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BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGiaUES ET MINIÈRES
SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL
B.P. 6009 - 45 Orléans (02) - Tél.: (38) 66.06.60
POSSIBILITES ACTUELLES
D'ETUDE ET D'ANALYSE
DANS LE DOMAINE DE L'EAU
Département LABORATOIRES
B.P. 6009 - 45 Orléans (02) - Tél.: (38) 66.06.60
AVANT - PROPOS
Les laboratoires de géomicrobiologie , de méthodologie
analytique, de spectrométrie optique d'absorption et de géologie
isotopique ont participé à la rédaction de ce rapport.
Cette note technique a été rédigée, en tenant compte
des possibilités du département Laboratoires au début de
l'année 1971, possibilités qui ont déjà évolué au cours du
premier semestre en fonction notamment des recherches parti¬
culières qui nous ont été confiées. Parmi celles-ci, citons
les études géothermiques pour lesquelles nous avons été amenés
soit à mettre au point le dosage d'éléments nouveaux, soit à
rechercher des seuils de sensibilité extrêmement bas.
Tout en constituant une mise au point, ce rapport ne
doit pas être considéré comme une limite et nos ingénieurs
demeurent prêts à étudier tout nouveau problème.
s o n n A I R E
Pages
A. METHODES D'ANALYSES HYDROGEOCHIMIQUES 3
1. Volume de 1 'échantillon 3
2. Prélèvement5
3. Conservation des caractères physico-chimiques 5
4. Sensibilité - Reproductibilité des résultats 6
5 . Stockage et trai tement des données 9
B. POTABILITES CHIMIQUE, BACTERIOLOGIQUE, PARTICULAIRE 10
1. Potabilité chimique10
2. Potabilité bactériologique10
3. Potabilité particulaire13
4. Caractéristiques physiques, chimiques, bactériologiques des
eaux14
Tableau 1 - Nonnes françaises 14
Tableau 2 - Traitement et qualité des eaux 16
Tableau 3 - Normes du sous-comité technique national U.S 17
C. UTILISATION DES ISOTOPES RADIOACTIFS POUR LA DATATION DES EAUX
SOUTERRAINES20
Les Todioéléments20
1. Détermination des teneurs en tritium dans les eaux 2214
2. Détermination des teneurs en C dans les eaux 24
phages
Les isotopes des éléments stables 27
1. Géologie isotopique de l'oxygène et du carbone 29
2. Géologie isotopique du soufre 33
D. REJET DES EFFLUENTS - PROBLEMES DE L'AUTO -EPURAT ION 35
1 . Géochimi e36
2. Géomicrobiologie37
3. Géologie isotopique37
E. TABLEAU RECAPITULATIF DES EXAMENS EFFECTUES AU
DEPARTEMENT LABORATOIRES38
Analyses hydrogéochimiques38
Potabilité chimique, bactériologique, particulaire ..... 41
Utilisation des isotopes radioactifs et isotopes stables 47
POSSIBILITES ACTUELLES D'ETUDE ET D'ANALYSE
DANS LE DOMAINE DE L'EAU
Les problèmes concernant la conaervation des réserves d'eau pure
et de la lutte contre la pollution, exigent l'intervention coordonnée, non
seulement du géologue, mais aussi de 1 'hydrogéologue, du chimiste, de l'hy¬
giéniste.
C'est ainsi qu'en premier lieu, il est indispensable de compléter
l'inventaire des régions où les nappes d'eau souterraine sont surexploitées.
De la même façon que pour les cours, d'eau de surface on doit recenser les
principales régions où les eaux souterraines sont polluées soit naturellement
(eaux salées ou séléniteuses) , soit artificiellement (pollutions provoquées
par l'homme).
Au sujet des périmètres de protection des captages il s'avère
nécessaire de définir les critères précis et adaptés aux conditions actuelles,
De la même manière et pour les grandes réserves d'eau de bonne
qualité, tl faut établir les critères définissant ces zones privilégiées. .
