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Comportement des ETMs dans les sédiments de surface
du Golfe du Morbihan et la Baie de Quiberon :
distribution spatiale, spéciation, biodisponibilité et
relation avec les sédiments des ports et rivières.
Joselyn Jimenez
To cite this version:
Joselyn Jimenez. Comportement des ETMs dans les sédiments de surface du Golfe du Morbihan et la Baie de Quiberon : distribution spatiale, spéciation, biodisponibilité et relation avec les sédi-ments des ports et rivières.. Géomorphologie. Université de Bretagne Sud, 2016. Français. �NNT : 2016LORIS400�. �tel-01529571�
THESE / UNIVERSITE BRETAGNE SUD sous le sceau de l’Université Bretagne Loire
pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE BRETAGNE SUD
Mention : Geoscience Marines Ecole doctorale : Sciences de la Mer (EDSM)
Présentée par
JOSELYN JIMENEZ
Préparée au laboratoire de Géosciences Marines et Géomorphologie du Littoral (GMGL)
rattaché à l’UMR 6538 Domaines Océaniques (UBO-IUEM)
Comportement des éléments
traces métalliques (ETMs)
dans les sédiments de surface
du Golfe du Morbihan et de la
Baie de Quiberon (France) :
distribution spatiale,
speciation, biodisponibilité et
relation avec les sediments
des ports et rivières
Thèse soutenue le 20 juillet 2016 devant le jury composé de :
David MENIER (MCF, HDR Université Bretagne Sud) / Directeur de thèse Evelyne GOUBERT (MCF Université Bretagne Sud) / Co-Directrice de thèse Christophe HEMOND (Pr Université de Bretagne Occidentale) / Rapporteur Alexandra COYNEL (MCF Université de Bordeaux) / Examinatrice François CHABAUX (Pr Université de Strasbourg) / Examinateur José BORREGO FLORES (Pr Université de Huelva - Espagne) / Examinateur
Sommaire de la thèse
Introduction ... 5
Chapitre I - Présentation de l’étude : Contexte local, éléments traces métalliques et méthodologie ... 9
Chapitre II - Concentration en ETMs dans les sédiments de surface du Golfe du Morbihan et de la Baie de Quiberon ... ...45
Chapitre III - Spéciation solide et réactivité des éléments traces métalliques ... 111
Chapitre IV - Sources de pollution et variations dans le temps... 151
Conclusion et Perspectives ... 191
Références bibliographiques ... 195
Remerciements
Cette thèse a été faite un peu partout, avec l’aide de beaucoup de gens. La liste est longue. Tout d’abord, je tiens à remercier David Menier pour m’avoir acceptée comme doctorante au sein du laboratoire GMGL et m’avoir donnée la responsabilité de mener ce travail.
J’adresse de chaleureux remerciements à Evelyne Goubert, qui a assumée la tâche parfois difficile de diriger la thèse en géochimie d’une thésarde vénézuélienne aux idées un peu désorganisées. Merci de ton soutien, merci de m’avoir fait confiance, de m’encourager, merci pour ta patience, merci pour toutes ces journées de réflexion et discussion, merci de ton écoute. Enfin, merci de ton professionnalisme toute en gardant ton humanisme. Un placer haber trabajado contigo.
Je voudrais remercier les rapporteurs de cette thèse pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. J’adresse un grand merci à M. Laurent Labeyrie pour avoir dédier une partie de son temps à s’impliquer dans ce sujet de thèse. Merci d’avoir partagé toutes ces connaissances avec moi.
Je remercie tous les membres de l’équipe Transferts Géochimiques des Métaux à l'interface
continent océan de l’Université de Bordeaux de m’avoir accueillie dans leur équipe pendant la
réalisation des analyses : Gerard Blanc, Jörg Schäfer, Cecile Bossy, Lionel Dutruch, Laurline Gorce Gerard, Blanc et Alexandra Coynel. Merci aux filles (doctorantes) de m’avoir aussi bien accueillie et montrée le fonctionnement du laboratoire : Mathilde Mikolaczyk, Frédérique Pougnet, Melina Abdou, Nicole Deycar, Anatastasia Ivanovky, très spécialement à Kahina Kessaci et Alexandra Coynel pour m’avoir accueillie dans l’équipe. Chaque discussion avec toi a été déterminante dans le développement de ce travail et aussi importante pour mon apprentissage professionnel.
.
Je tiens aussi à remercier l’équipe de spectrométrie du LDO pour m’avoir permise de faire des analyses avec eux. Je remercie Céline Liorzou, responsable de l’équipe UlTIMA2.
Je remercie M. Tribovillard et Mme Bout de l’Université de Lille, avec qui nous avons fait les analyses de DRX.
Je voudrais remercier Eric Arminot du Chatêlet de m’avoir accueillie au SN5 à Lille, de m’avoir conseillée sur le fonctionnement du langage R et d’avoir dédié du temps à discuter sur la statistique des données de cette étude.
Pendant plus de trois ans, plusieurs familles m’ont accueillie. A Bordeaux, la famille Goubert m’a logée pendant différentes longues périodes. Merci Françoise et Ben, je n’aurais pas pu être mieux. Merci pour ces conversations pendant lesquelles on refait le monde plusieurs fois. A Brest, merci à la famille Morio pour son aimable hospitalité.
Un grand merci à M. Lionel Alano, chargé du bateau sur lequel les quatre campagnes d’échantillonnage ont été réalisées, pour son professionnalisme, sa patience et son sourire. Ce fût un plaisir d’avoir travaillé avec lui.
Sans les membres du laboratoire GMGL, ces résultats n’auraient pas été possible. J’ai eu la chance de travailler avec des personnes tellement cool. Merci Nathalie pour ton travail difficile et ta gentillesse ; Romain, tu es unique, pro et sans tes dépannages et tes rigolades je ne serais pas là ; Olivier, mon partner, que de souvenirs pendant ces deux ans de co-working, merci de ton soutien moral et professionnel. J’étends ce remerciement à tous ceux qui sont passé par le laboratoire pendant ces trois ans : Cécile, Mouncef, Effi, Lucile, Sylvain, Alex, Aurélie, Jimmy, Sandrine, Sandra.
Mon soutien moral a été particulièrement pris en charge par : Delphine Barbier-Pain, merci de m’avoir encouragée et m’avoir faite rire ; Fabien Coleau, ça m’a fait du bien de parler d’autre chose que du travail et me nourrir l’esprit avec toi ; et Valérie Le Cadre, pièce importante dans le déroulement de ce travail, personne m(ou)ltitâche que j’ai eu la chance d’avoir comme coach personnelle, éditrice, chauffeur, psychologue, mère, copine, ingénieur de terrain, etc. Les mots me manquent pour te remercier, j’arrive là en partie grâce à ton aide.
Merci aussi aux doctorants en informatiques, avec lesquels j’ai pu me défouler quand ça n’allait pas. Merci Pamela et Armel. Merci aussi à mes amies Lillois (ma famille lilloise) grâce auxquels, au moins une fois par mois, j’ai reçu une bonne dose de soutien et de charge positive : Brenda, German, Melesio, Pauline, Roberto, Cesar, Morgane, José, Fanny.
Gracias también a mis amigos en Venezuela, porque a pesar de la distancia y de no entender esta locura que se llama tesis, siempre me escucharon : Greivis, Tere, Angie, Indra, Edwin. Gracias a mi familia porque a pesar de no entender de que se trata esto siempre siempre estan para apoyarme.
Finalement, merci à Flo. Merci d’avoir accepté de vivre cette expérience avec moi (à distance). Merci pour ta patience, ton soutien, ton encouragement, ta compréhension et surtout ton amour, lesquels m’ont permis d’arriver à la fin.
Comportement des éléments traces métalliques (ETMs) dans les sédiments de
surface du Golfe du Morbihan et de la Baie de Quiberon (France) :
distribution spatiale, spéciation, biodisponibilité et
relations avec les sédiments des ports et des rivières
Introduction
Les sédiments côtiers constituent un compartiment privilégié pour le stockage ou relargage des composants inorganiques et organiques en fonction des différents facteurs physico-chimiques et biologiques des écosystèmes étudiés (Christophoridis et Fytianos, 2006). Parmi les composants inorganiques, les éléments traces métalliques (ETMs) contenus dans les sédiments peuvent être accumulées ou solubilisés et diffusés vers la colonne d’eau (Lesven et al., 2008). Ces éléments peuvent être nécessaires pour le développement des organismes vivants mais ils sont souvent néfastes à très fortes concentrations et peuvent entraîner des effets toxiques sur les organismes vivants au sein des écosystèmes marins (Christophoridis et al., 2009). Les systèmes côtiers (estuaires, baies…) et les ports sont des sites où les sédiments, d’origines diverses (fluviale, marine ou production locale), peuvent présenter des dynamiques spatio-temporelles variables (Chapman et Wang, 2001) et des contaminations par des apports urbains, agricoles ou industriels.
