il va progressivement se dégager dans l'atmosphère, et contribuer ainsi à l'"effet de serre ". Si votre flânerie au bord du lac se prolonge au cours d'une chaude nuit d'été, vous aurez peut-être la chance d'apercevoir un " feu follet ", qui n'est rien d'autre que la combustion spontanée du méthane !

Le traitement des "déchets"

Les voies de la minéralisation anaérobie et la fermentation sont moins efficaces et une matière organique mieux préservée, arrive au niveau du sédiment. Ces composés organiques continuent à être lentement dégradés dans les premiers centimètres de sédiment, tant et si bien qu'il ne subsiste finalement que quelques % du carbone organique issu de la photosynthèse. C'est ce type de signal résiduel, enfoui dans les sédiments continentaux ou marins, que les chercheurs doivent déchiffrer, afin de remonter le cours du temps et obtenir une information concernant les environnements du passé. Ce que l'on a considéré d'emblée comme les " déchets " de notre usine lacustre se révèle être en fait scientifiquement inestimable.

En résumé, un lac aura "traité" des millions de m3 d'eau, en l'épurant efficacement d'une grosse part des phosphates responsables de l'eutrophisation ainsi que d'autres substances indésirables, comme les " métaux lourds ", incorporés dans le phytoplancton. Ce dernier, une fois mort, reste stocké dans le sédiment où il subit une lente transformation, dont beaucoup de détails restent à découvrir.

Mots Clés : lac, environnement, cratère, eutrophisation, algues, cyanobacteries, polluant, hydrologie

Editeur : G. Brandeis