Modelling chemical weathering in contrasted watersheds: new implementations and application at the global scale

Abstract

[EN]The biogeochemical cycles describe the matter and energy flux between ecosystems in the Earth System. However, climate change, human population growth and other global change hazards alter the natural balance of these cycles. Within this context, understanding which mechanisms control the mass transfer, and assessing their spatial and temporal evolution becomes necessary to balance a sustainable development with the environmental protection. In the biogeochemical cycles the relative importance of the different factors involved changes with the spatial and temporal scales used for their evaluation, creating the need of tools capable of integrating these factors for analysis. Commonly, these tools involve modelling.With regards to biogeochemical cycling research, focus has been pointed to the Critical Zone, a part of the environment comprising from the ground surface to the consolidated rock. Is within this zone where the geochemical cycle interacts with the biogeochemical cycles through the physical and chemical weathering processes. Weathering conditions the chemical composition of the aquatic environments through the liberation of products from the solid phase. In the continental zone, rivers act not only as reaction matrix in the Critical Zone, but also as a vector of transport for those products from the hydrographic basin to other environments, such as lakes or oceans. At the local level, this matter transfer is of interest for ecological analysis both at the river and wetland scale; while at the global scale, these processes impact on the oceanic and atmospheric composition in geological scales.The main objective of this work is to evaluate the role of chemical weathering in the biogeochemical cycles, paying special attention to the major ions derived from rocks through the modelling of this process at different spatial and temporal scales. In particular, a global-to-local and static-to-dynamic approach has been followed.At the beginning of this work, there existed several modelling tools capable of assessing the chemical weathering using a mechanistic approach, however, its application to large spatial and temporal scales is conditioned to the availability of input data and computing resources. As an alternative, there were other empirical models applicable at the global scale. Taking as starting point the most recent studies, and after the evaluation of 1751 river compositions, in this work we have been able to confirm that hydrology, lithology, and soil are the most relevant factors at the global scale regarding chemical weathering. Indeed, its implication on each major ion liberation has been proved, allowing the yield of the first global scale maps of specific fluxes derived from rocks, as well as the comparison of hotspots between ions. At the global scale, 3374·106 Mg·y-1 dissolved matter is yielded from rocks, where 58% is Ca2+, 24% is Na+, 15% is Mg2+, and 3% is K+ with respect to the cation flux, and a 74% is alkalinity, 18% is SO42-, and 8% is Cl- with regards to the anion flux.Besides, a more detailed analysis at a local scale case study (the Deba river basin, Gipuzkoa, Basque Country) has been accomplished, paying attention to the processes responsible of the chemical composition of the waters, as well as to the hydrological effect on the temporal evolution of the exports to the ocean. In this catchment, the effect of evaporitic springs and gypsum deposits in one of its headwaters has been shown to have a great impact on the stream water chemical composition down to the outlet. This study has also permitted to highlight the advantages of combining punctual sampling information with continuous registries to evaluate the temporal evolution of the system. Identifying the moments after the flood events as those with the greatest relative dissolved exports to the ocean within the year.Once the main processes governing the chemical composition of water in this study were identified, the application of the global model to the basin scale has been performed through the coupling of the model to the physically-based hydrological model (SWAT). Such assessment has allowed to evaluate the possibilities and limitations of the models in local scales, both under a static and a dynamic approach. The model allows to obtain results with a mean discrepancy of 13% with respect to reality, when the effects of point sources (such as the evaporitic springs and gypsum deposits) do not condition the ionic composition.Acknowledging the limitations at the local scale, the model has been again applied at the global scale, aiming to evaluate not only the spatial distribution of the chemical weathering derived fluxes, but the impact of this process on the global carbon cycle under a climate change context. The results from this simulation have allowed to see that the potential impacts derived from the climate change on the hydrological balance will increase between 8 to 13% the CO2 consumption rates derived from the chemical weathering of rocks, but its growth will not been nor spatially nor temporally homogeneous.The results from this PhD thesis have allowed to the assess the role of chemical weathering at the global scale, specially on the carbon cycle. Future research should focus on improving the model configuration and integrating the results from other studies following a local-to-global approach.