La bonne qualité des environnements côtiers (eau, coquillages, sédiments…) est un enjeu socio-économique important dans le cadre des réglementations environnementales européennes et françaises. Une attention particulière se porte sur le suivi d’indicateurs physico-chimiques et biologiques de la bonne qualité des environnements côtiers. Parmi ces indicateurs, les teneurs en éléments traces métalliques (ETMs) peuvent faire l’objet de suivis afin d’évaluer les dégrés de contamination des sédiments. Dans ce contexte, les acteurs morbihannais (CG56, SAUR, Ifremer. . . ) ont engagé des études sur différents aspects de la qualité des écosystèmes littoraux, dont les caractéristiques géochimiques des sédiments (teneurs en métaux lourds).
Sur la façade Atlantique de l’Europe de l’Ouest, à l’exception de la Gironde et du Nord de la Galice, très peu d’études ont été réalisées sur la géochimie des sédiments. Récemment, les ETMs dans les sédiments de la Baie de Quiberon et du Golfe de Morbihan ont fait l’objet d’une cartographie portant sur la répartition de leurs concentrations totales ainsi que leur traduction en indices de pollution (Ong, 2012 ; Ong et al., 2012 ; Ong et al., 2013). Ces études ont montré, par exemple que dans le cas du plomb dont le cycle naturel est modifié par les activités humaines (Nriagu, 1984 ; Nriagu et Pacyna, 1988 ; Fernandez et al., 2008), ces indices mettent en évidence des concentrations supérieures à la moyenne et des gradients qui traduisent des apports potentiels en ce métal.
Ce nouveau projet de recherche complète le schéma de la distribution spatiale des éléments traces métalliques (ETMs) des travaux précédents en mettant l’accent sur l’origine, la dynamique et la réactivité des ETMs dans les sédiments de la Baie de Quiberon et du Golfe du Morbihan tout en incluant les apports des rivières et des ports et en comparant les résultats à un fond géochimique local. Les quatre principaux objectifs sont :
1. Connaître le comportement spatial des éléments traces métalliques (ETMs), en fonction de la concentration du fond géochimique local et identifier les mécanismes qui contrôlent leur comportement dans les sédiments de surface de la Baie de Quiberon et du Golfe du Morbihan. 2. Déterminer la spéciation solide des éléments traces métalliques et évaluer leur potentielle
biodisponibilité.
3. Évaluer les sources ponctuelles des éléments traces métalliques (rivières et ports) comme risques de pollutions éventuelles.
4. Estimer le comportement saisonnier des éléments traces métalliques dans les sédiments de surface des ports donnant sur la Baie de Quiberon et le Golfe du Morbihan.
Le manuscrit est divisé en 4 chapitres.
Le chapitre I regroupe une revue bibliographique visant à présenter le site d’étude, en incluant la géologie, l’hydrodynamisme et le climat. L’état des connaissances et les concepts de base sur les éléments traces métalliques et leurs interactions avec le compartiment sédimentaire sont également décrits. Ce premier chapitre présente également la stratégie méthodologique mise en œuvre.
Le chapitre II présente une caractérisation géochimique des ETMs dans les sédiments de surface du Golfe du Morbihan et la Baie de Quiberon. Il comprend des représentations spatiales des concentrations totales des ETMs, ainsi que des analyses statistiques qui permettent d’interpréter leurs variations. Ce chapitre vise à répondre à une série de questions telles que :
Quelle est la concentration des ETMs dans le secteur ? Comment sont-ils distribués dans l’espace ?
Quels sont les principaux facteurs qui contrôlent leurs concentrations ?
Le chapitre III porte sur la compréhension du fonctionnement des ETMs dans les sédiments du site d’étude. Il montre la spéciation d’un certain nombre des ETMs ainsi que leur biodisponibilité potentielle. Il répond aux questions liées au deuxième objectif.
Sous quelle(s) forme(s) chimique(s) se trouvent les ETMs ? Sont-ils mobiles ?
Sont-ils biodisponibles ? Sont-ils toxiques ?
Le chapitre IV présente l’ensemble des données collectées dans les sédiments des rivières du bassin versant, ainsi que ceux des ports (incluant deux ports de l’estuaire de la Vilaine). Ce chapitre concerne le troisième objectif, où il s’agit d’établir un lien entre les résultats discutés dans des chapitres précédents et les sources potentielles de pollution.
Les questions relatives à ce chapitre sont :
Les sédiments des ports autour du Golfe du Morbihan et la Baie de Quiberon sont-ils pollués ? Dépassent-ils les indices de pollution (Igeo, EF) ?
Quelle est la spéciation des ETMs dans les sédiments des ports et des rivières ? Sont-ils des sources ponctuelles d’ETMs ?
Ce chapitre IV expose aussi les concentrations totales des ETMs obtenues au cours de quatre saisons dans les sédiments de surface des ports du secteur. Il correspond au quatrième objectif qui porte sur la thématique de la saisonnalité. Les questions posées dans ce chapitre sont :
Tous ces possibles changements subis par le sédiment affectent-ils directement les concentrations des ETMs ?
Comment le facteur météorologique peut-il être impliqué dans le fonctionnement géochimique des ETMs sur l’interface eau-sédiment.
Chapitre I -
Présentation de l’étude :
contexte local, éléments traces métalliques et méthodologie
Table des matières
I. La Baie de Quiberon et le Golfe du Morbihan... 11
I.1. Contexte géographique ... 11
I.2. Géologie du substratum et bassins versants ... 13
I.3. Les caractéristiques hydrométéorologiques ... 15
I.4. Bathymétrie et hydrodynamisme ... 16
I.4.a. Bathymétrie et hydrodynamisme de la Baie de Quiberon et de la Baie de Vilaine .. 16
I.4.b. Bathymétrie et hydrodynamisme du Golfe du Morbihan ... 18
I.5. La couverture sédimentaire ... 19
I.5.a. La couverture sédimentaire de la Baie de Quiberon et de la Baie de Vilaine ... 19
I.5.b. La couverture sédimentaire du Golfe du Morbihan ... 20
I.5.c. La dynamique des derniers 30 centimètres de sédiments ... 21
I.6. Activités humaines ... 21
I.7. Connaissances sur les ETMs des sédiments dans le Morbihan ... 24
II. Interaction entre les ETMs et les sédiments ... 26
II.1. Définition d’Eléments Traces Métalliques (ETMs) ... 26
II.2. Mobilité, spéciation et réactivité des ETMs dans les sédiments ... 27
II.3. Principales caractéristiques des ETMs étudiés ... 31
II.3.a. Plomb (Pb)... 31
II.3.b. Zinc (Zn) ... 31
II.3.c. Cadmium (Cd) ... 32
II.3.d. Chrome (Cr) ... 32
II.3.e. Cuivre (Cu) ... 33
II.3.f. Nickel (Ni)... 33
II.3.g. Molybdène (Mo) ... 34
II.3.h. Uranium (U) ... 34
II.3.i. Bilan ... 35
III. Approche méthodologique ... 35
III.1. Stratégie d’échantillonnage ... 35
III.2. Choix des types d’analyses ... 38
III.2.a. Attaque totale ... 39
III.2.b. Attaques sélectives... 40
III.2.c. Traitement statistique ... 42
Chapitre I – Présentation de l’étude :
contexte local, éléments traces métalliques et méthodologie
I. La Baie de Quiberon et le Golfe du Morbihan
I.1. Contexte géographique
La Baie de Quiberon et la Baie de Vilaine constituent un ensemble d’une superficie totale d’environ 909 km² qui se situe au Sud Est du Massif Armoricain dans la partie septentrionale du plateau continental armoricain, entre la presqu’île de Quiberon à l’Ouest et la pointe du Croisic à l’Est (Figure I-1). Cet ensemble physiographique, correspondant au Mor Braz, ou « précontinent breton » de Pinot (1974) ou « régions intérieures » Vanney (1977), se situe entre la côte et l’isobathe –50 m. Ces régions intérieures, d’une largeur de 5 à 14 km, comprennent deux parties (Figure I-1) :
- Une partie proximale dont la profondeur n’excède pas 25 m, constituée de baies (Quiberon et Vilaine) ;
- Une partie distale, parsemée d’une presqu’île (Quiberon) et d’îles (Houat, Hoëdic) ainsi que de hauts fonds (plateaux de l’Artimon, du Four, de la Recherche). Ces îles et hauts fonds suivent un alignement N120°, parallèle à l’accident régional majeur, le Cisaillement Sud Armoricain, ou plus rarement N30°-60°, et sont séparés les uns des autres par des vallées fossiles (passage de la Teignouse) incomplètement comblées (Pinot, 1974 ; Vanney, 1977 ; Menier, 2004 ; Menier et al., 2006 ; Menier et
al., 2010 ; Menier et al., 2014).
