JURY   DOCTEUR   es   SCIENCES   L’Université   Libre   de   Bruxelles   THESE

THESE 

présentée à 

L’Université Libre de Bruxelles 

Ecole Doctorale UNITER 

Par Aurélien Taillez 

En vue de l’obtention du grade de 

DOCTEUR es SCIENCES 

Spécialité : Géochimie environnementale 

Géochimie isotopique du Pb‐Cu‐Zn particulaires en   système fluvio‐estuarien anthropisé 

–  Bassins de l’Escaut et de la Seine – 

JURY 

M. Jean Luc Probst  M . Jörg Schäfer  Mme. Christiane Lancelot 

Mme. Lei Chou  M. Alain Préat  Mme Nadine Mattielli 

‐ 2010 ‐ 

T able des matières

I

P

I.

C

1.1. Généralités sur les ETM dans les systèmes aquatiques 1.1.1. Les transferts et sources en ETM

1.1.2. Interactions avec la biosphère & toxicité

1.1.3. Le continuum dissous-particulaire & spéciation

1.1.4. Processus fluvio-estuariens de transformation des ETM 1.1.4.1. Influence du pH

1.1.4.2. Rôle de la matière organique 1.1.4.3. Processus redox

1.1.4.4. Influence de la turbidité

1.1.4.5. Comportement des ETM dans le gradient de salinité 1.2. Géochimie du Pb-Cu-Zn dans les systèmes aquatiques 1.2.1. Propriétés générales

1.2.1.1. Propriétés atomiques et physiques 1.2.1.2. Propriétés biologiques

1.2.1.3. Minerais, gisements, production, consommation &

utilisations finales

1.2.2. Géochimie élémentaire

1.2.2.1. Cycles biogéochimiques globaux

1.2.2.2. L’interface continent/océan : comportements de Pb-Cu-Zn &

spéciation

1.2.2.3. Impact des activités anthropiques

1.2.3. Géochimie isotopique 1.2.3.1. Pb

1.2.3.1.1. Principe

Applications en Sciences de l’Environnement Quels rapports utiliser ?

Les termes « radiogénique », « thorogénique » et « uranogénique »

1.2.3.1.2. Composition isotopique en Pb des réservoirs naturels : vers la définition d’un fond géochimique sédimentaire naturel

1.2.3.1.3. Composition isotopique en Pb des minerais et charbons d’importance économique

1

7

9

1.2.3.1.4. Composition isotopique en Pb des sources anthropiques potentielles, vecteurs de différents mélanges de différents minerais, en Europe du Nord-Ouest.

Les lignes ESLP & industrielles (Haack et al., 2002 ; 2003) Les essences automobiles

Le domaine industriel

Le domaine domestique – urbain

Les pratique agricoles : épandage de fertilisants et amendements Ca Les aérosols urbains en tant que composante atmosphérique

1.2.3.2. Zn

1.2.3.2.1. Principe

1.2.3.2.2. Variabilité isotopique du Zn et processus de fractionnement

1.2.3.2.2.1. Les matériaux géologiques 1.2.3.2.2.2. La composante biologique 1.2.3.2.2.3. Les produits des activités industrielles 1.2.3.2.2.4. L’enregistrement sédimentaire

