Devenir des polluants métalliques associés aux sédiments contaminés dans un cours d'eau en relation avec la dynamique sédimentaire

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Devenir des polluants métalliques associés aux sédiments

contaminés dans un cours d’eau en relation avec la

dynamique sédimentaire

Mathilde Zebracki

To cite this version:

Mathilde Zebracki. Devenir des polluants métalliques associés aux sédiments contaminés dans un cours d’eau en relation avec la dynamique sédimentaire. Chimie. UNIVERSITE PARIS-SUD XI, 2008. Français. �tel-01180203�

UNIVERSITE PARIS-SUD XI

E.D. RA YONNEMENTSETENVIRONNEMENT

THESE

pour

obtenir le grade de

DOCTEUR

présentée

publiquement

par

Mathilde ZEBRACKI

le 23

_{juin 2008}

Devenir

des

polluants

métalliques associés

sédiments contaminés dans

d'eau

relation

avec

la

dynamique

sédimentaire

Directeurdethèse_(LSCE) :Philippe BONTE

EncadrantEcole desMines: Claire ALARY

JURY Eric SIMONI Daniel THEVENOT Jean-Claude FISCHER Olivier RADAKOVITCH JanuszDOMINIK Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur

REMERCIEMENTS

Les travaux _{présentés dans ce manuscrit ont pour l'essentiel été réalisés au Centre}

National de Recherche sur les Sites et Sols Pollués _{(CNRSSP). Le CNRSSP était alors un}

Groupement d'Intérêt Public (GIP) né d'un partenariatentredifférentes institutions et sociétés privées et situé sur le centre de recherche de l'Ecole des Mines à Douai. Ses priorités de

recherche concernaient la _{caractérisation, la mobilité et l'impact des polluants dans}

l'environnement. Créé enmai 1996, le CNRSSPne survivrapasàsondixième anniversaireet

leGIP entrera en_{liquidation administrativeenjanvier2007.}

Je remercie Pascal _{Oustrière, Directeur du CNRSSP,} et Agnès Laboudigue, Directrice

scientifique, pour m'avoir accueillie au laboratoire en 2004. Je souhaite exprimer toute ma

reconnaissance à Jean-Paul_{Monory, liquidateur du GIP, dont le soutienauraétéprécieux.}

Pour mener à bien ce travail de _{thèse,j'ai bénéficié de l'encadrement scientifique de}

Philippe Bonté (LSCE), Directeur de thèse, et de Claire Alary (ENSM Douai), encadrante au

CNRSSP. Je leur sais _{gré de leur investissement et de leur accompagnement tout} au long de

cette aventureintellectuelle ethumaine_unique.

Je remercie Messieurs Jean-Claude Fischer _{(USTL) et Daniel Thévenot (CEREVE),}

rapporteurs, pour leur regard éclairé et leurs critiques constructives, Messieurs Janusz

Dominik _{(Institut Forel) etOlivier Radakovitch (CEREGE), examinateurs, pour leur attention}

et l'intérêt _{qu'ilsont portés à cetravail et,enfin, Eric Simoni (IPNO) d'avoir accepté d'être le}

président de jury.

Je souhaite _{exprimer ma profonde gratitude} envers tous ceux et toutes celles qui ont

contribué àl'aboutissement decetravail. Un_{grand merci...}

à Vincent Ledoux de la Société des Eaux de Douai, au _{personnel des Voies}

Navigables de France et de la Communauté d'Agglomération du Douaisis pour

l'ensemble des informations transmises ;

au _{personnel des départements de l'Ecole des Mines pour sa disponibilité et son}

soutien_{technique ;}

à toute _{l'équipe du LSCE pour son accueil chaleureux, son soutien technique et}

analytique,enparticulier Irène, Marie-Françoise,etAlain ;

tous les _{cneursspiens et cneursspiennes dont l'esprit d'équipe est inoubliable et}

dont le talent collectif _{peut transformer une coupure de courant électrique en}

véritable _{carnaval, et} avec dans le rôle des carnavaleux...Manon, Géraldine,

Stéphanie, Isabelle, Valérie & Valérie, Caroline, Laurence & Laurence, Gwen,

Mélanie,Philippe, Terence,Virginie, Bertrand, Vasilica, Florent, Cindy.

Je salue mes _{compagnons d'étude, de gloire, de fortune et de voyage aux Mines de}

Douai : _{Guilaine, Philippe, Christophe & Christophe, Simon, Samira, Paul, Mohamad,}

Amine, Guillaume.

Il est des _{régions qui méritent d'être traversées sans quoi on ne connaît pas l'histoire} d'un _{pays. Le ch'Nord en fait résolument partie. Merci à tous ceux et toutes celles qui m'ont}

permis d'y faireuntiot trou etde m'y sentir bien. C'est uneexpérience dont le souvenir m'est particulièrement agréable. Et,jesais..., je sais quebeaucoupontveillé surmoi...

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION 19

1 SYNTHESEBIBLIOGRAPHIQUE 23

1.1 LESMETAUX DANSLESYSTEMEAQUATIQUE 23

1.1.1 _{Originedes métaux dans les milieuxaquatiques 24}

1.1.1.1 Naturelle 24

1.1.1.2. Anthropique 26

1.1.2 Distribution des métaux dans les milieux_{aquatiques 27}

1.1.2.1 Dansl'eau 27

1.1.2.2 Dans les sédiments 29

1.1.3 Réactivitédes métaux dans les sédiments 32

1.1.3.1 _{Spéciation chimique}:méthodes 32

1.1.3.2 Mécanismes de fixation 34

1.2 Transfertdes métauxal'interfaceeau-sediment 37

1.2.1 Dansunsédimentnon_{perturbé 38}

1.2.1.1 _{Diagenèse des sédiments 38}

1.2.1.2 Diffusion à l'interface eau-sédiment 42

1.2.2 Dansunsédiment_{perturbé. 46}

1.2.2.1 Etudesenmilieu naturel 46

1.2.2.2 Etudesaulaboratoire 47

1.2.2.3 Revue des_{principaux mécanismes 48}

1.3 Rolede ladynamique sedimentaire.Utilisationdes traceurs environnementaux. 52

1.3.1 _{Les processussédimentaires 53}

1.3.1.1. Lasédimentation 53

1.3.1.2. La remiseen_{suspension/l'érosion 54}

1.3.2 Lestraceurs_{radioactifsenvironnementaux 57}

1.3.2.1. Différentes_{origines 57}

1.3.2.2. Détermination des activités dans les matrices naturelles 62

1.3.2.3. Notion de_{traçage 62} 1.3.2.4 _{Applications 63} 1.4 Conclusions 66 2 MATERIELS ET METHODES 69 2.1 Contextedel'etude 69 2.2 Presentationde laScarpe 70 2.2.1 Situation_{géographique 70}