Tout ceci peut se traduire sous la forme d'une cartographie :
- carte à petite échelle (1/2 000 000) situant sur le territoire
national les principales réserves naturelles d'eau pure classées selon plu¬
sieurs critères (qualité naturelle de l'eau, degré de vulnérabilité) ;
- carte des zones de surexploitation des eaux souterraines à
effet préjudiciel ;
- carte des zones où les eaux souterraines sont plus ou moins
polluées J
- carte de modalités d'exploitation des eaux souterraines ;
- carte des zones favorables aux rejets (classification suivant
la nature et l'importance des rejets en fonction des terrains) ;
- carte des réservoirs profonds susceptibles de recevoir certains
rejets.
Ces études et synthèses permettent d'aboutir a la réalisation
d'ouvrages destinés à protéger les réserves d'eau et à en assurer une exploi¬
tation harmonieuse.
Les Sciences de la Terre ont donc un grand rôle à jouer dans
l'environnement des régions industrielles et agricolss. Ce sont elles qui
permettent de déceler les zones nouvelles d'exploitation et de prévoir et
contrôler les nuisances qui résultent de ces exploitations.
La réalisation de ces objectifs exige une infrastructure scienti¬
fique très élaborée ; dans le domaine de la pollution de l'eau, ce rapport
technique ne concerne donc qu'une partie de l'activité du B.R. G.M. : celui
du contrôle de la qualité des eaux à l'aide de méthodes chimiques, physiques,
isotopiques et bactériologiques.
0 -
A. METHODES D'ANALYSES HYDROGEOCHIMIQUES
Les efforts méthodologiques poursuivis depuis plusieurs années
ont eu les objectifs suivants : réduire le volume des échantillons, conser¬
ver les caractéristiques physico-chimiques entre le moment du prélèvement
et celui de l'analyse, améliorer la sensibilité et la reproductibilité des
résjjltats, le stocKage et le traitement des données.
Efforts qui répondaient à des besoins d'importance inégale, mais
qui justifiaient nos recherches dans ces différents domaines.
1. Volume de l'échantillon
Ce point qui apparaît secondaire, n'est pas sans intérêt car une
réduction sensible du volume, donc du poids et de l'encombrement, est sou¬
haitable pour l'acheminement des échantillons comme pour la conservation en
chambre froide, mais cette réduction est préjudiciable au dosage des traces
et des infra-traces pour lesquelles il est nécessaire de disposer d'une
quantité importante (5 à 10 1) et de concentrer celle-ci lorsqu'on utilise
des techniques analytiques classiques.
Pour résoudre cette incompatibilité dans l'éventualité du dosage
dea éléments en traces, deux options s'offraient : soit réduire, concentrer
l'échantillon sous un faible volume au moment du prélèvement ou au labora¬
toire (ce qui nécessite le transport d'un échantillon volumineux), soit
développement de méthodes analytiques plus sensibles permettant d'effectuer
l'ensemble de l'analyse sur un échantillon de faible volume.
En étudiant la première possibilité, nous pensions avant tout,
aux résines anioniques et cathioniques, ce système permettant a priori de
retenir sous un volume réduit (cartouches de 50 à 100 ml) tous les éléments
majeurs et en traces contenus dans un volume important (2 à 10 1).
Malheureusement, deux observations peuvent être faites : les
manipulations sont longues, de plus, en ce qui concerne les anions, les
éléments constituant le bilan carboné (CO , HCO ) et azoté (NH. , NG ,
- NO ) sont altérés par l'activité bactérienne se développant rapidement
au sein des résines.
Dans la première option, si la concentration est irréalisable
sur le terrain, cette opération demeure nécessaire pour le dosage de cer¬
tains éléments et doit être alors réalisée au laboratoire. Deux procédés
ont été étudiés :
a) LYOPHILISATION
Celle-ci apparaissait comme une méthode élégante de préparation
de l'extrait sec, sans perte des éléments volatils. De plus, en utilisant
des volumes variables, en fonction de la salinité globale, elle devait per¬
mettre d'obtenir les éléments infra-traces à des teneurs qui rendent leur
dosage sensible et reproductible. Ici encore, l'opération est longue,
de plus, avec l'appareil réalisé, il est impossible d'obtenir un lyophilisât
quantitativement représentatif par suite de la volatilisation d'une partie
de l'extrait sous forme d'aérosol.
b) FORMATION ET EXTRACTION DE COMPLEXES
Cette méthode constitue un apport non négligeable pour la mesure
des éléments en traces. Elle permet d'une part en multipliant le facteur
de concentration par 50 ou par 100, de doser certains métaux qui seraient
indosables au degré de dilution initial, d'autre part l'élimination de l'effet
de matrice mais cette technique exige aussi un volume assez important. Nous
verrons comment le développement de la méthodologie analytique nous a permis
de surmonter les difficultés en rendant possible la réalisation d'une ana¬
lyse complète sur un faible volume.
