Conséquences d'un refroidissement climatique sur le comportement de radionucléides dans les sols du Barrois

Impact of a climatic cooling period on the behaviour of radionuclides in the soils of a limestone plateau

• Auteur / Autrice : Sophie Maillant
• Direction : Jean-Louis Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Barrois (France)

Changements climatiques

Sols et climat

Technétium

Sols -- Teneur en iode

Sols -- Teneur en substances radioactives

Résumé

Dans le cadre de l'étude de sûreté du stockage en couche profonde de déchets radioactifs à vie longue menée par l'Andra, il est nécessaire de prévoir le comportement des polluants dans les sols qui seront présents dans plusieurs dizaines de milliers d'années, en réponse aux changements climatiques. Une méthode de pédologie prospective est proposée pour répondre à cette problématique et est appliquée au cas particulier d'une région de plateau calcaire, le Barrois, pour un refroidissement climatique entraînant une glaciation et pour des radionucléides supposés mobiles (iode (I) et technétium (Tc)). Cette méthode repose sur l'étude de sols analogues qui proviennent de régions similaires à la région de référence, en termes géologiques et topographiques mais dont le climat actuel pourrait correspondre au climat périglaciaire futur de la région de référence. Deux biomes principaux de climats froids et secs, steppe-toundra et forêt boréale, ont été choisis, complétés par un biome froid et humide (étage montagnard) afin de couvrir une large gamme de refroidissements climatiques. Les sols analogues ont été prélevés en forêt boréale, en steppe froide et à l'étage montagnard sur des roches-mères calcaires. Des scénarios d'évolution ont été proposés et des cartes représentant ces scénarios d'évolution ont été éditées pour chaque biome. Compte tenu de son importance en tant que produit de la pédogenèse et facteur de rétention de certains éléments, le compartiment matière organique (MO) a été pris comme indicateur de l'impact du climat sur les sols. La rétention de I et de Tc dans les sols analogues a été caractérisée à partir d'incubations de terres à la capacité au champ. Enfin, le suivi de l'évolution in situ de la rétention de l'iode stable dans une tourbière a permis de préciser le devenir à moyen terme de cet élément en présence de matière organique en conditions froides. Les résultats montrent des sols brunifiés calcaires peu épais et peu évolués en forêt boréale et des chernozems en steppe froide. Dans ces deux biomes, les sols hydromorphes présentent une accumulation de MO aromatique dans la fraction humifiée. A l'étage montagnard, la décarbonatation est assez importante pour permettre le développement de sols plus variés, offrant une MO différente de celle des autres biomes. En biome froid, l'humidité du climat détermine donc les différences de fonctionnement entre les sols. Les scénarios d'évolution établis à partir de ces résultats indiquent que les conditions périglaciaires favoriseraient la présence de sols proches des sols actuels (Leptosols rendziques et des Cambisols eutriques ou calcariques), notamment en biome boréal. En biome de steppe-toundra, la présence d'un pergélisol pourrait favoriser l'hydromorphie. Dans les deux biomes, des sols hydromorphes formés sur matériau marneux seraient susceptibles de contenir des teneurs élevées de MO (tourbières alcalines ou peu acides). Nous avons montré que la dessiccation du sol pourrait favoriser la rétention de I et Tc sur la phase solide en conditions aérobies (Kd > 1 l kg-1 dans les sols de forêt boréale après un an d'incubation). Tc serait immobilisé dans les sols de steppe froide tandis que I serait davantage retenu dans les sols en forêt boréale. Dans ces deux biomes, les sols les plus favorables à la rétention de I et de Tc seraient des sols hydromorphes organiques situés dans les fonds des vallées sur matériaux marneux. Ces résultats ont été traduits en cartes de rétention pour chacun de ces éléments, pour les deux biomes périglaciaires. Enfin, dans la tourbière, l'accumulation de I à la surface (Kd multiplié par 6 en 15 ans) a été associée à la présence de composés polyphénoliques dans la tourbe en cours d'humification. Les cypéracées (Carex sp. ) ont été identifiées parmi les espèces végétales présentes sur le site, comme étant celles qui accumulent les plus grandes quantités d'iode. En conclusion, la démarche prospective reposant sur l'analogie et des études en laboratoire et in situ a permis de prévoir l'évolution des sols sous l'influence d'un refroidissement climatique et de prévoir le devenir de radioéléments à vie longue en fournissant les valeurs des paramètres pour des biosphères froides devant être utilisés dans les codes de calculs de dose des études de sûreté

