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Sources d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans la région des sables bitumineux de l’Athabasca : approches isotopiques.

Jautzy, Josué Jules (2015). Sources d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) dans la région des sables bitumineux de l’Athabasca : approches isotopiques. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 165 p.

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Résumé

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Cette thèse de doctorat s’inscrit au sein du projet CORES (Coal & Oil Sands Resources Environmental Sustainability) mis en place par Ressources Naturelles Canada (RNCan). Elle vise à différencier les contributions des sources naturelles des sources anthropiques d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) en utilisant des séquences sédimentaires lacustres de la région des sables bitumineux de l’Athabasca (AOS) dans le nord de l’Alberta, Canada. Le développement rapide des activités d’extraction minières ainsi que de valorisation des AOS dans cette région induit par la demande mondiale croissante en ressources fossiles a fait émerger un certain nombre de questions environnementales au sujet de l’impact de ces opérations. L’une de ces questions particulièrement préoccupantes, concerne l’étendue des émissions de polluants organiques telles que les HAP, un groupe de molécules toxiques dont certaines sont connues ou suspectées comme étant cancérigènes. La vaste région impactée par ces opérations d’extraction du bitume enregistre un dépôt d’un mélange de sources complexe d’HAP en raison de l’existence de sources minières et naturelles étroitement intriquées telles que les feux de forêt et l’érosion de dépôts de ressources fossiles dans les bassins versants des rivières Peace et Athabasca. Par conséquent, une compréhension approfondie des sources d’HAP contribuant au « background » naturel ainsi qu’une approche de différenciation de source à haute résolution est nécessaire pour pouvoir appréhender l’impact des activités minières dans cette région. Alors que des preuves de dépôt atmosphérique d’HAP ont été démontrées à proximité (c.-à-d., ~ 50 km) du coeur des opérations d’extraction et de valorisation des sables bitumineux, la nature exacte des source(s) prédominantes ainsi que l'étendue géographique du dépôt de ces contaminants organiques sont encore débattues. De plus, l’évaluation et la quantification de l’accumulation potentielle d’HAP liées à l’exploitation minière en aval dans le delta Peace-Athabasca (PAD), sont limitées par un manque d'information concernant la contribution des apports non liés aux activités minières provenant du bassin versant de la rivière Peace. Par conséquent, afin d'affiner la différenciation des sources d’HAP, de comprendre l'étendue géographique de leurs dépôts et d’apporter des informations supplémentaires quant à leur bruit de fond naturel dans la région des AOS, cette étude propose l'application de diverses techniques d'analyse isotopique à l’échelle moléculaire en utilisant des séquences sédimentaires lacustres amalgamées. Les échantillons ont été prélevés dans quatre lacs différents afin de couvrir la variabilité géographique de la contribution des sources dans cette région et pour fournir un enregistrement chronologique des apports d’HAP prédatant le début du développement industriel à grande échelle de l’exploitation des AOS (c.