2. Prélèvement
Le prélèvement est un point important sur lequel il faut insister,
car, si celui-ci n'est pas correct, tout effort méthodologique s'avère inutile
et les analyses les plus fines n'ont plus aucune signification.
Par conséquent, les conditions suivantes doivent être réalisées :
a) Utiliser les flacons spécialement préparés par le département
et opérer suivant les indications précises que nous justifions dans le
paragraphe 3.
b) L'eau prélevée ne doit pas contenir de matière en suspension,
argiles, calcaire ... dont certains éléments seraient inévitablement mis en
solution dans le prélèvement acidifié destiné au dosage des cations.
L'eau doit être limpide et prélevée après un certain temps de
pompage de façon à éliminer toute pollution d'origine exogène (pollution
du forage) qui modifie les caractéristiques représentatives de l'échantillon.
Dans le cas où il ne serait pas possible de disposer d'une eau
claire, l'échantillon destiné à l'analyse des éléments en traces devra être
obligatoirement filtré pour le débarrasser de tous les minéraux susceptibles
d'être altérés en milieu acide.
3. Conservation des caractères physico-chimiques
L'eau est un milieu vivant, plus ou moins riche en micro-organismes
dont l'activité propre, pendant la période s 'écoulant entre le prélèvement
et l'analyse, est susceptible de modifier profondément le bilan azoté et
carboné, c'est-à-dire, essentiellement, l'équilibre carbonique et le poten¬
tiel Red/Ox, et par voie de conséquence, la solubilité de nombreux éléments
métalliques qui précipitent à l'état de carbonates ou s'adsorbent sur les
hydroxydes de manganèse et de fer qui précipitent au cours du stockage.
6 -
S'il n'est pas possible de maintenir à leur valeur initiale cer¬
tains paramètres tels que pH, Rh, pO , pCO , température, qu'il faut mesurer
lors du prélèvement, les mesures effectuées sur les autres paramètres au
laboratoire d ' hydrogéochimle sur des échantillons très bien remplis (pour
éviter de grandes variations des pressions partielles des gaz dissous) addi¬
tionnés, soit d'un bactériostatique pour le prélèvement destiné au dosage
des anions, soit acidifiés pour le dosage des cations et conservés à la tem¬
pérature de 4° C dans le noir, nous ont permis d'obtenir des résultats re¬
productibles même après plusieurs semaines de stockage.
4. Sensibilité - Reproductibilité des résultats
Le problème est avant tout celui des traces et des infra- traces.
L'étude systématique des différentes méthodes de concentration : extrait
sec obtenu par evaporation ou baîn-marie, lyophilisation, formation de com¬
plexes extractibles, nous a permis de comparer et retenir cette dernière
dans les cas où elle s'avère indispensable.
La comparaison entre différentes techniques de dosages nous a
permis de garder, dans le cadre de notre équipement, celles qui correspon¬
daient aux critères de sensibilité et de reproductibilité.
C'est ainsi qu'en dehors de la colorimétrie, conservée pour le+ - -
dosage de NH , NO , NO , et de la volumetrie pour la mesure du T A,
du T A C, de l'agressivité, les essais effectués avec l'absorption atomique,
qu'il s'agisse des éléments majeurs, des traces et des infra-traces, nous
ont permis de réaliser l'ensemble des critères souhaitables pour le dosage
des cations et des éléments tels que le silicium et le bore et bientôt le
phosphore : volume réduit de l'échantillon prélevé, reproductibilité, sensi¬
bilité, par une adaptation progressive de la méthodologie.
Pour le dosage de certains anions enfin : Cl , F , NO nous
employons la méthode des électrodes spécifiques.
