IMPMC - UMR 7590 Institut de Minéralogie, Physique des...
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IMPMC - UMR 7590 Institut de Minéralogie, Physique des Matériaux et de Cosmochimie
http://www.impmc.upmc.fr (env. 130 personnes)
(UFR de Physique et UFR de Sciences de la Terre)
(la collection de Minéralogie de l'UPMC, suivie par l'IMPMC)
aérosols
Volcanisme
mines métallurgie agriculture
sols
roches sedimentation
diagenèse
érosion Cycles redox
Cycles redox Aquifères
Epithermalisme altération
magmatisme
Biogéochimie et interactions solides-solutions!• Minéraux, acteurs et traceurs • Conditions physico-chimiques • Activité microbienne • Fonctionnement des interfaces -> transferts de matière, nutriments, polluants -> Spéciation et dynamique des éléments
Evin Malmaison, Nord-Pas-de-Calais
Usine pyrométallurgique Pb, Zn
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500 600
Prof
onde
ur (
cm)
Concentration (ppm)
PbZn
Pollution métallique des sols
9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)
I/Io
9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)
I/Io
franklinite
scorie
1mm
Zn, Fe Fe
Spéciation
Spectroscopie de fluorescence sur synchrotron
Débri végétal
sol racine
Zn K
Cu Ca Fe
Mn Pb Ti
Biodisponiblité
1 mm!
Sol cultivé
Morin et al. 1999, 2001!Juillot et al. 2003, 2006!
Biogéochimie des éléments polluants
D’après http://basol.environnement.gouv.fr/
4033 sites et sols pollués recensés en 2007 par le Ministère de L’Environnement
0 100 200 300 400 500 600TOMcorse
La réunion Guadeloupe-Guyane-Martinique
LimousinPoitou charentes
BretagneBasse-Normandie
BourgogneAuvergne
Languedoc RoussillonFranche-ComptéPays de la Loire
Champagne-ArdenneProvence Alpes Cote d'Azur
CentreMidi Pyrénées
AquitainePicardie
Haute-NormandieAlsace
LorraineIle-de-France
Nord Pas de CalaisRhone Alpes
Nombre de Sites Pollués
A
Hydrocarbures
HAP
solvantshalogénésPb
Ni
Cr
Cu
As
NiCd
D’après http://basol.environnement.gouv.fr/
Les polluants majeurs identifiés sur les 4033 sites et sols pollués
Zn
Pollution diffuse
– Concentrations faibles – Surface/volume affectés élevés – Origine mal définie – Risque à court et long terme
Pollution ponctuelle
– Concentrations très élevées – Surface/volume affectés faibles – Source de la pollution bien définie – Risque à court terme et direct
Les deux grands types de pollutions
Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !
Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !
-15
-10
-5
0
5
0 2 4 6 8 10 12 14
α-FeO(OH)
Fe3+
Fe(OH)2+
Fe(OH)2
+
Fe(OH)3
0
Log
C
pH
Fe(OH)4
-
La solubilité (ex: goethite α-FeOOH) Fe(OH)3(s) + 3H+ ↔ Fe3+ + 3H2O log Ks0 = 3.96 Fe(OH)3(s) + 2H+ ↔ Fe(OH)2+ + 3H2O log Ks1 = 0.91 Fe(OH)3(s) + H+ ↔ Fe(OH)2
+ + 2H2O log Ks2 = -2.35 Fe(OH)3(s) + H2O ↔ Fe(OH)4
- + H+ log Ks4 = -18.7
L�adsorption (ex: (hydr)oxydes de Fe)
Concentration en solution (mmol/g)
Con
cent
ratio
n ad
sorb
ée (m
mol
/g)
goethite α-FeOOH hématite α-Fe2O3
L�effet du substrat
Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !
soil!
root!
1 mm!
Zn!
K!
Cu!
Ca!
Fe!
Ti!
Pb!
La forme chimique des éléments influence leur mobilité vers les eaux et la chaîne alimentaire.!
Mn!
