Vincent FAURE
2ème année à l’ENSTA
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Vincent FAURE 2ème année à l’ENSTA |
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Rapport de P.P.L
Eutrophisation en zones côtières à échanges limités : mission Modelfos 2
au Centre d’Océanologie de Marseille,
sous la direction de Christian Grenz
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A l’attention de Laurent Mortier, Responsable de stage. |
Juin 2001 |
Sommaire
Introduction
*1. Mission océanographique : MODELFOS 2
*1.1. Présentation
*1.1.1. Le centre d’océanologie de Marseille
*1.1.2. Projet Européen OAERRE
*1.1.3. Objectifs
*1.1.4. Le site d’étude : golfe de fos
*1.2. Outils de mesure
*1.2.1. Le navire océanographique : Tethys II
*1.2.2. Le carottier
*1.2.3. La " rosette " - CTD
*1.2.4. Le profileur benthique
*1.2.5. La bouée météo – les Courantomètres
*1.3. Différents domaines d’étude
*1.3.1. Biologie pélagique et chimie des nutriments
*1.3.2. Biologie benthique et chimie des sédiments
*1.3.3. Interface eau-sédiment
*1.4. Conclusion
*2. Résultats
*2.1. Récupération et traitement des données
*2.1.1. Calibrage des capteurs
*2.1.2. Données CTD
*2.2. Conditions météorologiques
*2.2.1. Constatations visuelles
*2.2.2. Vitesse du vent et température de l’air
*2.3. Données sur la station 24
*2.3.1. Courbes salinité
*2.3.2. Courbes température
*2.3.3. Turbidité
*2.3.4. Fluorescence
*2.4. Données bathysonde
*2.4.1. Graphes température-salinité-fluorescence d’une station
*2.4.2. Profils verticaux et horizontaux
*2.5. Compléments
*2.5.1. Profil d’oxygène à l’interface eau-sédiment
*2.5.2. Concentration en sels nutritifs
*3. Discussion
*3.1. Considérations hydrologiques
*3.2. Considérations biologiques
*3.3. Considérations à l’interface eau-sédiment
*3.3.1. Corrélation vent - remise en suspension
*3.3.2. Flux d’oxygène à l’interface
*3.4. Premières conclusions
*3.4.1. " bloom " printanier
*3.4.2. Perspectives
*Conclusion
*Bibliographie
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L’océanographie est un domaine que je viens de découvrir durant les modules électifs de ma 2ème année à l’ENSTA. C’est pour cette raison que j’ai décidé d’effectuer mon Projet Personnel en Laboratoire au sein d’une unité de recherche en Océanographie.
Mon choix s’est porté sur le Centre d’Océanologie de Marseille (COM), car on me proposait de participer à une mission en mer de 10 jours sur un navire océanographique. La possibilité de pouvoir effectuer à la fois des opérations en mer et en laboratoire me semblait importante dans le cadre de ce stage.
Mon PPL se décompose en 3 phases. Dans un premier temps, nous avons préparé la mission en mer : vérification du bon fonctionnement des instruments utilisés, inventaire et transport du matériel sur le site d’étude (Port Saint-Louis du Rhône )…La mission s’est ensuite déroulée du 9 au 18 mai. Puis retour au sein des locaux du COM : rangement du matériel, récupération puis traitement des différentes données.
Dans une première partie, la mission sera présentée : ses objectifs et les moyens mis en œuvre. La seconde partie traitera des résultats obtenus concernant deux instruments de mesure : une bouée météo, et une CTD ; des résultats obtenus par d’autres intervenants sur la mission viendront illustrer le rapport. Pour conclure, une ébauche de réflexion sur ces résultats sera proposée.
Le centre d’océanologie de Marseille est une école interne de l’Université de la Méditerranée et un Observatoire de l’Institut National des Sciences de l’Univers.
Il regroupe près de 200 personnes, sur deux sites principaux (la station marine d’Endoume et le Campus de Luminy), et sur une antenne à Toulon.
Les missions qu’il remplit sont les suivantes :
Il comprend des unités mixtes de recherche (Université de la Méditerranée / CNRS) :
Ainsi qu’une Unité Mixte de Service " Moyens communs du centre d’Océanologie de Marseille " et un service d’observation.
