2 – Les analyses isotopiques

III-2 1 - Détermination du δ13_CCID

La mesure du δ13C de la fraction inorganique dissoute se fait par spectrométrie de masse. Cette analyse nécessite au préalable l’extraction du carbone inorganique dissous (CID), qui dans l’eau se trouve principalement sous la forme de CO2aqueux, d’ions bicarbonates et d’ions carbonates. Plusieurs méthodes de séparation du CID ont été élaborées, parmi lesquelles deux se sont avérées particulièrement efficaces dans le piégeage du CO2 contenu dans l’eau. Ce sont :

■ la technique de précipitation de carbonate et

■ la technique d’évolution gazeuse.

i)– la technique de précipitation de carbonate

Plusieurs auteurs ont fait usage de cette technique et ont contribué à l’améliorer. On peut citer parmi eux, Gleason et al. (1969), Jacobson and Usdowski (1975), Barnes et al. (1978),

Usdowski et al. (1979). Le matériel est facilement transportable sur le terrain, mais nécessite

une préparation rigoureuse en laboratoire par la suite. Le principe de cette technique est de précipiter CID sous forme de SrCO3. Pour ce faire, on introduit dans une bouteille en polyéthylène contenant l’échantillon d’eau, du chlorure de strontium ammoniacal (NH4OH- SrCl2), le bouchon est scellé et la bouteille énergiquement secouée. En laboratoire,

86 l’échantillon est filtré et le précipité rincé soigneusement à l’eau distillée puis séché. On fait ensuite réagir une masse connue du précipité avec de l’acide phosphorique concentré dans un système fermé sous vide. Le CO2 qui se dégage est purifié sur une rampe d’extraction de carbonate, piégé et analysé. La composition du réactif, et sa proportion par rapport au volume d’échantillon diffèrent selon les auteurs.

ii) – La technique d’évolution gazeuse

Cette méthode a été largement expérimentée par des auteurs tel que Mook (1970), Tan

et al. (1973), Kroopnick (1974) et Reardon et al. (1979). Elle est difficile à mettre en oeuvre

sur le terrain, mais assez facilement utilisable en laboratoire. C’est par cette méthode que nous avons réalisé l’extraction du carbone inorganique sur nos échantillons d’eau.

- Le principe

On fait réagir l’échantillon d’eau avec de l’acide phosphorique concentré en excès dans un système fermé sous vide. Le CO2 qui se dégage est progressivement purifié à travers des pièges à - 80°C (propanol + azote liquide) de façon à éliminer les vapeurs d’eau, puis piégé en fin de rampe par de l’azote liquide vers -190°C. Les échantillons utilisés doivent être traités avec du chlorure de mercurique (HgCl2) pour éviter toute modification du CID par l’activité bactérienne dans le flacon au cours du stockage. Les flacons de prélèvement sont remplis à ras bord et fermés de façon à ne pas piéger de bulles d’air ; cela afin d’éviter une contamination et un équilibrage avec le CO2 d’origine atmosphérique.

- Matériel et protocole expérimental

L’extraction du CID par la technique d’évolution gazeuse se fait à l’aide d’une rampe d’extraction de CO2. Le dispositif expérimental, dont les pièces sont en verre pyrex, est présenté sur la figure III.4. Ce dispositif a été installé au LMTG par Brunet dans le cadre de ses travaux de thèse. Il est constitué de 4 principales parties (Brunet, 2004).

- Réacteur : c’est une bouteille au sein de laquelle s’effectue le dégazage (réaction entre l’acide et l’échantillon). Elle a un orifice principal qui est connecté au système et un orifice secondaire soigneusement bouché à l’aide d’un bouchon en caoutchouc à travers lequel est injecté l’échantillon. Nous avons utilisé un réacteur de 500 ml, mais dans le cas d’échantillons à plus forte alcalinité, un flacon de volume moindre peut convenir.

- Pièges : ce sont des ampoules successives dans lesquelles s’effectue la purification du CO2 (piégeage de vapeur d’eau).