Microfluorescence X sur une coupe transversale de racine de graminée dans un sol pollué par des métaux lourds dans le Nord-Pas-de-Calais.!
Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !
Site localisé à proximité de l’usine pyrométallurgique (Pb-Zn) de Métaleurop (Noyelles-Godault, Nord-Pas-de-Calais).
Distribution verticale du zinc et du plomb
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500 600
Prof
onde
ur (
cm)
Concentration (ppm)
PbZn
Horizon labouré
la Deule
Usine
Courcelles-les-Lens
Noyelles-Godault
Evin-Malmaison
750 m
Dourges
sous-bois
N
cultivé
> 200 mg/kg > 500 mg/kg > 1000 mg/kg
0 500 1000 1500 20000
20
40
60
80
100
120
PbZn
Prof
onde
ur (
cm)
Concentration (ppm)
Distribution spatiale du zinc et du plomb pH 7.5, COT 1.5 %
pH 5.5, COT 6.5 %
Godin et al. (1985), Juillot (1998), Morin et al. (1999), Juillot et al. (sous presse)
Evin Malmaison, Nord-Pas-de-Calais
Usine pyrométallurgique Pb, Zn
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500 600
Prof
onde
ur (
cm)
Concentration (ppm)
PbZn
Pollution métallique des sols
9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)
I/Io
9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)
I/Io
franklinite
scorie
1mm
Zn, Fe Fe
Spéciation
Spectroscopie de fluorescence sur synchrotron
Débri végétal
sol racine
Zn K
Cu Ca Fe
Mn Pb Ti
Biodisponiblité
1 mm!
Sol cultivé
Morin et al. 1999, 2001!Juillot et al. 2003, 2006!
Biogéochimie des éléments polluants
aérosols PbS
PbSO4 Emissions Pb/Zn
40 t/an (DRIRE 1991)
scories usine!
Adsorption majoritaire Scories
le plomb dans les sols pollués du Nord-Pas-de-Calais
Pb(II) / oxydes (Fe et Mn) Pb(II) / M.O.
Pb2+!
Pb2+!
Pb
P
Pyromorphite Pb5(PO4)3Cl
Dans la croûte continentale métasomatisme. Les minéraux sont concentrés par des solutions aqueuses et chaudes qui s'écoulent dans les fractures et pores de la roche encaissante. Ces solutions prennent leur origine dans les magmas (l'eau est libérée pendant le refroidissement du magma, elle monte et dissout certains éléments dans la croûte) ou elles proviennent de l'eau de pluie qui s'infiltre et se réchauffe en circulant dans la croûte continentale.
L’hydrothermalisme : Une source importante des gisements métallifères
Pyrite (FeS2)
Galène (PbS)
Sphalérite (ZnS)
Chalcopyrite (CuFeS2)
Largentière
*
hercynian basementpermian
lower triassicmiddle triassic
jurassic
upper triassic 1 km
N
le Liard
Le plomb dans un sol développé sur une anomalie géochimique naturelle: Le cas de Largentière (Ardèche).
Sol développé sur des grès minéralisés en sulfures (PbS et ZnS)
Profils de concentration!
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30 cm!
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0! 2000 mg/kg!
Pb!Zn!
Grès altéré!
!A!
!B!
!C!
pH!
0! 6 !
COT!(% pds)!
Juillot (1998), Morin et al. (2001)
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30 cm!
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0! 2000 mg/kg!
Pb!
Grès altéré!
!A!
!B!
!C!
Evolution de la spéciation du plomb le long du profil de sol !
Pb(II) / Oxydes Mn
45 %!
Plumbogummite PbAl3(PO4)2(OH)5 .H2O
50 %!
Plumbogummite PbAl3(PO4)2(OH)5 .H2O
55 %!
40 %!
Pb(II) / M.O. Pb2+!
Pb2+!
Juillot (1998), Morin et al. (2001)
Phosphates de plomb et adsorption sur M.O.
Phosphates de plomb et adsorption sur oxydes. pH!
0! 6 !
COT!(% pds)!