2.2.2 _{Descriptiondu bassinversant} 71

2.2.3 Leseauxde_{surface 73}

2.2.4 Secteurétudié 74

2.2.4.1 Sources de_{pollutionlocales 74}

2.2.4.2 _{Hydrologie 78}

2.3 Choixdes sites de prelevement.Rappeldes objectifs 80

2.3.1 _{Carottage 80}

2.3.2 Suivideterrain 80

2.3 prelevementet echantillonnage des solides 83

2.3.1 Sédiments 83

2.3.2 Matièresen_{suspension 86}

2.4 Traitementetanalyse des échantillons solides 87

2.4.1 Mesuredemasse_{volumique 87}

2.4.2 Distribution_{gramilométrique}pargranulométrielaser 88

2.4.2.1 Principe 88

2.4.2.2 _{Manipulation 89}

2.4.2.3 Influence des ultrasons 89

2.4.3 Activitésdesradionuclides émetteursgamma 90

2.4.3.1 _{Principe de laspectrométriegamma 91}

2.4.3.2 _{Manipulation 92}

2.4.4 Activitésdes radionuclides émetteurs_{alpha 92}

2.4.4.1 _{Principe de laspectrométriealpha 92}

2.4.4.2 _{Manipulation 93}

2.4.5 _{Dosagedes métauxetmajeursparICPAES 93}

2.4.5.3 _{Dosagede la fraction pseudo-totale}

2.4.5.4 _{Dosage de la fraction réactive desmétaux}

2.4.6 Mesuredesteneursen_{C, N, S}

2.4.6.1 _{Dosage du carbone organique total}

2.4.6.2 _{Dosage de l'azote}

2.4.6.3 _{Dosage du soufre total}

2.5 Analysedes eaux interstitielles

2.5.1 _{Echantillonnage desmétauxcontenusdansleseauxinterstitielles: Technique DET}

2.5.1.1 _Principe

2.5.1.2 Manipulation

2.5.2 _{Dosagedesmétaux}

2.5.2.1 _{Principe de l'ICP MS}

2.5.2.2 Limite de_{quantificationetreproductibilité}

2.5.2.3 Influencedu_tempsdepose

2.5.2.4 _{Comparaisonentredeuxméthodes d'échantillonnage}

2.5.3 Mesurede02etN20dissous, pH,Eh

2.5.3.1 _Principe

2.5.3.2 _Manipulation

2.5.3.3 Test de_{reproductibilité}

2.5.3.4 Influence du_{protocole: casd'02}

2.6 Récapitulatif

3 DYNAMIQUE SEDIMENTAIREALONG TERME ETCONTAMINATION DES SEDIMENTS

3.1 caracterisation physique des sediments

3.1.1 Teneuren eau

3.1.2 Distribution_{granulométrique}

3.2 Agedes sediments

3.2.1 _Rappels

3.2.2 137Cs

3.2.3 2,0Pb

Conclusion

3.3 Contaminationdes sedimentsde laScarpe

3.3.1 Lesmétaux

3.3.1.1 _{Concentrations moyennes}

3.3.1.2 _{Degré de contamination}

3.3.1.3 Profils verticaux

3.3.1.4 _{Historique de la pollution métallique}

3.3.2 Lecarbone_organique

3.3.3 L'uranium

3.3.4 Rôledu_soufre

Conclusion

4. DYNAMIQUE SEDIMENTAIREA COURT TERME

4.1 Ala recherched'unoutilradioactif

4.1.1 Ledéséquilibreradioactif234Thxf38U

4.1.2 Le_{déséquilibreradioactif2"'Pox/wPbss}

4.1.2.1 _{Description de la méthode radioactive: revuebibliographique}

4.1.2.2 Caractérisation des sédiments de surfaceetdes matièresen_suspension

4.1.3 Le_{Bér)>llium-7}

4.1.3.1 Méthode du_Béryllium-7: revuebibliographique

4.1.3.2 Pénétration verticaledu7Bedans lessédiments

Conclusion

4.2 Dynamiquesedimentairemensuelle des sediments de surface

4.2.1 _{Enregistrementdu7Bedanslessédiments desurface}

4.2.1.1 Détermination de l'inventaire du7Bedans les sédiments

4.2.1.2 Profils verticaux de l'inventaire du7Bedans lescarottes

4.2.1.3 Inventaires de7Bedans les sédiments

4.2.2 Activitésdu7Bedans les matièresen_suspension

4.2.4 Tauxdedépôtetd'érosion dessédimentsde surface

4.2.4.1 Résultatsetsuivi_temporel

4.2.4.3 _Hydrologie Conclusion 94 _ 96 96 96 _97 _ 97 97 97 _ 98 98 99 100 100 101 104 105 105 106 106 107 109 112 112 112 115 118 118 119 122 129 131 131 131 132 134 145 146 149 153 156 160 161 161 163 163 163 165 165 168 168 169 169 169 169 173 176 180 180 183 187

METALLIQUES A L'INTERFACEEAU-SEDIMENT 188

5.1. Transfertparticulaire-particulaire 189

5.2. Transfertparticulaire-dissous.Remobilisation 190

5.3. Transfertdissous-dissous:Paradvection 192

5.4. Transfertdissous-dissous: Pardiffusion.Mécanismes diagenetiques 194

5.4.1 Caractérisationdeseauxinterstitielles. Mécanismesdiagénétiques. 194

5.4.1.1 Eh, 02,N20, pH 195

5.4.1.2 Concentrations des métaux dans leseauxinterstitielles 200

5.4.1.3 Rôle des sulfures 203

5.4.2 Evolutiondes_{échangesau coursdu}temps. 205

5.4.2.1 Concentrations des métaux dans leseauxinterstitielles 205

5.4.2.2 Remobilisation des métaux dans les sédiments.Rôledu Mn. 211

5.4.2.3 Diffusionet_{dynamique sédimentaireà l'interface eau-sédiment. 213}

Conclusion 216

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 219

REFERENCES _{BIBLIOGRAPHIQUE 223}

LISTE DES FIGURES

Chapitre 1

Figure 1.1: Lesdifférents étatsd'oxydationdesmétaux de transition:exemplede lapremiere

serie detransition. 24

Figure 1.2: Classificationdes elements proposéeparGoldschmidt. 24

Figure 1.3: Relation typique entre la concentration en zinc adsorbe en fonction du diametre de la

particule sedimentaire.Adapte d'aprèsWestricht( 1986). 28

Figure_{1.4: Classification granulometrique en fonction du diametre apparent(en hm)des}

particulesinorganiques.Adapted'après Calvet (2003). 30

Figure1.5: Mécanismesde transfertdes cations_{métalliques(Men+)auxsediments.Adapte d'après}

Lebreton_{(1996). 34}

Figure1.6: Influencedu potentielhydrogéné et du potentield'oxydoreductionsur la mobilité des

elements tracesmetalliques(en l'absencede matiereorganique). (a)les principaux mineraux

controlant lasolubilite desmetaux._{(b)les tendances a augmenter la solubilite.D'apres}

BourghetLoch_{(1995). 35}

Figure1.7: Transportettransformation des contaminants dans les sediments.Adapte d'après

EggletonetThomas_{(2004). 38}

Figure_{1.8: Diagramme schématique des processus biogeochimiques dans le système eau-sediment.}

Adapted'après Fôrstner_{(1995). 1 -Photosynthèse, 2-mineralisationen milieu oxyde,}

3-denitrification,4-reductionduMn, 5-reductionduFe,6-reductiondes sulfates, et

7-methanisation. 39

Figure 1.9:Profildeconcentrations dans leseauxinterstitielles.Casdes sedimentsd'eaudouce

(LacMichigan). Adapted'apresNealsonetStahl(1997). 40

Figure1. 10: _{Sequencedesreactions redox dans les sediments de surface.Adapte d'aprèsSantschi}

et al._{(1990). 41}

Figure_{1.11: Representation schématique des étapes dans la décroissance du potentiel redox en}

fonctiondutemps.Cas A:système ferme sansperturbation.Cas B :système soumis a

perturbation.Adapted'après Fôrstner_{(1995). 42}

Figure1.12:Representation_{schématique del'interfaceeau-sediment.Enordonnée, distance}

verticale entre eau etsediment, et enabscisse, concentrationd'unsolute dans la colonne

d'eauet les eaux interstitielles.Adapted'âpres Lerman_{(1978). 43}

Figure 1.13:Exemple d'unsystème horséquilibré. 44

Figure1.14:Diminutionde laconcentrationenmétaux dans lessediments en relation avec les

processus de depot etd'erosion. adapte d'apres fôrstner_{(1995). 47}

FigureI. 15:RemobilisationduZndes sediments del'Elbe. Adapte d'aprèsCalmanoet al. _{(1993). 48}

Figure 1.16Representation_{schématique des principaux}processus de transport des particules.

