Origine de l'eau et des éléments dissous par traçage isotopique (H, O, S, Mg, Sr) sur le bassin amont de la Moselle

Origin of water and dissolved elements based on isotopic signatures (H, O, S, Mg, Sr) on the Moselle basin (France)

• Auteur / Autrice : Agnès Brenot
• Direction : Christian France-Lanord
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moselle (cours d'eau)

Eau -- Chimie

Traceurs radioactifs

Isotopes radioactifs en hydrologie

Géochimie isotopique

Résumé

Ce travail propose d'identifier et de quantifier dans le temps et dans l'espace l'origine de l'eau et de certains éléments dissous sur le bassin versant amont de la Moselle en utilisant trois familles de traceurs isotopiques. La singularité du bassin étudié réside dans la diversité des lithologies drainées et une occupation des sols variée. Un fort contraste réside entre les Vosges cristallines avec des sols principalement forestiers en amont et le plateau lorrain carbonaté dominé par les activités agricoles en aval. Un premier volet de ce travail a permis d'apporter des éléments à la compréhension du fonctionnement hydrologique du bassin versant de la Moselle. L'analyse de la composition isotopique de l'H et de l'O de l'eau a permis de décrire une dynamique des eaux et un temps de réponse au signal des eaux météoriques variable suivant le compartiment hydrologique étudié et la période de l'année. Les temps de réponse estimés sont de quelques jours pour les eaux de sols collectées par drainage en période de haut régime hydrique, à plusieurs semaines pour les eaux de rivières, jusqu'à plusieurs mois pour les eaux de sols collectées par bougies poreuses et les eaux de sources. Un deuxième volet de ce travail a permis d'identifier l'origine spatiale et temporelles des sulfates dissous dans les eaux de rivières. Trois sources principales de sulfates ont été identifiées: les apports atmosphériques, le lessivage d'évaporites et le lessivage d'engrais soufrés. L'apport de sulfates provenant d'engrais soufrés est saisonnier et n'apparaît qu'en période de haut régime hydrique (octobre 2003 à mars 2004), lorsque le lessivage des sols agricoles est le plus intense et peut représenter jusqu'à 13% des sulfates exportés annuellement par le Madon à Mirecourt. La composition isotopique du Sr de la phase dissoute des rivières indique que le Sr des eaux de la Moselle provient d'un mélange simple entre le pôle silicate et le pôle carbonate/évaporite définis localement, témoignant d'une relative simplicité du système étudié. Nous avons donc abordé l'utilisation du Mg comme traceur isotopique en hydrochimie. Les compositions isotopiques en Mg sur le bassin de la Moselle sont parmi les premières valeurs mesurées pour le Mg dissous dans des eaux de rivières et de sols. Les eaux de rivières drainant uniquement des silicates (δ26Mg=-1,2 à -0,7‰) présentent un appauvrissement systématique en isotopes lourds par rapport aux roches silicatées (δ26Mg=0,22 à 0,94‰) et à leurs sols associés (δ26Mg=0,36 à 1,68‰). Ce résultat suggère un fractionnement isotopique du Mg lors de l'altération. Les eaux de rivières drainant le plateau lorrain à dominante carbonatée ont une gamme de valeurs (δ26Mg=-1,6 à -1,2‰) significativement plus basse que celle du bassin silicaté. En plus d'être contrastées selon la lithologie drainée, les valeurs de δ26Mg du Mg dissous sont bien corrélées avec les rapports 87Sr/86Sr et Sr/Mg témoignant clairement de la capacité des isotopes du Mg à tracer la source de Mg dissous dans ces rivières. Enfin un important excès de Mg et de Sr par rapport au Ca a été mis en évidence pour les rivières drainant les roches sédimentaires du plateau lorrain et seule la perte de Ca dissous par précipitation de calcite permet de rendre de cet excès

The objective of this work was to identify and quantify, in time and space, the origin of water and of dissolved elements on the Moselle river basin, using three types of isotopic tracers. This basin is remarkable for its very contrasted lithology and land use at a small distance scale. A strong contrast appears between the Vosges mountains with silicate rocks and mainly forested soils upstream and the Lorraine plateau with carbonate/evaporite rocks and dominated by agriculture downstream. The first objective of this work was to assess some hydrological processes occurring on the basin. The isotopic composition of H and O of water permited to describe water dynamics and reponse delay of water to meteoric events depending on the water reservoir studied and the sampling period. Response delay estimated vary from few days for soil water collected by drains during high flow period, to several weeks for river water, to several months for soil water collected by porous cups and spring water. Secondly, we documented variations of the isotopic composition of S and O of dissolved sulfates in time and space. Three main sources have been identified: atmospheric inputs, weathering of evaporites and leaching of S-fertilizers. Sulfates inputs from S-fertilizers showed a clear seasonality and appeared during high river flow period (October 2003 to March 20004), when the leaching of soils is intensive and would represent up to 13% of the sulfates exported each year by the Madon river at Mirecourt. The isotopic composition of dissolved Sr in rivers on the Moselle basin correspond to a simple mixing between the silicate end-member and the carbonate end-member defined locally, suggesting a relative simplicity of the system studied. On this basis, we tested the potential of Mg as a new isotopic tracer in river systems. Mg in river waters draining silicates is systematically depleted in 26Mg (δ26Mg=-1. 2 and -0. 7‰) relative to corresponding rocks and soils (δ26Mg=0. 2 and 1. 7‰), suggesting that isotope fractionation occurred during weathering. δ26Mg values of dissolved Mg in rivers flowing on sedimentary rocks (-1. 6 to -1. 1‰) are significantly lower than those for rivers flowing on silicate rocks. In addition, δ26Mg values are clearly correlate with 87Sr/86Sr ratio and Sr/Mg ratio, showing that Mg isotopes are able to trace the origin of dissolved Mg for these rivers. Finally, an important excess of Mg and Sr relative to Ca appeared in rivers draining sedimentary rocks on the Lorraine plateau and we demonstrated that the removal of Ca by calcite precipitation is the most likely process to explain this excess