Au nord des Baies de Quiberon et de Vilaine se situe le Golfe du Morbihan. Il s’agit d’une dépression topographique escarpée formant un plan d’eau de 11 500 ha pour un trait de côte de 250 km, ouvert sur la mer (Baie de Quiberon) par le goulet de Port-Navalo, large de 900 m. Le Golfe du Morbihan est caractérisé par un très grand nombre d’îles, 37 selon l’I. G. N., dont les deux principales sont l’île aux Moines et l’île d’Arz (Figure I-2). Ces deux îles subdivisent le Golfe du Morbihan en trois sous-bassins séparés par des seuils topographiques interprétés comme le fonctionnement d’anciennes failles hercyniennes ayant rejoué au Quaternaire (Perez-Belmonte, 2008 ; Menier et al., 2011).
I.2. Géologie du substratum et bassins versants
Les formations géologiques des Baies de Quiberon/Vilaine et du Golfe du Morbihan sont caractérisées par des roches magmatiques et métamorphiques d’âge hercynien (Figure I-3) (Le Corre et
al., 1991 ; Menier et al., 2014). Ces formations sont affectées par trois directions de failles N30° ; N120° et N160°, respectivement héritées des orogenèses cadomienne, hercynienne et de l’ouverture du Golfe du Gascogne (Menier et al., 2014).
La représentation cartographique de la Figure I-4 montre les natures des formations géologiques du substratum de chaque bassin versant. La majorité des bassins versants est présente sur un socle d’âge paléozoïque où les formations géologiques sont des roches magmatiques (granite, leucogranite…) et métamorphiques (micaschistes, gneiss, amphibolites…). Seuls les bassins versants d’Etel, de Crac’h et de Sarzeau et de Penerf présentent des formations sédimentaires du Quaternaire.
Figure I-3. Carte des principales formations géologiques du substratum d’Etel à l’estuaire de la Vilaine (modifiée de Thinon, 2009).
Les sources potentielles continentales d’apports terrigènes dans les sites étudiés sont les rivières du Golfe du Morbihan, la Vilaine et le ruissellement côtier. Au Nord du Golfe du Morbihan, les cinq bassins versants couvrent une superficie d’environ 800 km² (Tableau I-1). Il s’agit des bassins versants du Loc’h, du Sal (Auray), du Vincin, du Liziec (Noyalo) et de la Marle (Vannes). Les débits annuels sont relativement faibles, ainsi que la charge solide transportée (Perez-Belmonte, 2008).
Concernant les apports dans les baies de Quiberon et de Vilaine, seules les données pour la Vilaine sont disponibles (Tableau I-1). Les données pour les bassins versants côtiers donnant dans ces baies ne sont pas acquises ou disponibles.
Tableau I-1. Surface et débits liquides et solides annuels des rivières du bassin versant du Golfe du Morbihan (d’après Perez-Belmonte, 2008) et de la Vilaine (Jouaneau et al., 1999).
Sous-bassins versants Surface drainée (km2)
Débit liquide annuel (103 m3/an)
Débit solide annuel (t/an) Loc’h 230 95 358 1 006 Sal 94 34 114 331 Vincin 39 10 611 - Marle 30 10 297 190 Rivière de Noyalo 95 33 008 409
Ruissellement côtier (pour
le Golfe du Morbihan) 312 - -
La Vilaine 10 700 6 300 000 100 000
I.3. Les caractéristiques hydrométéorologiques La marée
La marée est semi-diurne, avec un marnage moyen de 4,5 m dans les ports de la Baie de Quiberon, de seulement 2,80 m au niveau du port de Vannes et de 5 m dans l’estuaire de la Vilaine (Tableau I-2, Figure I-1 pour la localisation des ports).
Tableau I-2. Niveaux de marée et marnage dans les ports échantillonnés (source SHOM).
Marnage max (m)
Vive eau (Coef. 95) (m) Morte eau (Coef. 45) (m) Marnage min (m) PM BM Marnage PM BM Marnage Port Haliguen (Baie de Quiberon) 5,80 5,08 0,49 4,59 4,12 1,86 2,26 1,30 La Trinité-sur-Mer (Baie de Quiberon) 5,90 5,28 0,60 4,68 4,28 2,00 2,28 1,30 Le Crouesty (Baie de Quiberon) 5,50 4,88 0,48 4,40 3,99 1,78 2,21 1,30 Vannes (Golfe du Morbihan) 3,20 3,03 0,17 2,86 2,51 0,78 1,73 0,95 Tréhiguier (Estuaire Vilaine) 7,55 5,40 0,40 5,00 4,40 2,00 2,40 1,90
Le régime des vents
La rose des vents de Belle-Île (Figure I-5) indique la fréquence en ‰ (longueur des barres) et la vitesse (largeur des barres) des vents par secteurs de 20°, indiquant l’orientation. Les vents dominants sont d’Ouest à Sud-Ouest (secteur 260). Les vents de Nord-Ouest et Nord-Est sont également forts mais moins fréquents. Ces vents ont une influence directe sur le système estuaire-baie-large car ils génèrent un clapot résiduel et un courant de dérive en surface qui eux-mêmes peuvent induire une remise en suspension des dépôts fins superficiels, et donc un transfert des matières en suspension de la côte vers le large et inversement (Dubrulle et al., 2007 ; Bourillet et al., 2006).
En Bretagne Sud, les coups de vents les plus forts sont associés au passage de perturbations atmosphériques générant des vents de secteur Sud-Ouest à Nord-Ouest de plus de 8 m/s. Les vents sont majoritairement orientés Ouest/Sud-Ouest en hiver, et tournent à l’Ouest / Nord-Ouest du printemps à l’automne (Tessier, 2006).
Yoni et al. (2001) précisent que les vitesses de vent étant mesurées à 37 m d'altitude, elles doivent être affectées d'un coefficient multiplicateur de l'ordre de 0,83 pour être ramenées à l'altitude de référence de 10 m. Cette hauteur est classiquement utilisée pour déterminer la contrainte sur la surface de la mer.
Figure I-5. Répartition sectorielle de la vitesse du vent en fréquence pour mille (Traini, 2009).
I.4. Bathymétrie et hydrodynamisme
I.4.a. Bathymétrie et hydrodynamisme de la Baie de Quiberon et de la Baie de Vilaine Les données bathymétriques présentées Figure I-1 sont extraites des données du SHOM (2015). En Baie de Quiberon, la profondeur moyenne est de l’ordre de -15 m cotes marines (CM, avec 0 m CM = -2,625 m NGF) sauf aux abords de la chaussée de la Teignouse (Vanney, 1977). En effet, le
passage de la Teignouse, localisé entre la pointe de la presqu’île de Quiberon et le Nord-Ouest d’Houat peut atteindre des profondeurs de -40 m CM.
La baie de Quiberon présente des fonds qui s’abaissent progressivement du Nord-Ouest vers le Sud-Est (Figure I-1). La principale caractéristique de la bathymétrie de la Baie de Quiberon est la présence d’un dénivelé morphobathymétrique entre la zone proche de la côte de -3 à -5 m CM et une zone plus profonde au Sud-Est entre -8 et -15 m CM. Les isobathes -20, -30, et -40 m CM sont concentrés au passage de la Teignouse. En baie de Vilaine, la profondeur moyenne est d’environ -7 m CM avec des profondeurs de -10 m CM à 10 km de l’embouchure de la Vilaine et de -20 m CM à plus de 20 km (Figure I-1).
Les conditions hydrodynamiques de la zone d’étude sont caractérisées par son étroite dépendance vis-à-vis du contexte géomorphologique qui contrôle la dynamique tidale, la propagation de la houle et l’action locale du vent.