Adapted'après LijklemaèT/IZ,._{(1994). 52}

Figure 1.17 :Diagramme empirique de_Hjulstrôm. 53

Figure 1.18:Modesdetransfertdes radionucleidesd'originenaturelleetartificielle dans une

riviere.Adapted'après Mundschenk_{(1995). 59}

Figure 1.19:Lestrois grandes familles radioactives :238U,232Th_et235U._{Lesdifférentes couleurs}

sontattribuees auxproprietesdes isotopes dans les conditionsenvironnementales_(oxydees). 60

Figure 1.20 :Activitésdui37Csdans les sols enEuropeenMai 1986. D'après VanderPerk.et al.

(2000). 61

Chapitre 2

Figure 2.1 :Localisationdu bassinversant de laScarpe(en violet)et de lasectiondecanal

etudiee.Adapte d'après l'Agencedel'Eau Artois-Picardie. 70

Figure2.2 :Schemasimplifie des canaux. Localisationdu secteurd'etude. 71

Figure 2.3: Representation schématique de la sectiondecanal etudiee. 74

Figure 2.4 :Stationde relevage«ValleedeScarpe».Agauche:arrivée des eaux danslastation.

Adroite:rejet dans lascarpe inferieure. 76

Figure2.5 :Schema d'alimentationde la station de relevage«ValleedeScarpe».Source:

CharbonnagesdeFrance. 77

Figure2. 6 :Contaminationdes sols enPb. Localisationde laStationdeRelevage_{(= SR)}«Vallee

Figure2.8 :Relationentre le debit mesureauniveau del'ecluse«FortdeScarpe»_{(Ecluse amont),} de lastationd'epuration_{(STEP)et de la station de relevage«valleedescarpe»(SR}

vallee),et lapluviometrie. 80

Figure2.9 : SectiondeScarpe Inférieure. Localisationdesrejets,affluent,pluviomètres(croix),

etsitesdeprelevement_{(ronds). 82}

Figure2. 10:Tubespour prelevement de carottes.Degauche a droite:grand_(H: 1 m)etpetit(H:

30_{cm)tubes,carotte a grand diametre(II :60 cm). 84}

Figure 2. 11 : Agauche: accessoiresducarottier petit diametre_{(57/63 mm). Adroite:tetecoupante}

du carottieravecmembrane. 84

Figure2.12: Systèmed'extrusionapressionhydraulique.Prelevementa laspatule eta lacuiller.

84

Figure2.13 : Representation_{schématique du prelevement}d'unecarotte en3 exemplaires(ou

replicats)et du decoupage de chaque carotte. 85

Figure 2.14: Echantillonsde la carottek13. Degaucheadroite :tranches0-2cm a_{30-32 cm, par}

tranche de2cmd'epaisseur. 85

Figure2.15: Echantillonsdediesal'extractionde la fractionpotentiellement disponible des

metauxdans les sediments.Agauche :echantillon de profondeur.Adroite :echantillon de surface.ladifferencedecolorationest nette ettemoigne des conditions oxydee_{(en surface)}

etreduite_{(en profondeur)}du milieu. 86

Figure 2.16:Piegeasediments.Dispositifpermettant larecuperationdesMES. 87

Figure 2.17:Emplacementdupiegea sedimentinstalleal'entreede lastation de relevage

«ValleedeScarpe». 87

Figure2. 18 :Schemade fonctionnement du pycnometre a helium. 88

Figure 2.19: Exemplede ladistributiongranulometrique obtenuepour un échantillon desediment

prelevee ensurface enk.36dans lascarpe. 89

Figure 2.20:Profilverticalde ladistributiongranulometriquedes sediments preleves en k13. A

gauche, le sediment a ete mis en suspension dansdudefloculant.Adroite, le sediment a subi

desUltraSons_{(= US)avantd'etremis en solution dans du defloculant. 90}

Figure 2.21 :Spectrometregamma.CristaldeGe HPapparentet cryostat. 91

Figure2.22 :Exempled'unspectre gamma obtenupour unéchantillon de sediment preleve dansla

Scarpe. 92

Figure2.23 :Exempled'unspectrealpha obtenu pour unéchantillondesedimentprelevedansla

Scarpe. . 93

Figure 2.24: Schemadeprincipedel'ICP AES 94

Figure 2.25: Comparaison ICP AESet spectrometriegamma. 95

Figure 2.26 :_Equilibrede laconcentrationen metal dissous entrel'eauinterstitielleet legel. 98

Figure2.27:Sonde DETavant_{(agauche)etaprès insertion(a droite)dans le sediment preleveen}

k36. 99

Figure2. 28 :Schemade fonctionnement del'ICP MS. 100

Figure 2.29:Profilsverticaux des teneurs enZndans leseauxinterstitielles des sediments

preleves enk.36enavril et mai2006. apres 24et48 h de pose dans lesediment. 102

Figure2.30:Profilsverticauxdes teneurs enMndans les eauxinterstitielles des sediments

preleves enk.36enavrilet mai2006. apres 24 et48heuresdepose dans le sediment. 103

Figure 2. 31 :Schemadu dispositifde mesure. 106

Figure2.32: Dispositifdemesureavec microelectrode dans les eaux interstitielles du sediment.

106

Figure2.33: Evolutiondel'oxygeneet dupHdansunecarottede sediment.Influencede la

montee/descente. 107

Figure2.34: Profilverticalde laconcentration en oxygéné dissousdansles sediments de la

Scarpeprelevesenk.36en juillet2006. Mesurerealiseeavec/sanséclairage direct de

l'interfaceeau-sediment. 107

Figure 2.35 : Profildel'oxygenedans une carottedesediment.Influencedel'arrivee d'air. 108

Figure2.36: Déroulementdes_{campagnes, type}d'échantillonsprelevesdans laScarpe,elements

analyses, instrumentation analytique. 110

Chapitre 3

Figure 3.1 :Representationdu secteurd'etude. Localisationdel'affluent«LaCunette»,des

(=RI). Localisationdes8sites de prélèvementsk06, k09, k13, k16, k22, k.36, k.47et

k.49. 112

Figure 3.2:Teneuren eau en fonction de la profondeur dans les sediments. 113

Figure3.3: _{Distribution granulometrique en fonction de la profondeur dans les sediments. 116}

Figure3.4: Activitésenl37Csen fonction de la profondeur dans lessediments. 120

Figure3.5 :Variationdesactivités en i37Csenfonction de lafractiondesparticulesfines. 122

Figure 3.6 :Activitésdu2I0Pbtotalet du226Raen fonction de laprofondeur dans les sediments. _ 123

Figure 3.7 :Variationdel'activitédu2I0Pbxsen fonction de laprofondeur dans lessediments._ 126

Figure3. 8 :Variationdeln_[A(2I0Pbxs)]_{enfonction de la profondeur de carotte. 127}

Figure 3.9: _{Representation schématique des sediments de laScarpeen fonction de leurs propriétés}

physiqueset de leurage. 130

Figure 3.10: ConcentrationenZnenfonction de la profondeur dans les sediments. 135

Figure3.11: ConcentrationsenPbenfonction de laprofondeur dans les sediments. 136

Figure 3. 12:ConcentrationsenCdenfonction de la profondeur dans les sediments. 137

Figure3. 13:ConcentrationsenCuenfonction de la profondeur dans les sediments. 138

