UNIVERSITE DE GENEVE FACULTÉ DES SCIENCES Département des Sciences de la terre Prof. Robert Moritz
Impacts environnementaux liés à l’utilisation du mercure lors de l’exploitation artisanale de l’or dans la région de Kédougou
(Sénégal oriental)
THÈSE
présentée à la Faculté des Sciences de l’Université de Genève pour obtenir le grade de Docteur ès sciences, mention Sciences de la Terre
par
Birane NIANE
de
Guédiawaye (Sénégal)
Thèse No 4724
Genève
Atelier de reprographie ReproMail 2014
Contents
Remerciements ... iv
Résumé ... vi
Abstract ... viii
Chapitre 1 Introduction générale ... 1
1.1 Généralités ... 2
1.1.1 Problématique du mercure ... 2
1.1.2 Méthylation du mercure ... 4
1.2 Contexte de l'étude ... 5
1.2.1 Introduction ... 5
1.2.2 L'orpaillage à Kédougou ... 5
1.2.2 Géologie ... 9
1.2.3 Climat et végétation ... 12
1.2.4 Hydrographie ... 14
1.2.5 Relief et sols ... 14
1.3 Hypothèses d'étude ... 16
1.3.1 Contamination des écosystèmes terrestres et aquatiques ... 16
1.3.2 Les sols: Stock ou source de mercure? ... 16
1.3.3 Impacts des activités d’orpaillage sur l’écosystème aquatique ... 16
1.3.4 Impacts des activités d’orpaillage sur la santé des populations ... 17
1.4 Buts de l'étude ... 17
1.5 Stratégie de recherche ... 18
1.6 References ... 19
Chapter 2 Effect of recent artisanal small-scale gold mining on the contamination of surface river sediment: case of Gambia River, Kedougou region, southeastern Senegal 24 Abstract ... 25
2.1 Introduction ... 26
2.2 Materials and methods ... 27
2.2.1 Geological setting and study sites ... 27
2.2.2 Sampling procedure and sample treatment ... 29
2.2.3 Analytical techniques ... 29
2.3 Results ... 30
2.3.1 Sediment grain-size distribution and organic matter content ... 30
2.3.2 Comparison of total mercury (THg) distribution between mining and non-mining- sites during the dry (January 2011) and wet (November 2011) season ... 33
2.4 Discussion ... 39
2.4.1 Impact of ASGM on spatial Hg contamination of river sediments ... 39
2.4.2 Parameters influencing the spatial and temporal fate and behavior of Hg ... 40
2.4.3. Sediment guidelines and evaluation of potential risks ... 42
2.5 Conclusions ... 43
2.6 References ... 44
Chapter 3 Mercury distribution and speciation in soil profiles and various forms of Hg in water around artisanal small-scale gold mining areas in Kedougou region, Senegal . 48 Abstract ... 49
3.1 Introduction ... 50
3.2 Regional geology ... 51
3.3 Sampling and analysis ... 52
3.3.1 Soil and water sampling ... 52
3.3.2 Granulometry and chemical analysis ... 52
3.3.3 Mercury and methylmercury analysis ... 53
3.4 Results and discussion ... 53
3.4.1 Soil characteristics ... 53
3.4.2 Hg in soil ... 55
3.4.3 Hg in surface water ... 60
3.5 Conclusions ... 62
3.6 References ... 63
Chapter 3 Supporting information (SI) ... 67
Chapter 4 Human exposure to mercury in artisanal small-scale gold mining areas of Kedougou region, Senegal as a function of occupational activity and fish consumption 70 4.1 Introduction ... 72
4.2 Material and methods ... 73
4.2.1 Study area ... 73
4.2.2 Sampling ... 75
4.2.3 Analytical procedures ... 75
4.2.4 Statistical analysis ... 76
4.3 Results ... 76
4.3.1 Hg and Se concentrations in fish and shellfish ... 76
4.3.2 THg concentrations in hair ... 79
4.4 Discussion ... 81
4.4.1 Contamination of fish from Gambia River ... 81
4.4.2 Fish consumption advisories ... 82
4.4.3 Evaluation of human exposure to Hg and recommendations ... 84
4.5 Conclusions ... 85
4.6. References ... 86
Chapter 5 Quantification and characterization of bacteria resistant to mercury in sediment contaminated by artisanal small-scale gold mining activities, Kedougou region, Senegal ... 92
Abstract ... 93
5.1 Introduction ... 94
5.2 Materials and methods ... 95
5.2.1 Study sites and sample collection ... 95
5.2.2 Sediment Hg analysis ... 96
5.2.3 Bacterial cell extraction from sediments ... 97
5.2.4 Heterotrophic plate count and isolation of Hg-resistant bacteria ... 97
5.2.5 16s rDNA amplification ... 98
5.2.6 RFLP, cloning and sequencing ... 98
5.3 Results and Discussion ... 99
5.3.1 Hg concentration in sediment ... 99
5.3.2 Hg-resistant bacteria in sediment ... 100
5.3.3 Characterization of Hg-resistant bacteria ... 100
5.4 Conclusions ... 102
5.5 Reference ... 103
Chapitre 6 Conclusions et perspectives ... 106
6.1. Conclusions et perspectives ... 107
6.2 Recommandations ... 109
6.3 Perspectives de recherches ... 109
Je remercie très sincèrement :
Le Professeur Robert Moritz pour avoir accepté de diriger ce travail de thèse, son humanisme, sa disponibilité ainsi que ses conseils très précieux qui m’ont accompagné tout le long de ce travail,
Dr Stéphane Guédron pour avoir été le premier à me parler du mercure et d’avoir donné corps à ce projet,
Dr John Poté pour m’avoir accueilli dans son laboratoire et de m’avoir initié à la microbiologie. Merci pour ton enthousiasme, soutien et encouragement,
Le Professeur Papa Malick NGOM qui a guidé mes premiers pas en géologie et de m’avoir donné la chance et le courage de poursuivre mes études.
Le professeur Hans Rudolf Pfeifer pour ses encouragements et conseils et pour avoir permis la mise en route du projet,
Dr Claudia Cosio pour m’avoir accueilli dans son groupe de recherche, Dr Jean Luc Loizeau pour ses conseils et encouragements,
Prof. Vera I. Slaveykova Directrice de l’Institut F-A-Forel pour son accueil et sa disponibilité, Prof Lluís Fontboté pour ses encouragements.
C’est aussi l’occasion de remercier tous les professeurs du département, les techniciens et les secrétaires.
Prof Serigne Faye ainsi que ses collègues de l’UCAD, à Salif Gueye et son équipe.
Un grand merci à toute l’équipe de Forel particulièrement le professeur Walter Wildi, le Dr Serge Stoll et son groupe, Naresh Devarajan, Phillipe Arpagaus, Elena Gascon, Diez, Rebecca Flueck, Neil Graham, Aline Adler, Nicolas Godoy.