For the safety assessment of underground radioactive waste disposal conducted by Andra, it is required to estimate the behaviour of radionuclides in soils for the next ten thousand years. Within this time scale, soils would probably evolve from their actual status, according to climate changes. It is then necessary to assess these changes in order to predict the behaviour of the radiochemicals that would enter the soils. We present a pedological forecast method for the assessment of a specific case (i. E. Limestone plateau), undergoing periglacial conditions. Then we study the retention of mobile radionuclides, iodine (I) and technetium (Tc) on the forecast periglacial soils. The method relies on the study of analogous soils, sampled in regions with similar geochemical (calcareous) and topographical contexts but undergoing a cold climate which mimics future periglacial conditions of the reference region (steppe-tundra or boreal forest biomes). We have added to the cold and dry climatic series a cold and humid biome (montane strata). The organic matter compartment (OM), considered as an indicator of the effects of the climate on the soils, was thoroughly characterised and taken into account. The analogous soils sampled have developed under boreal forest, cold steppe and subalpine conditions from limestone or calcareous parent materials. The observed soils were eutric Leptosols under boreal forest, and Chernozems under cold steppe. In both biomes, under hydromorphic conditions, OM accumulated in the soil and was high in aromatic molecules in the humified fraction. In the montane strata, the leaching of carbonates was strong enough to allow a diversification of soil genesis: from humic Leptosols to dystric Luvisols. The OM of these soils was different from that of the soils from dry biomes. This study has confirmed that the main differences between soils were observed between the humid and cold climate (montane) on one side and the dry and cold (cold steppe and boreal) on the other. Evolution scenarios constructed from these results indicated that the periglacial conditions would probably favour the persistence of soils still similar to the present ones in the reference region, especially during the boreal stage. However these soils would display higher OM content. In this biome, soils would be mainly rendzic Leptosols and eutric (or calcaric) Cambisols as presently, but with a higher OM content in the surface horizon because of the forest cover. In the steppe-tundra biome, a pergelisol would favour hydromorphy in most soils (stagnic Cryosols). In both biomes, hydromorphic soils, developped on marly material could display very high OM content (fen). Maps summarising these scenarios have been edited for each biome. The consequences of these pedological changes on the behaviour of mobile radionuclides were studied through the retention of Tc and I in the analogous soils at field capacity in batch experiments. The experiment showed that the dehydration of soils could favour the retention of both elements under aerobic conditions, although the latter are not usually favourable to Tc and I retention (Kd > 1 l. Kg-1 in analogous soils of boreal forest after one year of contact time). These results were used to establish maps of the retention of each element for both periglacial biomes. It is suggested that Tc would be retained in the soils in the cold steppe soils whereas I would be more retained in soils of the boreal biome. In both biomes, soils with the highest retention towards I and Tc would be peaty soils located in the bottom of marly valleys. Special attention was paid therefore to peaty soils : we studied the behaviour of I in situ in a peat bog. I had accumulated at the bog surface (Kd was multiplied by 6 within 15 years) and was found to be associated to polyphenolic substances from the humified peat. Carex sp was identified as the species that accumulated the highest contents of I amongst the vegetation of the bog. The proposed method underlain by analogy and laboratory retention studies should help to understand and forecast the behaviour of the long-lived radionuclides. It should help in the determination of the site specific parameters for the dose computation of safety assessment in a cold biosphere scenario