Riverine particulate material dissolution in seawater and its implications for the global cycles of the elements

The total mass of material globally transported to the oceans as particulate material is as much as 30 times greater that transported to the oceans in dissolved form. The degree to which riverine transported particles impact ocean chemistry and influence global elemental cycles depends on the reactivity of this particulate material in seawater and the relative concentration of each element. The concentrations of elements in particulate material relative to those of seawater range from less than 1 for soluble elements such as Na, to more than 107 for insoluble elements such as Al, Fe, and the Rare Earths. The reactivity of particulate material in seawater is difficult to assess directly because this fluid is saturated or supersaturated with respect to numerous elements. As such, element release from the particulate material is commonly matched by precipitation of secondary phases. The rates of element release can, however, be quantified by monitoring the isotopic evolution of seawater during its reaction with a variety of particulate material samples collected from rivers throughout the world. This research focuses on the behavior of Sr and Nd, representative of the most and least soluble elements transported to the oceans. Batch experiments demonstrate that between 0.15 and 27% of Sr is liberated from volcanic and continental particulates when interacted with seawater over 6 months. Similarly, from 1.5 to 8.5% of Nd is liberated from volcanic sediments over this timespan. This observed elemental release rate from riverine particulate material has important consequences for: (1) chemical and isotopic mass balances in the ocean; and (2) the application of the isotopic weathering proxies to the geological record.

RésuméLa masse totale de matériel globalement transportée vers les océans sous forme particulaire est 30 fois supérieure à celle qui est transportée sous forme dissoute. Le degré selon lequel le transport particulaire impacte la chimie de l’océan et influence les cycles élémentaires globaux, dépend de la réactivité de ce matériel particulaire dans l’eau de mer et de la concentration relative de chaque élément. Les concentrations des éléments dans le matériel particulaire comparées à celles dans l’eau de mer sont comprises entre inférieures à 1 pour les éléments solubles tels Na à plus de 107 pour les éléments insolubles tels Al, Fe et les terres rares. La réactivité du matériel particulaire dans l’eau de mer est difficile à apprécier, du fait que ce fluide est saturé ou sursaturé par rapport à de nombreux éléments. Ainsi, la libération d’un élément à partir du matériel particulaire est généralement mise en relation avec la précipitation de phases secondaires. Les taux d’éléments libérés peuvent néanmoins être quantifiés, par contrôle de l’évolution isotopique de l’eau de mer pendant sa réaction avec des échantillons de matériel particulaire variés recueillis dans les rivières à travers le monde. La recherche ici présentée est focalisée sur le comportement de Sr et de Nd, représentatifs des éléments les plus solubles et les moins solubles, transportés vers les océans. Des expériences « batch » démontrent qu’entre 0,15 et 27 % de Sr sont libérés à partir de particules continentales et volcaniques, quand il y a interaction avec l’eau de mer sur six mois. De même, 1,5 à 8,5 % de Nd sont libérés à partir de sédiments volcaniques pour cette tranche de temps. Le taux observé de libération des éléments à partir du matériel particulaire de rivière a d’importantes conséquences pour : (1) les bilans massiques chimiques et isotopiques; et (2) l’application d’analogues isotopiques d’altération aux archives géologiques.