Micrites et argiles néoformées en lagons tropicaux : formation, diagénèse précoce et stockage du carbone

Ce projet de thèse vise plus largement à comprendre les mécanismes régissant le stockage et la libération du CO₂ dans les lagons tropicaux, en étudiant l’équilibre entre précipitation carbonatée microbienne et néoformations silicatées (reverse weathering), deux processus étroitement liés qui influencent la composition minéralogique et chimique des sédiments et leur potentiel de séquestration ou de libération du carbone.

Depuis la révolution industrielle, les concentrations atmosphériques de CO₂ sont passées d’environ 280 ppm à plus de 420 ppm, avec des projections de forte hausse d’ici 2100 (Berry, 2021 ; IPCC, 2023). Cette augmentation, liée principalement à l’exploitation des combustibles fossiles, entraîne une hausse de la teneur en carbone inorganique dissous et des perturbations liées à l’acidification des océans et des cycles biogéochimiques (Liaskas et al., 2000 ; Ruddiman, 2005 ; Adil et al., 2023 ; Sabine & Tanhua, 2009). Le développement de stratégies de capture et de stockage du carbone est donc devenu prioritaire (IPCC, 2007 ; Bachu, 2008 ; Massarweh & Abushaikha, 2024). Parmi les solutions de capture du CO₂ proposées aujourd’hui, généralement associées à un stockage, notamment dans d’anciens réservoirs pétroliers, un mécanisme naturel fondé sur la production carbonatée, en particulier micritique, apparaît comme une solution plus sûre et durable. Les micrites, dominantes dans les sédiments lagunaires et peu profonds, sont favorisées par l’activité microbienne et la dégradation des substances polymériques extracellulaires (EPS), qui libèrent le calcium nécessaire à la croissance cristalline (Krumbein & Stal, 1991 ; Glunk et al., 2011 ; Dupraz & Visscher, 2005). Ces boues micritiques, présentes depuis 3,7 milliards d’années, constituent un puits majeur de carbone et peuvent composer jusqu’à 80 % des dépôts carbonatés (Grotzinger & James, 2000 ; Milliman & Droxler, 1993 ; Reijmer, 2021).

À l’inverse, les argiles néoformées jouent un rôle antagoniste. Si elles peuvent stabiliser la matière organique et piéger le méthane, leur formation en présence de cations dissous et de gels silicatés précurseurs modifie l’alcalinité du milieu. Les réactions chimiques associées (reverse weathering) peuvent alors favoriser un relargage de CO₂, jouant ainsi un rôle tampon important dans les processus de stockage ou de déstockage du CO₂ au sein des environnements sédimentaires propices aux néoformations (Baldermann et al., 2025 ; Aubineau et al., 2019). Micrites et argiles traduisent ainsi deux dynamiques contrastées du cycle du carbone : la précipitation carbonatée contribue au stockage géologique durable du CO₂, alors que la néoformation d’argiles peut limiter ce stockage, voire induire un relargage net de CO₂. Néanmoins, plusieurs travaux suggèrent que l’intensification de l’activité microbienne en contexte enrichi en carbone pourrait stimuler la production carbonatée, mettant en évidence le potentiel de bioremédiation des systèmes micritiques (Lal, 2004 ; Boussagol et al., 2024). Ces mécanismes demandent à être mieux compris et quantifiés dans les environnements de lagons tropicaux modernes.

Ce projet s’organise en 2 volets expérimentaux :

Volet 1 : étude in situ/in natura: Ce volet vise à quantifier les interactions biotiques (microorganismes, EPS) et abiotiques (pH, température, alcalinité, concentration ionique) contrôlant la formation conjointe des micrites et des argiles et leur impact net sur la capture ou la libération du CO₂. L’étude sera menée dans trois lagons tropicaux : Nouvelle-Calédonie (système carbonaté–silicoclastique), Mayotte (système volcanique) et Tahiti (système récifal carbonaté), offrant un gradient de conditions géochimiques et biologiques. Le volet « terrain et carottages » comprend 5 carottes de 30 cm respectivement à Mayotte et en Nouvelle-Calédonie, actuellement en analyse, et 10 nouvelles carottes de 50 cm à Tahiti (prévues novembre 2026). Les transects depuis la mangrove au milieu marin ouvert seront cartographiés via des images satellitaires et MNT (IGN-F) et complétés par des acquisitions LiDAR. Les carottes seront datées ¹⁴C (restes végétaux, ciments et mollusques calcitiques) et des repères chrono-stratigraphique seront obtenus par aanalyse du ¹³⁷Cs. Le volet « analytique » inclut pour la caractérisation des sédiments : 5 échantillons par carotte pour (1) les analyses microscopiques : Cryo-MEB (microscope électronique à balayage), confocal, à balayage laser (MCBL) sur la plateforme DIMACELL, INRAE ; MEB  et MET (microscope électronique à transmission) sur la plateforme ARSEN) et DRX sur la plateforme GISMO; (2) les analyses spectroscopiques : IR-FTIR et Raman (sur la plateforme de l’ICMUB) pour la minéralogie et les composés organo-minéraux. Les éléments majeurs et traces seront quantifiés en WD-XRF (fluorescence X), spectrométrie de masse ICP-AES, ICP-MS pour les terres rares (à Nancy), et par spectrométrie LA-ICPMS pour l’isotopie, et en spectrométrie plasma laser (LIBS, GISMO) pour les éléments légers, et ainsi que par cartographie XFM au synchrotron SOLEIL (Saclay). La diversité microbienne sera étudiée par ADN et microscopie confocale sur boues colorées pour détecter Ca²⁺ et acides nucléiques.