Aux camarades de volée, Marie Caroline Pinget, Sébastien Biass, Toufik Bekadour, François, Nicolas Aubry, Nicolas Bruths, Mélanie Sandoz, Sébastien Bétrisé,
A mes amis: El Hadji .A. Dieng, Bocar Sy, Ibrahima Mall, Alioune Ba, Mamadou L Ndiaye, Amadou H.S.Thiam, Bassirou Wade, Talla Mboup, Diène Diouf, Insa Diallo, Abdou Sall, Assane Gueye, Abdoulaye Sylla, Ousmane Sall, Mapathé Ndiaye et Matar Ndiaye.
La réalisation de ce mémoire serait très difficile sans les apports financiers des fondations Schmidheiny, Lombard et Sida-UNESCO Project 503RAF2000 qui ont permis les déplacements pour la récolte de données sur le terrain. Je les remercie pour la confiance qu’elles ont portée en moi.
Je dédie ce travail à mes parents À mes frères et sœurs À ma patiente et adorable épouse À Maman Ndèye et Aminata
Au Sénégal oriental, dans la région de Kédougou, d’intenses activités d’exploitation artisanale de l’or à petite échelle utilisant le mercure ont été enregistrées depuis 1995 en raison de la hausse du prix de l’or et des faibles coûts de production liés à cette technologie.
Cependant l’utilisation abusive du mercure sans aucune forme de récupération aboutit à sa dispersion dans l’eau, les sédiments, les sols et l’air dans les environments immédiats des sites d’exploitations. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les impacts environnementaux de l’utilisation du mercure afin d'évaluer le risque potentiel d'exposition au mercure de la population locale et du mercure lors de l’exploitation artisanale de l’or.
Notre étude se déroule dans la région de Kédougou ou 30’000 à 60’000 personnes sont impliquées dans les activités d’orpaillage. Elle est la principale région du Sénégal où se concentrent les principaux gisements aurifères du pays. L’or s’y trouve sous forme de filons dans les roches du socle protérozoïque et d’alluvions dans les sédiments des cours d’eau.
Dans notre étude, nous avons analysé le mercure dans les sédiments, les sols, l’eau ainsi que des cheveux humains et les organismes aquatiques, afin de comprendre la dissémination du mercure au niveau de l’écosystème et de l’homme. D’autre part, la communauté bactérienne a été analysée dans le but de comprendre le développement de la résistance à des taux élevés de mercure de ces bactéries du fait des activités minières.
Les résultats de cette recherche ont révélé que les sédiments au niveau des principaux sites d’exploitations de l’or présentent des teneurs en mercure très élevées avec par exemple une valeur maximale de 9,9 mg kg-1. Ces valeurs sont plus élevées que les seuils maximum conseillés SQGs-PEC (Sediment Quality Guidelines-Probable Effects Concentration) pour les eaux douces.
L’analyse des échantillons de sol et de l’eau a révélé que les sols des sites non impactés par l’orpaillage varient entre 7 et 60 µg kg-1, tandis que les sols des sites d’orpaillage présentent des valeurs comprises entre 300 et 3900 µg kg-1. L’extraction séquentielle a montré que l’essentiel du mercure se trouve sous forme élémentaire, alors que la fraction lessivable apparaît minoritaire, suggérant une faible mobilité et biodisponibilité du mercure au sein des profils de sol. Les concentrations en mercure total (5,8 à 973,8 ng l-1), dissous (5,6 à 33,8 ng l-
1) et de méthylmercure (0,1 à 4,6 ng l-1) mesurées dans l’eau confirment la contamination au mercure et la méthylation active au niveau de l’écosystème aquatique.
L’analyse de la teneur en mercure des poissons et mollusques a montré qu’au niveau des poissons, tous les échantillons analysés présentent des teneurs en mercure total en dessous
de la norme de 0,5 mg kg-1 poids humide édictée par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), alors que 100% des mollusques révèlent des concentrations de mercure au-dessus de cette norme. Elle a permis de mettre en évidence une diminution des concentrations de mercure en fonction d’une augmentation du rapport molaire sélénium : mercure, suggérant une protection du sélénium contre la toxicité du mercure. Cependant la population locale se nourrissant de poisson provenant du fleuve Gambie à Kédougou et habitant les sites d’orpaillage présente des teneurs en mercure dans les cheveux supérieurs à celle des habitants des sites non orpaillés. C’est ainsi que 30% de la population locale des sites d’orpaillage présente des teneurs en mercure au niveau des cheveux supérieurs à 1 mg kg-1 définie comme concentration de référence par USEPA (United State Environmental Protection Agency).
Les résultats de cette étude ont permis de mettre en évidence une communauté bactérienne des sédiments des sites fortement contaminés par le mercure, confirmant la prévalence des bactéries résistantes au mercure. Les résultats ont montré que certains groupes ont acquis des gènes de résistance au mercure qui leur permet de survivre à des concentrations allant jusqu’à 18 mg kg-1.
L’utilisation du mercure lors de l’extraction artisanale de l’or reste problématique dans beaucoup de pays en voie de développement. Nos résultats ont permis de révéler que malgré son introduction très récente dans la région de Kedougou, les quantités de mercure mesurées dans les sédiments, les sols et l’eau dans les sites d’exploitation d’orpaillage dépassent de loin les normes internationales et commencent à induire des effets réels sur l’environnement, la faune et menace la santé des populations locales. Un usage réduit et contrôlé, voire même une interdiction complète sont à encourager pour faire face aux risques environnementaux et sanitaires.
In eastern Senegal, in the region of Kedougou, increasing artisanal small-scale gold mining (ASGM) activities using mercury (Hg) for gold amalgamation have been recorded since 1995 as a result of the rising gold price and the low costs of ASGM techniques.
Unfortunately, a large quantity of Hg is lost during gold recovery and released to the soil, water and river sediment of the surrounding environment. The main objective of this study is to determine the environmental impact of the use of mercury in order to assess the potential risk of Hg exposure for the local population.
Our study took place in the Kedougou region, a gold camp of Senegal where primary gold lode deposits occur in basement rocks and rivers contain abundant alluvial gold.In this study we have analysed the concentration of Hg in the soil, water, aquatic living organisms and human hair to understand the role of mercury dissemination to the ecosystem and humans. On the other hand the bacterial community resistant to mercury were also analysed by culture dependent and culture independent methods to understand the development of resistance in the bacterial community by ASGM activity.
Results revealed high concentrations of total Hg (reaching up to 9.9 mg kg−1) in sediment cores sampled in the vicinity of ASGM activities. These mercury concentrations are higher than the Sediment Quality Guidelines (SQGs) and the Probable effect concentration (PEC) for surface waters.
