Action 7

Caractérisation bio-physico-chimique et traçage des sédiments et polluants

associés

O. RadakovitchF.Eyrolle, S. Gairoard, P. Kerhervé, M.Launay, A. Masion, P. Raimbault, D.Sabatier, M. Zebracki,

CEREGE, IRSTEA, IRSN, CEFREM, MIO

Caractérisation bio‐physico‐chimique des particules

MES en transit

Minérale

Issues de l’érosion

OrganiqueOxydes-hydroxydesArgilesCarbonateMinéraux primaires

Peu à très dégradées

(acides fulviques et humiques)

Formées dans le fleuve

OrganiqueMinéraleCarbonatesOxyde-hydro.

AlguesDiatomées

Particularités et « affinités » variables vis à vis des polluants(type et superficie disponible pour l’adsorption en surface)

• Contaminants déjà présents dans les sols ou se fixant dans l’eau

• Traceurs possibles de l’origine des particules

4 approches listées au DOCOB

• Développer des méthodologies pour le traçage de l’origine des particules.

• Utiliser les radionucléides artificiels et naturels pour évaluer l’origine des masses sédimentaires en transit.

• Caractériser la matière organique particulaire en transit.

• Caractériser les particules en suspension: granulométrie, minéralogie, chimie

1 ‐ Caractérisation granulométrique

• L’effort porte depuis plus d’un an sur la validation de ce type de mesure avec la calibration des divers appareils au Nord et au Sud et une intercalibration.

- Achat de standards de mesure- Intercalibration- Fiches de mode opératoire- Rédaction d’un document de synthèse sur

l’utilisation des standards.- Traitement des données et réalisation de la base

de données

• Pas de nouvelles données granulométrique par analyse acoustique multifréquence HADCP (1 article soumis, 1 manip sur le Mekong).

File ID:Obscurat

ion: Mean: Median: Mode: d10: d50: d90:Specific Surf. 

Area: 0.04 0.043910.04820

30.05291

6

ARL‐MAN‐20110114 6 22,8337 11,7461 11,2932 2,44881 11,746157,1494 18175

0,00102101

0,00133414

0,00212462

0,00420689

ARL‐MAN‐20110201 4 39,6583 20,3165 41,6802 2,43073 20,3165110,847 21838,2

0,00277265

0,0036962

0,00600935

0,0124483

ARL‐MAN‐20110216 0 16,5331 11,7472 18,0034 2,40553 11,747237,1833 12388,5 0 0 0 0

ARL‐MAN‐20110301 1 17,1362 13,1909 14,9398 3,72876 13,190935,617 9621,06

2,30902E‐06

5,64422E‐06

1,52317E‐05

3,42516E‐05

ARL‐MAN‐20110315 _ 19,9802 15,9189 18,0034 3,56184 15,918943,4297 12006,1

0,000219877

0,000333648

0,000607023

0,00126913

GAA‐MAN‐20110315 4 118,831 38,1228 37,9687 7,28198 38,1228434,346 6518,48

0,000228796

0,000317418

0,000534575

0,0010968

CEZ‐MAN‐20110315 3 72,1815 35,4736 41,6802 5,24332 35,4736151,555 10093,3

0,000774846

0,00103722

0,00168881

0,00345957

GAN‐MAN‐20110315 9 59,5573 32,1801 37,9687 5,7538 32,1801123,356 8190,58

0,000393044

0,000516542

0,00082613

0,00164621

ARL‐MAN‐20110331 2 15,0878 11,1917 11,2932 2,22955 11,191734,3102 14084,8 0

7,42516E‐08

1,20932E‐06

4,55238E‐06

• Transformation des données sous forme de fichiers xls archivés (avec code nomenclature échantillon harmonisé).

• Analyse de près d’une centaine d’échantillons depuis janvier 2011.

% en volume total par taille

Validation des mesures

Données correctes entre appareils pour faible diamètre (mais précision de 2 à 200%)

Mais problème de représentativité en cas de

concentration faible de MeS

Gamme attendue pour MeS

Caractérisation granulométrique

Mesure par Coulter-Counter sur la crue de Novembre 2011

Crue de Novembre 2011

4 novembre

5-6 novembre

Caractérisation granulométriqueMesure par Coulter-Counter sur SORA: les particules correspondent généralement à une population unimodale centrée entre 10 et 20 µm

Caractérisation granulométriqueMesure par Coulter-Counter sur SORA: dans certains cas, des populations plus complexes apparaissent mais cela correspond souvent à de faibles concentrations: réalité ou artefact de mesure (en test) ? Le mode général reste toutefois 10-20 µ.

1) Elle a une forte affinitéchimique avec les contaminants minéraux et organiques.

2) Elle peut être dégradée et les contaminants peuvent être relargués.

3) Elle peut être assimilée de manière différente par les organismes.

Relations entre C.organique total et polluants organiques dans des sols européens

2‐ Caractérisation de la matière organique particulairePourquoi ? 

Caractérisation de la matière organique particulaire

• Prélèvements et analyses du Carbone organique particulaire sur les échantillons journaliers prélévés à SORA (Raimbault, MIO)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

oct-06 avr-07 nov-07 juin-08 déc-08 juil-09 janv-10 août-10 févr-11 sept-11 avr-12

DATE

CO

P m

gC.l-1

W.O.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

MES mg/l

CO

P m

gC.l-l

Le pourcentage de C dans la matière particulaire est variable:

Difficile de quantifier le flux de carbone à partir de la mesure de débit ou de la teneur en MES

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011122006 2007 2008

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011120

5

10

15

20

OC

(%)

0

2

4

6

N (%

)

RhoneOC N

Herault

Caractérisation de la matière organique particulaire• Cependant, ce carbone organique particulaire montre une teneur relativement stable sur l’année comparée à celle des petits fleuves côtiers, où les blooms phytoplanctoniques se caractérisent nettement plus (Kerhervé, CEFREM)

13C and 15N of POM

2006 2007 2008

Phytoplanktonicproduction

• Variations de la composition en delta-13C (traceur de l’origine du carbone) en fonction des saisons. La matière organique terrestre est prépondérante dans le Rhône comparée àl’autochtone (Kerhervé, CEFREM).