Mon stage s’est déroulé au sein du LOB, à la station marine d’Endoume.
La mission Modelfos s’inscrit dans un projet européen nommé OAERRE : Oceanographic Applications to Eutrophication in Regions of Restricted Exchange.
Ce projet vise à comprendre les processus physiques, biogéochimiques et biologiques, et leurs interactions, impliqués dans l’eutrophisation des zones marines à échanges restreints. Ces régions sont donc des zones côtières dont les échanges avec le large sont réduits par la configuration spatiale.
Différentes zones ont été choisies en Europe : les fjords de Scandinavie, les sea-loch d’Ecosse et Irlande, les baies et lagons du Portugal, les cotes méditerranéennes de l’Italie, Espagne et France, et les cotes sud de la Baltique. Chacune de ces zones présente des particularités bathymétriques, d’intensité d’apports continentaux et surtout de forçages climatiques et courantométriques (marées et vents) différents.
La première étape du projet consiste donc à collecter le maximum de données, à la fois physique et biologique, sur chacun des sites. Ces banques de données seront alors utilisées afin d’établir les paramètres régissant chaque domaine d’étude.
A terme, le but est de pouvoir représenter ces zones à l’aide de modèles " boite " simples pour l’eutrophisation et les aspects relatifs à la qualité de l’eau.
Les objectifs détaillés du projet sont donc :
La structure de base des modèles sera la même et une fois appliquée aux différents sites, cette méthode permettra d’établir un bilan biogéochimique complet des zones côtières européennes.
Le golfe de Fos est situé à l’Ouest de Marseille, sur la cote méditerranéenne. C’est une zone semi-fermée, dont la profondeur moyenne est de 8m. La partie ouest (anse de Carteau) est dédiée à l’aquaculture, tandis que la partie Nord-Est est bordée par des complexes petro-chimiques.
L’eau riche en nutriments du Rhône entre dans la baie par l’intermédiaire d’un canal, et parfois en longeant la cote Sud du golfe (they de la gracieuse) dès sa sortie du fleuve.
Les marées étant de faible amplitude, la principale source d’énergie cinétique provient des différents vents soufflant dans cette zone (Mistral et Vent d’Est essentiellement). Lorsque ces vents sont forts, des courants importants apparaissent, qui vident la baie, entraînant une re-suspension de la matière particulaire. En revanche, dans les périodes de calme, le golfe serait un piège à sédiments.
Ces fluctuations de haute et basse énergie font du golfe de Fos un environnement très variable.
24 stations ont été réparties au sein du Golfe. C’est au niveau de chacune de ces stations que les données seront collectées.
Figure 2 : Golfe de fos : répartition des stations
Outils de mesureLa mission Modelfos 2 a duré 10 jours, du 9 au 18 mai,.
L’ensemble des mesures ont été réalisées à l’aide d’un navire océanographique, basé à Port Saint-Louis du Rhône. En outre, un laboratoire a été installé dans un local à terre, près du port, afin de réaliser l’ensemble des manipulations biogéochimiques.
Les sorties étaient journalières. Cependant, un jour sur deux, des mesures et des prélèvements étaient effectuées de nuit.
Le navire océanographique : Tethys II
Figure 3 : Navire océanographique : Tethys II
Ce navire appartient à l’Institut national des sciences de l’univers (INSU-CNRS). Il est utilisé pour les missions côtières.
Il mesure 25 mètres, et dispose d’une vitesse de croisière de 10 nœuds. Sept hommes d’équipages sont présents à bord.
Il est équipé d’un portique arrière permettant la mise à l’eau des appareils, et de différents treuils électroporteurs.
En outre, toute une batterie d’appareils de mesures est installée : ADCP de coque, thermosalino, centrale météo…
Figure 4 : le carottier multi-tubes
C’est un appareil permettant de réaliser des carottes sédimentaires (cf. photos)
Le carottier utilisé est un multi-tubes ( 4 tubes ), dont le fonctionnement est entièrement mécanique. Sa mise à l’eau est effectuée à l’aide d’un treuil.
Son utilisation n’est pas évidente, et nécessite régulièrement plusieurs envois à la mer avant de remonter des carottes utilisables. En effet, les manipulations nécessitent une interface eau-sédiment claire et non turbide.