Analysis of soil samples and water revealed that soils in sites unaffected by gold mining range between 7 and 60 µg kg-1, whereas the soils of gold mining sites have higher concentrations ranging between 300 and 3900 µg kg-1. Sequential extraction showed high concentrations of elemental Hg (Hg0), but a very low soluble + exchangeable Hg fraction between (1 to and 6 µg kg-1), suggesting low Hg mobility in soil and low bioavailability. The concentrations of total mercury (5.8 to 973.8 ng l-1), dissolved (5.6 to 33.8 ng l-1) and methylmercury (0.1 to 4.6 ng l-1) measured in water confirm mercury contamination and active methylation in the aquatic ecosystem.
Fish contain total mercury concentrations below the threshold of 0.5 mg kg-1 fresh weight defined by the World Health Organization (WHO), whereas 100% of shellfish are above this standard value. We evidenced a decrease of THg concentrations with increasing selenium: mercury molar ratio, suggesting a protection of selenium against mercury toxicity.
However hair collected from local people eating fish from the River Gambia in the Kedougou region, and panning gold for their living, have mercury concentrations higher than hair
collected from inhabitants of sites devoid of gold panning. Thus 30% of the local population panning for gold has mercury levels in excess of 1 mg kg-1, defined as a reference standard concentration for hair.
The results of this study allowed us to reveal that the bacterial community of highly contaminated sediments, in addition to environmental parameter sites, may be affected by the pollution of anthropogenic mercury. The results showed that some bacterial groups have acquired genes resistant to mercury that can survive at mercury concentrations up to 18 mg kg-1.
The use of mercury in ASGM remains problematic in many developed countries. The results of our study allowed to reveal that the amount of mercury in sediment, soil and water of the gold mining sites can exceed international standards and begins to induce real effects on the environment, wildlife and the health of local populations, despite its very recent introduction to the region Kedougou. Reduced and controlled, or even prohibiting the use of mercury, must be implemented to address the environmental and health risks in eastern Senegal.
Introduction générale
Chapter 1. Introduction générale
1.1 Généralités
1.1.1 Problématique du mercure
L’extraction de l'or à petite échelle communément appelée orpaillage connait un regain d'activité dans les pays en voies de développement, notamment au Sénégal ces dernières années, avec l'utilisation massive et sans aucune mesure de récupération du mercure élémentaire. Au niveau des sols situés aux abords des zones d’orpaillage, le dépôt des retombées du mercure atmosphérique fait augmenter les concentrations en mercure.
Cependant cet enrichissement en mercure des sols peut également être d’origine naturelle par le fait de la pédogenèse (Brabo et al., 2003). Le niveau de mercure dans les sols dépend aussi souvent de leur position géographique, morphologique et de leurs propriétés minéralogiques.
Selon De Oliveira et al (2001), les sols latéritiques amazoniens sont des réservoirs importants pour le mercure retardant ainsi son transfert en milieu aquatique. Les études de Roulet et Lucotte (1995), Guédron et al (2006) et Grimaldi et al (2008) ont montré qu’une grande partie du mercure trouvé dans les écosystèmes de l’Amazonie provient de la dégradation des sols ferralitiques. Ainsi lors de l’érosion ou des actions anthropiques comme la déforestation et les feux de forêt, ces sols constituent une source importante du mercure pour les milieux aquatiques (Veiga et al., 1994). Dès lors, la cohabitation avec des milieux contaminés par le mercure n’est pas sans danger pour le biota et pour les populations. Plusieurs études ont été publiées sur les risques sanitaires liés à l’extraction de l’or à petite échelle communément appelée orpaillage (Malm et al., 1995; Maurice-Bourgoin et al., 2000; Burger et Gochfeld, 2006; Castilhos et al., 2006; Kojadinovic et al., 2006; Jewett et Duffy, 2007; Cheng et al., 2009; Holmes et al., 2009; Reis et al., 2009; Katner et al., 2010; Kim et Lee, 2010; Olivero- Verbel et al., 2011). Par contre en Afrique il n’existe que peu de données sur ce thème (Ntow et Khawaja, 1989; Biney et al., 1994; Ikingura et Akagi, 1996; Ikingura et al., 1997; Harada et al., 1999; van Straaten, 2000b). Des tests urinaires effectués sur trois communautés de Tanzanie ont montré que 37% des orpailleurs utilisant la méthode d’amalgamation présentaient des taux de mercure supérieurs à la norme de l’OMS, qui est de 50 μg de Hg par gramme de créatinine (van Straaten, 2000a). Par ailleurs en Mongolie, une étude a pu montrer que les résidents proches de sites d’orpaillage ou de sites de sites d’extraction qui ne travaillent même pas dans les mines présentent une charge corporelle en mercure très élevée (Steckling et al., 2011).
montrant une grande propriété de bioaccumulation et de bioamplification le long de la chaîne alimentaire (Boening, 2000). Le mercure est présent à des concentrations variables au niveau des océans, de l’atmosphère et de l’écorce terrestre (Fig.1.1). Il est considéré comme un polluant global du fait de sa large dissémination à partir d'une concentration très faible dans l'atmosphère. Le mercure peut entrer dans le système aquatique par différents moyens: dépôt atmosphérique sec et humide, ruissellement de surface et/ou directement à partir des eaux usées localement polluées. Selon Clarkson (1997), la toxicité du mercure dépend des formes chimiques sous lesquelles il se présente: mercure élémentaire (métallique, Hg0), mercure inorganique (ionique, Hg2+) et organique (MeHg). Les écosystèmes aquatiques sont particulièrement sensibles à la contamination par le mercure du fait des conditions physico- chimiques et biologiques pouvant faciliter les transformations des différentes espèces chimiques du mercure qui contrôlent son cycle biogéochimique (Pestana et al., 2000; Wang et al., 2009). Les industries de fabrication de papiers, de sidérurgie et de chlore-alkali ont longtemps été mises en cause par plusieurs études sur les fortes teneurs en mercure dans les environs de ces industries. L’utilisation du mercure comme électrode dans les industries chlore-alkali a fortement contribué à la contamination du milieu aquatique dans la région de Valcea en Roumanie (Bravo et al., 2010).
Figure 1.1: Émissions naturelles et anthropiques mondiales de mercure modifié d'après Lamborg et al., 2002.
Chapter 1. Introduction générale
Cependant les teneurs élevées en mercure mises en évidence en Amazonie brésilienne et en Guyane ont été imputées en grande partie à l’exploitation artisanale de l’or. Plusieurs années d’enquêtes et d’analyses ont confirmé la responsabilité des chercheurs d’or (Nriagu, 1994; Boudou et al., 2006b).