[ES]Los ciclos biogeoquímicos describen el flujo de materia y energía entre los ecosistemas del Sistema Tierra. Sin embargo, el cambio climático, el aumento de la población y otras amenazas del cambio global alteran el equilibrio natural de estos ciclos. En este contexto se vuelve necesario tanto entender qué mecanismos controlan la transferencia de materia, como estimar su evolución espacial y temporal, para poder equilibrar un desarrollo sostenible con la protección del medioambiente. La relevancia de distintos factores involucrados en los distintos ciclos biogeoquímicos cambia con respecto a la escala temporal y espacial utilizada para su evaluación, creando la necesidad de herramientas capaces de integrar dichos factores para poder llevar a cabo su análisis. Generalmente, estas herramientas implican trabajo de modelización.Con relación a la investigación en los ciclos biogeoquímicos, la atención se ha centrado en la Zona Crítica, un espacio del ecosistema que comprende desde la superficie del suelo hasta la roca consolidada. Es en esta zona donde los ciclos geoquímicos interaccionan con los ciclos biogeoquímicos a través de la alteración física y química. La alteración condiciona la composición química de los entornos acuáticos tras la liberación de productos de la fase rocosa. En la zona continental, los ríos actúan no únicamente como matriz de reacción en la Zona Crítica, sino también como vector de transporte de esos productos desde la cuenca hidrográfica hacia otros entornos, como lagos u océanos. A nivel local, esta transferencia de materia resulta de interés para análisis ecológicos tanto a nivel de río como a nivel de estuario, mientras que a nivel global el impacto de estos procesos afecta a la composición de los océanos e incluso de la atmósfera en escalas geológicas.El objetivo principal de este trabajo es evaluar el papel de la erosión química en los ciclos biogeoquímicos, prestando especial atención a los iones mayoritarios derivados de las rocas, a través del modelado de este proceso a diferentes escalas espaciales y temporales. En particular, se ha seguido un enfoque espacial de global-a-local y temporal de estático-a-dinámico.Al inicio de este trabajo, existían varias herramientas de modelización capaces de evaluar la erosión química desde un punto de vista físico y termodinámico, sin embargo, su aplicación a grandes escalas espaciales y temporales se ve condicionada por disponibilidad de datos de entrada y de recursos de computación. Como alternativa, también constaban otros modelos de base empírica que permitían su aplicación a escala global. Tomando como referencia los estudios más actuales, y tras la evaluación de la composición de 1751 ríos en este trabajo, se ha podido confirmar que la hidrología, la litología y el suelo son los factores más relevantes a nivel global respecto a la erosión química. También se ha podido constatar que su implicación en la liberación de cada ion mayoritario de la roca es diferente, permitiendo obtener los primeros mapas a nivel global de flujos específicos derivados de la roca, así como la comparación de puntos calientes de cada ion. A nivel global, 3374·106 Mg·año-1 de material disuelto se libera de las rocas, siendo un 58% Ca2+, un 24% Na+, un 15% Mg2+, y un 3% K+ respecto al flujo de cationes, y un 74% alcalinidad, un 18% SO42-, y un 8% Cl- respecto al flujo de aniones.Paralelamente, se ha realizado un análisis más detallado de un caso local (la cuenca del río Deba, Gipuzkoa, País Vasco) prestando atención a los procesos condicionantes de la composición química de las aguas, así como al efecto de la hidrología sobre la evolución temporal de los flujos al océano. En esta cuenca destaca el importante efecto que ejercen las fuentes de evaporitas y los depósitos de yesos en una de las partes de cabecera, que condicionan fuertemente la química de las aguas hasta la desembocadura. Este estudio también ha permitido subrayar la ventaja de combinar muestreos puntuales con registros en continuo para evaluar la evolución temporal del sistema. Identificando los momentos después de las crecidas como los de mayores exportaciones disueltas relativas al océano a lo largo del año.Una vez identificados los procesos determinantes de la composición química del agua en este caso de estudio, se ha trasladado la aplicación del modelo global hasta la escala de cuenca mediante la integración de dicho modelo a un modelo hidrológico de base física (SWAT). Este estudio ha permitido evaluar las posibilidades y las limitaciones del modelo en escalas locales, tanto de forma estática como dinámica. El modelo permite obtener unos resultados con una discrepancia media respecto a la realidad del 13% siempre que los efectos puntuales (como las fuentes de evaporitas y los depósitos de yesos) no condicionen la presencia de iones mayoritarios.Conocidas las limitaciones que pueden existir a escalas locales, el modelo se ha aplicado a escala global nuevamente, tratando de evaluar no sólo la distribución espacial de los flujos derivados de la erosión química, sino el impacto que este proceso genera sobre el ciclo global del carbono bajo un contexto de cambio climático. Los resultados de la simulación nos han permitido ver que los potenciales impactos derivados del cambio climático en la hidrología aumentarán globalmente entre un 8 y un 13% las tasas de consumo de CO2 por la erosión de las rocas, pero su aumento no será uniforme ni espacial ni temporalmente.Los resultados de esta tesis doctoral permiten evaluar el papel de la erosión química a la escala global, especialmente en el ciclo del carbono. Investigación futura debería centrarse en mejorar la configuración del modelo e integrar los resultados de otros estudios con enfoques local-a-global.