La rosette est un appareil permettant de récolter des échantillons d’eau à différentes profondeurs. En outre, une panoplie d’appareils de mesures permet de tracer des profils verticaux de la salinité, température, fluorescence, lumière…
Elle est suspendue à un câble electroporteur permettant une communication permanente avec le bord. Cette communication s’effectue au moyen d’un ordinateur portable : les données sont enregistrées directement sur le portable et la fermeture des bouteilles est commandée. La profondeur est calculée de deux façons : par la pression mesurée ou par le treuil.
Figure 6 : le profileur benthique
Ce profileur permet d’établir des profils d’oxygène, de pH et de résistivité à l’interface eau-sédiment, ainsi que dans le sédiment.
Il se compose d’un cylindre pressurisé contenant une unité centrale d’acquisition des données ; au bout de ce cylindre, 10 voies permettent de connecter des micro-électrodes, dont le diamètre ne dépasse pas 10μ
m ; ΰ l’autre extrιmité, une vis sans fin relie le cylindre à un moteur qui assure les déplacements du profileur. Le système est alimenté par une batterie assurant une autonomie de 54 heures à 20°C.Relié à un ordinateur, la centrale d’acquisition peut être programmé : longueur et sens de déplacements, résolution spatiale des mesures, temps d’attente et nombre de mesures à chaque pas. Pour donner un ordre de grandeur, la résolution spatiale la plus fine permet des mesures tous les 50μm.
Pour la mise à l’eau, le profileur est monté sur une structure métallique tripode, assurant la stabilité de l’ensemble. Deux modes de fonctionnement sont alors possibles :
Le mode autonome demande un programme de fonctionnement beaucoup plus long car la distance entre les électrodes et le fond n’est pas connu avec précision.
La finesse spatiale des mesures permet de mettre en évidence les gradients existants au niveau de l’interface. En outre, l’avantage important de ce type d’appareil est de pouvoir effectuer des mesures in-situ, et d’éviter tout artefact lié à l’échantillonnage.
La bouée météo permet d’effectuer des mesures temporelles en un point donné : vitesse du vent et température de l’air , ainsi que les profils de salinité et température de la colonne d’eau. En outre, deux capteurs de turbidité au niveau du fond ont été rajoutés.
La bouée est constituée d’un mat sur lequel sont disposés :
Un câble part de la bouée sur lequel sont fixés 6 capteurs : les 4 premiers sont des capteurs de salinité/température, et les deux derniers des turbidimètres.
Cependant, au cours de cette mission, nous avons réalisé un montage original, à l’aide de deux courantomètres. Voici une photo le représentant :
Figure 7 : Montage bouée + courantomètres
Le bout du câble de la bouée météo est fixé au bathy : au sein de ce bathy, deux courantomètres sont montés tête-bêche. Au niveau de chaque courantomètres, des capteurs de turbidité, placés sur le câble de la bouée météo, sont fixés sur les armatures du bathy. Le " mou " du câble est lové sur le bathy.
L’ensemble a été mouillé durant toute la durée de la mission au niveau de la station 24. Le mouillage a été réalisé à l’aide de 3 lests.
Ce montage devait permettre de coupler les mesures de courant dans la couche limite de fond, et les mesures de turbidité, afin de pouvoir étudier le phénomène de remise en suspension des sédiments. Malheureusement, au moment de l’écriture de ce rapport, les données des courantomètres n’ont toujours pas pu être récupérées.
Différents domaines d’étude Biologie pélagique et chimie des nutriments
L’étude de ce domaine se concentre sur les nutriments inorganiques, la matière particulaire dissoute, et le microplancton (organismes plus petits que 200
m m : phytoplancton, bactéries, et protozoaires).Les prélèvements d’eau se sont effectués à haute fréquence. Nous avons essayé chaque jour d’effectuer des mesures sur le plus grand nombre de stations.
Sur chaque station, les prélèvements se font en surface, fond, et profondeur intermédiaire.
L’analyse des prélèvements d’eau permettra de connaître les principales caractéristiques hydrobiologiques : sels nutritifs (nitrate, ammonium, silicate, phosphate), MOP, MOD, phytoplancton, oxygène.
Mais les processus clés sont ceux qui mettent en jeu la production pélagique et la respiration. L’étude de la production s’est effectuée sur uniquement 4 stations, étant donné le travail que cela représente.