1.1.2 Méthylation du mercure
La transformation du mercure inorganique (Hg2+) en méthylmercure (MeHg) dans l’environnement se fait par le processus de méthylation. Ce processus peut être le résultat de réactions biotiques et abiotiques ou le couplage des deux réactions. Dans les systèmes aquatiques, les interfaces entre les zones aérobies/anaérobie constituent les zones privilégiées pour la production de MeHg. Les bactéries sulfato et ferri-réductrices (BSR et BFR) restent les principaux agents de la méthylation biotique (Compeau et al. 1985, Benoit et al. 2003, Fleming et al., 2006, Jeremiason et al., 2006). Robinson et al. (1984) ont pu montrer que l’action méthylante des BSR nécessite la présence d’une coenzyme naturellement présente dans les eaux: la méthylcobalamine (CH3CoB12) capable de convertir le Hg2+ en MeHg. Des facteurs environnementaux comme le pH, la température, la présence de sulfate et matière organique dissoute ainsi que les conditions redox peuvent affecter le processus de méthylation. La méthylation abiotique du Hg2+ contribue également de manière significative à la charge en MeHg dans les systèmes aquatiques. Ce processus est favorisé d’après les travaux de Celo et al. (2006) par la présence de donneurs adéquats de groupements méthyle comme le méthylétain.
Le MeHg ainsi formé, bien qu’il soit stable, peut être dégradé par voie oxydative ou réductive par des micro-organismes, ce qui permet une régulation de sa concentration dans les sédiments et dans la colonne d’eau. Le mécanisme de la déméthylation réductive implique la synthèse des enzymes permettant la cassure du pont carbone-mercure par les gènes mer A et mer B des bactéries ayant une large gamme de résistance au mercure (Robinson et al. 1984;
Summers 1986, Barkay et al. 2003). La déméthylation oxydative a lieu dans les environnements peu contaminés avec des concentrations en mercure faibles en mercure et anoxique, elle est attribué aux bactéries méthanogènes et sulfato-réductrices (DiPasquale and Oremland., 1998).
1.2.1 Introduction
La région de Kédougou a été choisie pour cette étude car il s'y déroule une intense activité d'orpaillage avec utilisation massive et incontrôlée de mercure au moment où d'importants efforts sont menés sous l'égide de l'Organisation des Nations Unies pour la promotion des activités artisanales et industrielles abolissant l'usage de mercure (UNEP, 2002). Le site de Kédougou, de par le nombre d'orpailleurs qui y travaillent (30000 à 65000 personnes), l'utilisation récente (depuis 1995) et intensive du mercure, les conditions climatiques particulières ainsi que la présence des fleuves Gambie et Falémé, les mares et rivières temporaires offrent des possibilités pour étudier une contamination récente au mercure. Ceci contraste avec des études préalables qui ont été publiées sur la pollution au mercure en Amazonie, en Europe, en Asie et en Afrique portant généralement sur des zones où le mercure est utilisé depuis longtemps.
Il n'existe, à l'heure actuelle pour la région de Kédougou, pas d'informations sur les risques liés au mercure, ni de données sur les charges corporelles et environnementales.
Cependant la direction des mines et de la géologie (DMG) grâce au Programme d'appui au secteur minier (PASMI) tente d'organiser les orpailleurs, afin de réduire l'utilisation du mercure. Cette étude envisage de déterminer l'état actuel de la pollution, de le comparer à d'autres sites qui utilisaient les mêmes techniques d'orpaillages depuis longtemps et aux sites où travaillaient des industries de chlore alkali et d’évaluer les risques sanitaires auxquels les populations sont exposées.
1.2.2 L'orpaillage à Kédougou
L'orpaillage au Sénégal se pratique dans la région Kédougou qui est la région où se concentrent les principales ressources minérales du Sénégal, notamment elle abrite de nombreux gisements et indices d'or. L'orpaillage, considéré jadis comme une activité complémentaire pendant la saison sèche de novembre à juin a connu un regain d'activité ces dernières années surtout avec la présence remarquée des sociétés d'explorations et la flambée du prix de l'or. Il se pratique au niveau des sites appelés "Dioura" en Malinké, qui est le dialecte des populations locales. Les sites peuvent être contigus à ceux des compagnies d'explorations ou isolés dans le cas des filons découverts par les villageois. La majeure partie des orpailleurs a eu à travailler dans les compagnies minières présentes sur place, mais préfère les quitter pour travailler à leur propre compte. Les sites d’orpaillage sont autogérés avec une
Chapter 1. Introduction générale organisation reposant sur une clé de distribution bien pré-déterminée du minerai extrait alors que le traitement reste une affaire personnelle ou de petites équipes. Au cours de ces dernières années, avec la flambée du prix de l'or et le début de l'exploitation industrielle, notamment la présence active de sociétés canadienne, australienne, sud-africaine dans l'exploration, on assiste à une prolifération des "Dioura" dont les plus actifs sont Tinkoto et Bantako 2 (Fig.1.2).
Figure 1.2: Aperçu des sites d’orpaillage
Différents types de gisements existent dans la région: alluvionnaire, éluvionnaire et primaire. Traditionnellement, les orpailleurs utilisaient de simples bassines et calebasses pour laver les alluvions et récupérer l'or. Maintenant avec l'exploitation des filons, les orpailleurs ont changé de méthodes (Fig.1.3). L'extraction du minerai se fait par le creusement de puits de 20 à 30 mètres de profondeur souvent prolongés par des galeries, ce qui rend toute activité impossible en période de saison de pluie (juin à octobre). Une fois le minerai extrait, le concassage ainsi que le lavage se font dans les concessions au niveau des villages, des points
la concentration de l'or impliquent l'utilisation d'un sluice ou table incliné tapissé de morceaux de tissu pour faciliter l'écoulement de l'eau et des particules légères et retenir les particules lourdes dont l'or. Le concentré ainsi obtenu et additionné de mercure est malaxé pour obtenir l'amalgame or-mercure. L’or est ensuite récupéré en faisant chauffer l’amalgame le plus souvent à l’air libre. L’amalgame ainsi chauffé laisse échapper le mercure sous forme de vapeur dans l’atmosphère et qui peut précipiter sous forme de petites gouttelettes sur place.
En l’absence de système de recyclage, le mercure rejeté en grande quantité dans l’air retombe et devient du coup une source de pollution pour l’environnement. Van Straaten (2000b) a pu montrer par des études de flux de matières au niveau des sites d'orpaillage en Tanzanie et au Zimbabwe que la majorité du mercure (60%) est perdu sous forme liquide avec les déchets miniers et le reste (40%) lors du brûlage de l'amalgame pour enlever l'excès de mercure.
Ainsi bien qu’ayant des retombées positives sur l’économie du Sénégal, l’orpaillage est susceptible d’avoir un impact négatif sur l’environnement et la santé des populations.
Chapter 1. Introduction générale
Figure 1.3: Résumé des différents processus de traitement du minerai pour obtenir l'or à Kédougou:(a et b) puits ;(c;d) concassage manuel;(e;f) concassage mécanique;(g;h) Concentration;(i;j;k) préparation de l'amalgame;( l) Or obtenu après chauffage de l'amalgame.