-à-d., ~ 1967). δ13C) mesurées sur Tout d'abord, une reconstitution chronologique de la répartition des sources d’HAP a été réalisée à l’aide de sédiments lacustres datés provenant de deux lacs de tête situés à environ 40 et 55 km à l'est de la zone principale des activités minières à ciel ouvert. Les concentrations des 16 HAP prioritaires de l’Environmental Protection Agency (EPA) en plus des rétène, dibenzothiophène (DBT) et de six groupes alkylés ont été mesurées tout au long de ces carottes de sédiments. Et, c’est avec l'aide de ratios diagnostiques d’HAP et des signatures isotopiques du carbone (des HAP individuels que les sources potentielles associées à l’observation d’un dépôt croissant d’HAP au cours des 30 dernières années dans ces lacs ont été étudiées (Section III, Article 1). Dans un second temps, les doubles signatures isotopiques (δ2H, δ13C) du phénanthrène ont été mesurées dans une séquence de sédiments lacustres datée provenant d’un lac situé dans le secteur Athabasca du PAD (c.-à-d., ~ 150 km au nord du centre principal des opérations minières). Une comparaison a ensuite été effectuée avec une gamme de sources potentielles d’HAP dans la région (c.-à-d., coke de pétrole résiduel issu de la valorisation du bitume : petcoke – échantillon non disponible pour l’article 1 –, les feux de forêt et le bitume d’AOS). Cette comparaison a été suivie d’une approche statistique bayésienne afin de modéliser la répartition des sources en fournissant une reconstitution de l'évolution chronologique des contributions relatives de ces dernières (Section III, Article 3). Pour finir, des mesures d’abondances naturelles du carbone radioactif (14C) au niveau moléculaire ont été effectuées sur une séquence sédimentaire amalgamée provenant d'un méandre mort situé dans le secteur Peace du PAD et sensible aux crues de la rivière Peace. Ces analyses ont servi à discriminer les contributions relatives des sources naturelles d’HAP alkylés (biomasse fossile et moderne) dérivées du bassin versant de la rivière Peace tout au long des ~ 50 dernières années. Ce lac étant situé dans le bassin versant de la rivière Peace, il n’enregistre aucun apport d’HAP provenant des activités d’extraction ou de l’érosion naturelle des gisements d’AOS transporté au sein du bassin versant de la rivière Athabasca. Cette technique analytique particulière a permis d’apporter des informations supplémentaires concernant le « background » d’HAP dans le PAD (Section III, Article 2). Ces travaux de recherche ont permis de démontrer l'efficacité de ces méthodes d’analyses isotopiques à l’échelle moléculaire à des fins de différenciation de sources d’émissions de HAP dans cette région (Section III, Articles 1, 2 et 3). De manière plus spécifique, les résultats de cette étude ont démontré que les lacs situés à environ 50 km du coeur des opérations d’exploitation du bitume ont enregistré un apport croissant d’HAP pétrogénique très probablement lié aux émissions de poussières d’AOS ou de particules de coke de pétrole (c.-à-d., résidus des étapes de valorisation du bitume : petcoke) dues à l’érosion éolienne des mines à ciel ouvert au cours des trois dernières décennies (Section III, Article 1), et que le bassin versant de la rivière Peace était un contributeur important au « background » en HAP pétrogénique du PAD (Section II, article 2). Le couplage des mesures de δ2H et δ13C à l’échelle moléculaire effectuées dans la séquence sédimentaire d'un lac dans le PAD a permis d’apporter des preuves du transport atmosphérique de longue distance de particules de petcoke liées aux activités de valorisation du bitume dans la région principale d’exploitation minière (Section III, Article 3). L'application d'une approche bayésienne de modélisation de mélange isotopique a permis quant à elle de quantifier les apports relatifs d’HAP issus du petcoke, du bitume d’AOS et des feux de forêt au cours des dernières décennies (Section III, Article 3).