[FR]Les cycles biogéochimiques décrivent le flux de matière et d'énergie entre les environnements du système Terre. Cependant, le changement climatique, l'augmentation de la population et d'autres menaces du changement global altèrent l'équilibre naturel de ces cycles. Dans ce contexte, il devient nécessaire de comprendre quels mécanismes contrôlent le transfert de matière et estimer son évolution spatiale et temporelle, pour équilibrer le développement durable avec la protection de l'environnement. L¿importance relative des différents facteurs intervenant évoluant par rapport à l'échelle temporelle et spatiale utilisée pour leur évaluation, crée la nécessité des outils capables d'intégrer ces facteurs afin de réaliser les analyses. Normalement, ces outils utilisent la modélisation.Par rapport à la recherche des cycles biogéochimiques, une attention est dirigée sur la Zone Critique, une zone de l¿environnement allant de la surface du sol à la roche consolidée. C'est dans cette zone que les cycles géochimiques interagissent avec les cycles biogéochimiques par l¿altération physique et chimique. C¿est l¿altération qui conditionne la composition des milieux aquatiques après la libération des produits par la phase rocheuse. Dans la zone continentale, les rivières agissent non seulement comme matrice de réaction dans la zone critique, mais aussi comme vecteur de transport de ces produits du bassin hydrographique vers d'autres environnements, tels que les lacs ou les océans. Au niveau local, ce transfert de matière présente un intérêt pour les analyses écologiques à la fois au niveau des fleuves et des estuaires, tandis qu'au niveau global ces processus affectent la composition des océans et même l'atmosphère à l'échelle géologique.L'objectif principal de ce travail est d'évaluer le rôle de l'érosion chimique dans les cycles biogéochimiques, en accordant une attention particulière aux ions majoritaires dérivés des roches, à travers la modélisation de ce processus à différentes échelles spatiales et temporelles. En particulier, une approche spatiale globale-locale et temporelle statique-dynamique a été suivie.Au début de ce travail, il y avait plusieurs outils de modélisation capables d'évaluer l'érosion chimique d'un point de vue physique et thermodynamique, cependant, son application à de grandes échelles spatiales et temporelles est conditionnée par la disponibilité des données d'entrée et des ressources informatiques. Comme alternative, il y avait aussi d'autres modèles empiriques qui permettaient son application à l'échelle mondiale. En prenant comme référence les études les plus récentes et après l'évaluation de la composition chimique de 1751 rivières dans ce travail, il a été possible de confirmer que l'hydrologie, la lithologie et le sol sont les facteurs les plus pertinents à l'échelle mondiale en ce qui concerne l¿altération chimique. Il a également été vérifié que leur implication dans la libération de chaque ion majeur de la roche est différente, permettant d'obtenir les premières cartes globales d'écoulements spécifiques dérivés de la roche, ainsi que la comparaison des points chauds de chaque ion. À l'échelle mondiale, 3374·106 Mg·an-1 de matière dissoute sont libérés des roches, soit 58% de Ca2+, 24% de Na+, 15% de Mg2+ et 3% de K+ par rapport au flux de cations et 74% d'alcalinité, 18% SO42- et 8% Cl- en ce qui concerne le flux d'anions.Parallèlement, une étude plus détaillée a été réalisée dans un cas d¿étude local (le bassin versant de Deba, Gipuzkoa, Pays Basque), en prêtant attention aux processus de conditionnement de la composition chimique des eaux, ainsi qu'à l'effet de l'hydrologie sur l'évolution temporelle des écoulements vers l'océan. Dans ce bassin, se distingue l'effet important exercé par les sources d'évaporites et les dépôts de gypse dans l'une des parties de tête, qui conditionnent fortement la chimie jusqu'à l¿exutoire. Cette étude a également mis en évidence l'avantage de combiner des échantillonnages ponctuels avec des enregistrements continus pour évaluer l'évolution temporelle du système. En identifiant les moments après les crues comme ceux de plus grande exportation d¿éléments dissous relatifs vers l'océan tout au long de l'année.Une fois les processus déterminants identifiés issus de la composition chimique de l'eau dans cette étude de cas, l'application du modèle global a été transférée à l'échelle du bassin en intégrant ce modèle dans un modèle physique hydrologique (SWAT). Cette étude a permis d'évaluer les possibilités et les limites du modèle à l'échelle locale, à la fois statiquement et dynamiquement. Le modèle permet d'obtenir des résultats avec un écart moyen de 13% par rapport à la réalité, tant que les effets ponctuels (tels que les sources d'évaporites et les dépôts de gypse) ne conditionnent pas la présence d'ions majoritaires.Connaissant les limitations qui peuvent exister à l'échelle locale, le modèle a été appliqué à nouveau à l'échelle mondiale, essayant d'évaluer non seulement la distribution spatiale des flux issus de l'érosion chimique, mais l'impact que ce processus génère sur le cycle global de carbone dans un contexte de changement climatique. Les résultats de la simulation nous ont permis de voir que les impacts potentiels dérivés du changement climatique sur l'hydrologie augmenteraient globalement les taux de consommation de CO2 de 8 à 13% en raison de l'érosion des roches, mais leur augmentation ne serait pas uniforme ni spatiale ni temporairement.Les résultats de cette thèse de doctorat nous ont permis d'évaluer le rôle de l'érosion chimique à l'échelle mondiale, notamment dans le cycle du carbone. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'amélioration de la configuration du modèle et l'intégration des résultats d'autres études aux approches locales à mondiales.