- 7
Principe des méthodes
Actuellement, le dosage des éléments suivants a été mis au point :
Ca. Mg, Na, K, Ba. Si, Li, Rb, Cs. Si. Fe, Mn. Al, B. Pb. Zn, Cu, Co, Ni,
Cd, Sn. Be, Cr, Mo, V. Ag, Au, Hg.
En fonction de leur concentration le dosage de ces éléments est
possible, soit directement sur l'échantillon, soit indirectement après concen¬
tration. Le dosage direct s'avère possible pour les teneurs comprises entre
0.1 à 1 mg/l.
Lorsque la teneur est inférieure à la limite précitée, il est
indispensable de procéder à une concentration préalable par complexation
et extraction dans un solvant organique, mais le procédé exige un volume
relativement important (1 1) pour que le rapport de concentration soit
intéressant.
Une deuxième possibilité s'est heureusement offerte, le développe¬
ment d'un matériel adapté à l'absorption atomique sans flamme qui permet de'
travailler sur des volumes très faibles de l'échantillon ou de l'extrait
organique. Dans cette technique, la prise d'essai est introduite dans le
tube de graphite d'un four dont le programme des différents paliers de chauffe
peut être réglé à volonté, en température et en temps.
Il existe trois paliers :
. Le premier permet le séchage de la prise d'essai (evaporation
de l'eau et du solvant).
. Le deuxième est destiné à la destruction éventuelle de la
matrice (matière organique - éléments interférents) .
. Le troisième, à l 'atomisation de l'élément à doser (2 800°).
L'axe du tube étant confondu avec celui du faisceau lumineux
de la lampe emissive, il est possible de mesurer l'absorption correspondante.
Cette technique, bien que d'utilisation très délicate, permet
d'améliorer les limites de détection tout en utilisant un très faible volume
d'échantillon.
~ 22SaSe_^£2_§SÍ25§
Pour les dérivés azotés, les sulfates, les méthodes classiques
demeurent les meilleures et notre souci s'est limité à l'adoption d'une
automatisation maximale en utilisant le technicon.
Pour les halogènes Cl F , les nitrates, nous avons adopté des
méthodes électrochimiques en utilisant des électrodes spécifiques à cristal
ou à membrane.
Les électrodes spécifiques mesurent l'activité d'un ion en solu¬
tion. En solution diluée, celle-ci est à peu près égale a la concentration,
dans les autres cas, l'activité est cependant souvent proportionnelle à la
concentration ce qui permet le calibrage en unités de concentration.
Comme pour la mesure de pH, la mesure d'activité est une mesure
de la différence de potentiel de l'électrode spécifique par rapport à une
électrode de référence.
Le potentiel d'électrode se traduit par la relation :
RT
E = Eo + 2,3 y log A
où E est le potentiel d'électrode mesuré,
Eo le potentiel normal de l'électrode,
A l'activité de l'ion dans l'échantillon,
y la charge de l'ion.
Lorsque l'activité de l'ion augmente, le potentiel de l'électrode
augmente positivement dans le cas d'un cation, négativement dans le cas
d'un anion.
Interactions
"L'électrode spécifique" est sujette à des interactions dues
aux autres ions.
En ajustant le pH (milieu tamponné) en précipitant l'ion pertur¬
bateur, par un choix judicieux du type d'électrode (électrode à cristal -
électrode à membrane), il est cependant souvent possible d'éliminer ces
interférences.
5. Stockage et traitement des données
Un autre souci des. laboratoires est de pouvoir mettre à la dis¬
position de l'Informatique d'une part des données, brutes et de réaliser
d'autre part en collaboration étroite avec ce dernier service des programmes
permettant de traiter, de mettre en mémoire et d'imprimer le bulletin d'ana¬
lyse correspondant.
Pour atteindre ce but, les appareils de mesure, par l'intermé¬
diaire d'une interface sont reliés à une télétype qui imprime en termes de
concentration et perfore sur bandes les. données de l'analyse qui sont ensuite
envoyées au département Informatique, pour la mise en mémoire, la rédaction
du bulletin ou le traitement, telle la sortie directe de l'ordinateur, d'une
carte automatique des données d'hydrogéochimie.