Figure 3. 14 :ConcentrationsduZn,Pb, CdetCuen fonction de la profondeur massique dansles

sedimentspeucompactesetrecents. 141

Figure3. 15 :Relationentre leZnet lePb, leCunormalises al'Aldans les sediments peu

compactes. 143

Figure3.16: Evolutionde laconcentrationenCddans les sediments peu compactes etrécents en

fonction de laprofondeur et du site echantillonne. 144

Figure3. 17 :Evolutiondel'index igeode la contaminationmétallique enfonction delà

chronostratigraphie sedimentaire_(deduitedul37Cs)enk22etk.36. 145

Figure3.18 :Evolutionde la teneur enCarbone_{Organique Total (= COT)en fonction de la}

profondeur dans les sediments. 147

Figure3.19:Relationentreles concentrationsenZn-Cuet leCarboneOrganiqueTotal(= COT)

dans les sedimentspeucompactes. 149

Figure3.20:Relationentreles activitésdu234Th_{(= U)et du}228Th_{(=Th)dans les sediments.Dans}

lacroutesuperficielle,les pointss'alignentsur une droite de pente0,8. 150

Figure3.21 :Relationentre les activitésdu226Raet du234Th_{( U)dans lessediments.Lorsquele}

226RAet son pere le238U (=234TH)_{sont a l equilibre seculaire, le rapportD'activitesvaut1(i.e.}

pente=_{1). 150}

Figure3.22 :Relationentre les activités du228Raetdu228Thdans les sediments. 151

Figure3. 23 :Rapport d'activités234Th/226Raen fonction de la profondeur dans les sediments. 152

Figure3. 24:Relationentrel'excesd'UetleCuet leCOTdans les sediments peu compactes. 153

Figure3.25: ConcentrationsduSen fonctionde laprofondeur dans les sediments. 154

Figure3.26: Variationde la teneur enSen fonction de la teneur enCOTdansles sediments. 155

Figure 3.27 :Variationdes teneurs enZnenfonctionde la teneur enSdansles sediments. 156

Chapitre 4

Figure 4.1 : _{Representation schématique desprocessus sedimentaires}dansun milieuaquatique :

colonned'eau,compartiment sedimentaire, interface eau-sediment etmatieresEn suspension

(=MES). 160

Figure 4.2: LaScarpe Inférieure. Representationdu secteurd'etude. Localisationdel'affluent

«LaCunette»,des rejets de laStationd'Epuration (=STEP),desStationsdeRelevage(=SR)

etdesRejets Industriels_{(=RI). Localisationdes3sites de prelevementk13, k16 etk36. 161}

Figure4.3 : Representation_schématiquedustock de7Bedansunecarotte de sediment entre deux

collectes successives_{(Mois 1 & 2). Troiscas de figure:(a), (b)et(c). Source:modified'après}

Giffin_{etReideCorbett(2003). 167}

Figure4.4: _{Representation schématique des profils verticaux del'inventaire}du7Bedans les

tranches0-3cm et3-5cm des sediments._{(a) accumulationrecente de sediment.(b)}

Accumulationmoindre desediment,_{(c)Processusdemelange,(d) Depotde sediment age sur}

dusediment plus recent._{(e) erosionou depot desedimentage. 17 1}

Figure4.5: Evolutiondustock, nouveaude7Bedans les sedimentsen k_{13, k16etk.36,entre mai2005}

etaoût2006. 175

Figure4.6: Activitésdu7Bedans les matières en suspension preleveesen_k13,k16etk36,et pluie

cumulee entre avril2005etaout2006. 177

Figure 4.7: Evolutionde la pluie au cours dutemps :pluiequotidienne, et pluie cumulée sur la

etaout2006. 182

Figure 4.9: Evolutionduflux dedepot/erosiondans les sediments prelevesenk16entreavril2005

etaout2006. 182

Figure 4.10: Evolutionduflux dedepot/erosiondans les sediments preleves enk36entreavril

2005et aout2006. 182

Figure4.11: Debitsdel'ecluseet de lastation derelevage, etpluviométrie, entre avril2005et

aout2006_{(premieredonnee en mai2005). 184}

Figure4.12: Variationde lapluviométrieet du debit ducanalparjourentre avril2005etaoût

2006. 185

Figure4.13: Volumedeverse par lastationderelevage et pluviométrie par jourentreavril2005

etseptembre2006. 185

Figure4. 14 :_Dynamiquesedimentaireacourt-terme enk.13,Kl6etk36,et debit moyen ducanal et

de lastation_{(x 4),entre mai2005et aout2006. 186}

Chapitre

5

Figure5.1 :_{Representation schématique des flux particulaire(depot, erosion)et dissous}

(diffusion, advection)des polluants metalliques al'interfaceeau-sediment dans un cours

d'eau. 188

Figure 5.2 :Representationdu secteurd'etude. Localisationdel'affluent«LaCunette»,des

rejets de laStation d'Epuration_{(=STEP),desStationsdeRelevage (=SR)etdesRejets}

Industriels_{(=RI). Localisationdu site de prelevementk36. 189}

Figure 5.3 :Fractionreactive desmétauxcontenus dans les sedimentsdesurface_{(0-3 cm)}preleves

enk36entre marsetjuillet2006. 191

Figure5.4 :Evolutiondela hauteur des sedimentsaffectespar les processus dedepot/erosionen

k36entre decembre2005et aout2006. 193

Figure 5.5 :EvolutiondupotentielredoxEhavec la profondeur dans lessediments prelevesen

k36,en mars et avril2006. 195

Figure5.6 :Evolutionde la concentration en oxygéné dissous avec la profondeurdans les

sediments preleves enk.36enmars, avril, mai et juillet2006. 196

Figure 5.7 :Evolutionde la concentration enN20aveclaprofondeur dans les sediments preleves

enk36en mars2006. 197

Figure 5.8 :EvolutiondupHavec la profondeur dans les sediments preleves enk36enmars,avril

et mai2006. 197

Figure5.9 :Concentrationdel'oxygeneen fonction de la profondeuraproximité del'interface

eau-sediment. 199

Figure 5.10 :Evolutiondu fluxd'oxygeneal'interfaceeau-sedimentenk36entre mars et juillet

2006. 199

Figure5.11:Profilsverticaux des concentrations duFe, Mn, Zn, PbetCddans les eaux

interstitielles des sediments preleves enk36en aout2006. 200

Figure 5.12: Surface_{(a gauche)etprofil(a gauche) d'unecarotte de sediment prelevee enk36.}

Presencedecanaux_{(a gauche)et de bulles de gaz(a droite). 202}

Figure5.13: Interfaceeau-sedimentd'unecarotte de sediment prelevee enk.36. Formation

d'hydroxydede_{Fe(III)decouleur rouille a la surface des sediments.Agauche,1 heure apres}

le prelevement.A_{droite,4semaines apres le prelevement, avec conservation al'air}libre.204

Figure5.14: Evolutionde la concentration duZnavec la profondeur dans les sediments preleves

enk36entre avril etaoût2006. 206

Figure5.15:Evolutiondelaconcentration duPbavec la profondeur dans lessediments preleves

enk36entre avril etaoût2006. 207

Figure 5.16: Evolutionde laconcentrationduCdaveclaprofondeurdans lessediments preleves

enk.36entre avril et août2006. 208

Figure 5.17: Evolutiondela concentration duCuaveclaprofondeurdansles sediments preleves

enk.36entre avril etaoût2006. 209

Figure5.18: Evolutiondu flux dediffusion duMnatraversl'interfaceeau-sediment entre

decembre2005et aout2006. 211

Figure 5.19:Evolutionde laconcentration duMnavec laprofondeur dans les sediments preleves

enk.36entre avril et aout2006. 212

Figure5.20 : Variationdu flux deMnal'Interface Eau-Sediment_(=IES)en fonction de lahauteur

LISTE DES TABLEAUX

Chapitre 1

Tableau 1.1: Concentrationsmoyennes en métaux dans différents types de roches terrestres.

