dynamique des éléments métalliques au sein des...

Dynamique des éléments métalliques au sein des sédiments de barrage :

temporalité et devenir

A. Courtin-Nomade – GRESE, Université de Limoges C. Grosbois – EA 6293 GéHCo, Université de Tours

Projets et chercheurs associés MetMin : S. Ghorbel, MétOrg 1 : E. Dhivert, M. Desmet Dynamics : D. Latour, C. Mallet

0

2

4

6

8

10

Vill 118-120 Vill 84-86 Vill 70-72 Vill 62-64 Vill 12-14

Cd

Ni

Zn

Tem

ps

1- Dynamique spatio-temporelle

2- Toxicité ?

3- Disponibilité

0

10

20

30

40

50

60118-120

84-86.

70-72

2003 flood 62-64 2008 flood

12-14

-modèle d’âge / hydrologie -sources / signatures des apports -sédiments retenue / BV

retenue / en profondeur

-relargage potentiel -stabilité des phases porteuses

-tests de lessivage -tests de toxicité -dynamique temporelle

Démarche scientifique

Tem

ps




Etudes de cas : Projet MétOrg 1 : Barrage de Villerest, Loire amont

Projet MetMin : Barrage BV sous-affluent Loire amont

Tours

Limoges

Etablissement du modèle d’âge basé sur -critères sédimentologiques -granulométrie -densité apparente -mesures du Cs137

-historique du BV amont -historique du barrage -historique hydrologique

Dynamique spatio-temporelle

1940

1976

1994

1928

1982

-Barrage 1917 -Fin 1920 : activités minières -1940 : Crues du siècle -1982 : Crues -1994 : Coulées de boue et inondations

Courtin-Nomade et al., in prep. Taux de sédimentation~ 1,9 cm/an


0

5

10

15

20

25

30

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Dam start : 1984

EF(Cd) = 27

Episodes de crue 1996 (Qmax = 972 m3/s)

2003 (Qmax = 1570 m3/s)

2008 (Qmax = 1490 m3/s)

Crue 1996: max EF(Cd) = 12



0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

sand fraction

silt fraction


Dhivert et al., in press (Catena)

EF(Cd) = ([Cd/Al]éch./ [Cd/Al]BFG)

Sédiments retenue / BV

EF (Hg)

EF (Ag)

EF (Zn)

EF (Pb)

EF (Bi)

EF (Cu)

EF (Sb)

EF (Sn)

EF =1.5

EF =1.5 EF =1.5

EF =1.5

Sédiments de retenue / BV Sources/signatures des apports

EF (Hg)

EF (Ag)

EF (Zn)

EF (Pb)

EF (Bi)

EF (Cu)

EF (Sb)

EF (Sn)

EF =1.5

EF =1.5 EF =1.5

EF =1.5

Facteur d’enrichissement en As

Bruit de fond géochimique -roches -sédiments de fond -sédiments anciens

Affluent Allier #4 Projet MetMin Courtin-Nomade et al, in prep.

Sédiments/BV Sources/signatures des apports

Affluent Allier #5 Projet MetMin Courtin-Nomade et al, in prep.

Affluent Allier #6 Projet MetMin

Courtin-Nomade et al, in prep

Loire à Montjean #3 Projet Variqual Grosbois et al, 2012 (STtoten)

Loire à Decize #2 Projet MétOrg Dhivert et al, in press (Stoten)

Loire à Villerest #1 Projet MétOrg Dhivert et al, in press (Catena)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

#1

#2

#4

#4

#2

#3

1<EF<2

Sédiments/BV Sources/signatures des apports

EF(Cd) = ([Cd/Al]éch./ [Cd/Al]BFG à Montjean)

Grosbois et Courtin-Nomade, in prep

#2 Loire moyenne (Dhivert et al, in press)

#1 Retenue de Villerest (Dhivert et al, in press)

#3 Loire aval (Grosbois et al, 2012)

#4 Retenue affluent Allier (Courtin-Nomade et

al, in prep)

#1

#3

Tem

ps


2- Toxicité ?


-tests de lessivage -tests de toxicité -dynamique temporelle des paramètres écotox

Mobilité/toxicité

Organismes tests + échantillons (lixiviats ou sédiments)

Concentrations croissantes en échantillon

Etude de l’effet cocktail ; Etude de l’ effet des molécules biodisponibles; Complémentaire des analyses chimiques ; Hiérarchisation 2 organismes tests (daphnies et algues) ; Plusieurs niveaux trophiques, sur lixiviats et sur séd. Daphnia magna pseudokirchneriella

subcapitata

Vibrio Fischeri

Collab. M.P. Halm Univ. Caen, Thèse Ghorbel in prep.