Les courants généraux au large de la Bretagne Sud vont de façon stable vers le NW en hiver, et vers le SE en été mais avec une moindre stabilité. Les courants de marée sont modérés, de l’ordre de 0,25 à 0,4 m/s au maximum en période de vive eau moyenne, et fortement giratoires. Plus près des côtes, le courant montre des vitesses bien plus fortes dans les passages entre la presqu’île de Quiberon et les îles avoisinantes (Belle-Île, Houat et Hoëdic). Ces courants sont amplifiés par la présence de fonds peu profonds (Pinot, 1974 ; Vanney, 1977). Le courant atteint ainsi en vive eau moyenne, au niveau du passage de la Teignouse, 0,9 m/s en flot et 1 m/s en jusant (SHOM).
Dans la Vilaine, les vitesses atteignent 1,5 m/s en vive eau, en flot comme en jusant (SHOM). Les données statistiques de houles sont déduites de mesures réalisées et fournies par le CETMEF1 (actuellement CEREMA2) sur la période 1985-1990 au Sud de Belle-Île. Les houles les plus fortes sont associées en général aux coups de vents de secteur Ouest. Au sud de Belle-Île, elles sont de l’ordre de 4 à 6 m, avec une période moyenne de 6 à 8 s et elles viennent essentiellement de l’Ouest/Nord-Ouest. Dans 90% des cas, la hauteur significative (Hs)3 des houles est inférieure à 3,5 m pour des hauteurs maximales de l’ordre de 5,7 m (Tessier, 2006). En baie de Quiberon et en baie de Vilaine, la morpho-bathymétrie induit un phénomène de réfraction, orientant les houles dans la direction du gradient bathymétrique. L’énergie des houles s’amortit donc, du large vers la côte, mais demeure active au niveau des caps. En baie de Quiberon et en baie de Vilaine, les houles présentent une forte variabilité de périodes et de hauteurs par rapport à celles du large. Les hauteurs significatives moyennes sont comprises entre 1 et 2 m pour des périodes moyennes de 2 à 5 secondes (Tessier, 2006).
1 CETMEF : Centre d'études techniques maritimes et fluviales
2 CEREMA : Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement 3 Hauteur significative : moyenne des hauteurs (mesurées entre crête et creux) du tiers des plus fortes vagues
I.4.b. Bathymétrie et hydrodynamisme du Golfe du Morbihan
Le Golfe du Morbihan est subdivisé en une succession de trois sous bassins, séparés par l’île aux Moines à l’Ouest et l’île d’Arz à l’Est (Figure I-2). Ces différents sous bassins présentent des profondeurs décroissantes d’Ouest (30 m CM à l’entrée du Golfe) en Est (0 m CM) et sont parcourus par des réseaux complexes de chenaux tidaux orientés selon deux directions armoricaines préférentielles N160° et N40°. Le passage de la mer vers l’intérieur du Golfe, puis le passage d’un sous bassin à l’autre s’effectue par des rétrécissements et des seuils topographiques entre les pointes des îles et la côte. Ainsi, l’entrée du Golfe est parcouru par des forts courants de marée (2,2 m/s), ainsi que chaque passage d’un sous bassin à l’autre (Marcos et al., 1995 ; Figure I-6). L’amortissement de l’onde de marée se traduit par la diminution des courants d’un sous bassin à l’autre, d’Ouest en Est, et du marnage depuis l’entrée du Golfe (Port Navalo) jusqu’à Vannes (Tableau I-2). Les trois sous bassins peuvent être caractérisés de la manière suivante : un sous bassin à l’Ouest avec les plus fortes profondeurs et les plus forts courants tidaux ; le bassin intermédiaire entre l’île aux Moines et l’île d’Arz où la profondeur des chenaux peut atteindre 10 mètres pour une largeur de 50 mètres ; un bassin oriental, à l’Est de l’île d’Arz, à l’abri des courants, dont la profondeur d’incision n’excède pas 1 à 2 mètres de profondeur.
I.5. La couverture sédimentaire
La couverture sédimentaire sur l’ensemble du substratum paléozoïque présent sur le secteur d’étude correspond à un remplissage post-glaciaire de paléovallées, de paléochenaux et de vastes dépressions (Menier, 2004 ; Menier et al., 2006 ; Perez-Belmonte, 2008 ; Sorrel et al., 2010 ; Menier et al., 2011 ; Traini et al., 2013 ; Baltzer et al., 2014 ; Menier et al., 2014).
La nature du comblement, selon les secteurs va des graviers à des vases avec des géométries typiques de comblement (Dalrymple et al., 1992 ; Berné, 1999 ; Dalrymple and Choi, 2006).
I.5.a. La couverture sédimentaire de la Baie de Quiberon et de la Baie de Vilaine
La cartographie des dépôts sédimentaires superficiels reconnus en baie de Quiberon, baie de Vilaine et Golfe du Morbihan (Figure I-7) est la synthèse par le SHOM des travaux de Chassé et Glémarec (1976), de Lesueur et Klingebiel (1986) et de l’ensemble des travaux menés sur ces secteurs (Ifremer, SHOM, universités…).
La sédimentation en baies de Quiberon et de Vilaine est essentiellement sablo-vaseuse. L’analyse de la carte des dépôts (Figure I-7) fait apparaître des zones où les caractéristiques bathymétriques et courantologiques s’expriment par des faciès sédimentaires différents.
Entre Quiberon et Houat, les courants du passage de la Teignouse sont tels que le substratum rocheux affleure et localement il est surmonté par quelques placages graveleux. Dans le prolongement de cette zone, en direction de l’entrée du Golfe du Morbihan, les courants restant élevés, les fonds sédimentaires sont caractérisés par de grandes ondulations constituées de sable et de sables fins.
La partie Nord-Ouest de la Baie de Quiberon présente une couverture sédimentaire vaseuse dans la partie centrale et sablo-graveleuse pour la partie proche de la côte. La limite entre les deux correspond au dénivelé bathymétrique de - 6 m CM précédemment décrit. La présence d’une forte activité ostréicole dans cette zone ajoute une fraction carbonatée biogénique importante aussi bien dans les sédiments grossiers que dans les sédiments fins.
Au nord de ce secteur, les zones proches de la côte, de la Trinité à l’Ouest vers la Baie de Vilaine à l’Est, sont caractérisées par des platiers rocheux surmontés de placage graveleux et par des dépôts sableux au niveau des plages.
Le Sud du platier de la presqu’île de Rhuys, les vasières subtidales se développent au niveau des secteurs plus profonds à courants plus faibles ; c’est le début de la Baie de Vilaine.
Les analyses géochimiques des cortèges argileux et non argileux des dépôts superficiels de la Baie de Vilaine (Lafond, 1961 ; Bouysse et al., 1966 ; Gouleau, 1975) et les analyses des matières en suspension de l’amont de la Vilaine (Crave, 2009) montrent qu’actuellement la source sédimentaire principale est d’origine marine. Il peut s’agir de remise en suspension à l’intérieur du système Baie de Quiberon, Baie et estuaire de la Vilaine, ou des remises en suspension des sédiments meubles du plateau continental ou bien d’apports par la Loire (Barbaroux et Gallene, 1973 ; Tessier, 2006).
Figure I-7. Couverture sédimentaires de la Baie de Quiberon, du Golfe du Morbihan et de la Baie de Vilaine (Source : SHOM, Nature des fonds au 50 000).
I.5.b. La couverture sédimentaire du Golfe du Morbihan
La sectorisation du Golfe du Morbihan en trois sous bassins en fonction de la morphobathymétrie et la courantologie se traduit par des gradients sédimentaires d’Ouest et Est. La nature des sédiments de surface et la géométrie du comblement du Golfe du Morbihan et les formes des corps sédimentaires actuels ont été étudiées et interprétées par Marcaillou et al. (1996), Perez-Belmonte (2008), Menier et Dubois (2011) et Menier et al. (2011).
Au niveau du bassin de l’Ouest, à l’entrée du Golfe, les chenaux sont à fonds rocheux sont vides de tous sédiments, à l’exception de placages épars de graviers dans le fond ou d’installation de plusieurs générations de barres sableuses tidales. Les dunes les plus récentes présentent des crêtes vives entretenues par les très forts courants tidaux (Figure I-6).
Dans le bassin intermédiaire entre l’île aux Moines et l’île d’Arz, les chenaux parcourus par des courants tidaux plus modérés, sont caractérisés par une sédimentation mixte sableuse et silteuse qui évolue latéralement vers platiers vaseux. La géométrie interne du remplissage des chenaux présente un empilement de systèmes de corps longitudinaux orientés parallèlement aux plus forts courants, correspondant à un système de chenaux/levées, passant latéralement à des barres d’accrétion.