- Tube collecteur servant à récupérer le CO2 après sa purification dans les pièges successifs. Ce CO2 est piégé au fond du tube, qui est alors scellé à l’aide d’un chalumeau.

- Pompe pour créer et maintenir le vide de l’ordre de 10-3 mbar dans la rampe. Deux jauges connectées à un manomètre permettent de contrôler ce vide à deux niveaux (au milieu et à la fin) de la rampe. Ces jauges permettent de vérifier la bonne étanchéité de notre système, et donc d’éviter une contamination par le CO2 atmosphérique ou bien un dégazage de ce dernier vers l’extérieur, et donc un éventuel fractionnement du

δ13C.

Le nombre de pièges utilisés pour purifier l’échantillon dépend de l’expérimentateur. Dans notre dispositif, nous utilisons quatre pièges à l’issue desquels l’échantillon est suffisamment purifié. Le temps de purification est successivement de 10 mn pour les trois premiers pièges et de 20 mn pour le dernier. D’autre expérimentateurs préfèrent utiliser deux ou trois pièges, mais avec un temps de purification plus long (environ 20 à 30 mn par piège).

Figure III.4 : Schéma de la rampe d’extraction du CO2

Dans cette étude, nous avons adopté le protocole d’extraction du CO2 décrit par Brunet (2004). J1 J2 Vers le baromètre Réacteur 1 2 3 4 5 6 Vers la pompe Piège C Piège B Piège D

88 - Mettre 1 ml d’acide ortho-phosphorique (100%) dans le réacteur ainsi qu’un agitateur magnétique.

- Installer le réacteur sur la rampe et faire le vide pour permettre le dégazage de l’acide. Pour faciliter le vide dans la rampe, un cinquième piège (Piège E) est installé après le tube collecteur. Ce dernier reste, pendant toute l’expérimentation, trempé dans l’azote liquide (température de –193°C) contenu dans un Dewar.

- Lorsque la jauge J2 affiche un vide de 6.10-2 bar, fermer la vanne 1, pour isoler le réacteur, puis injecter l’échantillon d’eau à travers le bouchon en caoutchouc à l’aide d’une seringue et agiter. Après introduction de l’échantillon, 5 minutes sont nécessaires pour que la réaction de dégazage soit complète ; l’agitateur magnétique permet d’accélérer cette réaction.

- Fermer la vanne 2 et placer sous le piège A un Dewar contenant un mélange propanol-azote liquide à une température d’environ –80°C. Ouvrir la vanne 1 et attendre 5 minutes pour atteindre un équilibre. A cette température et cette faible pression, la vapeur d’eau va se solidifier au fond du piège A, par contre, le CO2 va rester sous phase gazeuse.

- Après ce laps de temps, la vanne 3 est fermée et on place sous le piège B un Dewar contenant seulement de l’azote liquide (température de –193°C). On ouvre la vanne 2 et on attend 5 minutes. Le Dewar contenant le mélange propanol-azote liquide est maintenu à une température de –80°C sous le piège A. Dans cette configuration, la vapeur va rester piégée dans le piège 1 et le CO2 va se solidifier au fond du piège B.

- La vanne 2 est ensuite fermée et on enlève le Dewar contenant l’azote liquide. Le piège B revient donc à la température ambiante et donc le CO2 passe à nouveau sous forme gazeuse. - Ces opérations sont réitérées de proche en proche pour chaque piège. Les temps de piégeages de la vapeur d’eau sont de 10 minutes pour les pièges B et C et de 20 minutes pour le piège D. Les temps de piégeage pour le CO2 sont de 5 minutes pour tous les pièges.

- Après avoir piégé le CO2 dans le piège 4 pendant 5 minutes, on ouvre la vanne 5, sans enlever le Dewar d’azote liquide sous le piège. Cette opération permet d’évacuer les gaz non condensables de l’échantillon.