Adapted'après_{Kabata-Pendias(1992). 25}

Tableau 1.2: Concentrationsmoyennesenmétaux etmétalloïdedans le fondgeochimique des

sediments de la regionartois-picardie. adapte d'apres agencedel'eau artois-picardie. 26

Tableau1.3: Concentrationsdequelques métaux dissous dans les eaux naturelles.D'après

StummetMorgan_{(1996). 27}

Tableau 1.4: Sitesimportants de fixation descontaminantsorganiquesetinorganiquesauseindu

sediment.d'apres eggletonetthomas(2004). 34

Tableau1.5: Coefficientsde distributionKuen log pour différents métaux dansquelques fleuves

majeurs.D'aprèsZhanget al._{(1994). 36}

Tableau1.6: Principalesreactionsd'oxydationresponsables de la production de protons dans les

systemesaquatiques.D'apres calmanoetal.(1993). 50

Tableau1.7: Principalesreactionstampons dusediment.Source:Calmanoetal., 1993. 51

Tableau 1.8: Exemplesdf.radionuclides utilises en tantque traceurs dans les systèmes

aquatiques, pour des processus se deroulant sur quelques joursjusqu'aplusieurs siecles.

Adapte d'âpres Santschi_{(1986). 62}

Chapitre

2

Tableau2.1 :Apportsen eaudans la section de canal etudiee. 75

Tableau2.2 :Concentrationsen métaux dans les matières en suspension desrejets. 75

Tableau2.3 :Concentrationsen métaux dans les matières en suspension des rejets de la station de

relevageet deSaprotec. 75

Tableau2.4:_{Données hydriquesentre mars2005et août2006(pluviométrie, debits). 79}

Tableau2. 5 :Datesdescampagnes de prelevement lors du«suivide terrain»et délaiséparant

deux campagnes successives. 83

Tableau2.6:Limitededetection_{(=LD)pourl'ICP AES,calculéepour un échantillon solide de}

0,5g. 94

Tableau2. 7 : Limitede_{Quantifiation}del'ICP MSetanalyse des blancs de terrain. 101

Tableau2.8: Comparaisonentre lesconcentrations deZn,Pb, CdetCumesuréesdansl'eauselon

deux methodesd'echantillonnagedes metaux. 104

Tableau2. 9 :Microelectrodesutilisées. 105

Chapitre 3

tableau3. 1 :vitessedesedimentationdans lascarpea partir de la methode dul37cs. 121

Tableau3.2 :StockIdel37Csenfonction du site échantillonné. 121

Tableau3.3 :Vitessede sedimentation danslaScarpeapartir de laméthode du2I0Pb. 127

Tableau3.4: Concentrationsmoyennes desmétauxdanslessediments de laScarpe. 131

Tableau3.5: ConcentrationsenZn,Cd,PbetCumesures dans lessediments preleves dans

differents systemes_{aquatiques soumis aux activites humaines(industrielle,urbaine,miniere).}

132

Tableau3.6 :Facteur d'Enrichissement_{Geochimique (= FEG)moyen dans lessediments. 133}

Tableau3.7: Classificationde lapollution associéea_{l'index d'accumulation geochimiqueIgeo.}

134

Tableau 3.8 :Concentrationsmoyennes en contaminantsmétalliques(Zn, Pb, Cd, Cu)dans les

sediments anciens et compactes de lascarpe. 139

Tableau3.9: Concentrationsen_{Cd, Pb, ZnetCudans lesmatièresen suspension prelevees dansla}

Scarpeen_{k13, k16etk36,et al'entreede lastation de relevage, entre mai2005etaoût2006.}

Chapitre 4

Tableau 4. 1 :Rapportd'activités2i0Poxs/2I0Pbxs_{dans les sediments de surface(0-3 cm)preleves en}

k13,k16etk36enavriletmai2006. 164

Tableau4.2 :Rapport d'activité_{2IOPoxs/2IOPbxs}dans lesmatières en suspension prelevees enk.13, k16

etk36entre mai etaoût2006. 164

Tableau4.3 :Activitésdu7Bedans les sediments preleves enk13, k16etk36en avril2005. 168

Tableau4.4 :Inventairedu7Bedans les sediments_{(tranches 0-3}et3-5 cm)prelevesen trois

exemplaires_{(abc)entrois sites(k13, k16etK36)entre avril2005 (campagne n° 1 )et aout2006}

(campagne n° 15). 170

Tableau4.5 :_{Stock total, résiduel et nouveau}de7Be_{dans lessediments preleves enk13, k16etk36}

entre avril2005et aout2006. 173

Tableau 4.6 :Activitédu7Bedans lesmatières en suspension prelevees en k_{13, Kl}6etk36et dans la

stationde_{relevage, et pluviometrie, entre mai2005et aout2006. 177}

Tableau 4.7 :Calculdu flux dedepot/erosiondansles sedimentsen k_{13,Kl6, k36,}entre avril2005

et août2006. 181

Chapitre

5

Tableau 5.1 :Fluxtotalde depot et flux totald'érosionpourle_{Zn,lePb,leCdet leCu,a la}

SURFACE DESSEDIMENTSENK13, Kl6ETK36,ENTRE mai2005ET AOUT2006. 190

Tableau 5.2 :Rapportentre le flux totaldedepotet le fluxtotald'érosion. 190

Tableau5.3 :Determinationduflux advectif du_{Pb, Cd, Zn}etCulors des episodesd'érosionen

janvieretaout2006enK36. Atdesigne la periode pendantlaquelle les sediments se sont

erodes,soit entre deux campagnes de prelevement successives. 194

Tableau 5.4 :Intervallesdeconcentrationsen_Zn,Pb,CdetCudans les eauxinterstitielles des

sedimentsderivieres. 205

Tableau5. 5 :Fluxparticulairesde_{depot/erosion,flux}diffusif etfluxadvectif des contaminants

INTRODUCTION

Le _{développement industriel et urbain de nos sociétés a généré une exploitation de} ressources naturelles et une _{production de déchets et de polluants. Depuis longtemps, les} cours d'eau constituent le _{réceptacle d'une pollution aux formes multiples. Les polluants}

proviennent des activités urbaine, agricole et industrielle. Les sources de polluants peuvent

contaminer les eaux de manière directe _{(rejet) ou diffuse (dépôt atmosphérique, lessivage de}

sols _{contaminés). Lorsqu'il pleut, les eauxde surface ruissellentà traversdes surfaces plus ou}

moins contaminées etcharrient avec elles leurlot de _{polluants. Les eaux} de surface _{sont ainsi}

capables d'intégrer les pollutionsnon traitées à l'échelle du bassin versant. L'introduction des polluants dans lecours d'eaupeutavoir des conséquences sanitaires etécologiques.

