Transferts et mobilité des éléments traces metalliques dans la colonne sédimentaire des hydrosystèmes continentaux

Valérie DEVALLOIS, thèse de doctorat de l'université de Provence, spécialité sciences de l'environnement, 304 p., soutenue le 13 février 2009

Dans les cours d’eau, les éléments traces métalliques (ETM) sont transférés sous formes dissoutes et/ou fixées aux particules. Sous cette dernière forme, ils peuvent s’accumuler dans les zones sédimentaires et constituer des stocks de polluants. A terme, ces stocks peuvent poser un risque pour la qualité des hydrosystèmes si des changements environnementaux conduisent à accroître leur mobilité qui dépend essentiellement des processus d’érosion, de diffusion interstitielle des phases mobiles et de bioturbation. Dans ce contexte, ces travaux ont concerné la mobilité par diffusion interstitielle. Pour cela, il est important de connaitre comment les ETM se répartissent entre leurs formes mobiles (dissoutes et colloïdales) et non mobiles (particulaires). Ce fractionnement dissous – particulaire des ETM est régi par les réactions de sorption à la surface des particules. Ces réactions dépendent des conditions physico-chimiques du milieu (pH, force ionique, redox) et sont fortement influencées par les processus biogéochimiques de la diagénèse précoce dont le principal est la minéralisation de la matière organique par l’activité bactérienne qui entraîne des évolutions de ces conditions physico-chimiques le long de la colonne sédimentaire. Afin d’appréhender ces processus, ce travail s’appuie sur une approche mixte qui associe terrain, analyse et modélisation. La partie terrain a impliqué 9 campagnes de prélèvements de carottes de sédiment réparties sur 4 sites différents (1 site en Durance et 3 sites sur le Rhône). Ces échantillons ont été analysés selon un protocole qui permet d’obtenir les distributions verticales des paramètres physicochimiques (pH, Redox, distribution granulométrique, porosité), des nutriments et des formes solide - liquide des ETM ciblés (cobalt, cuivre, nickel, plomb, zinc). L’analyse et l’interprétation de ces résultats expérimentaux s’appuient sur un modèle qui a été développé au cours de cette étude et qui intègre : 1) un modèle de diffusion interstitielle (Boudreau, 1997), 2) un modèle biogéochimique (Wang et Van Cappellen, 1996), 3) un modèle de calcul du pH (Devallois et al., 2008) et 4) un modèle d’échanges solide – liquide qui, pour chaque ETM, applique des Kd (L.molphase-1) spécifiques aux principales phases porteuses biogéochimiques.
Les résultats mettent en évidence que la disponibilité des ETM considérés est fortement liée au comportement des phases porteuses biogéochimiques et que la mobilité par diffusion interstitielle dépend essentiellement des caractéristiques granulométriques qui conditionnent à la fois la diffusion et la distribution des phases porteuses biogéochimiques (matière organique, oxydes métalliques, carbonates, sulfures).