Enfin, la zone orientale est caractérisée par une sédimentation vaseuse à fortes teneurs en matières organiques y compris dans le fond des chenaux tidaux (Perez-Belmonte, 2008). L’hydrodynamisme décroissant fortement, la géométrie interne des dépôts montre une succession par accrétion verticale.
L’évolution du remplissage dépend principalement du dernier cycle glaciaire (Perez-Belmonte, 2008) et l’enregistrement des principaux cortèges de dépôts post-glaciaires et récents, a été remodelé dans un système dominé tidal à faible stock sédimentaire disponible. La répartition des sédiments dépend de l’hydrodynamisme influencé par le contexte géomorphologique accidenté (Menier et al., 2011).
Actuellement, les sources sédimentaires sont les matières en suspension entrant dans le Golfe à marée montante et une redistribution interne au Golfe par les courants tidaux et l’action du vent.
I.5.c. La dynamique des derniers 30 centimètres de sédiments
Quel que soit le site, la Baie de Quiberon, la Baie de Vilaine ou le Golfe du Morbihan, les derniers 30 centimètres de sédiments sont soumis aux courants de marée, à l’action de la mer de vent (pour le Golfe), de la houle, des tempêtes ou des débits (pour l’estuaire de la Vilaine). Différentes études ont montré que lors de tels événements les 2 à 30 derniers centimètres de sédiments pouvaient être érodés, puis les fractions remises en suspension se redéposer en couche de vase fluide de quelques millimètres à 30 centimètres d’épaisseur (Goubert, 1997 ; Tessier, 2006 ; Perez-Belmonte, 2008).
I.6. Activités humaines
La Bretagne est la première région agricole de France et fournit 12% de la production agricole nationale. Les activités agricoles morbihannaises sont principalement l’aviculture, la production porcine et la production de lait, notamment sur les terres proches du littoral (ODEM, 2010-2015). Différents éléments contenus dans les effluents d’élevage, les engrais minéraux et organiques, et les produits phytosanitaires sont susceptibles de migrer dans l’eau et de perturber les équilibres chimiques et biologiques des écosystèmes aquatiques. Depuis 30 ans, les sols agricoles morbihannais sont de moins en moins riches en matières organiques en raison de différentes modifications des pratiques agricoles. Cette baisse des teneurs en matières organiques modifie leurs capacités à stocker les nutriments et surtout d’absorber et de dégrader les polluants, dont les ETMs. Ainsi, en Bretagne, il existe une accumulation de Cu et Zn dans les sols en raison des apports en engrais, des épandages des lisiers porcins ou des boues de stations d’épuration.
Dans le Morbihan, les infrastructures portuaires maritimes comptent deux ports de commerce (Lorient et Vannes), des ports de pêche et 23 ports de plaisance côtiers, avec des transports de passagers. Tous ces ports peuvent constituer une source ponctuelle de pollution par le rejet dans le système côtier d’hydrocarbures et d’ETMs provenant des peintures antifouling, des structures métalliques (coques et pontons) et des anodes sacrificielles.
La pêche et la conchyliculture sont des activités économiques importantes en France (troisième producteur européen), la Bretagne est la première région française pour la pêche avec des captures équivalentes à plus de 40% de la production nationale. Le principal port de pêche du secteur étudié est Port-Maria à Quiberon (2ème criée du Morbihan après Lorient), les autres ports Le Bono et Séné sont des petits ports spécialisés dans la pêche côtière artisanale (ODEM, 2010-2015).
La pêche de loisir marine est très développée dans le Morbihan, sans pouvoir réellement l’estimer puisqu’elle ne nécessite pas de permis particulier. Parmi les pratiques, la pêche à pied est très importante sur l’ensemble du littoral morbihannais.
Concernant la conchyliculture, le Morbihan est le premier département conchylicole de Bretagne et le deuxième département ostréicole français après la Charente-Maritime. Dans le secteur étudié, quatre zones conchylicoles sont présentes :
la Baie de Quiberon avec des huîtres creuses et plates à plat en eau profonde,
l’estuaire de la Rivière de Crac’h (huîtres creuses en poches sur les estrans) en aval du port de la Trinité,
l’intégralité du Golfe du Morbihan (huîtres creuses à plat ou en poches sur les estrans et à plat en eau profonde, coques adultes et palourdes),
l’estuaire de la Vilaine en aval de Tréhiguier (moules de bouchots, coques et palourdes). Le maintien de ces activités nécessite une bonne qualité environnementale, notamment en termes de teneurs en ETMs.
En ce qui concerne l’industrie, la Bretagne se situe au cinquième rang des régions françaises. Au niveau régional et départemental. En nombre d’emplois, l’industrie agroalimentaire représente 43% des emplois industriels dans le Morbihan. Les autres activités industrielles sont par ordre décroissant d’importance : la mécanique, la transformation des matières plastiques, la métallurgie et la transformation des métaux, la construction d’équipements mécaniques et construction navale.
Le secteur industriel exerce différents types de pressions directes et indirectes sur l’environnement (Cugny-Seguin, 2006). Les pressions directes sont exercées sur les sites de production : consommation de ressources, rejets de substances polluantes et risques technologiques. Les pressions indirectes peuvent être en amont de l’activité (extraction des matières premières, culture et élevage pour les produits agroalimentaires, transport de marchandises…) et en aval de l’étape de production (utilisation des produits par les consommateurs, gestion des déchets…). Dans le Morbihan, les ICPE (Installation Classées pour le Protection de l’Environnement) rejettent dans l’eau des éléments traces métalliques variés, dont du zinc qui représentait 94% des rejets en 2010 (ODEM, 2010-2015), du nickel (4,6 %), du plomb (1,2%), du mercure (0,1%) et du cadmium (0,1 %). Les deux principaux polluants atmosphériques d’origine industrielle sont les dioxines et furanes et les éléments traces métalliques (As, Cd, Hg et Pb) (CITEPA, 2014) (Figure I-8).
Les autres activités économiques susceptibles de participer à la pollution aux ETMs sont les activités minières et les carrières. Dans le Morbihan, il existe 66 carrières autorisées qui occupent 0,2% du territoire. Ces carrières peuvent apporter des polluants dans les eaux, provoquer des concentrations élevées en matières en suspension (MES), en éléments traces métalliques (ETM) et en hydrocarbures ainsi qu’en sulfures. Concernant les mines, il n’y a pas d’exploitation minière actuellement en activité dans le Morbihan. Mais, les 27 anciennes exploitations sont malgré tout encore actuellement sources de pollution, d’autant plus que certaines sont très proches du littoral. Les principaux éléments métalliques identifiés au niveau des exploitations minières sont : U, Au, Pb, Zn, Cu, Fe, Al et Sn. Les carrières et les mines autour de Vannes et sur les îles du Golfe exploitaient du tungstène, de l’étain, du cuivre et du disthène, et du béryllium à Quiberon (Figure I-8).
I.7. Connaissances sur les ETMs des sédiments dans le Morbihan
De 2009 à 2012, au sein du laboratoire GMGL, une étude concernant la concentration totale des ETMs (Cr, Zn, Mn, Cd, Cu et Pb) dans les sédiments de surface du Golfe du Morbihan et la Baie de Quiberon a été réalisée (Ong, 2012 ; Ong et al., 2012 ; Ong et al., 2013). Deux campagnes (décembre 2009 et octobre 2010) ont été réalisées afin de prélever environ 100 échantillons et Baie de Quiberon et dans le Golfe du Morbihan à l’aide d’une benne Orange Peel. Les ETMs ont été analysés, après broyage des sédiments suivi d’une attaque triacide (HNO3, HF, HCl), par ICP-MS. Suite aux analyses, une cartographie de chaque métal a été faite, ainsi que les calculs des indices de pollution par métal (EF, Igeo) à partir de la valeur de référence de la croûte continentale trouvée dans la bibliographie.
Le Tableau I-3 et le Tableau I-4 montrent les concentrations moyennes par métal obtenues par Ong (2012). Cette étude suggère que les sédiments de la côte morbihannaise sont très peu enrichis en ETMs. Cependant, l’étude cartographique met en évidence certains gradients qui peuvent être dus à l’existence de sources potentielles de métaux, spécialement dans la rivière d’Auray et dans la partie orientale du Golfe (exemple du Pb, Figure I-9).