- Ensuite, après avoir piégé l’eau pendant 20 minutes au fond du piège D, un Dewar contenant de l’azote liquide est placé sous le tube collecteur (toujours pendant 5 minutes) - Enfin, la vanne 6 est ouverte et on scelle le tube à l’aide d’un chalumeau tout en le maintenant dans le Dewar d’azote liquide, pour que le CO2 reste piégé au fond du tube collecteur.

Le volume d’échantillon nécessaire pour effectuer une extraction de CO2 dépend essentiellement de l’alcalinité. Ce volume doit être pris de manière à ce que, en présence d’un

excès d’acide ortho-phosphorique (1 à 1,5 ml), la quantité de gaz récupéré dans le tube collecteur soit suffisante pour faire une mesure de la composition isotopique du CID au spectromètre de masse. Le tableau III.5 indique les volumes d’eau nécessaires à l’obtention d’une quantité suffisante de CO2 pour l’analyse. L’alcalinité des eaux du bassin du Nyong et du BVE du Mengong est comprise dans une gamme inférieure à 200 µmol/l. Pour ces eaux, nous utilisons 250 ml d’échantillon pour une analyse.

Tableau III.5: Volume d’eau nécessaire pour une mesure du δ13C du CID

Alcalinité (µ mol/l)

Volume d’échantillon nécessaire (ml)

Dépression dans la rampe mbar < 200 250 0,2 - 0,8 200 - 400 200 0,8 - 1,7 400 - 800 100 - 150 1,7 - 2,3 800 - 2000 40 - 100 2,3 - 3,8 > 2000 5 - 40 3,8 - 5,2

iii – Analyse spectrométrique du δ13CCID

Nos analyses de δ13C sont effectuées sur un spectromètre de masse FISONG VG OPTIMA du Laboratoire d’isotopes stables du Centre de Géochimie de la Surface (CGS) de Strasbourg. Cet appareil fonctionne de façon optimale avec des quantités de gaz de l’ordre d’une dizaine de µmoles. Toutefois il est possible d’obtenir des résultats avec des quantités moindres en utilisant un « doigt froid ». Les tests de reproductibilité effectués montrent que la précision absolue des analyses est de±0,2‰. La calibration journalière de l’appareil se fait par un gaz étalon (San Andreas) et l’utilisation d’un standard de CO2 pur, le M85. Ce même

standard est utilisé pour nos analyses de δ13C. Les tubes du CO2 du S.A. et du M85 sont préparés sur la rampe d’extraction du CO2 des carbonates à partir de leurs poudres. On fait réagir sous vide, dans un bain-marie, les poudres avec des l’acide ortho-phosphorique. Le CO2 qui se dégage est purifié sur la ligne d’extraction à carbonate (même principe que l’extraction du CID de l’eau), collecté dans des tubes et scellé.

Nous avons présenté en annexe quelques détails sur le principe de la spectrométrie de masse pour l’analyses des isotopes de carbone (IRMS : Isotope Ratios Mass Spectrometer)

III-2-2 - Détermination du δ13_{CCOT et du} δ15_{NNT des échantillons de sol et de MES}

Les compositions isotopiques δ13CCOT et δ15NNT des échantillons de sols et de MES ont été mesurées sur le CO2, respectivement sur le N2O obtenus par combustion à 900°C sous

90 flux d’oxygène pur. Les chlorures sont piégés dans le four à laine d’argent et la vapeur d’eau piégée avec de la neige carbonique. Les gaz ainsi purifiés ont été analysés à l’aide d’un spectromètre de masse à trois cages de collection et simple admission « modèle Finnigan Mat Delta E ». Les résultats sont exprimés en unité δ par référence à des (PDB pour le carbone et N2 atmosphérique pour l’azote). Les échantillons sont analysés au moins deux fois, la différence maximale de δ acceptée entre les répétitions étant égale à 0,4‰.

CHAPITRE IV

ÉTUDE DE LA DYNAMIQUE DU CARBONE DANS LES SOLS DU BVE DU