- Les hauts débits/crue transportent plutôt une MOP issue des sols et caractérisée par une baisse de %CO et un d13C qui augmente : Durance en mai/juin 2008 et novembre 2011.

- Les bas/moyens débits transportent une MOP "autochtone/fluviale" avec une part plus grande de phytoplancton et/ou débris végétaux, ce qui explique un CO% qui augmente et un d13C plus faible. Cependant, la part de la MOP issue du sol reste assez forte et lisse le signal annuel

Caractérisation de la matière organique particulaireCette matière organique est cependant bien différente sur certaines crues, très pauvres par exemple sur des crues éclairs ou celles de la Durance (Kerhervé, CEFREM).

DURANCE 2008

ARDECHE 2008

Durance Ardèche Gard

17/10

4/115/11

7/11

14/11

28/11

Caractérisation de la matière organique particulaire

• Premières mesures de spectroscopie RMN du 13C (proportions de fonctions organiques) et de tritium lié et de 14C (en cours d’analyse)

La spectroscopie RMN (résonance magnétique nucléaire) du 13C permet de définir le type de liaison chimique qui entoure les atomes de carbone, et donc le type de matière organique à laquelle il appartient

Caractérisation de la matière organique particulaire

spectroscopie RMN du 13C sur échantillon de SORA

Prochaine étape: traitement chimique pour éliminer le Fer notamment

Échantillons prélevés en crue et hors crue fin 2011

Et premiers échecs !

Radioéléments artificiels et naturels

• Traitement des données acquises depuis 2002 à SORA (Zebracki, IRSN): - 385 échantillons dont 160 hors crue- classement en fonction du type de crue

Th-234 Pa-234 U-234 Ra-226 Pb-214 Bi-214 Pb-210 Ac-228 Pb-212 Bi-212 Tl-208 K-40 Be-7Total 323 28 0 7 99 99 340 372 99 96 99 99 351

Q<3000m3.s-1 122 19 0 0 40 40 131 154 40 37 40 40 143

Q>3000m3.s-1 201 9 0 7 59 59 209 218 59 59 59 59 208

U-238 Th-232 Autres

Répartition des radionucléides naturels mesurés à SORA

12%

15%

17%36%

20% Océanique

Cévenol

MéditerranéenextensifGénéralisé

Non défini

Répartition des échantillons par type de crue, encore à affiner

Traitement statistique en cours pour déterminer des signatures par bassin

Le rapport 238Pu/(239+240Pu) de la crue de décembre 2008 démontreque le matériel transporté ne provient pas du lit du Rhône mais des sols

des bassins versants.

Rhone 2005-2008

Dec. 2003

Mai 2008RetombéesAtmosphériquespassées

238Pu/239+240Pu dans les MeS à Arles (2000-2011)

hors événementcrue

généraliséeaffluents

méridionauxaffluentscévenols

affluentsnord-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40Ra

ppor

t d'

acti

vité

s, s

ans

unit

é

RetombéesAtmosphériquespassées

ZONE D’ORIGINE DES CRUES

Selon ce marqueur, les crues transportent systématiquement du Pu qui provient du lit du fleuve et de Marcoule

Géochimie et signature

Les teneurs en éléments

chimiques des particules peuvent

donner des indications sur leur sources naturelles

ou artificielles.

Carte géologique du BVSource BRGM

Mesures OSR 2010-2011

• Prélèvements bihebdomadaires en Arles depuis janvier 2011

• Prélèvements bihebdomadaires sur Jons depuis Janvier 2011

• Cèze, Gard, Durance, Drôme, Ardèche lors des crues et hors crue (à compléter) + dragage et chasse

Éléments majeurs et traces sur tous les échantillons

Caractérisation de la matière organique particulaire sur quelques échantillons sélectionnés

Echantillons bimensuels de Janvier à Juin 2011

« contaminés » àl’analyse et non reportés

Faibles variationsdans l’allure des profils

Géochimie et signature: étude des terres rares

Groupe d’éléments traces métalliques de même comportement

chimique et « naturels »

Crue de Novembre 2011

4 novembre

5-6 novembre

5 novembre

Évolution évidente de la signature géochimique du sédiment au cours de la crue

Apport de minéraux enrichis en métaux par les affluents Gardon et Ardèche. Il ne s’agit pas de contamination anthropique « directe », mais ceci joue sur le flux de métaux délivrés.

DURANCE

GardArdèche

Ces données sont utilisées également pour les calculs de flux annuels

États des analyses éléments traces et majeurs

2011 2012

Mai Dec Juillet

ARLES

Terminé(une partie à refaire)

En traitementEn préparation pour analyse

JONSEn analyse

A préparer pour analyse

MAJEURSTerminé

Janv

A venir : • Pyrolyse-GC-MS (caractérisation des matières organiques complexes polymériques)• Données de Jons et nouveaux prélèvements affluents• Isotopes du Strontium

Perspectives :

• Thèse Nord-Sud: granulométrie des MES: harmonisation des méthodes et type de données fournies, compréhension des évènements globaux (financement ?)

• Réaliser un traitement des données de carte géologique du BRGM pour établir le fond géochimique des différents bassins versants. Master ?

Des exemples de ce que peut apporter la minéralogie

Données sur 2001-2003

Ollivier, 2006