La production est mesurée à partir d’incubations de prélèvements d’eau à l’aide de deux techniques :
Les incubations sont réalisées sur 4 niveaux d’éclairements (50%,25%,8%,1%).
L’étude s’est portée sur les stations de production. Elle se porte sur :
L’étude de l’interface concerne les flux d’oxygène et de sels nutritifs.
Deux méthodes sont utilisées pour l’oxygène :
Les mesures des processus de remise en suspension des particules sont réalisées à l’aide du montage à base de courantomètres détaillé ci-dessus. De plus, les carottes sont utilisées dans un courant à canal linéaire afin de quantifier les tensions critiques d’érosion et de sédimentation.
Ma participation à cette mission a été très variée. J’ai en effet manipulé l’ensemble des appareils de mesure énumérés ci-dessus. Le rythme a été très soutenu durant ces 10 jours du fait des mesures la nuit, mais l’ambiance à bord a toujours été très bonne.
La météo fut clémente, mis à part 2 jours de fort vent qui nous ont empêché d’effectuer la totalité de nos mesures ; cependant, ce vent nous permettra de mettre en évidence des caractéristiques du golfe de Fos.
Le traitement de l’ensemble des données d’une telle campagne est évidemment très long. Le travail que j’ai effectué à mon retour dans les locaux du COM a été de commencer le traitement des données provenant de la bouée météo, ainsi que de la CTD-rosette. Je présente en outre dans ce rapport des résultats biogéochimiques fournis par des intervenants sur la mission, mettant en valeur les interprétations.
Ces données sont les variations spatio-temporelles de la température, salinité, et concentrations en chlorophylle.
Récupération et traitement des donnéesLes données récupérées sont traitées à l’aide du logiciel Microsoft Excel, pour en faire des tableaux propres et pertinents.
La plupart des graphes sont également créés avec ce logiciel.
Cependant, les données CTD ont été représentées graphiquement à l’aide du logiciel SURFER de Golden software , afin d’obtenir des courbes interpolées.
Calibrage des capteurs
La bouée Météo est une bouée Aanderaa. Les données de la DSU (Data Storage Unit) sont récupérées à l’aide d’un " DSU Reader " connecté au port série d’un ordinateur. Le " 5059 Data Reading Program " permet alors de lire les données et de les évaluer.
Les capteurs température-salinité et température-turbidité présents sur le câble de la bouée possèdent chacun leur propre calibrage : la mesure brute fournie par le capteur doit être recalculée avec les bons coefficients.
Dans notre cas, si N est la valeur brute renvoyée par le capteur, la valeur réelle est A+BN+CN2, où A, B, et C sont les coefficients de calibration.
Ces coefficients sont fournis par le constructeur, mais il existe une dérive possible. C’est pourquoi un re-calibrage de chaque capteur a été réalisé afin de valider les mesures effectuées.
Une fois le calibrage de l’ensemble des capteurs connus, le fichier de données issu de la DSU est recalculé afin d’obtenir des valeurs en unités connues, et exploitables.
Le calibrage effectué par nous-mêmes n’a pas montré de différences notables avec les coefficients fournis par Aanderaa. Cependant, on pourra constater sur les courbes que le capteur de salinité positionné au fond fournit des valeurs qui semble décalées d’environ 5ppt tout en gardant une dynamique correcte. Un calibrage par des laboratoires spécialisés sera donc nécessaire pour recalculer les données. Le temps demandé par ces laboratoires étant très long, il n’a pas été possible de les faire durant le stage.
La CTD utilisée est une Sea-bird . Le logiciel utilisé pour la récupération temps réel des données est " Seasavewin32 ".
Cependant, les données sont sous un format propriétaire. Toute une panoplie de petits programmes permettent alors de traiter ces données. Ce logiciel se nomme " SBE Dataprocessing "
Dans un premier temps, les données sont converties au format ASCII. Il est possible à ce niveau de choisir les données que nous voulons traiter : chaque canal d’enregistrement est paramétrable.
Elles ont été ensuite lissées en supprimant les enregistrements pour des valeurs de la vitesse de descente de la CTD inférieure à 0,1 m/s, ainsi que ceux dont la valeur de la pression n’était pas plus grande que l'enregistrement précédent (dans le cas de la descente).