A la faveur du dernier découpage administratif de 2008, une grande partie de la région du socle appartient maintenant à la nouvelle région de Kédougou au détriment de l'ancienne région de Tambacounda (Fig.1.4). Elle est limitée à l'est par le Mali, à l'ouest et au nord par la région de Tambacounda et au sud par la république de Guinée. La région de Kédougou compte 3 départements : Saraya, Kédougou et Salémata. Elle couvre une superficie de 16825 km2 pour une population estimée à environ 126’000 habitants, soit une densité de 7 habitants au km2 (ANSD, 2010).
Figure 1.4: Localisation de la région de Kédougou.
La région de Kédougou occupe une grande partie du Sud - Est du Sénégal où affleure le socle précambrien. Elle est communément appelée boutonnière de Kédougou Kéniéba. Du point de vue régional, elle fait partie du craton Ouest africain. Le craton est limité au Nord par l'Anti - Atlas, à l'Ouest et au Sud par la ceinture mobile de l'Afrique centrale et à l'Est par la partie mobile de l'Afrique de l'Ouest (Fig. 1.5A). Il peut être subdivisé en trois unités:
Chapter 1. Introduction générale
au Nord, la dorsale Réguibat.
au Sud, la dorsale de Léo composée d'un noyau archéen dans sa partie S-W et d'un domaine protérozoïque avec des reliques d'Archéen appelé domaine Baoulé - Mossi.
entre ces deux dorsales, la boutonnière de Kédougou est composée uniquement de formations biriminennes.
La boutonnière de Kédougou est constituée de terrains birimiens, réputés aurifères dans toute l’Afrique occidentale (Fig.1.5B). Elle est subdivisée en deux supergroupes:
le supergroupe de Mako composé essentiellement de coulées de basaltes en coussin et de brèches volcaniques. Il forme une bande orientée NNE-SSW et constitue la partie ouest du socle (Ngom, 1985). Il est recoupé par le batholite de Badon-Kakadian et plissé de façon isoclinale avec des pendages subverticaux et une stratification généralement concordante avec la schistosité.
Le supergroupe de Diallé-Daléma à dominante volcano-sédimentaire, dont l'extension vers l’Est renferme les principaux gisements aurifères du Mali (Bassot, 1966, 1987; Ndiaye et al., 1997). Il est recoupé par le batholite de Saraya et les massifs granitiques de Boboti. Ces intrusions granitiques sont datées entre 2045 Ma et 1970 Ma. Il est principalement composé de roches sédimentaires avec un important complexe volcano-plutonique calco-alcalin.
Les terrains birimiens ont été affectés par l'orogenèse éburnéenne datée à 2100 Ma (Bassot et Caen-Vachette, 1984). Celle-ci est responsable des différentes phases de granitisation et de structuration de la lithologie des formations. Cette orogenèse est caractérisée par des structures linéaires d'extension régionales appelées shear zones dont la plus importante est la Main Transcurrent Zone (MTZ) et qui marque le contact entre le supergroupe de Mako et celui de Dialé – Daléma (Bassot et Caen-Vachette, 1984).
Au Sénégal l’or est uniquement exploité de manière industrielle dans la partie centrale du supergroupe de Mako par la compagnie Teranga Gold Operation (TGO) et de manière traditionnelle intensive dans la partie sud du supergroupe de Mako, dont les principaux sites sont: Tinkoto, Bantako, Sabodala, Khossanto. La minéralisation est contrôlée par deux structures géologiques majeures que sont la Faille Sénégalo-Malienne et la Main Transcurrent zone (MTZ) (Sylla and Ngom, 1997 ; Lawrence et al., 2013).
Figure 1.5: Localisation et contexte géologique de la région de la boutonnière de Kédougou, modifiée d'après Lawrence et al. 2013.
Chapter 1. Introduction générale
1.2.3 Climat et végétation
La région de Kédougou est caractérisée par un climat de type soudanien. Il est caractérisé par l'alternance de deux saisons très différentes:
une saison sèche de novembre à mai et
une saison des pluies de juin à octobre avec une pluviométrie moyenne de 1200 mm (Fig.1.6 et 1.7)
Les températures sont généralement élevées dans la région avec des maxima pouvant osciller entre 34°C et 38°C entre mars et avril et des minima de 21° à 25°C au mois de janvier. La distribution de la flore est fortement influencée par la pluviométrie. Selon Diouf (1999), deux types de groupements végétaux caractérisent la région :
le groupement à Acacias seyal sur sol argileux comprend des arbres de grandes tailles tels les baobabs dominants, des fourrées (Guiera senegalensis, Combretum glutinosum par exemple) et des espèces épineuses comme Balanites aegyptiaca et Ziziphus mauritiana.
le groupement à Combretum glutinosum peut varier d’une savane arbustive à une savane arborée.
Autour des rivières, des marigots et des plaines inondées s’établit une végétation luxuriante. La région présente de nombreuses aires protégées dont la plus importante est le parc national de Niokolo koba.
Figure 1.6: Variation interannuelle de la pluviométrie à Kédougou de 1970 à 2009 (DGPRE, 2011).
Figure 1.7: Moyenne annuelle de la pluviométrie à Kédougou de 1970 à 2009 (DGPRE, 2011).
Chapter 1. Introduction générale
1.2.4 Hydrographie
La région de Kédougou est la plus arrosée du Sénégal. Elle dispose de nombreux ruisseaux et de marigots temporaires à côté des cours d’eau pérennes dont les principaux sont :
La Falémé à l’Est
Le fleuve Gambie et ses affluents : le Niokolo, le Thiankoye et le Koulountou. Il prend sa source à quelques kilomètres au nord-est de Labé en Guinée. Son bassin versant a une superficie de 54631 km2. Il traverse d’Ouest au Sud la région de Kédougou avec un débit moyen de 109 m3/s.
Ces cours d’eau ont des régimes qui sont étroitement liés à la pluviométrie. Les eaux stagnantes (mares et marigots) représentent une importante source d’eau pour les populations.
La majeure partie de ces cours d’eau temporaires tarit rapidement à cause de l’évapo- transpiration très importante durant la saison sèche. Le fleuve Gambie est un lieu de pêche pour les populations riveraines du fait qu’il dispose d’importantes ressources en poisson.
1.2.5 Relief et sols
La région est formée de vastes plaines à pentes douces, dominées localement par des buttes cuirassées. Une couverture latéritique résultant de l’altération physico chimique des roches en climat chaud et humide, recouvre la plupart des formations géologiques. Les collines du pays Bassaris ainsi que les massifs de roches vertes de Mako et Bransan et les pointements doléritiques de Ndébou et de Baraboye constituent les seuls reliefs importants de la région Camus et Debuisson (1964). Le réseau hydrographique entaille plus ou moins profondément les cuirasses latéritiques et laisse apparaître sur le plan géomorphologique un système de glacis quaternaires. Michel (1959) en distingue trois :
haut glacis dont l’extension est limitée aux régions de collines
moyen glacis avec une grande extension est le dernier des grands cycles de terrassement.
bas glacis avec un substratum varié et constitué de restes de cuirasses du moyen glacis, d’altérites anciennes kaolinitiques ferrugineuses, de roches saines ou peu altérées.
