Dendrogéochimie isotopique du plomb et du zinc dans le secteur est de la région pétrolifère du nord-est de l’Alberta.

Dinis, Lauriane (2014). Dendrogéochimie isotopique du plomb et du zinc dans le secteur est de la région pétrolifère du nord-est de l’Alberta. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 272 p.

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Résumé

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Des études dans la région nord de la rivière Athabasca (nord-est albertain) révèlent que les processus industriels lourds associés à l’extraction et à la valorisation des sables bitumineux produisent, par les voies aériennes et hydriques, des concentrations faibles de métaux pouvant potentiellement influencer les cycles des métaux de l’environnement boréal avoisinant. Dès lors, il est nécessaire d’effectuer des recherches permettant de différencier des apports atmosphériques potentiels, de la variabilité naturelle des concentrations de métaux (ex. influence des conditions climatiques). L’objectif principal de cette thèse est de comprendre quelle est l’influence des conditions climatiques et des émissions anthropiques sur le cycle de métaux, telle que décelée par le système d’archive naturelle que sont les arbres. Pour ce faire, les cernes de croissance d’épinettes blanches et les horizons de sols associés ont été échantillonnés sur deux sites, à 33 et 44 km par rapport au coeur des opérations d’extractions des sables bitumineux. Un protocole de préparation d’échantillons précis a été développé pour mesurer pour la première fois les valeurs des rapports isotopiques du zinc (δ66Zn) ainsi que celles du plomb (206Pb/207Pb et 208Pb/206Pb) à de très faibles concentrations (de l’ordre de la partie par milliard) dans ces cernes de croissance d’arbres. Les concentrations d’éléments essentiels tel que le zinc (Zn), le cuivre (Cu), le fer (Fe), le calcium (Ca), le magnésium (Mg), le manganèse (Mn), le potassium (K) et le phospore (P), ont également été analysées dans les cernes et les horizons de sols afin de vérifier leur utilité en dendrogéochimie, spécifiquement dans les épinettes blanches. Les résultats de ce travail de recherche permettent de mettre en évidence des contributions d’apports atmosphériques anthropiques ainsi qu’une influence des conditions climatiques sur le continuum sol-arbre. En particulier, les caractéristiques du Pb, analysées à très faibles concentrations dans les cernes, enregistrent à la fois les conditions climatiques (hivernales, printanières et estivales) et différents apports atmosphériques anthropiques et naturels entre 1878 et 2009 (Article I). Entre 1878 et 1922, le Pb observé dans les cernes de croissance a des valeurs isotopiques indiquant un Pb originaire des horizons minéraux. À partir de 1922, il provient du Pb anthropique des aérosols du nord-ouest de l’Amérique du nord, qui est ensuite progressivement remplacé par les émissions issues de l’extraction des sables bitumineux à faibles doses. Les résultats permettent également d’identifier certains processus responsables de la spéciation, de l’assimilation et du transport radial de métaux dans le continuum sol-arbre. Dans le cas du Zn nous proposons une hypothèse pouvant rendre compte des tendances observées dans les séries temporelles. Cette hypothèse suppose qu’une fois déposé dans le cerne, le Zn est affecté par la translocation entre l’aubier et le duramen (Article II). Les concentrations d’autres éléments (Cu, Fe, Ca, Mg, Mn, K et P) dans les cernes de croissance montrent également des profils marqués à long terme par l’effet de la translocation radiale. Cette dernière constitue un processus rédhibitoire en dendrogéochimie puisqu’elle masque d’éventuelles variations potentiellement reliées à des changements environnementaux. Ce projet de recherche aura produit plusieurs retombées scientifiques. Il présente les premiers rapports isotopiques du Pb analysés à très faibles concentrations et les premiers rapports isotopiques du Zn obtenus sur des cernes d’arbres. Le protocole de préparation d’échantillons découlant de ce travail est disponible pour toute équipe de recherche désirant effectuer ces analyses dans les cernes de toutes espèces d’arbres. Ce travail de recherche présente aussi la première perspective historique utilisant les rapports isotopiques du Pb dans la région des sables bitumineux. Et enfin, il montre que les rapports isotopiques du Pb analysés dans les cernes des épinettes blanches peuvent être utilisés en tant qu’indicateurs environnementaux pour le suivi de la pollution.

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Studies in the Northern Athabasca region (northeastern Alberta) reveal that the heavy industrial processes associated with oil sands extraction and upgrading are emitting, via both aerial and waterborne pathways, low concentrations of metals that can potentially influence metal cycles of the surrounding boreal environment. As a consequence, there is a need for research that enables to distinguish potential anthropogenic inputs from natural variability in metal concentrations (e.g. climatic influences). The main objective of this research is to understand the influence of climatic conditions and anthropogenic emissions on metal cycles, as inferred from a natural archival system that are trees. To do so, white spruce tree rings and associated soil horizons have been sampled from two sites, at 33 and 44 km from the heart of the oil-sands extraction operations. Precise analytical methods have been developed to analyze, for the first time, zinc isotopic values (δ66Zn), and lead isotopic values (206Pb/207Pb and 208Pb/206Pb) that occur at very low concentration (in the order of parts per billion) in these tree rings. Concentrations of essential elements such as zinc, (Zn), copper (Cu), iron (Fe), calcium (Ca), magnesium (Mg), manganese (Mn), potassium (K) and phosphor (P) have also been analyzed in tree rings and soil horizons to verify their usefulness in dendrogeochemistry, specifically in white spruce trees. Results of this research allow interpreting an input from anthropogenic atmospheric emissions as well as a climatic influence on the soil-tree continuum. Specifically, Pb characteristics, analyzed at very low concentrations in tree rings, are recording both climatic conditions (winter, spring and summer) and various anthropogenic and natural atmospheric inputs between 1878 and 2009 (Article I). Between 1878 and 1922, the Pb observed in tree rings has isotopic values indicating a mineral horizon Pb source. From 1922, Pb comes from western North American aerosols, which are subsequently progressively substituted by oil sands extraction emissions in small amounts. Results also allow identifying several processes responsible for metal speciation, uptake and radial transport within the soil-tree continuum. In the case of Zn, we propose one hypothesis that could explain observed trends in temporal series. This hypothesis proposes that once in tree ring, Zn is affected by translocation between sapwood and heartwood (Article II). Other element concentrations (Cu, Fe, Ca, Mg, Mn, K et P) in tree rings also show long-term profiles marked by effect of radial translocation. The latter is a prohibitive process in dendrogeochemistry as it masks possible variations potentially related to environmental changes. This research project has produced several scientific benefits. It presents the first Pb isotopic ratio analyzed at very low concentrations and the first Zn isotopic ratio ever measured in tree rings. The sample treatment protocol resulting from this work is now available for any research team wanting to perform such analyses in tree rings of any tree species. This research work also presents the first temporal perspective using Pb isotopic ratios in the oil sands region. Finally, it shows that Pb isotopic ratios analyzed in white spruce tree rings can be used as environmental indicators for pollution survey.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Savard, Martine M.
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Bégin, Christianet Gammon, Paul
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	dendrogéochimie; isotopes du plomb; isotopes du zinc; protocole de préparation d’échantillons; processus biogéochimiques; influence des conditions environnementales
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	17 mars 2015 20:28
Dernière modification:	23 juill. 2024 12:54
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/2618

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