Soutenance de thèse - Delphine CONTAMINE

Fixation d'azote atmosphérique par les éclairs volcaniques : une approche multi-isotopique des nitrates

Titre anglais :	Atmospheric nitrogen fixation by volcanic lightning : a multi-isotopic approach of nitrate
Ecole Doctorale :	Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
Spécialité :	Géochimie
Etablissement :	Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)
Unité de recherche :	UMR 7193 - Institut des Sciences de la Terre de Paris
Direction de thèse :	Erwan MARTIN- Slimane BEKKI

Cette soutenance a eu lieu vendredi 12 décembre 2025 à 14h00
Adresse de la soutenance : Batîment Esclangon 4 place jussieu 75005 Paris - salle Amphi Astier

devant le jury composé de :

Erwan MARTIN	Maîtresse de conférences	Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)	Directeur de thèse
Slimane BEKKI	Directeur de recherche	LATMOS	CoDirecteur de thèse
Magali ADER	Professeure des universités	Institut Physique du Globe de Paris	Rapporteur
Timothy DRUITT	Professeur émérite	Laboratoire Magma et Volcan	Rapporteur
Marie BOICHU	Chargée de recherche	Laboratoire d'Optique Atmosphérique	Examinateur
Hélène BALCONE-BOISSARD	Professeur des universités	Institut des Sciences de la Terre de Paris	Examinateur
Bernard MARTY	Professeur émérite	CRPG	Examinateur

Résumé de la thèse en français :

L’azote est un élément indispensable à la vie car constitutif de nombreuses molécules biologiques. Le N2, qui représente 78% de l’atmosphère terrestre, en constitue la source principale. Cependant, cette molécule très stable n’est pas assimilable par la plupart des organismes et l’azote doit être « fixé », c’est-à-dire transformé en forme réactive. Certains phénomènes abiotiques et naturels de haute énergie (e.g. éclairs) peuvent réaliser cette transformation. Au moment du développement de la vie, la Terre primitive était bien plus chaude qu’aujourd’hui, ce qui impliquait une activité volcanique très importante. Néanmoins, les éclairs volcaniques associés aux panaches d’éruptions explosives, qui représentent une source d’azote réactif, n’ont été que peu considérés dans la littérature.
Dans le but de quantifier la fixation d’azote par les éclairs, cette thèse s’est appuyée sur l’analyse multi-isotopique de l’oxygène (Δ17O) et de l’azote des nitrates (NO3-) provenant d’archives géologiques dont la nature (dépôts sédimentaires et volcaniques) et l’origine (milieux arides et non arides) sont très variables.
La comparaison de la composition isotopique des nitrates issus de dépôts volcaniques et sédimentaires préservés dans le même bassin sédimentaire (Tecopa, USA) a permis de quantifier la fixation d’azote atmosphérique par les éclairs volcaniques produits lors d’éruptions majeures (VEI > 7). Cette étude a ainsi montré que les dépôts volcaniques constituent une archive géologique fiable de ce processus de fixation.
L’impact de la dynamique éruptive sur la fixation d’azote par les éclairs volcaniques a été mis en évidence par l’étude des dépôts associés aux quatre phases de dynamisme distinct de l’éruption Minoenne (VEI = 7, Santorin, Grèce). La densité et l’humidité du panache, ainsi que le transport de cendres et de ponces, modulent l’électrification des particules volcaniques, ce qui influence directement la formation d’éclairs volcaniques et l’efficacité de la fixation d’azote atmosphérique par ce phénomène.
L’étude des nitrates issus d’éruptions de plus faible intensité (VEI < 6), plus fréquentes à la surface de la Terre, semble indiquer une variation des voies d’oxydation de l’azote fixé par les éclairs volcaniques par rapport aux éruptions de plus grande ampleur (VEI > 7). Cette variation pourrait résulter de l’altitude atteinte par les panaches volcaniques ainsi que leur degré de dilution avec l’atmosphère.
Enfin, les encroûtements noirs formés par oxydation du soufre sur les pierres de construction en carbonate semblent représenter la première archive des voies d’oxydation du soufre et de la concentration des oxydants atmosphériques au cours des derniers siècles dans l’atmosphère urbaine. La modélisation de la chimie atmosphérique révèle le rôle croissant des NOx (NO + NO2) dans l’oxydation du soufre de la période préindustrielle à aujourd’hui. Finalement, cette voie d’oxydation pourrait être envisagée dans les panaches volcaniques où les NOx produits par les éclairs volcaniques pourraient représenter une voie d’oxydation du SO2 volcanique encore jamais envisagée

Résumé de la thèse en anglais:

Nitrogen is a key element for life, as it forms an essential part of many biological building blocks. Dinitrogen (N2), which constitutes 78 % of the Earth’s atmosphere, is its primary source. However, this molecule is highly stable and cannot be directly assimilated by most organisms, meaning nitrogen must be “fixed” into reactive forms. Certain high-energy natural and abiotic processes, such as lightning, can drive this fixation. During the early development of life, the primitive Earth was considerably warmer than today, resulting in enhanced volcanic activity. Despite this, volcanic lightning associated with plumes from explosive eruptions – a potentially significant source of reactive nitrogen – has received relatively little attention in the literature.
To quantify nitrogen fixation by volcanic lightning, this PhD research focused on multi-isotopic analyses of oxygen (Δ17O) and nitrogen in nitrate (NO3-) from various geological archives, in which both the type of deposits (sedimentary and volcanic) and their origin (arid or non-arid environments) vary considerably.
The comparison of the isotopic composition of nitrates from volcanic and sedimentary deposits preserved within the same sedimentary basin (Tecopa, USA) allows for the quantification of nitrogen fixation by volcanic lightning during major eruptions (VEI > 7). This study confirms that volcanic deposits constitute a reliable geological archive of this fixation process.
The impact of eruptive dynamics on the nitrogen fixation by volcanic lightning has been highlighted through the study of volcanic deposits associated with the four distinct eruptive phases of Minoan eruption (VEI = 7, Santorini, Greece). Plume density and humidity, as well as the transport of volcanic ash and pumices, modulate the electrification of volcanic particles, which directly affects the formation of volcanic lightning and the efficiency of nitrogen fixation by these electrical processes.
The study of nitrate associated with deposits from lower-intensity eruptions (VEI < 6), which are more frequent at the Earth’s surface, seems to indicate a variation in the oxidation pathways of nitrogen fixed by volcanic lightning compared to larger eruptions (VEI > 7). This variation could result from the altitude reached by the volcanic plume and its degree of dilution in the atmosphere.
Finally, black crusts formed by the sulfur oxidation on carbonate building stones appear to represent the first archive of oxidation pathways and atmospheric oxidant concentrations over the past few centuries in urban environments. Atmospheric chemistry modeling reveals the increasing role of NOx (NO + NO2) in sulfur oxidation from pre-industrial period to the present. This oxidation pathway could also occur in volcanic plumes, where NOx produced by volcanic lightning may represent an as-yet unconsidered pathway for the oxidation of volcanic SO2.

Mots clés en français :	Geochimie, Nitrates, Volcanisme explosif, Sulfate, Isotopie, Oxygène,
Mots clés en anglais :	Geochemistry, Nitrates, explosive volcanism, sulfates, isotopy, oxygen,

18/12/25

Traductions :