Le haut et moyen glacis occupent généralement de vastes plateaux ou au contraire de petites buttes témoins selon l’importance de leur surface initiale ou des processus d’érosion futurs (Diouf,1999). A Tinkoto les buttes isolées se situent à la périphérie du massif granitique (Fig.1.8A) et contrairement aux bas glacis qui ne présentent pas de marques de
cuirassement, ils sont toujours cuirassés et leur surface topographique superficielle présente une pente en direction des marigots les plus proches (Fig.1.8 B).
Figure 1.8 : Géomorphologie de Tinkoto modifiée d’après Beauvais et al. 1999.
Chapter 1. Introduction générale
Les sols de la région de Kédougou sont des sols formés sur socle primaire ou roche volcano- sédimentaire. Le relief irrégulier de la région favorise la mise place d’un grand nombre de vallées et favorise la distribution des différents types de sols.
les vertisols caractérisés par un relief discontinu en surface et par la présence de gravillons et de blocs de cuirasse. Ils sont généralement bien présents dans les vallées, les zones dépressionnaires et les bas de pentes des plateaux cuirassés.
Les sols bruns eutrophes: Ils se situent au niveau des pentes des collines de roches basiques et ultrabasiques.
Les sols hydromorphes: Ils se rencontrent dans les zones planes inondables et les bas- fonds qui bordent les lits des grands cours d'eau. L'engorgement crée par la fluctuation du niveau de la nappe phréatique prédomine sur les autres processus de pédogenèse.
Les sols peu évolués appelés lithosols se rencontrent sur les plateaux et les buttes cuirassées.
1.3 Hypothèses d'étude
Afin de mener à bien ce travail, nous avons émis ces différentes hypothèses énoncés ci-dessous (voir H1 à H4 dans Fig.1.8).
1.3.1 Contamination des écosystèmes terrestres et aquatiques
Le chauffage de l’amalgame or-mercure à l’air libre sans aucune forme de recyclage par les orpailleurs libère dans l’atmosphère du mercure gazeux. Le mercure ainsi libéré est source de pollution de l’air, du sol, des eaux et des sédiments. Ainsi les environnements proches des zones orpaillées se retrouvent soumis à une contamination au mercure.
1.3.2 Les sols: Stock ou source de mercure?
Les sols de la région de Kédougou accumulent les apports de mercure atmosphérique issus des activités d’orpaillage au niveau de leurs couches superficielles riches en minéraux (argile hydroxyde de fer). La mobilisation naturelle et/ou anthropique de ces sols pourra contaminer les écosystèmes en aval.
1.3.3 Impacts des activités d’orpaillage sur l’écosystème aquatique
La présence de conditions favorables à la méthylation du mercure particulaire dans les milieux aquatiques peut conduire à la formation du méthylmercure qui est la forme la plus toxique du mercure. La présence même en petite quantité de ce dernier dans l’eau peut
entraîner son accumulation et sa bioamplification au fur et à mesure que l’on progresse dans la chaîne alimentaire.
1.3.4 Impacts des activités d’orpaillage sur la santé des populations
L'ingestion d'aliment (poisson essentiellement) issu d'un milieu aquatique même légèrement contaminé par le méthylmercure est susceptible de poser un problème sanitaire à la population de façon générale. En revanche, chez les orpailleurs qui manipulent directement le mercure élémentaire ou métallique, c'est l'inhalation des vapeurs dégagées lors du chauffage des amalgames qui va favoriser des intoxications pouvant altérer le système nerveux et néphrotique.
Figure 1.8: Schéma des hypothèses de travail (H1 à H4) modifié d'après le modèle du cycle biogéochimique du mercure de Boudou et al. (2006a).
1.4 Buts de l'étude
L’objectif de ce travail est de répondre à ces 5 questions :
Chapter 1. Introduction générale
1) Quel est le niveau de contamination des différents sites d’orpaillage le long du fleuve Gambie ou à l’intérieur des terres de la région ?
2) Les sols : stock ou source de Hg (et MeHg) ?
3) Quel est l'impact des activités d’orpaillage artisanal (ASGM) sur l’écosystème aquatique?
4) A court terme quel est le risque de contamination pour les populations se nourrissant essentiellement des produits de la pêche du fleuve Gambie ?
5) Impact général sur les populations – y-a-t’ il une différence entre ville et sites miniers, homme et femme ? Contribution par contamination directe (mobilisation par l’air p.ex.) et par la nourriture ?
1.5 Stratégie de recherche
Le travail est mené au niveau du bassin versant du fleuve Gambie dans la région de Kédougou autour des sites d'orpaillage situés le long du fleuve et au niveau des cours d'eaux temporaires à l'intérieur des terres.
Les différents sites ont été suivis au cours de deux périodes: saison sèche et saison des pluies qui caractérisent la région, dans le but de mesurer l'influence de l'hydrologie qui est tributaire du climat qui varie fortement entre ces deux saisons et influence le travail des orpailleurs. La région est fortement influencée par le ruissellement qui est à l'origine de l'érosion des terrains dénudés.
Des carottes sédimentaires ont été prélevées au cours de quatre campagnes de terrain, afin d'obtenir un profil vertical en mercure et sa variation dans le temps. L’avantage à utiliser le profil du mercure pour obtenir ce genre d'information a été démontré par Fitzgerald et al.
(1998) lors de leur étude sur les sédiments lacustres situés dans des zones éloignées des sources directes de contamination (Canada, USA, Scandinavie). Ces auteurs ont démontré que:
le profil du mercure dans les sédiments étudiés est très faiblement influencé par les apports d’origine naturelle ou par des processus diagénétiques.
l’enrichissement en mercure des couches superficielles dans les zones éloignées de toute source directe de contamination est plutôt lié aux apports atmosphériques d’origine anthropique
Pour l'étude de la bioamplification du mercure au niveau de la chaîne alimentaire, le dosage du mercure au niveau des poissons du fleuve Gambie est la méthode qui a été utilisée, qui est d'ailleurs la plus répandue de manière générale pour étudier la bioamplification du mercure. Quant au degrés de contamination des populations, l'échantillonnage de cheveux a été la méthode privilégiée, que nous avons choisie car elle est conseillée pour mesurer les concentrations de méthylmercure d'après le système harmonisé pour mesurer la charge corporelle (UNEP et WHO, 2010). C'est une méthode non invasive et présentant moins de risque de contamination et ne nécessitant pas d'assistance particulière.