Mobilité/toxicité

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 20 40 60 80 100 120 140

Concentration

CE10

CE15

CE25

Collab. M.P. Halm Univ. Caen, Thèse Ghorbel in prep.

Log

con

cen

trat

ion

0

20

40

60

80

100

120

EC

50

PK

EC50 Algues et Daphnies

EC50 Algues

EC50 Daphnies

Comportement des algues et daphnies aux lixiviats

- Teneurs en Pb + + Teneurs en As -

RÉSULTATS SUR DAPHNIES Taux d’immobilisation des daphnies (25

daphnies par concentration).

Mobilité/toxicité

De

pth

(cm

) Band number

Archae Bacteria Fungi

gene copy. g-1 DW sediment

DGGE band number ~ richness

rRNA gene copy number ~ abundance

EC 50

mg DW sediment.L-1

~ richesse ~ abondance

Villerest

Crue 2008

Crue 2003

Crue 1996

Mobilité/toxicité

Mallet and Latour, in prep Collaboration de 2 projets (Dynamics and MetOrg)

0

2

4

6

8

10

Vill 118-120 Vill 84-86 Vill 70-72 Vill 62-64 Vill 12-14

Cd

Ni

Zn

Tem

ps


2- Toxicité ?

3- Disponibilité

0

10

20

30

40

50

60118-120

84-86.

70-72

2003 flood 62-64 2008 flood

12-14



-relargage potentiel -stabilité des phases porteuses

-tests de lessivage -tests de toxicité -dynamique temporelle

Disponibilité/Stabilité

Nature des phases porteuses des ET (crues et inter-crues) similaires dans les carottes

Particules isolées

Grosbois et Courtin-Nomade, in prep.


20 µm

Exemple d’une goethite (µXRD) S 74% Fe 49-63%pds Mn 0.8-0.9% Cr 1800-3800 Zn 1000-1900 As, Cu, Pb, P <LD

Position [°2Theta] 10 20 30 40 50 60

0

Kao

l

Gt

Mt/

Kao

l G

t

Py

Qtz

K

aol

Sd

l P

y

Mt/

Kao

l Q

tz ;

Gt

Sd

l; K

aol

Kao

K

aol

Qtz

Py;

Kao

l Q

tz; G

t; K

aol

Py

Gt

Py Kao

l Q

tz Sd

l S

dl

Sd

l

Kao

l

Gt goethite Kaol Kaolinite Py Pyrite Sdl Sodalite Mt Montmorillonite

20 µm

Fe Mn Al Si

µXRD -Silicates : Q, An, ferrosilite (opx Fe-Mg) -Argiles: Ill, groupe des Montmo-vermiculite, Kaolinite -Fe (oxyhydr-)oxydes : Magnétite EPMA -Pb DL-1300 ppm -Zn 1400-2400 -Cu DL – 1200 ppm As, Cr <DL

Concentrations in-situ (EPMA) au niveau des enrichissements en fer S 57-73% Fe 23-35%pds Mn 3.2-7.5 P 2800-4700 ppm Pb up to 1300 Zn 1400-2400 Cu up to 1200 As, Cr, Zn <LD

Grosbois et Courtin-Nomade, in prep

2.975 magnetite


20 µm

Particules isolées

Agrégats organo-silicatés

Si

Fe

K

Mn

P Ca

EPMA in-situ concentrations -Zn up to 5900 ppm -Pb up to 2600 ppm -As, Cu <1000 ppm


20 µm

Fe-oxyhydroxyde coatings

µXRD goethite, muscovite EPMA in-situ concentrations -Zn 1700-8300 ppm -Cu 1300-2000 ppm -As, Pb <LD

Particules isolées

Agrégats organo-silicatés


Fe Si Al

Conclusions

• Démarche généralisée à des sites aux caractéristiques et historiques différentes

• Relations réservoirs biologique – sédimentaire dans un retenue • Détermination des communautés microbiennes benthiques, même sur des

sédiments anciens rôle dans la bio-altération des phases porteuses ? • quantification des impacts potentiels en labo (toxicité, mobilité)

• Observations transversales en ce qui concerne :

– Le comportement des métaux/métalloïdes en fonction de l’hydrologie du site (enrichissement lors des crues) et des sources sollicitées

– Des phases porteuses communes (coatings, complexes organo-silicatés) – Le rôle de rétention que peuvent jouer les barrages modulo les processus de

remobilisation et du bruit de fond géochimique par sous-BV

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