1.2.3.2.3. Caractérisation isotopique des sources en Zn pour des applications environnementales en Europe du Nord-Ouest

1.2.3.3. Cu

1.2.3.3.1. Principe

1.2.3.3.2. Variabilité isotopique du Cu et processus de fractionnement

1.2.3.3.2.1. Les matériaux géologiques 1.2.3.3.2.2. La composante biologique

1.2.3.3.2.3. Les produits des activités industrielles 1.2.3.3.2.4. L’enregistrement sédimentaire

1.2.3.3.3. Caractérisation isotopique des sources en Cu pour des applications environnementales en Europe du Nord-Ouest

C

2.1.1. Réseau hydrographique, hydrologie et transport de matières en suspension

2.1.2. Unités géologiques affleurantes et types de sols 2.1.3. Occupation des sols

2.1.4. Quelques spécificités des sous-bassins du réseau de l’Escaut 2.2. Les estuaires

2.2.1. Caractéristiques hydro-morphologiques

2.2.2. Matières en suspension (MES) dans l’estuaire et formation du bouchon vaseux

2.2.3. Intrusion saline

75

C

3.1. Vaisselles et conditionnement 3.2. Stratégie d’échantillonnage

3.2.1. Prélèvements et conditionnements des échantillons 3.2.2. Les campagnes d’échantillonnage

3.2.2.1. Suivi mensuel des apports fluviaux des sous-bassins du réseau de l’Escaut et du bassin de la Seine

3.2.2.2. Les profils longitudinaux des estuaires de l’Escaut et de la Seine

3.2.2.3. Enregistrement temporel sédimentaire dans l’estuaire de l’Escaut - carottage sur l’estran tidal de Lillot-Fort

3.2.2.4. Prélèvement unique d’un échantillon de boue d’épuration 3.3. Méthodes analytiques

3.3.1. Granulométrie 3.3.2. Géochimie

3.3.2.1. Caractérisation physico-chimique des eaux de surface 3.3.2.2. Matières en suspension

3.3.2.3. Chlorophylle a

3.3.2.4. Carbone organique particulaire (COP) et dissous (COD) 3.3.2.5. Concentrations en éléments traces métalliques particulaires 3.3.2.6. Composition isotopique en Pb

3.3.2.7. Composition isotopique en Cu et Zn

P

II.

C

Introduction

4.1. Hydrodynamique 4.1.1. Le bassin de l’Escaut

4.1.1.1. Variations inter-annuelles de 1949 à 2007 4.1.1.2. Variations intra-annuelles : l’impact des crues

4.1.1.3. Conditions du régime hydrologique au cours de l’échantillonnage (juin 2006 – juillet 2007)

4.1.1.4. Conclusion 4.1.2. Le bassin de la Seine

4.1.2.1. Variations inter-annuelles de 1949 à 2007 4.1.2.2. Variations intra-annuelles : l’impact des crues

4.1.2.3. Conditions du régime hydrologique au cours de l’échantillonnage (décembre 2005 – mai 2007)

4.1.2.4. Conclusion 4.2. Dynamique sédimentaire 4.2.1. Le bassin de l’Escaut

4.2.1.1. Flux annuels

91

115

117

4.2.1.2. Relation MES-Q sur l’Escaut supérieur et dans l’estuaire amont

4.2.1.3. Conditions des concentrations en MES lors de l’échantillonnage et flux journaliers

4.2.2. Le bassin de la Seine 4.2.2.1. Flux annuels

4.2.2.2. Relation MES-Q sur la Seine

4.2.2.3. Conditions des concentrations en MES lors de l’échantillonnage 4.2.3. Conclusion

C

5.1. Généralités sur le cycle de la matière organique en milieu aquatique (d’après Servais et al., 1999)

5.2. Le bassin de l’Escaut

5.2.1. Variations saisonnières et relation avec l’hydrologie et la pression anthropique

5.2.2. Eutrophisation du bassin de l’Escaut

5.2.3. Apports annuels en CO à l’estuaire : flux de COP et COD &

importance relative des sources

5.2.4. Minéralisation estuarienne de la MOP & sources de COP à Hemiksem

5.2.5. Les apports en COP aux jours de prélèvements de cette étude 5.2.6. Conclusion

5.3. Le bassin de la Seine

5.3.1. Variations saisonnières et relation avec l’hydrologie et la pression anthropique

5.3.2. Eutrophisation du bassin de la Seine

5.3.3. Apports annuels en CO à l’estuaire : flux de COP et COD &

importance relative des sources 5.3.4. Conclusion

5.4. Les sous-bassins de l’Escaut et le bassin de la Seine en relation avec la pression anthropique : l’ « anomalie » de la Dendre.