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Chapter 2
Chapter 2
Effect of recent artisanal small-scale gold mining on the contamination of surface river sediment: case of Gambia River, Kedougou region,
southeastern Senegal
Niane Birane1, Moritz Robert1, Guédron Stéphane 2, Ngom Papa Malick3, Pfeifer Hans- Rudolf4, Mall Ibrahima3, Poté John1
1 Earth and environmental sciences, University of Geneva, rue des Maraîchers 13, CH-1205 Geneva, Switzerland
2 Institut des sciences de la Terre Université Joseph Fourier, F-38041, Grenoble, France
3 Département de géologie, Université Cheikh Anta DIOP, Dakar, Sénégal
4 Institut des dynamiques de la surface terrestre, Université de Lausanne, Geopolis, CH-1015 Lausanne, Switzerland
A similar version of this chapter was published under the following reference:
Niane, B., Moritz, R., Guédron, S., Ngom, P.M., Pfeifer, H.R., Mall, I., and Poté, J., 2014, Effect of recent artisanal small-scale gold mining on the contamination of surface river sediment: Case of Gambia River, Kedougou region, southeastern Senegal: Journal of Geochemical Exploration, 144:517-527.
Abstract
We report here the first inventory of mercury (Hg) contamination in the region of Kedougou, Senegal, where mercury (Hg) is used for gold amalgamation in artisanal small- scale gold mining (ASGM) activities. Sediment cores were sampled during the dry and wet seasons, and at different locations along the Gambia River in the Kedougou region to evaluate the spatio-temporal trends of Hg distribution related to ASGM activities. The sediment samples were analyzed for total mercury and trace element concentrations (Cr, Cu, Zn, Pb, As, and Sc). The results highlight high concentrations of total Hg (reaching up to 9.9 mg.kg-1) in sediment cores sampled in the vicinity of ASGM operations, with the highest values reported for the dry season. The calculation of the Hg Enrichment Factor (EF) using Sc as refractory element, confirm high enrichments around active sites of gold mining being proportional to the density of miners and the duration of mining activities. The Hg spatial distribution reveals a very local contamination and a limited downstream dispersion of the contaminant. The high Hg concentrations obtained at ASGM sites largely exceed the Sediment Quality Guidelines (SQGs) and the Probable effect concentration (PEC) for the Protection of Aquatic Life recommendation. Our results demonstrate that the ASGM activities discharged large amounts of Hg into the Gambia River ecosystem and that the accumulation of Hg in sediments may represent a significant human health risk and a potential source of toxicity for aquatic organisms.
Keywords: mercury contamination, artisanal small-scale gold mining, Gambia River, human health risk
Chapter 2
2.1 Introduction
Mercury (Hg) is an ubiquitous and dangerous contaminant in the aquatic environment, known for its property of bioaccumulation and biomagnification along the food chain (Boening, 2000). The speciation of Hg in aquatic ecosystems is a function of physico- chemical and biochemical conditions, which control its bioavailability, mobility and toxicity for organisms (Han et al., 2007; Sunderland et al., 2009). In particular, methylmercury (MeHg) is the most toxic and persistent Hg species in trophic chains. During the last decades, numerous studies performed in artisanal small-scale gold mining (ASGM) areas (e.g., Amazonia, east Africa, China) evidenced health risks for local populations, who consume Hg- contaminated fish (Burger and Gochfeld, 2006; Castilhos et al., 2006; Cheng et al., 2009;
Jewett and Duffy, 2007; Holmes et al., 2009; Kainz and Lucotte, 2002; Katner et al., 2010;
Kim and Lee, 2010; Kojadinovic et al., 2006; Malm et al., 1995; Maurice-Bourgoin et al., 2000; Olivero-Verbel et al., 2011).
In sub-Saharan Africa, very few studies have been performed so far to assess Hg- contamination due to ASGM (Biney et al., 1994; Harada et al., 1999; Ikingura and Akagi, 1996; Ntow and Khawaja 1989; van Straaten 2000), and no data are available for the Kedougou region of Senegal, where ASGM is on-going.
In Senegal, ASGM using Hg for gold (Au) amalgamation has been intensified in the last decade. In the past, traditional artisanal gold mining involved mainly mechanical processes (i.e., gravimetric panning without Hg amalgamation). Approximately 30,000 to 60,000 persons are currently involved in artisanal gold mining activities spread across several villages in eastern Senegal (PASMI, 2009). The main ASGM activities in this region are located along the banks of the Gambia and Falémé Rivers, but also in seasonal water ponds located in the interior of the land. The Gambia and Falémé Rivers are the largest water streams in the region. This area has little hydraulic equipment, which drives people to use much of the water from rivers and wells for their daily mining needs. ASGM operations vary from a single person using rudimentary equipment to groups of workers generally using hand tools to recover gold from soils and sediments. During gold recovery, elemental Hg used for Au amalgamation can be lost directly to the surrounding environment (i.e., soil or river sediment), or emitted through the atmosphere (i.e., mostly during burning of amalgams) (Guedron et al., 2009). Besides ASGM, agriculture, breeding and fishing are among the major rural activities, which are concentrated in the regional wetlands supplied in water by the Gambia and Falémé Rivers (ANDS, 2010).
In this study, we assess the effect of recent ASGM activities on the Hg contamination of the aquatic ecosystem of the Kedougou region, southeast Senegal. For this purpose, we determined Hg and ancillary elements (i.e., Cr, Cu, Co, As, Zn, Pb, As, Sc) concentrations in sediment cores from 7 sampling sites of the region. The cores were collected during the dry and wet seasons to evaluate the influence of the seasonality on Hg concentration in surface sediments.
2.2 Materials and methods
2.2.1 Geological setting and study sites
The main gold deposits of Senegal are located in the Kedougou region, between the latitudes N12°30 and N15° and longitudes W11° and W14°. The major tectonic zone is the Kedougou inlier (Fig. 1). The Kedougou inlier is interpreted as an accretion of northeast- trending Birimian volcanic terrains (Bassot, 1997), and it is characterized by two major geological structures, namely: the Senegalo-Malian Fault (SFM) and the Main Transcurrent Zone (MTZ) (Fig. 1), which are major regional controls of gold mineralisation (Sylla and Ngom, 1997). There are two types of gold occurrences: alluvial gold and gold-bearing quartz veins hosted by shear zones. The Kedougou region is an emerging significant gold camp, with more than 10 million ounces of resources already discovered, where Teranga Gold Operation (TGO) is currently the only active mining company exploiting shear zone-hosted gold-bearing quartz veins.
Chapter 2
The main ASGM sites are scattered throughout the Kedougou region. Seven sites were selected for sediment sampling (Table 2.1), based on the following criteria: (i) the use of elemental Hg for ASGM activities, (ii) the existence of seasonal or perennial water, and (iii) the density of population and miners. Four cores were collected along the Gambia River from upstream (Samekouta) to downstream (Mako) locations, including the most active ASGM site of the region at Bantako (Fig. 2.1), where the number of miners exceeds 2000 persons (Table 2.1). At Bantako 1, gold is extracted at depths of 10 to 20 meters, from bedrock-disseminated and quartz vein-hosted gold. Crushing, washing and gold amalgamation are performed on the Bantako 2 site. Intense and concentrated ASGM activities are facilitated by the permanent water supply of the river. There is no gold mining activity at the Mako site (Fig. 1), therefore it has been chosen to study the impact of artisanal mining activities along the downstream area of the Gambia River.
