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Impact des processus physico-chimiques eau-roche sur le comportement des isotopes du Zn et du Cu en systèmes contrôlés et naturels : application au bassin amazonien

15/06/2016

IPGP - Îlot Cuvier

14:00

Soutenances de thèses

Amphithéâtre

Damien Guinoiseau

Biogéochimie environnementale (BGE)

Résumé Depuis 150 ans, le développement industriel et les activités anthropiques associées sont marqués par une utilisation accrue et un rejet important de métaux d’intérêts dans l’environnement. Parmi ceux ci, le zinc et le cuivre apparaissent comme des éléments clés, car indispensables à tout être vivant et donc sujets aux phénomènes de carence ou de toxicité environnementale. Ces observations rendent la compréhension du cycle externe de ces deux métaux à la surface de la Terre (zone critique), indispensable. Préalablement à l'analyse de l'impact humain sur ces cycles, une meilleure connaissance de la dynamique naturelle du zinc et du cuivre dans l’environnement est nécessaire. Celle-ci passe notamment par l’identification des facteurs de contrôle de cette dynamique telles les interactions eau-roche. Ainsi, cette thèse a pour but de préciser l’impact des interactions physico-chimiques du zinc et du cuivre avec les phases minérales ou organiques sur leur mobilité et leur disponibilité dans l’environnement. Afin d’identifier les principaux processus pouvant entrainer une modification de leur comportement, l’approche isotopique s’est avérée être l’outil analytique le plus adapté. Parmi les principales phases réactives présentes dans l’environnement, seul le fractionnement isotopique associé à l’adsorption du Zn sur les argiles demeure inconnu. Une détermination de celui-ci en milieu contrôlé a donc été menée sur de la kaolinite, l’argile la plus répandue en milieu tropical. Par la suite, la dynamique du Zn et du Cu a été observée dans deux environnements macroscopiques où les interactions de ces métaux avec les phases minérales ou organiques peuvent être facilitées : le bassin versant organique du Rio Negro ainsi que la zone de confluence "Encontro das Aguas" formant l’Amazone. Le bassin du Rio Negro se caractérise par un export majoritaire de Zn et du Cu sous forme colloïdale et par un contrôle prédominant par la matière organique. Le Zn dans les particules conserve néanmoins la signature acquise dans les sols et témoigne donc de l’impact du cycle pédologique sur le signal observé dans le fleuve. La zone de confluence fait se rencontrer deux rivières aux chimies contrastées (le Rio Solimões sédimentaire et le Rio Negro organique). Du point de vue isotopique, cet environnement fonctionne tel un mélange de deux sources, conservant de ce fait le message isotopique initial. A l’opposé, les calculs de flux en amont et en aval de cette zone révèlent d’importantes pertes élémentaires (notamment du Zn et du Cu), définissant cet environnement tel un filtre géochimique avec un déphasage entre le matériel sédimentaire et dissout apporté et celui exporté hors de la zone de mélange. Abstract Since 150 years, industrial development and associated human activities have been accompanied by increasing use and release of metals in the environment. Amongst these metals, Zinc and Copper are of particular interest due to their micronutrient quality for each living organism and thus, subjected to deficiency or toxicity issues in the environment. These observations make the understanding of Zinc and Copper external cycle at the Earth's surface (critical zone), essential. Previously to analyze the accurate human impact on these cycles, a better knowledge of Zinc and Copper natural dynamic in environment is needed. To do so, an identification of control factors as the water-mineral intractions, on this dynamic must be adressed. Thus, this study aims at defining the impact of physico-chemical interactions of Zinc (Zn) and Copper (Cu) with mineral and organic phases on their transport and availability in the environment. To identify the main processes involving a modification of their behaviour, the isotope ratio measurement appears as the most adapted tool. Among the main reactive minerals in the environment, only the isotope fractionation associated with Zn adsorption onto clays is missing. Its determination by laboratory experiments was led on the kaolinite clay, the most common clay in tropical regions. Thereafter, Zn and Cu were observed in two macroscopic ecosystems where metal interactions with mineral or organic constituents are facilitated: the organic Rio Negro basin and the "Encontro das Aguas" mixing zone that forms the Amazon River. The Rio Negro basin is characterized by a dominant Zn and Cu export as colloids and by a predominant control of organic matter. Nevertheless, Zn in particles preserves the signature acquired in soils and evidences the direct link between pedological cycle and recorded riverine signal. The "Encontro das Aguas" area results from the confluence of two chemically contrasted rivers (organic-rich Rio Negro and sediment-rich Rio Solimões). According to Zn and Cu isotope ratios, this system evolves only as an integrative mixing of sources, keeping intact the initial isotopic message. By contrast, the calculations of flux upstream and downstream of this zone reveal important elemental losses (namely for Zn and Cu), characterizing this environment as a geochemical filter with a dephasing between the input and the output of sediment and dissolved material.