- 10
B. POTABILITES CHIMIQUE, BACTERIOLOGIQUE. PARTICULAIRE
1. Potabilité chimique
L'analyse chimique complète définit une potabilité en fonction
de la concentration des éléments, dosés et permet de mettre l'accent sur un
certain nombre de pollutions accidentelle, industrielle ou naturelle (F ...)
en fonction de la nature de l'encaissant.
D'autres paramètres tels que NH , ND , NO , Cl, PO permettent deH ^ *J T"
mettre en évidence la présence de souillures par les matières organiques :
matières organiques d'origine animale (égouts, purins ...) quand la présence
de fortes, teneurs en NH s'accompagne d'une élévation des chlorures et des
phosphates.
La présence de fortes teneurs en nitrates est plus délicate à
interpréter et l'on ne doit pas considérer comme nécessairement suspectes
des eaux qui renferment beaucoup de nitrates et comme pures celles qui n'en
contiennent pas.
Ainsi lorsqu'il n'y a pas association avec une dose élevée de
chlorures, il est permis d'admettre que son origine est essentiellement végé¬
tale ou due aux engrais.
Cependant, il ne faut pas négliger le fait que NO à fortes teneurs
cons-tîtue un danger pour les enfants par suite de la réduction des nitrates
en nitrites par la flore intestinale et l'action méthémoglobinisante de ces
derniers.
2. Potabilité bactériologique
L'examen chimique ne permet pas à lui seul de définir la potabilité
et doit être accompagné d'une analyse bactériologique. Celle-ci s'avère ex¬
trêmement importante, indispensable, du point de vue hygiène, mais cet aspect
ne doî.t pas: nous, conduire à néglî.ger la recherche de bactéries dites banales.
11
aérobies et anaerobios dont l'activité peut avoir des conséquences diverses
sur :
a) LES CARACTERES ORGANOLEPTIQUES, SAVEUR^ TURBIDITE
C'est ainsi que le genre thiobacillus par attaque oxydante des
pyrites est à l'origine de teneurs élevées en fer dans certaines eaux, puis
à la suite de l'oxydation chimique (oxygène dissous) au dépôt d' hydroxydes
aux dépens des carbonates et sulfates ferreux formés par voie biologique.
Les sels de manganèse II solubles sont transformés par l'intermé¬
diaire des bactéries filamenteuses en Mn IV. Le développement de ces micro¬
organismes donne lieu à la formation, dans les tuyauteries, de bioglées qui
augmentent l'adhérence des dépôts sous lesquels la corrosion évolue par
aération différentielle.
b) LA CORROSION DES CONDUITES EN METAUX FERREUX
L'action des bactéries précédentes engendre des dépôts dans les
installations (hydroxydes). Ceux-ci constituent des zones d'aération diffé¬
rentielle favorisant une corrosion électrochimique pouvant elle-même être
entretenue, accélérée par dépolarisation cathodique par suite de la consomma¬
tion de l'hydrogène moléculaire par les bactéries sulfato-réductrices en
anaérobiose :
Dépolarisation cathodique H SO + 8 H > H S = 4 H^O.
Inversement, en milieu plus riche en oxygène dissous, certaines++ ++ +
bactéries du fer transforment le Fe en Fe , cette reaction en utilisant
les ions oxhydriles et les ions ferreux dépolarise à la fois la réaction
anodique et la réaction cathodique entretenant la corrosion.
+ +
Reaction anodique Fe > Fe + 2 -e
1Réaction cathodique 2 - + - 0 + HO ^> 2 OH
Tableau résumant ces différentes actions :
Corrosion Fe + HO > Fe (OH)
- 12
Dépolarisation
M^
Microbes
transmettant
l'H cathodique
Aérobie
Aérobie
Bactéries.
ferrugineuses
Bactéries
oxydant
1 'hydrogène
Oxydation aérobie
2 Fe (aH)^ + H^O + 0
> 2 Fe (OH)^
2 H + 0 ^> HO
Nodules
Réduction des. sulfates
H^SO^ + 8 H -> H^S + 4 H^O
Tableau résumant les processus de corrosion à l'intérieur des conduites
La corrosion ne se limite pas aux circuits d'eau froide. On peut
en effet observer fréquemment des phénomènes de corrosion dans des appareil¬
lages contenant de l'eau chaude (échangeurs de chaleur - ballons d'eau chaude
sanitaire) et des prélèvements effectués dans l'eau, les boues, les nodules
d'h.ydroxydes permettent de montrer la présence constante de micro-organismes
du genre vibriothermophiles.