En _{France, les préoccupations environnementales sont devenues un enjeu social, politique et}

économique. Une directive-cadre européenne d'octobre 2000 (2000/60/CE) a prévu que

chaque Etat devrait, d'ici 2009, avoir élaboré des «plans de gestion » et des « programmes

d'actions » concrets dans tousles « districts_{hydrographiques », afin de parveniren 2015 à un}

«bon état des eaux ». Cette directive est _{appelée à jouer un rôle stratégique et fondateur en}

matière de_{politique de l'eau.}

Au _{regard de cette directive cadre, le comportement des sédiments vis-à-vis de la colonne}

d'eauest_{particulièrement important à prendre en compte. Denombreuses substances peuvent}

être _{piégées dans les sédiments et être libérées après s'être déposées. Ainsi, la question se} pose : les sédiments se comportent-ils comme des pièges pour la pollution ou agissent-ils en

tant_{que sources de contamination vis-vis de l'eau sus-jacente ?}

Les sédiments _{jouent le rôle de puits potentiel pour de nombreuses substances}

toxiques. Les activités humainesdepuis l'ère industrielleontrejeté desmétaux lourds dans les

eaux de surface et, _{en raison de leurs propriétés, nombres d'entre eux se sont associés aux}

sédiments. Dans les environnements où la sédimentation s'est déroulée sur de _longues

périodes de temps, les sédiments constituent les archives chimiques de l'histoire d'une

pollution. Lespolluants ainsi piégés peuventsouscertaines conditionsêtre remobilisés dans la

colonne _{d'eau,et cetransfert vaàl'encontre des efforts menés surl'amélioration de la qualité}

des eaux de surface. Les sédiments constituent ainsi « une bombe _{chimique à retardement»}

(Stigliani, 1991). Les activités humaines (navigation, curage) et les événements naturels

(cycles hydrologiques, vents) sont susceptibles de perturber l'interface eau-sédiment et de

remettre en _{suspension les sédiments contaminés qui s'étaient accumulés auparavant dans le}

litdes coursd'eau. Les événements de remiseen _{suspension/d'érosion des sédiments peuvent} être à _{l'origine du transfert des contaminants associés aux sédiments sous forme particulaire}

(érosion) (e.g. ten Hulscher et al., 1992), et/ou dissoute lorsque le confinement des eaux

porales est rompu (advection) (e.g. Krein et Symader, 2000). Les perturbations physiques (dépôt, érosion, bioturbation) provoquées à la surface des sédiments peuvent modifier les

paramètres physico-chimiques (Eh, pH typiquement) des sédiments et altérer la distribution physique etla spéciation chimique des contaminants métalliquesprésents dans les sédiments.

Enfin, à l'interface eau-sédiment, lorsque la dégradationde la matière organique estamorcée,

l'établissement de conditions _{particulières peut être favorable à la remobilisation des}

polluants métalliques qui passent des sédiments vers la colonne d'eau (diffusion) (e.g. van

denBergetal., 1999).

La _{région Nord-Pas de Calais se caractérise par un réseau dense de rivières canalisées}

sédimentation est favorisée _{par les faibles débits liés à la topographie plane. Les sédiments}

marqués par le lourd passif industriel et urbain de la région présentent des concentrations

élevées en _{polluants métalliques et organiques. Les systèmes aquatiques sont soumis, encore}

actuellement, à des rejets urbains et industriels qui continuent en partie à alimenter les

sédiments de fond en _{polluants métalliques et organiques. Le bassin Artois-Picardie}

représente environ un tiers de sédiments pollués par rapport au volume national (Bogusz, 1999). Dans un souci croissant de la qualité des écosystèmes aquatiques, la question du

devenir des contaminantsestdoncune _{problématique environnementale importante dans cette}

région.

La thèse s'intéresse au «devenir des _{polluants métalliques associés} aux sédiments

contaminés dans une rivière en relation avec la _{dynamique sédimentaire ». Deux termes sont}

importants : « devenir » et « dynamique ». Le terme « dynamique » porte sur le matériel

sédimentaire sous forme_{particulate : les sédiments en place (lit de la rivière) etles sédiments}

en transit dans l'eau _{(matières en suspension). Le « devenir» ultime des particules}

sédimentaires dans un cours d'eau est de se _{déposer à la surface des sédiments et d'y être}

enfouies. _{Cependant, une sédimentation à long terme n'exclut pas une alternance d'épisodes}

de _{dépôt et d'érosion des sédiments se déroulant sur des échelles de temps plus courtes.}

L'objectif du travail de thèse est de caractériser l'influence des processus sédimentaires

(dépôt/érosion) surle devenir des contaminants métalliques.

L'étude des mécanismes _{impliqués dans le transport des sédiments de surface passent}

généralement par une approche théorique, ou des mesuresde terrain, des expérimentations, et

des simulations. La caractérisation des _{processus sédimentaires dans le milieu se fait souvent}

sur des échelles _{spatiales et temporelles assez importantes. Or, dans les études d'impact}

environnemental, il est nécessaire d'évaluer la mobilité des polluants sur des échelles plus

courtes.

La _{stratégie du travail de recherche repose sur une variation d'échelle spatio-temporelle.} D'une _{part, la dynamique des sédiments (dépôt/érosion) a été caractérisée sur deux échelles}

de _{temps différentes (pluri-décennale et mensuelle) à partir de l'utilisation des traceurs}

• l-\~i 910 7

radioactifs environnementaux _{( Cs, Pb, Be). D'autre part, le degré de contamination}

métallique a été déterminé à l'échelle du compartiment sédimentaire, et le comportement

géochimique despolluants métalliques aétéétudié à proximité de l'interface eau-sédiment.

Pour aborder le _{sujet et mettre en place la stratégie d'étude, nous nous sommes}

intéressés aux mécanismes _{qui régissent le transport des contaminants métalliques dans un}

milieu _{aquatique, et à l'utilisation des traceurs radioactifs environnementaux dans le but de}

caractériser les _{processus sédimentaires (chapitre 1). Le choix du secteur d'étude et des sites}

de _{prélèvements est ensuite décrit, ainsi que nos méthodes de prélèvement et}

d'échantillonnage, et les techniques instrumentales utilisées (chapitre 2). L'historique de la

pollutionmétalliquedans le secteurd'étudea été établi àpartir du bilan sédimentaire

(césium-137 et _{plomb-210) et de la contamination des sédiments (chapitre 3). Afin de caractériser la}

dynamique sédimentaire sur une échelle de tempsplus courte, une méthode originaleetbasée

sur l'utilisation d'un traceur radioactif environnemental _{(le béryllium-7) a été mise en œuvre}

(chapitre 4). Apartir de cesrésultats, l'impact des processus de dépôt/érosion sur le transfert

des métaux a _{pu être quantifié (chapitre 5). Les mécanismes impliqués dans les échanges}

chimiques à l'interface eau-sédiment y sont également présentés. Enfin, les conclusions générales sont exposées, ainsi que les propositions de recherche complémentaire. L'ensemble

Lestravaux_{présentés ontété essentiellementréalisés auCentreNational de Recherche}

sur les Sites et Sols Pollués _{(CNRSSP) à Douai. Cette thèse} a bénéficié d'une collaboration

scientifique et technique avec l'Ecole des Mines de Douai et le Laboratoire des Sciences du

Climat et de l'Environnement à Gif-sur Yvette. Le CNRSSP est un _{Groupement d'Intérêt}

Public _{(GIP) crée en 1996 et entré en liquidation en 2006. Le travail de la thèse est depuis}

rattachéaux activités de recherche du_{département Génie Civil et Environnemental de l'Ecole}

1

SYNTHESE

_{BIBLIOGRAPHIQUE}

1.1 Les métaux dans le

_{système aquatique}

Les métaux _{(fer, cuivre, plomb, zinc, argent et or...) sont des corps simples, dotés}

d'un éclat_{particulier, bons conducteurs de la chaleur etde l'électricité. Ils sont abondamment}

utilisés_{par l'homme depuis l'Antiquité, d'abordpour sasurvie, puis sonconfort etses loisirs.}

Les métaux _{indispensables au métabolisme des êtres vivants constituent les oligo-éléments.}

Nombreux sont _{cependant toxiques lorsque leur concentration dépasse un seuil, lui-même}

fonction de l'état _{physico-chimique de l'élément considéré : c'est le cas du fer (Fe), du cuivre}

(Cu), du zinc (Zn), du nickel (Ni), du cobalt (Co), du vanadium (V), du sélénium (Se) du molybdène (Mo), du manganèse (Mn), du chrome (Cr), de l'arsenic (As)etdu titane (Ti).

