Etude du comportement des éléments traces en milieu estuarien : approche expérimentale et modélisation. Application à l’étude de la spéciation de Cd, Co et Cs dans les estuaires majeurs français (Seine, Loire, Gironde, Rhône).

Catherine DANGE
Thèse de Doctorat de l'Université de Reims Champagne-Ardenne
Spécialité : chimie
Soutenue le 27 juin 2002.

Ce travail est une contribution à l’amélioration des connaissances du comportement biogéochimique des métaux traces et des radionucléides dans les milieux estuariens, véritable trait d’union entre le milieu continental et le domaine marin. La plupart des contaminants métalliques et des radioisotopes se caractérisent par un comportement de type non conservatif au cours de leur transit vers les océans. Ces derniers sont présents dans les eaux estuariennes sous différentes espèces dissoutes (ions libres, complexes minéraux et organiques), colloïdales, particulaires (adsorbé, précipité, ...) ou assimilés par différents mécanismes dans les organismes. Cette distribution est le résultat de processus physiques, chimiques et biologiques qui sont contrôlés par de très nombreux facteurs (force ionique, pH, nature et teneur en matières en suspension, concentrations en cations majeurs, concentration en ligands inorganiques et organiques dissous, potentiel redox, production primaire, ...). Les modèles chimiques constituent un outil de choix pour comprendre la dynamique de ce type de contaminant dans les milieux complexes que sont les estuaires.

Un modèle de spéciation (MOCO) capable de reproduire le comportement géochimique de Cd, Cs et Co et de prédire les formes physico-chimiques sous lesquelles ils se trouvent lors de leur transit estuarien a été développé et appliqué à la simulation des profils dissous et particulaires de ces métaux au sein des principaux estuaires du littoral français (Seine, Loire, Gironde, Rhône). A ce jour, le modèle élaboré permet de prendre en compte les processus majeurs qui gouvernent le comportement de ces trois éléments, à savoir la complexation et l’échange ionique de surface ainsi que la compétition avec les ligands dissous de l’eau de mer ou avec les cations majeurs pour les sites de surface. Les éléments Cd, Co et Cs ont été sélectionnés dans la mesure où leur devenir en estuaire est tributaire de la plupart des processus physico-chimiques recensés dans ces environnements. De surcroît ces métaux présentent des isotopes émetteurs gamma à la demi-vie assez longue, ce qui nous a permis de mettre en œuvre un certain nombre d’expérimentations basées sur l’utilisation de leurs analogues radioactifs : 109Cd, 57Co et 134Cs.

Le choix des processus modélisés repose à la fois sur les travaux portant sur la biogéochimie de Cd, Co et Cs en zone estuarienne et les connaissances acquises sur le terrain. L’utilisation des traceurs radioactifs tant en laboratoire que lors des campagnes de terrain a notamment permis de dégager les processus physico-chimiques majeurs et les variables environnementales clé régissant la spéciation et le devenir des contaminants et de vérifier la validité des hypothèse du modèle. Par ailleurs, elle a permis d’évaluer les constantes d’affinité des matériels particulaires des différents estuaires vis-à-vis des éléments étudiés (constantes de complexation et d’échange de surface). Les autres paramètres nécessaires au modèle développé, non mesurables directement, ont été obtenus de façon "indépendante" par l’intermédiaire d’autres techniques expérimentales menées en laboratoire (titrages potentiométriques, méthode d’adsorption BET, caractérisation géochimique, …). L’ensemble de ces méthodes a conduit à la détermination des propriétés géochimiques et physico-chimiques "globales" intrinsèques de surface des particules qui conditionnent leur réactivité de surface et leurs capacités à fixer les espèces métalliques et les radionucléides (capacité d’échange cationique, concentration des sites de surface, surface spécifique, constantes d’acidité de surface). L’étude du rôle des différentes fractions géochimiques des particules naturelles (carbonates, oxy-hydroxydes de fer et de manganèse, matière organique, aluminosilicates) dans cette réactivité globale vis-à-vis de Cd, Co et Cs a également fait l’objet de ce travail.