- 13
Cette activité des micro-organismes est liée aux variations de
certains paramètres. pH. potentiel Red/Dx, présence de certains substrats
SO. , sels ferreux, ... matière organique.
Nous insistons sur cet aspect moins connu des examens bactériolo¬
giques parce qu'il pose, en pratique, des problèmes importants aux utilisa¬
teurs sur le choix des matériaux ou des traitements.
Dn ne saurait enfin refermer la parenthèse sur le problème de la
potabilité de l'eau sans considérer une dernière forme de pollution, celle
des particules minérales et organiques dans l'eau.
3. Potabilité particulaire
L'étude des particules minérales en suspension dans les eaux
constitue un travail complémentaire et parallèle à celui effectué sur la
détection et l'identification des poussières en suspension dans l'atmosphère
des villes.
En effet, l'accroissement de la concentration des poussières dans
les atmosphères urbaines et industrielles a comme corollaire leur accroisse¬
ment dans les eaux superficielles (condensation, précipitation avec les
brouillards et les pluies) pollution à laquelle nous devons ajouter les apports
des effluents industriels et les éléments détritiques des sols entraînés par
les eaux.
Les objectifs de ces recherches sur la pollution particulaire
(atmosphérique ou dans les eaux) sont les suivants : établir un atlas miné¬
ralogique de la pollution en France et étudier les relations entre le degré
de pollution des eaux, tels qu'il est défini par les normes actuelles, la
pollution particulaire et la morbidité.
- 14
4. Caractéristiques physiques, chimiques, bactériologiques des eaux
TABLEAU 1
Normes françaises
EÂUX_ POTABLES
AnAZJtz du 10 aûût 1961
CÁAcutcúAQ, du 24 noviïïibAe. 1954
Température 15° C
Couleur 20 unités (platino-cobalt)
Turbidité 15 gouttes sol, 1°/oo niastic dans 50 ml d'eau
Pouvoir colmatant 0.1
Constituants toxiques
Fluorure 1,0
Sélénium 0,05
Arsenic 0,05
Plomb (à l'origine) 0,1
Chrome VI 0
Cyanure 0
Constituants indésirables
Cuivre (à l'origine) 1,0
Zinc (à l'origine) 5,0
Fer 0,2
Manganèse 0,1
Phénols 0
Inférieur ou égal
mg/l (p. p. m. )
doses inférieures au seuil de
détermination analytique.
mg/l
),3 pour la somme des 2.
(p. p. m.)
- 15
Teneurs maximales souhaitables
Chlorure 250
Sulfate 250
Armioniac 0,06
Nitrite 0,1
Nitrate 10
Magnésium 125
Minéralisation totale 2 QOQ
D°H 30
Chlore (après traitement) 0,10
Matières organiques
(DCD KMnO^ aie.) 2
Bactéries
E. Coli
S. Foecalis.
Cl. Perfringens
0 bactérie par 100 ml
Q - - 50 ml
0 - - 20 ml
Radioactivité Inférieur ou égal
Rayonnement g ou y
Rayonnement oc
0,01 nCi
0,001 -
Ib
TABLEAU 2
Traitement et qualité des eaux
CARACTERES VES EAUX Â RESERVER A L'USAGE VOMESTIQUE
Source excellente n'exigeant Bonne source exigeant Mauvaise source nécessitant
qu'une stérilisation filtration - désinfection traitement et désinfection
B 0 D (5 jours) mg/lValeur moyenne mensuelle maximale 0,75 - 1,5 1,5 - 2.5 Supérieure à 2,5
Maximum pour ou par échantillon 1-3 3-4 Supérieure à 4
Coliformes MPN/100 ml
Valeur moyenne mensuelle 50 - 100 50-5 000 Supérieure à 5 000
Maximum pour ou par échantillon Moins de 5 % supérieur à 100 Moins de 20 % > à 5 000 Moins de 5 % supérieur à 20 000
Oxygène -dissous mg/l 4 - 7,5 4 - 6,5 4
1/2 saturation 75 % ou mieux 60 % ou mieux
pH B - 8,5 5-9 3,8 - 10,5
Chlorure ^ 5,0 50 - 250 > 250
Fluorure < 1,5 1,5 à 3 > 3
Composés phénoliques 0 0,005 > 0,005
Unité de coloration 0-20 20 - 150 > 150
Turbidité 0-10 10 - 250 > 250
- 17
TABLEAU 3
Normes du sous-comité technique national U.S.