Graphe température-salinité sous Excel
Le nombre de fichiers est alors de 190 ! En effet, il y a approximativement un fichier par station et par jour. Chaque fichier a un nom standard, fonction de la station et de la journée.
Une macro Excel a donc pu être développée afin de traiter rapidement l’ensemble des fichiers, et d’afficher des graphes Température-Salinité, en fonction du temps.
Profils verticaux et horizontaux sous Surfer
Les données ont été utilisées pour réaliser des graphes 2D à l'aide du logiciel SURFER.
Pour cela, de nouvelles macro Excel ont été codées afin de fournir des fichiers exploitables par ce logiciel.
Chaque station s’est vue attribuée des coordonnées correspondant à leur position géographique, afin de représenter les données mappées sur une carte du golfe de Fos. Ces positions sont approximatives, mais permettent de se situer dans l’espace.
on dispose, pour chaque jour de :
La fluorescence permettra de mettre en évidence les variations de la concentration en chlorophylle.
Les données météorologiques sont nécessaires à la compréhension des phénomènes physiques et biogéochimiques du système étudié.
Nous disposons de la vitesse du vent et de la température de l’air grâce à aux données de la bouée météo, ainsi que des constatations visuelles durant la campagne.
Constatations visuellesLa validité de ces données n’est pas assurée. Elles devront être confirmées par des mesures météorologiques fiables.
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DATES |
12 mai 2001 |
14 mai 2001 |
16 mai 2001 |
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CONDITIONS METEOROLOGIQUES |
Temps calme Vent faible Mer calme |
Matin temps nuageux et clair l’après-midi Vent SSE Mer peu agitée |
Ciel partiellement nuageux Vent SSE Mer agitée avec une houle orientée SSE |
La bouée météo nous fournit les données sur la colonne d’eau de la salinité et température. La fluorescence est fournie par une CTD placée sur un poteau à 2 mètres de profondeur.
Courbes salinitéOn note la courbe de " sal 4 ", correspondant au fond, décalée au niveau des valeurs. Cependant, ses variations suivent celles des autres capteurs.
Figure 9 : salinité de la colonne d’eau et vitesse du vent à la station 24
Figure 10 : température de la colonne d’eau et vitesse du vent à la station 24
Figure 11 : turbidité de la couche limite de fond et vitesse du vent à la station 24
La Sea-Bird qui fournit ces données était situé à 2m.
Figure 12 : Fluorescence à la station 24
Comme nous l’avons précisé précédemment, les données de la CTD sont très importantes, et il n’est pas possible de fournir ici l’ensemble des graphes. Les données les plus représentatives seront donc présentées afin de pouvoir en faire une interprétation pertinente sur le comportement du Golfe de Fos.
Graphes température-salinité-fluorescence d’une stationJ’ai choisi de représenter les données de la station de production 18, car elle présente des variations caractéristiques de l’ensemble du Golfe.
SALINITE – TEMPERATURE
Figure 13 : Station 18, Température-salinité
FLUORESCENCE
Figure 14 : Station 18, fluorescence
Les profils verticaux existent pour chaque ligne Est-Ouest des stations.
J’ai choisi de représenter ici la ligne correspondant aux stations 13 à 17 car elle ferme l’entrée du golfe : la station 17 est près du they de la gracieuse, du coté Est, et la station 13 se situe devant l’entrée du port de Port-de-Bouc, du coté Ouest.
Les profils horizontaux représentent une interpolation sur l’ensemble de la zone du Golfe de Fos à une profondeur donnée. Deux profondeurs sont proposées : à la surface et au fond. On constatera que les variations du fond sont peu significatives.
Les croix rouges sur ces profils indiquent les positions des stations d’échantillonnage (Cf. figure 2).
Profils verticaux de la salinité et fluorescence pour les stations 13 à 17
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Figure 15 : évolution des profils de salinité et fluorescence
Profils horizontaux de la salinité et fluorescence en surface
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Figure 16 : évolution de la salinité et fluorescence de la couche de surface
Profils horizontaux de la salinité et fluorescence au fond
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Figure 17 : évolution de la salinité et fluorescence de la couche de fond
Profil d’oxygène à l’interface eau-sédiment
Ces profils sont obtenus à partir du profileur benthique, au niveau de la station 24. Nous disposons de 3 profils différents pour chaque mise à l’eau : chaque profil est issu d’une électrode différente.