C

6.1. Variabilité spatio-temporelle des signatures géochimiques en ETM : les variations de composition élémentaire

6.1.1. Le bassin de l’Escaut 6.1.1.1 Le plomb 6.1.1.2. Le zinc 6.1.1.3. Le cuivre 6.1.1.4. Les autres ETM 6.1.2. Le bassin de la Seine

6.2.1. Le plomb 6.1.2.2. Le zinc 6.1.2.3. Le cuivre

147

177

6.1.2.4. Les autres ETM 6.1.3. Synthèse comparative

6.2. Variabilité spatio-temporelle des signatures géochimiques en ETM : les variations de compositions isotopiques

6.2.1. Le bassin de l’Escaut 6.2.1.1. Le plomb 6.2.1.2. Le zinc 6.2.1.3. Le cuivre 6.2.2. Le bassin de la Seine

6.2.2.1. Le plomb 6.2.2.2. Le zinc 6.2.2.3. Le cuivre 6.2.3. Analyse de variance 6.3. Conclusion

C

7.1. La problématique de traceurs de sources vs. traceurs de processus : le potentiel des isotopes Pb-Zn-Cu en système fluvial

7.1.1. Définitions et arguments en faveur d’un rôle de traceurs de sources 7.1.2. Les arguments de comparaison : l’analogie des systèmes isotopiques Cu-Zn à celui du Pb & les analogies spatiales Escaut supérieur – Dyle – Hemiksem

7.1.3. Les (non-)relations isotopiques vs. paramètres environnementaux d’activités biologiques

7.2. Un bilan de masse « isotopique » à l’équilibre 7.2.1. Le bilan sédimentaire à Hemiksem

7.2.2. Le bilan massique en ETM à Hemiksem

7.2.2.1. Le rôle de la minéralisation estuarienne de la MOP

7.2.2.2. L’anomalie en Mo & la signature multi-élémentaire de la MOP d’origine domestique/urbaine

7.2.3. Le bilan « isotopique » en Pb-Cu-Zn à Hemiksem 7.2.3.1. Le plomb

7.2.3.2. Le Zinc 7.2.3.3. Le Cuivre 7.2.3.4. Conclusion

P

III.

C

1.Introduction

2.Matériel et méthodes 2.1. Zones d’étude

2.2. Stratégie d’échantillonnage 2.3. Procédures analytiques

209

267

269

3. Résultats 4. Discussion

4.1. Les isotopes du Pb en tant que traceur du mélange estuarien des particules sédimentaires

4.2. Caractérisation de l’effet granulométrique sur les compositions isotopiques en Pb

4.3. La discrimination des sources de Pb 4.5. Variations saisonnières ?

4.4. Variations spatiales : la comparaison Escaut / Seine 5. Conclusion

7. Références

C

Abstract 1. Introduction

2. Materials and Methods

2.1. Study sites and sampling strategy 2.2 Sample preparation and analyses 3. Results

4. Discussion

4.1 Characterization of Cu and Zn signature of Natural and Anthropogenic reservoirs

4.1.1 Isotopic composition of anthropogenic zinc 4.1.2 Isotopic composition of natural zinc

4.1.3 Isotopic composition of anthropogenic copper 4.1.4 Isotopic composition of natural copper

4.2 Sediment core - “Historical” record of Cu and Zn isotope signature in the upper estuary

4.2.1 Sedimentology of the core

4.2.2 Improvement of the water quality in the upper estuary 4.2.3 The core as a “historical” record of pollution

4.2.4 Evolution of Cu and Zn isotopic compositions in time 4.3 Suspended particulate matter - Evolution of Cu and Zn signature in the estuarine continuum.

4.4. Cu and Zn isotopes in the Scheldt system - implications for anthropogenic and natural Cu and Zn signatures.

5. Conclusion 6. References

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