Figure 2.1: Simplified geology of the Kedougou region, modified after (PASMI, 2009) and sampling site locations. MTZ: Main Transcurrent Zone. SMF: Senegal Malian Fault.
Another core was sampled in an ASGM site located in the flood plains of the Gambia River at the Dalacoye village (Fig. 2.1), where gold mining is performed on the river-bank sediments without using Hg. Finally, two cores were sampled in the Tinkoto and Sabodala
villages, where ASGM activities are scarce and only include a limited number of miners. The Tinkoto and Sabodala sites are located several km away from the Gambia River, in a region where river and creek discharge is seasonal (Fig. 2.1). The Tinkoto village is the most ancient ASGM site of the region, where Hg is used and the Sabodala village is characterised by gardening and on-site use of Hg by women.
Table 2.1 : Location and sediment core length at the sampling sites in the study area.
Sampling site locations cores length (cm) Sampling site characteristic Sampling
sites Latitude Longitude January 2011
November 2011
Type of mined gold
Type of gold dressing
Approximate Number of
miners Samekouta * 12° 36' 28.8 12° 07' 27.9 27 24 No gold
mining
No ore
dressing -
Bantako 1* 12° 46' 23.4 12° 13' 38.9 27 n/a Bedrock gold Only ore
dressing ~ 500 Bantako 2* 12° 46' 33.3 12° 14' 04.8 27 40 No mined
gold
Hg - amalgamation
with Hg
~ 2000
Mako * 12° 50' 52.8 12° 21' 05.4 27 n/a No gold
mining No ore
dressing -
Dalacoye** 12° 49' 16.5 12° 24' 23.9 n/a 32 Alluvial gold Gold panning
without Hg ~ 50 Sabodala *** 13°09' 57.8 12° 06' 51.8 21 n/a Bedrock gold Hg -
amalgamation ~ 150 Tinkoto*** 12° 55' 13.5 12° 07' 00.4 27 40 Bedrock gold Hg-
amalgamation ~ 800
* Gambia River; ** Flood plain; *** Seasonal water pond, n/a: analysis not performed.
2.2.2 Sampling procedure and sample treatment
Short sediment cores (20 to 45 cm depth) were collected manually using acrylic tubes of 9 cm of diameter. For the Gambia River sites, sediment cores were sampled along the rivers banks below a 1 meter-deep water column. For other sampling sites, the water depth was about 50 cm. After sampling, sediment cores were caped and stored at 4°C until being extruded in slices of 2 cm. Then, sediment samples were frozen, freeze-dried and ground to a fine (< 63 µm) homogeneous powder for further chemical analyses.
2.2.3 Analytical techniques
The particle size distribution was measured with a laser granulometer (model LS 100 Beckman Coulter LS, Fullerton) following dispersion during 5 minutes by sonication in deionized water (Loizeau et al., 1994). The organic matter content (OM) was estimated by loss on ignition (LOI) by heating the sediment samples at 550°C for 1h (Dean 1974).
Chapter 2
Samples were analysed for trace elements, including Cr, Cu, Zn, Pb, As, and Sc, by inductive coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS - Agilent 7700x series) after overnight acid digestion with 2N HNO3 at 100°C (Osol, 1998, Pardos et al., 2004). A collision/reaction cell (Helium mode) and interference equations were used to remove spectral interferences that might otherwise bias results. The accuracy of the analyses was checked using the Canadian certified material LKSD 4 (Lynch, 1990). Standard deviations of 3 replicate measurements were below 10%, and chemical blanks for the procedure were less than 2% of the sample signal.
The concentration of total mercury (THg) in sediment samples was determined by atomic absorption spectrophotometry with catalytic decomposition and gold amalgamation (Guedron et al. 2009) with an automatic mercury analyser (Model AMA 254 Altec). A relative precision of ± 10 % was determined from triplicate analyses. The accuracy of the measurements was obtained by repeated analyses of the certified reference material MESS-3 (0.091 ± 0.008 µg g-1). The measurement error was usually about 5 % and always below 10
%. The detection limit, defined as three times the standard deviation of the blank, was 0.005 μg. For all analyses, triplicate measurements of Hg have been performed on selected sediment samples. All data are presented in the following section with relative standard deviation RSD values.
Statistical treatment of data (Pearson product moment correlation) has been realized using SigmaStat 11.0 (Systat Software, Inc., USA).
2.3 Results
2.3.1 Sediment grain-size distribution and organic matter content
Sediment grain-size distribution is dominated by silt and sand within the different sites with a small clay fraction (Fig. 2.2). The silt fraction is dominant (up to 92 % by volume in the surface layers) for all sampled cores, with the exception of the Bantako 2 site during the dry season (January 2011, Fig. 2.2A), which is dominated by sand.
Along the Gambia River, vertical grain-size distribution is similar at Samekouta and Mako, suggesting that sediments are undisturbed in these locations, and unaffected by gold mining activities (Fig. 2.2A). The dominant sand component at Bantako 2 during the dry season (Fig. 2.2A) suggests that the fine fraction was washed off during ASGM operations at this site. Similarly, in the floodplains and seasonal water pond, the silt-clay percentage is
decreasing in the sediment (Fig. 2.2) with the increasing number of people involved in ASGM activities at Dalacoye, Sabodala and Tinkoto (Table 2.1), due to the mobilisation of fine particles during ASGM activities. Sediments sampled during the wet season contain a higher fine particle (silt-clay) fraction at Bantako 2 site (Fig. 2.2B) than the ones sampled during the dry season.
In contrast, our results reveal a decrease of fine particle content in sediments sampled during the wet season at Samekouta and Tinkoto (Fig. 2.2B).
Figure 2.2: Grain size (percentage of silt-clay and sand fraction) distribution vs depth in sampled sediment cores on January 2011 (A) and November 2011 (B).
The lowest average organic matter content (OM) was measured in the Gambia River sediments sampled during the dry season and the highest ones in those sampled in seasonal pond sediments (Table 2.3). Along the Gambia River, the highest OM content was obtained for samples from the Samekouta site and the lowest for the ASGM Bantako 2 site (2.0 ± 0.3 wt%). Similarly to the grain size distribution, the OM content decreases with increasing ASGM activities in the floodplain and water seasonal pond sites with the highest values at Dalacoye (13.6 ± 0.9 wt%), intermediate ones at Sabodala (10.4 ± 3.8 % wt) and the lowest ones at Tinkoto (3.6 ± 0.3 wt %). There is a sharp enrichment in OM, nearly by a factor of
