Calcite dissolution kinetics at the sediment-water interface: An experimental study in natural seawater at 25°C

Ocean acidification, in response to rising anthropogenic carbon dioxide concentration in the atmosphere, will lead to both a decrease in seawater pH, biogenic calcification and an increase in carbonate mineral dissolution in marine sediments. Calcium carbonate-rich sediments, which cover nearly a third of the ocean floor, will serve as the ultimate sink of the anthropogenic carbon dioxide delivered to the deep-ocean. Nevertheless, factors that control the kinetics of the calcium carbonate dissolution reaction under conditions encountered at the sediment-water interface have not been properly parameterized. In this study, we investigated the dissolution kinetics of a simulated, organic-free, calcite-rich sediment in natural seawater at 25°C and one atmosphere total pressure under controlled hydrodynamic conditions. Dissolution rates were measured in a flow-through system at various undersaturations using a specially-designed stirrer that generated a nearly uniform shear at the sediment-water interface. Measured calcite dissolution rates normalized to the exposed interface area were linearly dependent on the undersaturation of the seawater with respect to calcite. Although the reaction order (n = 1.24 +- 0.93) is lower than most of those obtained from laboratory experiments with fully resuspended sediments or calcite particles, the rate constant, k, is similar to those determined in previous studies. The dissolution rates measured close to equilibrium (undersaturation of approximately 0.2) were independent of the stirring rate over the range investigated and, thus, we believe that calcite dissolution must be surface-reaction controlled or controlled by the diffusion rate out of the sediment under our experimental conditions.L’acidification des océans, en réponse à l’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone d’origine anthropogénique dans l’atmosphère, va conduire à une diminution du pH de l’eau de mer et de la calcification biogénique, ainsi qu’à une augmentation de la dissolution des minéraux carbonatés dans les sédiments marins. Les sédiments riches en carbonate de calcium, qui couvrent approximativement un tiers du plancher océanique, seront le puits ultime du dioxyde de carbone anthropogénique livré aux eaux océaniques profondes. Cependant, les facteurs qui contrôlent la cinétique de la réaction de dissolution des carbonates de calcium dans les conditions que l’on retrouve à l’interface sédiment-eau n’ont pas été proprement paramétrés. Dans cette étude, nous étudions la cinétique de dissolution d’un sédiment artificiel riche en calcite et sans matière organique dans une eau de mer naturelle à 25°C, à une pression totale d’une atmosphère et dans des conditions hydrodynamiques contrôlées. Les taux de dissolution ont été mesurés dans un système d’écoulement continu, à diverses sous-saturations, en utilisant un mélangeur spécialement conçu pour générer un cisaillement presque uniforme à l’interface sédiment-eau. Les taux de dissolution de la calcite mesurés et normalisés à l’aire de l’interface exposée étaient linéairement dépendants de la sous-saturation de l’eau de mer par rapport à la calcite. Bien que l’ordre de la réaction (n = 1.24 +- 0.93) soit inférieur à la plupart de ceux obtenus lors d’expériences en laboratoire avec des sédiments ou particules de calcite complétement re-suspendus, la constante de dissolution, k, est similaire à celles déterminées dans les études précédentes. Les taux de dissolution mesurés au voisinage de l’équilibre (sous-saturation d’approximativement 0.2) étaient indépendants des vitesses de mélange dans l’intervalle étudié. Ainsi nous croyons que la dissolution de la calcite est contrôlée, sous nos conditions expérimentales, par des réactions de surface ou par le taux de diffusion des composantes du minéral hors du sédiment