CRITERES VES EAUX VE SURFACE VESTINEES A UALIMEUTATI ON
RETENUS PAR LE SOUS-COMÎTE TECHNIQUE NATIONAL VES ETATS UNÍS
Constituant ou caractéristique Autorisé Souhaitable
Physique
Couleur
Odeur
Turbidité
7,5 < 10
Bactéries
Conformes, totaux
Coliformes fécaux
10 000/100 ml
2 000/100 ml
< 100/100 ml
< 20/100 ml
Constituants inorganiques
Alcalinité
Ammoniac
Arsenic
Baryum
Bore
Cadmium
Chlore
Chrome hexavalent
Cuivre
Oxygène dissous
0,5 [en N) < 0,01
0,05 Absent
1 Absent
1 Absent
0.01 Absent
. 250 < 25
0,05 Absent
1 Virtuellement
' absent
5 4 (moyenne mensuelle) Voisin de la
5 3 (sur 1 é chantillón) saturation
- 18 -
Fluor
Dureté
Fer dissous
Plomb
Manganèse dissous
Nitrates + Nitrites
pH
Phosphore
Selenium
Argent
Sulfate
Minéralisation (en solution)
Ion uranyl
Zinc
0,3
0,05
0,05
10 Cen N)
6,0 - 8,5
0,01
0,05
250
500
5
5
Virtuellement
absent
Absent
Absent
Virtuellement
absent
Absent
Absent
< 50
< 200
Absent
Virtuellement
absent
Constituants organiques
Extrait chloroformique
CN
Huiles graisses
0,15
0,20
0,5
Virtuellement absent
< 0,04
Absent
Virtuellement
absent
Absent
Pesticides: :
Aidrine
Chlordane
D.D.T.
Dieidrine
Endrino
Heptaclor
Heptaclor epoxide
Lindane
Méthoxychlor
Organo-phosphores
+ carbonates
Toxaphène
Herbicides :
2.4D + 2.4.5.T + 2.4.5.TP
Phénols
0,017
0,003
0,042
0,017
0,001
0,018
0,018
0,056
0,035
0,1
0,005
P'1
0,001
Absent
19
Radioactivité
Rayonnement 3 1 000 (pc/1) < 100 [pc/D
Radium 226 3 (pc/1) < 1 (pc/1)
Strontium 90 10 (pc/1) < 2 (pc/1)
Pour certains: constituants ou caractéristiques, le sous-comité
ne retient aucune valeur, soit à cause de l'interprétation pouvant être
donnée à cette dernière, par exemple, nature du produit engendrant l'odeur
ou la forme sous laquelle se trouve l'élément dosé, tel le cas du phosphore
plus, toxique sous forme de complexe.
- 20 -
C. UTILISATION DES ISOTOPES RADIOACTIFS POUR LA DATATION DES EAUX SOUTERRAINES
Les Radioéléments
Un des problèmes essentiels en hydrogéologie est la détermination
du temps de renouvel lem.ent moyen des eaux souterraines. Si l'on désigne par
V le volume d'eau souterraine, par AV le volume des entrées ou des sorties
pendant le temps At, le temps de renouvellement moyen t est donné par laV
relation simple : T = .., .. . Il faut bien remarquer que ceci n'est valableAV/At
que lorsque la nappe est à l'équilibre, c'est-à-dire lorsque le volume d'eau
AV entrant et participant effectivement à la recharge est égal au volume
d'eau sortant. D'autre part la nappe doit être circonscrite dans cJes limites
étanchBS.