Cette approche permettra de relier la formation des micrites et des argiles à l’activité microbienne, aux conditions physico-chimiques et à la séquestration ou libération de CO₂ et de mieux comprendre le rôle antagoniste de ces deux processus dans le cycle du carbone des lagons tropicaux. Afin de tester plusieurs hypothèses concernant le rôle des microbes et des EPS sur la formation des micrites et des argiles néoformées, des analyses en laboratoire seront réalisées dans le cadre du second volet. Volet 2 : étude in vitro :

Ce volet consiste en l’extraction, la quantification et la caractérisation des EPS issus des carottes sédimentaires étudiées et de la colonne d’eau, ainsi qu’en la mise en place d’expériences en présence d’EPS. L’extraction et l’analyse des EPS seront réalisées selon le protocole utilisé en routine au laboratoire Biogéosciences. Ce protocole repose sur une succession d’étapes de filtration, d’ultrafiltration et de dialyse, avec pour objectif d’obtenir des EPS purifiés sous forme de lyophilisat. Le lyophilisat d’EPS sera ensuite quantifié afin de déterminer l’évolution de la concentration en EPS dans l’eau à différentes profondeurs, à l’interface eau-sédiment et les carottes sédimentaires en fonction de la profondeur et du contexte environnemental. Des analyses biochimiques (tests colorimétriques, tests ELISA) seront ensuite effectuées sur les EPS extraits afin de déterminer leur composition, notamment la concentration en protéines, en sucres et en groupes fonctionnels chargés négativement, qui constituent des sites potentiels, de stockage des cations et de nucléation des carbonates. Les EPS extraits et caractérisés seront ensuite utilisés pour des expériences in vitro visant à tester : (a) leurs interactions avec les argiles (réactions de cristallisation et de recristallisation) ; (b) la dégradation des EPS (par des enzymes et possiblement par des bactéries hétérotrophes), afin d’évaluer la cinétique de libération du calcium (Ca²⁺) impliqué dans la précipitation des carbonates. (c) la précipitation des carbonates en présence d’EPS.

Ce projet de thèse s’inscrit dans une dynamique collaborative internationale impliquant des équipes suisses (N. Zeyen) et américaines (P. Visscher). Il mobilise également des chercheurs de INRAE, du Laboratoire Chrono-environnement et de Biogéosciences, contribuant notamment à l’initiative HARMI (Harnessing Microbiomes for Sustainable Development ; PIA d’excellence). Une collaboration scientifique est d'ores et déjà menée avec l'Université de Nouvelle Calédonie et le Service Géologique de Nouvelle Calédonie (M. Mathian, P. Maurizot) et l’Université de Mayotte (C. Gollety) sur la compréhension des boues carbonatées et des argiles.

Les objectifs de la thèse s’inscrivent pleinement dans les thématiques portées par les équipes SEDS (Systèmes, Environnements et Dynamique Sédimentaire) et SAMBA (Structuration des communautés aquatiques et Biominéralisation) et plus particulièrement au questionnement transversal : « Minéralisation et préservation des carbonates microbiens ». L’encadrement de la thèse se déroulera au sein du laboratoire Biogéosciences, de l’équipe SEDS (E. Vennin ; P. Pellenard, P. Boussagol et C. Odobel) et SAMBA (I. Bundeleva) et s’appuiera sur l’environnement disponible du laboratoire, sa plateforme analytique GISMO et le service analytique SC2B (Biologie et biominéralisation).

Université de Bourgogne Europe

Laboratoire d'accueil : BIOGEOSCIENCES

- connaissances et compétences requises

Ce projet de thèse concerne les domaines de la géomicrobiologie et la sédimentologie des carbonates et de la minéralogie des argiles en lien avec une activité microbienne. Le candidat doit avoir des compétences d’analyses sur le terrain et en laboratoire. Le candidat devra se former ou posséder des compétences en caractérisation minéralogique, géochimique, en analyses des communautés microbiennes à travers leurs métabolismes pour comprendre leur rôle dans la précipitation des minéraux.  

Les objectifs de ce travail seront de : (1) Cartographier les environnements de lagon (à travers plusieurs exemples) et quantifier les boues carbonatées et argileuses néoformées. (2) Modéliser la formation de micrite et des argiles néoformées et leur évolution lors de la diagenèse précoce. (3) Identifier l’origine et la transformation de la matière organique sédimentaire (principalement microbienne), en analysant des carottes de sédiments avec des méthodes géochimiques et isotopiques, ainsi que via les observations pétrographiques et chimique (microscopies confocal, électronique en transmission et à balayage en cryogénisation ; spectrométrie IR-FTIR et Raman) pour caractériser finement les phases carbonatées, argileuses, phases organo-minérales et gels silicatés contenus dans les sédiments des lagons. (4) Caractériser la diversité microbienne via la mise en culture et des analyses génotypiques. (5) Extraire, quantifier et caractériser les substances exopolymériques (EPS). (6) Discuter du rôle des carbonates et des argiles néoformées sur le stockage du carbone à travers des méthodes de modélisation et de quantification des flux élémentaires.