D'autres ne sont _{pas nécessaires à la vie et sont préjudiciables dans tous les cas comme le}

plomb (Pb), le cadmium (Cd) etl'antimoine (Sb).

Les _{composés métalliques ont une toxicité variable selon leur nature et leur voie de}

pénétration (ingestion, respiration, contact avec la peau). Trois de ces métaux sont à cejour

considérés comme étant_{cancérigènes : l'As,le Cretle Ni (Chiffoleauetal., 2001).}

Les métaux de transition sont stables _{chimiquement. Ils sont sensibles aux processus}

oxydo-réducteurs car ils présentent généralement différents degrés d'oxydation stables dans

les environnements_{géologiques (figure 1.1).}

L'abondance des éléments _{métalliques est liée à l'affinité chimique des éléments.}

Goldschmidta_{proposéuneclassification des éléments enquatregroupes(figure 1.2) :}

les éléments _{lithophiles associés à laphase silicatée ;}

les éléments _{atmophiles enphasegazeuse ;}

les éléments _{sidérophiles présents dans la phase métallique ;}

les éléments _{chalcophiles présentsdans la phase sulfurée.}

Par abus de _{langage, métaux et métalloïdes sont assimilés à l'appellation générique}

métaux; néanmoins les contaminants _métalliques se distinguent des métaux tels que le fer (Fe) et le manganèse (Mn) qui fournissent dans les environnements aquatiques des supports pour le transport des autres métaux (Cd, Cu, Ni, Zn, Pb...). Le fer et le manganèse que l'on

rencontre dans l'eau ou les sédiments ne sont _{généralement pas considérés comme des}

polluants. Cependant ils sont suffisamment abondants et réactifs pour influencer le devenir

lia llla IVa Va Via Vila S VII< Ib Mb 1Mb calcium scandium titane vanadium chrome manganèse fer cobalt nickel cuivre zinc gallium Ca Se Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga 0

.S

%

état_{d'oxydation rencontré dans les}

environnementsgéologiques

autreétat_{d'oxydation stable dans}

les conditions de laboratoire

Figure 1.1: Les différents états d'oxydation des métaux de transition: exemple de lapremière série de

transition.

Figure1.2: Classification des éléments proposéeparGoldsehmidt.

1.1.1

_{Origine des}

_{métaux dans les milieux aquatiques}

1.1.1.1 Naturelle

Les métaux sont des _{composants naturels de l'écorce terrestre dans laquelle ils se}

présentent généralement sous forme de minerai où ils sont associés entre eux et à de

nombreux éléments _{(oxygène etsoufre particulier). Ils sont naturellement présents dans les}

Eléments dans l'Univers

atmosphèreet hydrosphère sulfures noyau(et météorites) croûte, manteau, météorites

roches _{drainées par les eaux de surface (et les nappes d'eau souterraines) ainsi que dans les}

poussières atmosphériques. Les volcans, de mêmeque les incendies de forêt, sont dessources

naturelles _{importantes de métaux pourlagéosphère et l'hydrosphère. Le tableau 1.1 donne les}

teneurs _{moyennes en éléments métalliques à l'échelle mondiale dans différents types de}

roches.

Concentrations moyennes en

mg.kg"1

Roches_magmatiques Roches sédimentaires

Eléments Roches basiques Roches intermédiaires Roches acides Roches argileuses, sableuses Grès Carbonates Cd 0,13-0,22 0,13 0,09-0,20 0,22-0,30 0,05 0,035 Co 35-50 _1,0-10 1-7 11-20 0,3-10 0,1-3,0 Cr 170-200 15-50 4-25 60-100 20-40 5-16 Cu 60-120 15-80 10-30 40 5-30 2-10 Hg 0,0x 0,0x 0,08 0,18-0,40 0,04-0,10 0,04-0,05 Mn 1500-2000 500-1200 350-600 500-850 100-500 200-1000 Mo _{1,0-1,5 0,6-1,0} 1-2 _{0,7-2,6 0,2-0,8 0,16-0,40} Ni 130-160 5-55 5-15 50-70 5-20 7-20 Pb 3-8 12-15 15-24 18-25 5-10 3-10 V 200-250 30-100 40-90 100-130 10-60 10-45 Zn 80-120 40-100 40-60 80-120 15-30 10-25

Tableau 1.1: Concentrations moyennes enmétaux dans différentstypesde rochesterrestres.Adapté

d'aprèsKabata-Pendias (1992).

Dans certaines_{régions, l'abondance moyenne des éléments métalliques rencontrée est}

plus élevée. Cet enrichissement observé est dû à des processus géochimiques qui peuvent

conduire à la formation de _{gisements naturels potentiellement exploitables. Chaque région}

présente des caractéristiques géologiques et pédologiques qui lui sont propres avec pour

conséquences des concentrations variées en éléments métalliques dans les différents

réservoirs _{géochimiques. Ces concentrations singulières constituent le fond géochimique. Le}

fond _{géochimique peut être déterminé selon diverses méthodes. Dans des milieux perturbés}

par l'activité humaine, le référentiel local de concentrations présentes naturellementpeut être

déterminé à_{partirde :}

l'analyse des sédiments superficiels prélevésen zonesupposée noncontaminée (amont

descours d'eau_{parexemple) ;}

l'analyse statistique d'un grand nombre de prélèvements à l'échelle du bassin versant

ou d'un ensemble de bassinsversants ;

l'analyse des couchesprofondes d'unecarotte de sédiment.

Dans le Nord-Pas-de-Calais, les concentrations naturelles de référence en éléments

métalliquessontéquivalentesauxvaleurs déterminées parl'Agence de l'Eau Artois-Picardieà partir des valeurs les plus basses mesurées dans les sédiments de l'Artois-Picardie (zone géographique définie par l'Agence de l'Eau). Le tableau 1.2 présente les concentrations en

métal ou métalloïde

valeurs considérées comme naturelles dans les _sédiments,

en

mg.kg"1

Tableau 1. 2: Concentrations _{moyennes en métauxetmétalloïde dans le fond géochimique des sédiments}

de la _{région Artois-Picardie.Adapté d'après Agence de l'Eau Artois-Picardie.}

1.1.1.2.

_Anthropique

La France _{métropolitaine extrait relativement peu de minerai de métaux non ferreux}

mais en _{importe de grandes quantités qu'elle raffine sur son sol. Les métaux extraits sont}

ensuite _{transformés, utilisés, recyclés, parfois exportés. Les utilisations des métaux sont}

multiples ettrès diversifiées, depuis les additifs de Pb dans les carburants, auNi ou au Cd des

batteries _{d'accumulateurs, au Zn des gouttières ou au Cr des aciers inoxydables, au Cu de}

l'industrie _{électrique ou à l'As des produits phytosanitaires (Chiffoleau et al., 2001). Les}

sources de contamination le sont aussi _{par conséquent. Durant toutes les phases d'élaboration}

et/ou de _{recyclage de ces produits, des métaux sont rejetés, parfois en abondance, dans}

l'environnement, soit directement dans les eaux continentales (rejets industriels ponctuels),

soit dans _{l'atmosphère où ils peuvent être transportés par les vents à des milliers de}

kilomètres, associés aux _poussières avant de se déposer par voie sèche ou par voie humide,

bien _{que la majeure partie de ces émissions atteigne le sol à proximité des sources {e.g.} Sobanska, 1999). L'utilisation de produits finis contenant des métaux (l'automobile et

l'agriculture par exemple) en dissémine des quantités importantes dans l'environnement. Il

s'agit d'une contamination généralement diffuse (épandage d'engrais phosphatés

naturellement enrichisen Cd_{parexemple), bien que des régions à forte densité depopulation}

et en _{particuliers les grandes métropoles soient propices à des émissions importantes. Les}

fortes concentrations de métauxdans les _{rejets urbains ensont la résultante.}

Dans la _{région du Nord-Pas-de-Calais, concernant la production de Pb dans l'air, la}

répartition par secteur industriel en 2006 est la suivante (DRIRE Nord-Pas-de-Calais, IRE 2007):

sidérurgie/métallurgie/fonderie : 12 242kg.an-1,

verre/matériaux: 1 129

_kg.an"1,

énergie : 491

kg.an"1,

traitements de déchets : 375

kg.an"1,

chimie/pétrole : 191

kg.an"1,

autres : 18 _kg.an" .

