Etude de la dynamique, des sources et de la spéciation des éléments tracés dans le bassin versant de l’orge (Essonne, France)

Dynamics, sources and speciation of trace elemetns in the Orge River watershed (Essonne, France)

• Auteur / Autrice : Pierre Le Pape
• Direction : Cécile Quantin, Sophie Ayrault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences environnementales, géosciences
• Date : Soutenance le 04/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....) - Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Interactions et dynamique des environnements de surface - Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Quantin, Sophie Ayrault, Guillaume Morin, Françoise Elbaz, Laurent Michot, Jean-Marie Mouchel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Françoise Elbaz, Laurent Michot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spéciation

Zinc

Sédiments en suspension

Essonne (France)

Eaux de surface

Urbanisation

Éléments traces

Mots clés libres

Eléments traces

Spéciation

Sources

Urbanisation

Traçage isotopique

Plomb

Zinc

Microscopie électronique

EXAFS

Trace element

Speciation

Sources

Urbanization

Isotopic analyses

Lead

Zinc

Electronic microscopy

EXAFS

Résumé

Ce travail a pour but d’étudier la dynamique des éléments traces (ETs) dans la colonne d’eau d’une rivière anthropisée : l’Orge. La partie amont du bassin versant draine en majorité des terrains boisés et des terres agricoles, et vers l’aval, des zones urbanisées de plus en plus denses jusqu’à son exutoire dans la Seine, au sud de Paris. Quatre campagnes de prélèvements ont été effectuées le long de l’Orge suivant une année hydrologique (2010/2011). Le suivi spatio-temporel des concentrations dans la phase dissoute (< 0,45 µm) et dans les matières en suspension (MES) a été associé à des outils de traçage isotopique (δ34S [SO42-], 206Pb/207Pb) pour comprendre la dynamique de la partition des ETs ainsi que pour caractériser leurs sources en rivière sous pression urbaine. Une caractérisation fine de la spéciation solide du zinc, contaminant inorganique majeur en rivière dans ce bassin versant a été effectuée en couplant diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et à transmission associée à la microanalyse, et spectroscopie d’absorption des rayons X sous rayonnement synchrotron. Les résultats géochimiques caractérisent les rejets de ruissellement et les rejets liés à l’assainissement comme des sources majeures d’ETs en rivière. Les résultats des analyses isotopiques ont permis de créer un indicateur de la pression anthropique en rivière, traçant à la fois les compartiments dissous et particulaire, tout en tenant compte des paramètres physico-chimiques des eaux et de l’hydrodynamisme. L’analyse de la spéciation solide du zinc dans les MES a permis d’identifier les phases porteuses principales de cet élément comme étant les oxyhydroxydes de fer et manganèse à composante phosphatée, la calcite, les phases argileuses et la silice amorphe. La microscopie confirme l’existence de ces phases ainsi que l’existence de phases porteuses accessoires dans la colonne d’eau oxygénée, notamment des sulfures. Plus généralement, l’ensemble de ces investigations a permis de mieux comprendre le fonctionnement des cycles biogéochimiques des ETs en rivière urbanisée, et offre de nouvelles perspectives de recherche encore largement sous exploitées grâce à l’analyse conjointe de la spéciation et de l’isotopie des métaux.

The aim of this work is to study the dynamics of trace elements (TE) in the water column of the Orge River. In the upstream part of the watershed, land uses consist mainly in forests and agricultural soils, whereas downstream, the population density reaches up to 8,000 inh. km-2, in the suburbs of Paris Megacity. The sampling sites were chosen to describe a gradation in urbanization influence from up to downstream in this particularly contrasted catchment. Four sampling campaigns were performed at seven selected sites along the Orge River during an hydrological year (2010/2011). The spatio-temporal monitoring of the concentrations in the dissolved phase (< 0.45 µm) and in suspended particulate matter (SPM) was associated to isotopic tools (δ34S [SO42-], 206Pb/207Pb) to understand both the dynamics of TE partition and the sources of contamination. Speciation of zinc was investigated as it is the main inorganic contaminant in the Orge River catchment, using X-ray diffraction, scanning/transmission electron microscopy coupled to microanalysis, and synchrotron X-ray spectroscopy. Results of geochemical analyses showed that runoff and sewer releases are major sources of contamination in river. Results from isotopic measurements allow to build a hydro-geochemical indicator of anthropogenic pressure in river which considers both physico-chemistry and hydrodynamics, by tracing simultaneously dissolved and particulate compartments. The investigation of zinc speciation permits to identify iron and manganese oxyhydroxydes, calcite, clays and amorphous silica as main bearing phases for this element. Microscopy results confirmed the existence of such phases in river and allowed the identification of secondary zinc bearing phases as sulfides, “surprisingly” present in the oxic water column. At last, this work permitted a better understanding of biogeochemical cycling of TE in urbanized rivers, and to explore new research schemes by coupling speciation and isotopic measurements for specific elements.