Tableau I-3. Teneurs moyennes en ETMs dans le Golfe du Morbihan obtenus par Ong (2012).
ETMs µg/g sauf Fe%
Dec 2009 (n = 101) Oct 2010 (n = 121)
Average Min – Max Median Average Min – Max Median
Cr 36. 2±23. 9 5. 43 – 112 30. 2 38. 4±18. 5 6. 73 – 71. 1 41. 2 Mn 278±140 16. 6 – 732 266 380±107 128 – 652 374 Fe 02. 40±1. 29 0. 05 – 5. 47 2. 52 03. 01±1. 17 0. 50 – 5. 10 3. 12 Co 14. 4±5. 31 4. 71 – 31. 4 14. 3 10. 9±3. 06 3. 75 – 18. 4 11. 1 Cu 16. 4±10. 3 1. 20 – 48. 4 14. 5 26. 5±8. 49 8. 10 – 47. 0 26. 0 Zn 38. 1±19. 1 4. 78 – 85. 4 34. 6 38. 7±15. 9 9. 18 – 90. 0 37. 4 As 04. 30±2. 22 0. 19 – 6. 16 4. 40 03. 69±1. 26 1. 27 – 6. 30 3. 68 Cd 0. 11±0. 06 0. 02 – 0. 30 0. 11 0. 10±0. 05 0. 01 – 0. 23 0. 10 Hg 00. 026±0. 013 0. 006 – 0. 053 0. 02 00. 030±0. 013 0. 011 – 0. 060 0. 03 Pb 24. 9±9. 99 2. 43 – 42. 7 25. 4 31. 6±6. 30 12. 8 – 52. 4 3. 68
Tableau I-4. Teneurs moyennes en ETMs dans la Baie de Quiberon obtenus par Ong (2012).
ETMs µg/g sauf Fe%
Dec 2009 (n = 93) Oct 2010 (n = 103)
Average Min – Max Median Average Min – Max Median
Cr 27. 6±10. 0 8. 52 – 61. 9 24. 8 21. 8±12. 3 2. 94 – 68. 9 20. 5 Mn 356±101 117 – 669 356 301±154 25. 7 – 781 283 Fe 1. 50±0. 94 0. 18 – 4. 57 1. 62 1. 48±0. 76 0. 09 – 3. 92 1. 45 Co 11. 7±4. 94 2. 12 – 19. 7 13. 1 9. 22±5. 75 1. 11 – 23. 0 8. 34 Cu 14. 1±7. 24 3. 45 – 40. 9 13. 7 14. 7±8. 52 2. 56 – 37. 7 13. 2 Zn 42. 7±18. 2 8. 96 – 87. 1 44. 4 38. 9±21. 1 4. 60 – 98. 9 37. 1 As 2. 77±1. 39 0. 16 – 5. 98 2. 64 2. 02±1. 64 0. 12 – 6. 80 1. 42 Cd 0. 08±0. 02 0. 02 – 0. 15 0. 08 0. 06±0. 04 0. 01 – 0. 19 0. 06 Hg 0. 025±0. 016 0. 001 – 0. 060 0. 02 0. 019±0. 007 0. 005 – 0. 033 0. 02 Pb 17. 9±3. 61 8. 88 – 28. 0 17. 5 12. 3±3. 96 3. 61 – 24. 1 12. 2
Figure I-9. Carte de la distribution de la concentration en plomb dans les sédiments de surface de la Baie de Quiberon et du Golfe du Morbihan obtenus par Ong (2012) pour la campagne décembre 2009 et octobre 2010.
II. Interaction entre les ETMs et les sédiments
II.1. Définition d’Eléments Traces Métalliques (ETMs)
Dans cette étude, le terme ETMs (Éléments Traces Métalliques) regroupe les éléments métalliques et métalloïdes dont les concentrations du fond géochimique ne dépassent pas ~50-100 mg/kg (Baize, 1997 ; Girard et al., 2005).
Les ETMs sont des constituants naturels des roches, des sédiments, des sols et des organismes vivants. Plus particulièrement dans les sols, les ETMs ont à la fois une origine lithogène et anthropique (Kabata-Pendias, 2011). Les aspects les plus importants des sciences relatives au comportement des éléments traces sont celles touchant à : (i) la libération de métaux de la roche-mère par les intempéries et (ii) la translocation et l’accumulation de matériaux absorbants des ETMs tels que les minéraux argileux, les oxydes et les matières organiques dont la présence est en partie contrôlée par le lessivage, la salinisation, la calcification et l’accumulation de matière organique (Nael et al., 2009).
Si certains éléments traces sont indispensables au bon déroulement de processus biologiques comme les oligoéléments (Zn, Cu, etc. ), à concentrations anormalement élevées ils peuvent s’avérer nocifs pour tel ou tel compartiment d’un écosystème (Baize, 1997)
Les éléments traces métalliques peuvent se trouver dans les six compartiments suivants :
Inclus dans les réseaux cristallins des minéraux primaires (minéraux altérés) et des minéraux secondaires.
Adsorbés sur les phases hydroxylées du fer, de l’aluminium et du manganèse.
Séquestrés dans les résidus végétaux ou animaux (ils seront libérés ensuite, au fur et à mesure de la minéralisation de ces résidus organiques).
Complexés ou inclus dans les macro-molécules organiques.
Sous une forme échangeable, cations ou anions, associés aux surfaces des minéraux argileux et aux matières organiques.
II.2. Mobilité, spéciation et réactivité des ETMs dans les sédiments
Les sédiments côtiers peuvent avoir deux types de comportement. (1) Les sédiments peuvent accumuler les ETMs dans les différents compartiments minéralogiques (argiles, oxyde de fer et manganèse, carbonate) provenant de sources terrigènes ou océaniques ou produit in situ. (2) En fonction des conditions physico-chimiques, les sédiments peuvent être remis en suspension et susceptibles de libérer les ETMs dans la colonne d’eau (plus facilement assimilables par les organismes vivants). La Figure I-10 décrit ces différents processus.
Figure I-10. Modèle d’interaction entre les ETMs et les sédiments marins (Schéma inspiré de Sageman et Lyons, 2004 ; Joubert, 2008 et Mason, 2013).
La mobilité, la spéciation et la biodisponibilité sont des aspects qui doivent être pris en compte pour décrire le comportement des ETMs dans les sédiments (Figure I-11). Les principaux processus contrôlant les formes chimiques des ETMs (spéciation) et influençant leur transport potentiel dans les sédiments sont les phénomènes d’adsorption/désorption, de précipitation/dissolution et de formation/dissociation de complexes en solution. Ces processus sont régis par des lois cinétiques et d’équilibre en fonction des conditions physico-chimiques du milieu (Joubert, 2008).
Figure I-11. Localisation et mobilité des métaux dans les sédiments (Calvet, 2003).
La mobilité est l’aptitude d’un élément à passer d’un compartiment (Figure I-11), où il est retenu avec une certaine énergie, à un autre, où il est retenu avec une moindre énergie (Baize, 1997).
La spéciation d’un élément correspond à la forme chimique (monoatomique ou moléculaire) sous laquelle se trouve cet élément (Figure I-12) dans un milieu donné (Quevaulier, 1998) en fonction le plus souvent de leurs stades d’oxydation (Bennett et al., 1984). Dans les phases solides, le terme « spéciation » peut être retrouvé dans la littérature comme la distribution ou la répartition des éléments dans les différentes phases solides (Nirel et Morel, 1990). Ainsi, dans les sédiments, les ETMs peuvent se trouver sous forme de cation hydraté, sous formes complexées à des ligands organiques ou inorganiques, ou adsorbés sur des phases solides mobiles appelés colloïdes (Citeau, 2003).
La biodisponibilité peut se définir comme l’aptitude d’un élément trace à passer dans un compartiment sédimentaire dans lequel il sera directement assimilable par un organisme vivant (Girard
et al. 2005). Les ETMs entrent ainsi dans la chaîne trophique (Alvarez et al. 2003). Ce terme se
caractérise par l’aptitude d’un élément à s’incorporer à un organisme vivant plus que le déroulement effectif du phénomène (Figure I-13) (Le Mot, 1998).
Figure I-13. Modèle de biodisponibilité des ETMS dans les sédiments (Calvet, 2003).
Tout comme la biodisponibilité, la toxicité d’un élément est difficile à définir car elle dépend de l’organisme et de son métabolisme, mais également de paramètres extérieurs. Un contaminant pris isolément n’aura pas la même toxicité que dans un mélange de polluants (encore appelé "cocktail") (Da Cunha et Ruegg, 2003). Des effets de synergie sont alors souvent observés (Kabata-Pendias, 2011).