La _{prise de conscience politique en matière d'environnement a permis de diminuer les}

rejets polluants directs. L'importance qu'attribue le législateur à la protection de

l'environnement se reflète entre autres dans le nombre _{déjà croissant de lois et de règlements}

commune a été définie dans le Traité sur l'Union _{Européenne en vigueur depuis le} Ie' _juillet 1987. L'Union _{Européenne a publié une directive cadre pour la protection de l'eau ; la}

Directive Cadre _{Eau, adoptée endécembre 2000 fixe pourobjectifun « bon état écologique»}

deseaux à atteindre en2015.

1.1.2 Distribution des métaux dans les milieux

_aquatiques

Une fois les métaux introduits dans le milieu _{aquatique, ils se répartissent dans les}

différents _{compartiments : eau et sédiment. L'interface eau-sédiment forme la limite entre}

deux _{phases : l'eau et le sédiment (Santschi et al., 1990). L'eau comprendune fraction solide}

correspondant aux matières ensuspension en transit et unefraction « dissoute ». Demême, le

compartiment sédimentaire comprend une phase solide constituée des particules solides de

sédiment etune _{phase liquide correspondant aux eaux interstitielles qui remplissent les pores}

ausein des sédiments.

Les métaux sont _{présents sous différentes formes chimiques en fonction des paramètres}

environnementaux.

1.1.2.1 Dans l'eau

Phase dissoute

La fraction dissoute se définit _{expérimentalement par la filtration de l'eau brute à}

travers _{des pores de diamètre égal à 0,45 ja.m. Il s'agit d'une définition courante pour}

distinguer les fractions dissoute et particulate. L'avènement des techniques de filtration plus précises a permis, dans les années 70-80, d'isoler des particulesplus fines (Stumm etMorgan, 1996) ; la limitedissous-particulaire apris des valeurs de plus enplus basses (entre 0,2 |imet

3 _{|im)et cettelimite varie selon lesauteurs.}

Le tableau 1.3 _{présente quelques données sur les concentrations en métaux dans les milieux}

lacustre, océanique et fluvial. Les concentrations en métaux dans la fraction dissoute sont

particulièrement faibles

(10~6

10"12 mol.L"1).

Area _{Cu(nM) Zn(nM) Cd(nM) Pb(nM)} References

U.S. East Coast rivers 17 13 0.095 0.11 Windometal. (1991)

Mississippi River 23 3 0.12 — Shiller and

Boyle(1987)

AmazonRiver 24 0.3-3.8 0.06 — Shiller and

Boyle (1987)

Lake Constance 5-20 15-60 0.05-0.1 0.2-0.5 _{Siggetal. (1982)}

Lake_Michigan 10 9 0.17 0.25 Shafer and_{Armstrong(1990)}

LagoCristallina" 5 30 0.5 3 _{Sigg (1993, personal communication)}

Pacific Ocean 0.5-5 0.1-10 0.01-1 0.005-0.08 Bniland and Franks₍₁₉₈₃₎

Rainwater* 10-300 80-900 0.4-7 10-200 _{Sigg (1993, personal communication)}

Tableau1. 3 :Concentrations de_{quelques métaux dissousdansles eauxnaturelles.D'après Stumm et}

Morgan(1996).

Dans les _{rivières, les concentrations} en métaux observées sont liées (Stumm et Morgan, 1996) :

aux _{caractéristiques géochimiques des roches constitutives du bassin versant : les}

métaux _{présents dans les eauxsontissus duprocessus chimiquedelessivage ;}

à la_{pollution anthropique, via les rejets directset/ou les retombées atmosphériques ;}

ainsi _{qu'aux propriétés chimiques des rivières : adsorption des ions métalliques à la}

Les _{particules exercent un contrôle sur la solubilité des différents métaux dans les systèmes}

aquatiques, carle coefficient departagesolide-liquide (KC|) estrelativement stable(e.g. Zhang

et _{al., 1994). L'association des contaminants métalliques avec les particules est facilitée par}

l'abondance des_{particules sédimentaires ensuspension.}

Phaseyarticidaire

Les matières en _{suspension sont constituéespar le matériel particulate en transit dans}

l'eau. Les concentrations des matières en _{suspension sont déterminées après filtration sur}

membrane de _{porosité 0,45(impuisunepesée après dessiccation.}

Lematériel _{particulaire présent ensuspension dans la colonne d'eaua diverses origines :}

il_{peutêtre issu des produits de l'érosion des sols alentours transportéspar leseaux}

de ruissellement ; leur _composition est alors liée à la nature des sols érodés et

lessivés ;

les activités urbaines et industrielles sont à _{l'origine d'un flux de matériaux de}

moindre _{importanceenmasseetgénéralement diffus ;}

les _{apports atmosphériques, par retombées sèches et humides, peuvent constituer}

une source _{supplémentairedeparticules dans le milieu aquatique,}

la _{production biologique constitue une source de matériel particulaire importante.} La _{part des apports particulates liée à la production biologique est tributaire des}

cycles saisonniers qui se supeiposentavec les cycles hydrologiques (crue, étiage) :

elle reste _{faible, voire négligeable, dans le cas des apports liés aux crues}

hivernales. Elle devient _{importante dès l'apparition des premiers blooms}

phytoplanctoniques du printemps etcejusqu'enseptembre-octobre selon les cycles

climatiques annuels (Dupontetal, 2001).

l'érosion des _{berges etdes sédiments de fond (remise en suspension) peut enrichir}

la _{quantitéde matériel particulaire entransit dans les coursd'eau.}

Il est admis _{que la majorité des contaminants inorganiques (métaux) s'associe à la}

matière _{particulaire (e.g. Briigmann, 1995 ; Horowitz, 2000). Selon Calmano et al. (1993),}

plus de 90 % de la charge en métaux lourds dans les systèmes aquatiques est associée aux

particules constitutives des matières en suspension et du sédiment. Pour la plupart des

élémentsentraces _{(métaux),> 90 % du fluxdans les systèmes fluviaux estprésentsousforme}

particulaireen associationavec le sédiment ensuspension (Walling etal., 2003).

La taille du _{grain est unfacteur important régissant le transport des contaminants. En}

général, la concentration en métaux associés aux particules augmente quand lataille du grain

diminue et les métaux se fixent _{préférentiellement à la fractionargileuse (e.g. Fôrstner 2004 ;}

Westricht, 1986 ;Oldetal.,2003 ;Leeetal,2003).

La _{figure 1.3 illustre la relation existant entre la concentration en métaux et la taille des} particules. 'ûi) c'a n. "V o C/3 "O a 12 S 0.02 0,15 63 250 1000 pm

Figure1.3: Relation typiqueentrelaconcentration enzinc adsorbéenfonction du diamètre de la