Dynamique des éléments métalliques au sein des...
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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
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Vill 118-120 Vill 84-86 Vill 70-72 Vill 62-64 Vill 12-14
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1- Dynamique spatio-temporelle
2- Toxicité ?
3- Disponibilité
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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
1- Dynamique spatio-temporelle
-modèle d’âge / hydrologie -sources / signatures des apports -sédiments retenue / BV
retenue / en profondeur
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
Dynamique spatio-temporelle
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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
Crue 2003: max EF(Cd) = 10
Crue 2008: max EF(Cd) = 7
0
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40
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80
100
120
140
160
180
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
sand fraction
silt fraction
Dynamique spatio-temporelle
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)
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#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
1- Dynamique spatio-temporelle
2- Toxicité ?
-modèle d’âge / hydrologie -sources / signatures des apports -sédiments retenue / BV
-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
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3,5
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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
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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)
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Vill 118-120 Vill 84-86 Vill 70-72 Vill 62-64 Vill 12-14
Cd
Ni
Zn
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1- Dynamique spatio-temporelle
2- Toxicité ?
3- Disponibilité
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60118-120
84-86.
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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
Disponibilité/Stabilité
Nature des phases porteuses des ET (crues et inter-crues) similaires dans les carottes
Particules isolées
Grosbois et Courtin-Nomade, in prep.
Disponibilité/Stabilité
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
Disponibilité/Stabilité
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
Disponibilité/Stabilité
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
Disponibilité/Stabilité
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