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Modélisation de la diagenèse précoce de l'arsenic en milieu lacustre.

Couture, Raoul-Marie (2010). Modélisation de la diagenèse précoce de l'arsenic en milieu lacustre. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 204 p.

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Résumé

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Cette recherche avait pour but: i) de déterminer les taux nets des réactions impliquant l'arsenic (As) dans les sédiments lacustres lors de la diagenèse précoce, ii) d'identifier les réactions qui contrôlent sa mobilité et d'en déterminer les vitesses, Hi) de reconstituer les variations historiques de la contamination de l'atmosphère par l'As en utilisant les sédiments comme archives environnementales et iv) de modéliser le couplage géochimique arsenic- oxygène-carbone-fer-soufre pour prédire la capacité des sédiments à séquestrer l'As. L'étude a porté sur deux lacs du Bouclier canadien et deux lacs des Appalaches, dont les bassins versants sont peu perturbés par l'activité humaine. Dans chacun des lacs, les distributions verticales du pH et des concentrations en As, Fe, Mn, sulfure (∑S-II), soufre zéro- valent(∑S0), cations majeurs (Na, K, Mg et Ca), anions majeurs (F⁻, C1⁻, SO2*4, et NO⁻3), C organique et C inorganique ont été déterminées dans l'eau interstitielle des sédiments. Les activités en 210Pb et l37Cs et les teneurs en As, Fe, Mn, Al, S total, S inorganique réduit et C organique ont aussi été déterminées dans des carottes de sédiments prélevées aux mêmes sites. Les sédiments d'un des lacs ont en outre été incubés dans le but de mesurer les vitesses de dégradation de la matière organique. Les profils d'As dissous ont d'abord été interprétés à l'aide d'un modèle cinétique inverse afin de dévoiler les taux nets des réactions dans lesquelles l'As est impliqué et pour définir objectivement les couches sédimentaires où elles se produisent. Les réactions susceptibles de survenir ont ensuite été identifiées à l'aide de calculs thermodynamiques considérant l'ensemble du jeu de données géochimiques. Ces informations ont permis d'émettre des hypothèses plausibles sur les réactions qui séquestrent ou remobilisent l'As dans les sédiments, puis de calculer leurs constantes de vitesse. Dans les sédiments où se forment des oxyhydroxydes de Fe, la mobilité de l'As est contrôlée par son adsorption sur ces phases minérales. Nous avons déterminé que cette réaction est relativement lente en milieu naturel, contrairement à ce qui est généralement observé en laboratoire. Dans les eaux où l'on retrouve des sulfures, l'As dissous est fixé en phase solide par adsorption sur les sulfures de Fe. Nos calculs, fondés sur un ensemble de constantes thermodynamiques nouvellement proposé dans la littérature, suggèrent que la transformation de l'arsénite (HA₃s¹¹¹O°₃ en oxythioarséniates (HxAsvSnOx-3 4-n) favorise la séquestration de l'As dans les sédiments. Des études en laboratoire devront être entreprises pour vérifier que cette réaction est bel et bien possible et si elle doit être incluse dans les modèles de la diagenèse de l'As dans les sédiments. Nous avons ensuite comparé les profils d'As dans les sédiments de deux bassins adjacents dans un même lac; l'un dont la colonne d'eau est oxygénée en permanence et l'autre dont l'hypolimnion est saisonnièrement anoxique. Les résultats révèlent que la stratigraphie de l'As était très différente dans sédiments des deux bassins, en raison de la présence abondante d'oxyhydroxydes de Fe dans les sédiments du bassin dont l'hypolimnion est oxygéné en permanence. Les taux nets des réactions de l'As estimés précédemment ont servi à quantifier la redistribution post-dépôt de l'As et à corriger les enregistrements sédimentaires. En appliquant ensuite une correction basée sur l'inventaire du 210Pb mesuré, normalisé à l'inventaire du 210Pb atmosphérique, on a pu réconcilier les variations chronologiques du flux de l'As atmosphérique vers les deux bassins. Les apports d'As atmosphérique dans la région de Québec ont culminé vers 1950, en raison de l'usage domestique du charbon comme source d'énergie pour le chauffage des habitations. Nous avons également appliqué cette méthode aux profils d'As mesurés dans les sédiments des lacs de la région des Appalaches, ce qui a permis de révéler que l'influence de la fonderie de métaux de Murdochville sur la contamination de l'atmosphère par l'As était maximale vers 1980. Enfin, les informations sur les réactions de l'As et sur la chronologie de son dépôt atmosphérique ont permis d'établir respectivement les paramètres cinétiques et les conditions limites d'un modèle de transport-réaction direct. La calibration du modèle a été effectuée en utilisant les données du bassin oxygéné du Lac Tantaré. Le modèle a été utilisé pour interpréter les profils d'As dans l'eau interstitielle et les sédiments et pour simuler le comportement de l'As lors de changements environnementaux. En particulier, le modèle a révélé que la contamination de l'atmosphère en SO2-4, à l'origine des pluies acides, a vraisemblablement augmenté la capacité des sédiments dans des lacs du Québec à séquestrer l'As en favorisant la formation de sulfures de Fe. L'adsorption de l'As sur les sulfures de Fe permettrait l'enfouissement de ~10% de l'As actuellement déposé à l'interface eau-sédiment au site d'étude. Le modèle prédit que ~15% de l'As déposé est maintenu captif dans la boucle rédox associée au recyclage de Fe(OH)₃(s) près de l'interface eau-sédiment, alors que ~75% est retourné vers les eaux sus-jacentes sous forme dissoute et ce, en dépit de la présence d'une couche d'oxyhydroxydes de Fe dans les sédiments de surface.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Gobeil, Charles
Co-directeurs de mémoire/thèse: Tessier, André
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: modélisation; diagenèse précoce; arsenic; milieu lacustre; sédiment; As; contamination
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 août 2013 14:56
Dernière modification: 12 nov. 2015 20:33
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1460

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