Les fractions solubles et échangeables sont considérées comme étant directement biodisponibles, alors que les autres fractions ne peuvent libérer partiellement les ETMs qu’elles contiennent uniquement dans le cas où les conditions de pH et redox changent (Zhong et al., 2011). Par ailleurs, plusieurs facteurs contrôlent les processus de mobilité et biodisponibilité des ETM : les mécanismes géochimiques, les événements climatiques, l’activité biologique… (Kabata-Pendias, 2011). Dans ce contexte, l’étape de séparation de la phase liquide de la phase solide est essentielle. Cette étape conditionne la qualité du processus analytique. Il s’agit de ne pas perturber les équilibres chimiques établis entre les particules et l’eau interstitielle. Pour cela différentes techniques existent : les méthodes
in situ (bougie poreuse, diffusion sur gel) et les méthodes indirectes (centrifugation, pressage). Enfin
contrairement aux contaminants organiques, les ETM ne sont pas dégradables et ils peuvent s’accumuler dans les sols et les sédiments (Zhang et Pu, 2011 ; Zhang et al., 2011). En revanche, leur spéciation et donc leur mobilité peuvent être radicalement modifiées par l’action des organismes vivants et notamment par les bactéries. L’influence des bactéries sur le devenir des polluants dans le sédiment peut être directe ou indirecte et résulte des métabolismes bactériens et de leurs propriétés de biosorption, de bioaccumulation et de bioturbation.
La diagenèse précoce correspond à l’ensemble des processus qui produisent des changements dans le sédiment, suite au dépôt dans l’eau (Berner, 1980). Elle se produit dans les premiers centimètres de la colonne sédimentaire, saturée en eau, et pendant l’enfouissement sédimentaire (Raiswell et Canfield, 2012 ; Achard, 2013). L’ensemble des facteurs physiques (diffusion, advection mélange par bioturbation) chimiques (dissolution, complexation, sorption/désorption, précipitation) et biologiques (production bactérienne, dégradation de la matière organique) contrôle les processus diagénétiques près de l’interface eau-sédiment (Achard, 2013).
Une quantité importante de réactions redox se produit pendant la diagenèse précoce car les sédiments marins sont constitués d’un mélange de composants oxydés, réduits, détritiques et marins, intrinsèquement réactifs (Raiswell et Canfield, 2012). La principale réaction menée par la diagenèse précoce est l’oxydation du carbone en forme de matière organique par des composants oxydants (oxygène, nitrate, oxyde de fer et manganèse et sulfate). Les microorganismes peuvent être des accélérateurs de la minéralisation de la matière organique, comme la réaction de sulfato-réduction, laquelle peut aboutir à la formation de pyrite dans les sédiments marins.
II.3. Principales caractéristiques des ETMs étudiés II.3.a. Plomb (Pb)
La concentration moyenne en Pb dans la lithosphère est de l’ordre de 13 à 16 mg/kg (Nriagu, 1984 ; Baize, 1997 ; Kabata-Pendias, 2011 ; Callender, 2004). Kabata-Pendias (2011) signale une accumulation importante dans les roches acides et les sédiments argileux, entre 10 et 40 mg/kg. En revanche, Callender (2004) indique que les principales sources naturelles de Pb dans la croûte terrestre sont la galène, l’anglésite (PbSO4) et la cérusite (PbCO 3). Il est principalement utilisé dans les batteries et dans l’industrie métallurgique pour sa résistance à la corrosion. Dans l’environnement les principales sources sont donc issues des batteries, des combustions, des fonderies de Cu-Zn-Pb, des boues d’épuration, de l’incinération de déchets…
Le Plomb est un métal blanc, brillant, léger, ductile, malléable et un bon conducteur d’électricité. Ce sont ses propriétés, sa température de fusion ainsi que sa résistance à la corrosion qui constituent les raisons pour lesquelles il a été utilisé depuis longtemps dans l’industrie de la production métallique.La densité du Pb est 11,342 g/cm 3 et sa masse atomique 207,2. Le plomb a deux états d’oxydation, II et IV. L’état divalent est le plus stable dans l’environnement terrestre, comme sel ou comme anion libre. Ce métal se trouve dans le groupe IVa du Tableau I-périodique des éléments avec une très forte propriété calcophile. Il se trouve principalement dans un état naturel en forme de galène (PbS).
II.3.b. Zinc (Zn)
La teneur moyenne en zinc de la croûte terrestre serait comprise entre 70 et 132 mg/kg-1. Le zinc est présent le plus souvent sous forme de sulfures (ZnS, blende) dans des filons hydrothermaux et peut se trouver associé au plomb, au fer et au cuivre (association blende, pyrite, galène, chalcopyrite) (Baize, 1997). Le zinc ne devient toxique qu’à forte concentration au même titre que n’importe quel élément chimique (Joubert, 2008). Les apports anthropiques résultent de différentes activités dont la principales est l’utilisation pour les revêtements de protection des métaux contre la corrosion (gouttières, galvanisation du fer, coques des bateaux, anodes sacrificielles…). Le zinc est aussi présent dans les retombées atmosphériques provenant des combustions, les composts urbains (Duchaufour, 1991), les piles électriques, les pigments, les matières plastiques et caoutchouc, l’alimentation pour animaux (Baize, 1997). Dans les sols, le zinc et le cadmium sont les ETMs les plus mobiles comparés au plomb et au cuivre. Dans les sols même légèrement acides, le zinc peut migrer relativement facilement en profondeur même si une fraction importante du métal reste associée à la matière organique naturelle et à des composés minéraux. En milieu anoxique, il précipite quantitativement sous forme de sulfure (ZnS).
II.3.c. Cadmium (Cd)
L’abondance naturelle de Cd dans l’écorce terrestre est de 0,11 mg. kg-1. À l’échelle globale, la croûte continentale est le réservoir qui contient le plus de cadmium (Gonzalez et al., 2001). Il serait présent dans toutes les roches mais plus abondant dans les sédiments riches en carbone, sulfures et phosphates (Baize, 1997). Le cadmium se présente sous forme de cristaux de greenockite ou de hawleyite (CdS), d’octavite (CdCO3), de montéponite (CdO) et de cadmosélite (CdSe). Les propriétés chalcophiles du Cd favorisent son association avec Zn et Hg et dans une moindre mesure avec Pb et Cu (Joubert, 2008). On ne reconnaît au cadmium aucune fonction essentielle à la vie. Il est toxique pour les plantes, les animaux et l’homme même à faible concentration (Keller, 1991). Le cadmium est utilisé dans les batteries Ni/Cd, les revêtements cadmiés, les colorants, les stabilisant de PVC et dans des alliages divers. On distingue trois types d’activités pour l’origine anthropique du cadmium : les industries de production (mines de Zn/Cd, Cu, Pb), les industries de transformation et les industries où le Cd est une impureté (traitement des déchets, combustibles fossiles, sidérurgie et agriculture) (Keller, 1991).
La solubilité du cadmium dépend essentiellement du pH mais la nature des surfaces et des ligands présents sont également des facteurs importants (Keller, 1991). D’autres paramètres jouent également un rôle sur la mobilité du cadmium : potentiel redox, salinité, nature géochimique des sédiments et en particulier les minéraux de types sulfures et carbonates. De façon générale, le cadmium [sous la forme Cd(II)] précipite autour de pH=8 sous forme d’hydroxydes (Gonzalez et al., 2001). En milieux anoxiques, le cadmium précipite sous forme de sulfures (CdS). Dans les milieux oxiques, ce sont principalement les processus d’adsorption/désorption qui contrôlent la partition du cadmium entre phases dissoute et particulaire (Gonzalez et al., 2001). Il est surtout mobile dans des sols acides dont le pH varie entre 4,5 et 5,5 (Keller, 1991). Dans les sols, le fond géochimique moyen en cadmium oscille entre 0,07 et 1,10 mg. kg-1, avec une moyenne de 0,5 mg. kg-1, les teneurs étant alors principalement contrôlées par la composition chimique de la roche mère.
II.3.d. Chrome (Cr)
L’abondance du chrome dans la lithosphère est d’environ 69 mg/kg (Li, 2000). Il est principalement associé aux roches ultrabasiques et basiques, avec des concentrations de l’ordre du pourcentage alors que dans les roches granitiques et les sédiments, il se trouve comme élément trace. Les chrome est principalement présent dans les aciers et les alliages spéciaux pour résister à la corrosion.
