Seawater residence times of some elements of geochemical interest and the salinity of the oceans

Temps de résidence dans l’eau de quelques éléments d’intérêt géochimique et la salinité des océans

Laboratoire de Géologie de Lyon, CNRS UMR 5276, University of Lyon & Institut Universitaire de France

^* E-mail: clecuyer@univ-lyon1.fr

Received: 27 April 2016
Accepted: 16 October 2016

Abstract

Residence times of several dissolved chemical elements in seawater are revisited on the basis of updated river and groundwater chemical fluxes. A classification of the considered elements of geochemical interest (B, C, N, Na, Mg, Si, P, S, Cl, Ca, K, Li and Sr) is proposed accordingly to the solubility products of their main host minerals as well as their biological reactivity in the seawater column. The origin of seawater salinity is also discussed through both processes of early mantle degassing and continental growth. Finally, changes in seawater chemistry as well as in the total concentration of dissolved elements are investigated in the light of geological and biological processes such as continental erosion, hydrothermal activity, closure and opening of marine basins, climate forcing, marine productivity, and the Devonian rising of vascular plants. Taking into account groundwater fluxes and chemistry, and a revised lower mass of the oceans, residence times of chemical elements in the ocean have been calculated lower than commonly accepted in the literature for several decades. Both changes in salinity and chemistry of seawater took place throughout the Earth’s history at the m.y. timescale. Continents did not emerge before 3 Gy ago, thus excluding the weathering of their surfaces and the transport of alkali and calc-alkali elements by the rivers to the oceans. The only available sources, albeit to a limited extent, were possibly volcanic islands. As sodium is the main cation responsible for seawater salinity, calcium could have contributed to the charge balance of seawater to preclude the development of highly acidic waters. indeed, the high-temperature hydrothermal alteration of oceanic crust is an important source of calcium that could have accumulated in seawater in the absence of its removal by calcifying organisms. it means that the earliest oceans could have been ‘CaCl₂ dominated oceans’ instead of the ‘NaCl dominated oceans’ that prevailed during the Proterozoic and Phanerozoic.

Résumé

Les temps de résidence de plusieurs éléments chimiques à l’état dissous dans l’eau de mer sont réexaminés sur la base de données mises à jour concernant les flux chimiques des rivières et eaux souterraines vers les océans. Une classification des éléments considérés d’intérêt géochimique (B, C, N, Na, Mg, Si, P, S, Cl, Ca, K, Li et Sr) est proposée en accord avec les produits de solubilité de leurs principaux minéraux hôtes aussi bien qu’avec leur réactivité biologique dans la colonne d’eau. L’origine de la salinité de l’eau de mer est également discutée en tenant compte des processus de dégazage précoce du manteau terrestre et de la croissance continentale. Finalement, des variations de la salinité et de la chimie de l’eau de mer sont explorées à la lumière de processus géologiques et biologiques tels que l’érosion continentale, l’activité hydrothermale, la fermeture ou l’ouverture de bassins marins, le forçage climatique, la productivité marine et l’émergence des plantes vasculaires au Dévonien. En tenant compte de la chimie et des flux d’eaux souterraines vers les océans ainsi que d’une masse des océans revue à la baisse, les temps de résidence dans l’océan des éléments chimiques considérés dans cette étude sont calculés inférieurs aux valeurs couramment acceptées dans la littérature depuis quelques décennies. Des changements ont affecté aussi bien la salinité que la chimie de l’eau de mer tout au long de l’histoire de la Terre à des échelles de temps de l’ordre du million d’années. Les continents n’ont pas émergé avant environ 3 milliards d’années, excluant ainsi l’altération de leurs surfaces et le transport des éléments alcalins et al- calino-terreux depuis les rivières vers les océans. Les seules sources disponibles ayant pu être, de façon toutefois limitée, les surfaces émergées des îles volcaniques. Le sodium étant le principal cation responsable de la salinité de l’eau de mer, le calcium pourrait avoir contribué à l’équilibre des charges en solution afin d’éviter le développement d’eaux très acides. En effet, l’altération hydrothermale à haute température de la croûte océanique constitue une importante source de calcium qui aurait pu s’accumuler dans l’eau de mer en l’absence d’organismes calcifiants. Ces considérations suggèrent ainsi que les océans primordiaux pourraient avoir été dominés par CaCl₂ au lieu de NaCl qui a dominé au cours du Protérozoïque et du Phanérozoïque.