Abstract

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This PhD thesis is fully integrated in the CORES project (Coal & Oil Sands Resources Environmental Sustainability) initiated by Natural Resources Canada (NRCan) and aims to differentiate natural from anthropogenic sources of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in lake sediment cores from the Athabasca oil sands region (AOSR) of Northern Alberta, Canada. The rapid development and growth of oil sands mining and upgrading activities in the AOSR as a result of the continued increase in worldwide demand for liquid fossil fuel reserves has raised questions about the environmental impact of these operations. Of particular concern is the extent of emissions of organic contaminants such as PAHs, a group of compounds which are toxic and known or potential carcinogens. The broad region impacted by oil sands mining operations records complex mixtures of PAH depositions due to the co-occurrences of potential mining-related and natural sources of PAHs such as forest fires and erosion of naturally occurring fossil fuel deposits within the Peace and Athabasca watersheds. Consequently, a detailed understanding of background sources of PAHs and a refined approach to source discrimination is required to understand the impact of mining activities. Whereas evidence of atmospheric PAH deposition has been demonstrated in the vicinity (i.e., within ~ 50 km) of the main center of oil sands mining and upgrading operations, the exact nature of the predominant source(s) and the geographical extent of the deposition of these organic contaminants is still under debate. Moreover, the assessment and quantification of the downstream accumulation of potential mining-related PAHs in the Peace-Athabasca Delta (PAD), an ecologically unique region, is hindered by the lack of information concerning the contribution of non oil sands-mining related inputs originating from the Peace River watershed. Therefore, in order to refine the source apportionment of PAHs, understand the geographical extent of PAHs deposition and add insight into the natural background of PAHs in the AOSR, this study proposes the application of various molecular-level isotopic fingerprinting techniques utilizing amalgamated lake sediment cores. Samples were collected from four different lakes to cover the geographical variability in source contributions in this region and to provide a chronological record of PAH inputs pre-dating the onset of the large-scale industrial development which began ~1967. Firstly, a century-long historical record of source apportionment of PAHs in dated sediments was carried out in two headwater lakes located approximately 40 and 55 km east from the main area of open pit mining activities. Concentrations of the 16 Environmental Protection Agency (EPA) priority PAHs in addition to retene, dibenzothiophene (DBT) and six alkylated groups were measured, and with the help of both PAH molecular diagnostic ratios and carbon isotopic signatures (δ13) of individual PAHs, the potential sources associated with the observed increase in PAH deposition to these lakes over the past 30 years were investigated (Section III, Article 1). C Secondly, the dual isotopic signatures (δ2δ13H, C) of phenanthrene were measured in a dated sediment sequence from a lake located in the Athabasca sector of the PAD (i.e., ~150 km north of the main center of mining operations). A comparison was then made with a range of potential sources of PAHs in the region (i.e., upgrader residual petroleum coke: petcoke – sample not available for article 1 –, forest fires and AOS bitumen). This was followed by a bayesian statistical approach to simulate source apportionment, which provided a reconstruction of the chronological evolution of the relative contributions of the different sources (Section III, Article 3). Thirdly, molecular-level natural-abundance radiocarbon (14C) measurements on an amalgamated sediment core from a flood-susceptible oxbow lake in the northern Peace sector of the PAD was used to discriminate the relative sources of naturally-occurring alkylated PAHs (fossil and modern biomass) derived from the Peace River watershed during the past ~50 years. This lake receives floodwaters from the Peace River and thus does not receive fluvially transported PAHs originating from Athabasca oil sands mining activities or from natural weathering and erosion of Athabasca oil sands deposits. This particular technique added insight into the natural background of PAHs in the PAD (Section III, Article 2). This study demonstrated the efficiency of these molecular level isotopic fingerprinting methods to delineate PAH sources in this region (Section III, Articles 1, 2 and 3). More specifically, the results of this study showed that the Peace River watershed was a significant contributor to the petrogenic PAH background of the PAD (Section II, Article 2), that lakes up to around 50 km away from the heart of bitumen mining operations have been recording an increasing input of petrogenic-derived PAHs over the past 3 decades which are very likely related to diffuse bitumen dust emissions from the erosion of open mine pits or petcoke particulates (Section III, Article 1). The coupling of molecular level δ2H and δ13C in the sediment sequence of a lake in the PAD provided evidence for the long-range atmospheric transport of petcoke particulates related to upgrading activities near the main center of AOS mining (Section III, Article 3). The application of a Bayesian isotopic mixing model approach allowed for the quantification of petcoke, AOS bitumen and forest fire contributions over the past few decades (Section III, Article 3).

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Ahad, Jason
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gobeil, Charles
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: isotopes stables; carbon radioactif; analyse isotopique sur composés spécifiques; sédiment lacustres; HAP; sables bitumineux; Athabasca; différenciation de sources de contaminants; stable isotope; radiocarbon; compound specific isotope analysis; lake sediments; PAH; oil sands; Athabasca; contaminants source apportionment
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 06 sept. 2017 21:02
Dernière modification: 06 sept. 2017 21:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5137

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