Le chrome se trouve principalement sous deux états d’oxydation, trivalent (III) et hexavalent (+6) avec un fort potentiel redox. Il se présente principalement comme chromite (FeCr2O4) (Kabata-Pendias, 2011) mais il peut aussi se présenter en faibles quantités dans d’autres structures minérales en remplaçant le Fe3+et le Al3+ (Callender, 2004) car il a un rayon atomique similaire.
Le chrome (III) constitue un élément essentiel chez les organismes vivants, en revanche le chrome (VI) est un élément fortement cancérigène. Le premier est stable et très peu mobile alors que le deuxième est moins stable et peut être mobilisé sous un intervalle de pH plus large.
II.3.e. Cuivre (Cu)
La composition moyenne de la croûte terrestre en cuivre serait comprise entre 45 et 70 mg/kg. Dans les roches, le Cu a une affinité particulière pour les sulfures où il accompagne souvent le fer. Les teneurs les plus élevées seraient observées dans les roches magmatiques (Baize, 1997). Le cuivre est un élément essentiel à la vie : dans les plantes, on sait qu’il intervient dans le processus photosynthétique et dans le métabolisme des protéines et des hydrates de carbone (Keller, 1991). Les apports anthropiques résultent de différentes sources : activités métallurgiques (de nombreux alliages), retombées atmosphériques (fumées de houille), fongicides, amendements organiques, boues de stations d’épuration, compost d’ordures ménagères… (Duchaufour, 1991). Le cuivre est un contaminant qui accompagne notamment le zinc, le nickel, l’aluminium, le plomb et le cadmium dans les activités métallurgiques des métaux non ferreux (Baize, 1997). Il est surtout le principe actif le plus répandu dans les peintures antifouling. Le cuivre est considéré comme faisant partie des ETMs les moins mobiles dans les processus hypergènes, sauf dans des conditions extrêmes d’acidité (Baize, 1997). Il réagit facilement avec les composés minéraux et peut précipiter avec les sulfures, les carbonates et les hydroxydes, ce qui immobilise Cu dans le sol (Keller, 1991). Il est également bien retenu par les humus actifs, mais il est facilement complexé par les acides fulviques relativement solubles (Duchaufour, 1991). Les processus contrôlant la fixation de Cu sont donc : l’adsorption sur les oxydes et hydroxydes, les processus de précipitation et co-précipitation, mais surtout la chélation et la complexation par la matière organique (Keller, 1991).
II.3.f. Nickel (Ni)
La concentration moyenne en nickel dans la lithosphère varie entre 55 et 80 mg/kg (Callender, 2004 ; Gonnelli et Renella, 2013). Il est principalement présent dans les roches magmatiques, mais il peut se trouver aussi dans tous les autres compartiments géologiques, roches métamorphiques et sédimentaires, les sols et les sédiments. Il a une très large affinité géochimique, il est essentiellement considéré comme sidérophile et calcophile. Cependant le nickel peut être associé aux carbonates, phosphates et silicate. Les principaux minéraux de nickel sont la millérite (NiS), nicolite (NiAs) et breithauptite (NiSb) (Gonnelli et Renella, 2013). En raison de l’altération rapide des minéraux primaires de nickel, il se trouve souvent dans des minéraux néoformés comme vermiculite et chlorite, ainsi qu’associé aux hydroxydes de fer et manganèse.
Le nickel est considéré comme un élément trace essentiel pour les animaux, les plantes et les bactéries. Il est responsable de la synthèse d’uréase et impliqué dans d’autres processus enzymatiques.
Mais à de très fortes concentrations, il peut devenir toxique (Bradl, 2005). Pour l’être humain, il n’est pas encore considéré comme essentiel malgré ces effets bénéfiques (os et déficit en vitamines B12), par contre, son effet cancérigène à concentration très élevée est bien documenté.
Le nickel est largement utilisé dans l’industrie, principalement dans la galvanisation, les batteries Ni-Cd, les composants électroniques des processus catalytiques, les alliages et la production d’acier inoxydable, dont les coques des bateaux et les infrastructures portuaires. Dans l’environnement les principales sources de nickel sont l’industrie minière, les boues d’épuration et la combustion fossile (Bradl, 2005).
La solubilité du nickel, comme pour d’autre métaux dépend du Eh : dans les environnements anaérobiques, principalement les estuaires et les sédiments lacustres, elle est contrôlée par les sulfures. En revanche, sous condition d’aérobie la solubilité dépend de son adsorption et de sa co-précipitation sur les oxydes et hydroxydes de fer et manganèse (Callender, 2004).
II.3.g. Molybdène (Mo)
L’abondance en molybdène est estimée à environ 3mg/kg. Il est souvent associé aux granites et autres roches magmatiques. Sa concentration dans ce type de roche varie entre 1 ou 2 mg/kg, alors que dans les sédiments argileux enrichis en matière organique, les concentrations peuvent être supérieures à 2mg/kg. Le molybdène peut avoir un comportement calcophile ou lithophile dans les environnements de surface, il se présente alors sous forme d’anion.
Parmi les sources anthropiques de Mo, se trouvent les boues d’épuration. Elles peuvent contenir de très fortes concentrations (jusqu’à 50 mg/kg). La deuxième source reportée par Kabata-Pendias (2011) provient des usines électriques à charbon comme émission atmosphérique.
Dans l’environnement, le molybdène relativement mobile est très vite co-précipité par la matière organique, le carbonate de calcium et plusieurs cations (Pb2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+ et Ca2+). La rétention sur les surfaces d’hydroxydes de Mn constitue un mécanisme de contrôle de la concentration en molybdène dans la phase solide du sédiment. Tous ces mécanismes qui contrôlent la spéciation du molybdène sont très dépendants du pH et du Eh.
II.3.h. Uranium (U)
L’abondance moyenne de l’uranium dans la croûte terrestre est d’environ 2,8 mg/kg (Alloway, 2013). Des concentrations plus élevées d’uranium se trouvent dans les roches granitiques (2,2 à 15 mg/kg). Néanmoins, il peut aussi se trouver en grande quantité dans les roches sédimentaires comme les schistes noirs, les phosphorites et les argiles.
L’uranium n’est pas un élément essentiel pour les plantes et les animaux, au contraire sa radioactivité et sa toxicité constituent un danger potentiel pour la santé de l’être humain et les écosystèmes quand il se trouve en fortes concentrations dans les sols, les végétaux et dans les eaux
(Alloway, 2013). Il est présent dans l’industrie minière d’uranium, les réacteurs nucléaires, les fuites de déchets, les accidents de sites nucléaires, les manufactures et test d’armes nucléaires, les particules d’aérosols et les particules atmosphériques venant de générateurs électriques et dans les fertilisants phosphatés.
La solubilité de l’uranium a une très forte dépendance des conditions redox et du pH. L’uranium U(VI) est présent sous conditions d’oxydation, il est soluble avec la présence d’oxyde de Fe, d’argiles ou de matière organique et peut être adsorbé sur les surfaces de ceux-ci. Sous conditions réduites, il passe à U(IV) et peut précipiter comme UO2.
II.3.i. Bilan
De nombreux ETMs sont utilisés en métallurgie pour que les pièces métalliques résistent à la corrosion. De nombreux éléments métalliques dans les ports seront donc susceptibles d’être des sources d’ETMs (coques, infrastructures portuaires, anodes sacrificielles). De plus, à ces différentes sources d’ETMs s’ajoutent les peintures antifouling au cuivre.
Avec les villes de Vannes et d’Auray et les différents bassins versants, dont celui de la Vilaine, les ETMs présents dans les produits utilisés en agriculture et les ETMs des industries pourront être transportés jusqu’au domaine marin.
III. Approche méthodologique
III.1. Stratégie d’échantillonnage
Le détail des techniques de prélèvements et d’analyse est décrit en Annexe 1. Seule la stratégie des choix de points de prélèvements est détaillée dans cette partie.
La stratégie d’échantillonnage dans le Golfe du Morbihan s’est basée sur les travaux de Perez-Belmonte (2008) et la distribution des concentrations en ETMs de Ong (2012). Ainis, les points de prélèvements retenus correspondent à des gradients ou à des zonations qui semblent se dessiner au sein du milieu (Figure I-9).
Le plan d’échantillonnage choisi pour la Baie de Quiberon a tenu compte du projet RISCO (Stanisière et al., 2013) réalisé par Ifremer et le laboratoire GMGL (Figure I-15).