Figure 18 : profil d'oxygène du 16 Mai à l'interface eau-sédiment (station 24)
Figure 19 : profil d'oxygène du 17 Mai à l'interface eau-sédiment (station 24)
Les graphes ci-dessous sont tirés du rapport de stage de maîtrise Gilles Miralles. Ils représentent l’évolution temporelle des concentrations en phosphate et nitrate des stations 14 et 24.
Figure 20 : évolution temporelle des concentrations (
m M) : des phosphates (a et b), des nitrates (c et d).Discussion
Considérations hydrologiques
Le début de la mission s’est effectué sans vent.. On constate sur les différents graphes une salinité de l’eau comprise entre 36 et 38 sur l’ensemble de la zone.
Le vent forcit à partir du 14 mai, et une arrivée d’eau saumâtre se produit : le vent orienté Sud-Est conduit le panache du Rhône vers l’entrée du Golfe de Fos, en longeant la cote (cf. figure 16). Ce phénomène a été constaté de visu à partir du bateau, et devrait être confirmé par les données ADCP du bateau.
La zone Nord du Golfe subit également une dessalure marquée ; on peut supposer qu’elle est due au canal de Caronte.
Les graphes de la station 24 (cf. figure 9) montrent nettement la corrélation entre le fraîchissement du vent et l’arrivée d’eau saumâtre.
Voici un schéma résumant l’hydrodynamisme :
Figure 21 : hydrodynamisme du golfe de Fos durant la campagne
Le golfe gardant un volume constant d’eau, l’eau saumâtre arrivant va effectuer une vidange du golfe. Suivant les vents dominants, ce contre-courant s’effectuera de manière différente. Nous en discuterons par la suite.
L’étude des profils montre l’évolution du milieu vers une stratification avec une eau dessalée et chaude en surface. Le gradient thermo-halin entre la surface et le fond augmente dans tout le golfe au cours de la campagne, et se situe entre 3 et 8m mètres.
La figure 13 montre cette évolution sur la colonne d’eau, à la station 18.
En outre, la figure 17 montre l’influence de la bathymétrie : on constate nettement le chenal d’accès au Golfe dont la profondeur est d’environ 25 mètres. La zone Nord du Golfe, peu profonde, présente une dessalure élevée sur toute la colonne d’eau.
L’étude de la fluorescence nous renseigne sur les concentrations en chlorophylle.
L’unité utilisée sur les graphiques est une unité de fluorescence, qui varie linéairement avec l’unité de concentration ; les valeurs réelles des concentrations sont donc différentes, mais la dynamique est respectée.
Les figures 16 et 17 montrent que l’évolution des concentrations en chlorophylle est fortement liée avec les considérations hydrologiques précédentes.
L’eau saumâtre arrivant dans le golfe est chargée en sels nutritifs, comme le prouvent les graphes de la figure 20, et on constate une augmentation générale de la chlorophylle dans le Golfe : on passe d’environ 0,3 à plus de 1 en unité de fluorescence.
Au niveau de la colonne d’eau, on remarque sur la figure 15 que cette augmentation s’effectue au sein de la couche de mélange de surface (au-dessus de l’halocline et thermocline), sur une profondeur comprise entre 3 et 8 mètres , ce qui lie fortement l’arrivée des sels nutritifs et l’augmentation de la chlorophylle.
Au niveau de la répartition spatiale, la figure 16 indiquent que les jours précédents le vent, les zones de plus fortes concentrations en surface sont les zones peu profondes et saumâtres de la cote Ouest. A l’inverse, on constate que le 14 mai, les plus fortes concentrations sont dans la zone Sud-Est du Golfe, tandis que l’eau la plus douce se situe dans la zone Nord.
La figure 17, représentant l’évolution au fond, vient confirmer que l’augmentation de fluorescence s’effectue essentiellement dans la couche de surface.
La figure 11 montre la corrélation entre le vent et la remise en suspension.
Chaque pic de vent est suivi par une augmentation de la turbidité au fond, puis une augmentation à 1m au-dessus.
On peut donc conclure à une remise en suspension des sédiments dans la colonne d’eau, due au forçage du vent.
Cette étude n’a pas pu être encore menée à son terme, en raison d’un problème technique sur les courantomètres, qui nous a empêché de récupérer les données de courant au niveau de la couche limite de fond.
Les méthodes de calculs de flux d’oxygène sont tirées du rapport de stage de DEA de Bruno Lansard.
Les profils mettent en évidence le gradient d’oxygène à l’interface.
On constate que la zone anoxique au sein du sédiment est à une profondeur comprise entre 5 ou 10 mm.
Le petit pic observé sur la courbe du 16 mai (figure 18) pourrait correspondre à une poche d’eau (un terrier par exemple)
Les flux à travers l’interface eau-sédiment peuvent être calculés à partir de la première loi de diffusion de Fick appliquée aux sédiments (d’après Berner, 1980).
J
étant le flux à l’interface en mol.cm-2.s-1 ; DS le coefficient de diffusion moléculaire dans le sédiment en cm-2.s-1 ; f la porosité du sédiment et dc/dx étant le gradient initial de concentration dans le sédiment en mol.cm-3.cm-1. Les relations existantes entre la porosité et le coefficient de diffusion permettent d’écrire :
L’acquisition simultanée des données du facteur de formation et d’oxygène dissous permet de calculer les échanges d’oxygène dans les sédiments par diffusion moléculaire.
Nous pouvons alors estimer les flux d’oxygène à l’interface eau-sédiment d’après les microprofils d’oxygène (cf. figure 18 et 19). En appliquant l’équation n°2 en X=0, on a :
La valeur de F à l’interface eau-sédiment a été déterminée par les mesures de résistivité, elle est de 1,32.
Le coefficient de diffusion moléculaire de l’oxygène dans l’eau de mer D0 O2 est calculé d’après les travaux de Peng & Broecker (1974) sur la diffusion des gaz dissous dans l’eau de mer. Le coefficient D0 étant fonction de la température, il doit être recalculé pour la température in situ. Voici le tableau de correspondance :
La température in situ était de 17°C. Une régression nous fournit alors D0=1,9545.
Voici les résultats obtenus pour les flux:
Ces valeurs seront à rapprocher par la suite aux flux calculés en laboratoire à partir de carottes sédimentaires, qui sont mis à incuber.
Cette technique de mesure in situ est encore en phase de développement technologique. Son utilisation permettra d’étudier plus rapidement et in situ le domaine benthique. Les valeurs des flux permettront d’évaluer les échanges entre le sédiment et la couche limite de fond, ainsi que les processus benthiques.
Les résultats de cette étude participent à la compréhension du fonctionnement de l’écosystème côtier à échanges restreints du Golfe de Fos.
" bloom " printanier
La période d’étude peut se diviser en deux :
Les études de production de Gilles Miralles ont montré que les évolutions de chlorophylle pouvaient être liées avec celles de production primaire.
La 2ème période correspondrait donc à une efflorescence planctonique ou " bloom ".
Ce phénomène très rapide est conditionné par trois contraintes :
Le beau temps printanier durant l’étude ne peut pas expliquer la variation rapide de production. Dans notre cas, on peut penser que le facteur limitant est donc les sels nutritifs.
L’arrivée de la couche superficielle d’eau saumâtre riche en sels nutritifs envahit le Golfe et recouvre les eaux côtières : c’est cet apport qui a permis une rapide augmentation de la production primaire. En outre, on constate sur les profils que l’halocline et la thermocline sont assez constant au niveau de la profondeur : il n’y a pas de brassage complet de la masse d’eau ; le forçage du vent étant donc essentiellement horizontal, la masse d’eau est relativement stable.
Il est certain qu’un bloom s’est produit durant la période d’étude. Mais ces premières conclusions doivent être confirmées par le traitement de l’ensemble des données recueillies.
La relation entre la production primaire et la fluorescence n’est pas toujours vérifiée : il est nécessaire de connaître l’origine autochtone ou allochtone de la matière organique.
En effet, une partie de la biomasse peut également être liée à de la remise en suspension : la chlorophylle que l’on détecte peut alors correspondre à des algues benthiques. De même, les algues peuvent provenir des apports fluviaux. La présence de pics de fluorescence en pleine nuit pourrait s’expliquer par ces phénomènes.
L’étude des échantillons d’eau permettra d’identifier la biomasse durant cette période et donc de préciser l’intensité du " bloom ".
Un autre phénomène à expliquer est la forte fluorescence dans le Sud-Est du Golfe de Fos à partir du 14 mai. Les jours précédents, la relation entre une eau saumâtre et une forte concentration en chlorophylle apparaît clairement. Cependant, pour cette journée du 14 mai, la zone de forte fluorescence a quitté les zones très dessalées.
Une modélisation de la circulation marine du golfe de Fos a été réalisée.
Voici deux simulations, tirées d’un rapport d’activité du CNRS de 1994 (Programme MODEMM) :
Figure 21 : Simulation du champ de courant en présence de vent de NW et SW dans le Golfe de Fos
Une explication pourrait alors être la présence de vent d’Ouest, qui aurait déplacé les masses d’eau vers le Sud-Est après le début du " bloom ".
C’est à l’aide des données de direction du vent et des ADCP (profils de courants) que l’influence du vent pourra être précisée.
Le golfe de Fos, malgré ses échanges restreints, reste un écosystème peu eutrophié. En effet, malgré la possibilité élevée de bloom, le forçage dû au vent provoque des vidanges régulières, qui empêche toute surcharge du système.
Ce stage a pleinement répondu à mes attentes.
D’un point de vue scientifique, la participation à un projet de cette envergure m’a permis d’appréhender l’ensemble des domaines de l’océanographie : circulation des masses d’eau et modélisation, hydrologie, biologie benthique et pélagique, biogéochimie…
La mission en mer m’a appris à manipuler la plupart des instruments de mesure, et de participer à des manipulations chimiques. Le traitement des données m’a familiarisé avec le logiciel SURFER, qui permet de tracer des courbes interpolées ; en outre, j’ai pu parfaire mes connaissances en Visual Basic pour Application à travers l’ensemble des macros Excel que j’ai développé. Enfin, l’interprétation des données a été très intéressante car les différentes conditions climatiques de la mission ont mis en évidence divers phénomènes importants sur le fonctionnement du Golfe de Fos. Etant donné l’ampleur des données recueillies, cette discussion n’est évidemment pas terminée, mais cette première interprétation a permis d’ouvrir plusieurs pistes de recherche.
J’ai ainsi pu participer aux différents aspects du métier de chercheur : expérimentation et mesure, traitement des données, et interprétation.
D’un point de vue humain, le stage s’est également très bien déroulé. L’ambiance au laboratoire comme sur le navire océanographique a toujours été très agréable, et mon intégration au sein de l’équipe de recherche a été très rapide.
Je tiens donc à remercier ici Christian Grenz, pour m’avoir permis de participer à la mission en mer, ainsi que pour m’avoir appris mes premières connaissances en biogéochimie, et avoir répondu à toutes mes questions, même les plus naïves ! Merci à Christophe Rabouille pour m’avoir fait participé aux manipulations sur le profileur benthique.
Je remercie également pour leur aide et leur participation à la bonne ambiance générale : Bruno Lansard, Estelle Schaff, Aurélie, Gilles Miralles, et l’ensemble des personnes de la station marine d’Endoume, ainsi que les marins du Tethys II, qui nous ont permis de nous échapper parfois du monde de la recherche et des études !
Voici les principales sources qui m’ont aidé dans la rédaction de ce rapport :
Miralles, G. (2001) : Variabilité de la production primaire dans un écosystème côtier aux échanges limités (Golfe de France, France), en relation avec les forçages environnementaux (Physiques et nutritifs). Rapport de stage de maîtrise.
Lansard, L.. (2000) : Etude du recyclage de la matière organique dans les sédiments côtiers superficiels : quantification à l’aide de mesures in situ. Rapport de stage de DEA.
Durbec, J.P. ; Millet, B. ; Grenz, C. (1994): Modélisation en océanologie : couplage entre modèles physique et biologique en zone littorale. Programme MODEMM, rapport d’activité CNRS.
Blanc, F. ; Leveau, M. & Bonin, M.C. (1976) : Situation hydrologique du golfe de Fos en 1969. Revue Internationale d’Océanographie Médicale, 41-42,41-75.
Annex 1 " Description of work ", Projet OAERRE (1999).