Au cours de ces dernières années, le service de géologie isotopique
a orienté ces recherches sur la détermination des vitesses d'écoulement dans
la nappe et sur les processus d'infiltration et d'évaporation à l'aide de
traceurs radioactifs.
Les radioisotopes naturels d'origine atmosphérique sont généralement
produits- par l'action de la composante neutronique du rayonnement cosmique
s.ur les constituants gazeux de l'atmosphère. Cette production que l'on peut
calculer est fonction de plusieurs paramètres tels que l'altitude, la latitude
et le temps. Par ailleurs, les explosions nucléaires sont à l'origine de la
présence dans l'atmosphère de nombreux radioisotopes artificiels.
Les deux radioéléments qui font l'objet d'étude au laboratoire3 14
sont le tritium ( H) et le carbone 14 C C).
21
Appareillage de mesure au laboratoire
14Le tritium et le C sont deux radioisotopes émettant un rayonnement
3 de faible énergie.
Deux méthodes de détection peuvent être utilisées pour les mesures
radioactives : soit le comptage gazeux à l'aide d'un compteur proportionnel,
soit, le comptage par scintillation liquide. Malgré les. avantages du compteur
à. gaz dont le rendement est élevé avec un faible bruit de fond, le comptage
par scintillation liquide a paru préférable en raison de sa simplicité.
a. Principe de la sointillation liquide
Les. échantillons sous forme aqueuse ou sous une autre forme liquide
(benzène - toluène) peuvent être incorporés au scintillateur. L'excitation
de la solution scintillante par le rayonnement 3 donne naissance à des photons
ÍSS.US des. centres excités, qui sont collectés par un système optique (photo¬
cathode) et convertis par un photomultiplicateur en impulsions électriques
qui. sont amplifiées et comptées.
h. Appareillage utilisé
Le spectromètre 3 utilisé est un TRLCARB PAC!<LARD 3 000, détecteur
à_ deux photomultiplicateura montés, en coïncidence, éliminant de ce fait la
majeure partie des. impulsions parasites de chaque P.M.
22
1. Détermination des teneurs en tritium dans les eaux
1.1. Rappel de quelques données fondamentales
3
Le tritium 1 H ou T est un isotope radioactif, masse 3 de l'hydro¬
gène, se désintégrant avec une période de 12.26 ans, c'est un émetteur de
rayonnement 3 de très faible énergie [énergie maximale de 18,6 KeV) . Les
teneurs sont évaluées en unité tritium : - 1 UT . qui correspond à unJt D
atome de tritium pour 10 atomes d'hydrogène.
L'origine du tritium est double :
a) Le_tritium_naturel
Très peu répandu dans la nature, le tritium, comme les autres
radioisotopes naturels, est produit par l'action des neutrons cosmiques sur
les différents constituants gazeux de l'atmosphère.
h5 !r§ Îritium_artificiel
Il provient essentiellement des essais thermonucleaires aériens
qui ont débuté en novembre 1952, contribuant à la formation de quantités
importantes de tritium.
Le tritium est pour l'essentiel, rapidement intégré aux molécules
de la vapeur d'eau atmosphérique, les molécules d'eau tritiée tombant sur
le globe par l'intermédiaire des pluies.
De l'ordre de quelques U.T. avant les explosions, les teneurs en
tritium des eaux de pluie ont montré un accroissement important atteignant
un maximum de 3 à 5 000 U.T. en 1963, date des derniers essais. Depuis,
l'activité tritium des eaux de pluie montre une baisse progressive générale
avec cependant des variations saisonnières, des variations avec la latitude
ou des variations en fonction de l'éloignement des côtes.
23
Le cycle des eaux se poursuit par l'intermédiaire soit des eaux
de ruissellement, soit des eaux souterraines. Le tritium permet de suivre
la circulation de ces eaux, de déterminer leur âge moyen et par conséquent
le temps de renouvellement des eaux d'une nappe. A noter que si la teneur en
tritium d'une eau est de l'ordre de 1 ou 2 U.T., ceci revient à dire que cette
eau est antérieure aux explosions de 1952.
Il serait hasardeux de tirer une conclusion en fonction de quelques
valeurs, seule, une étude systématique peut permettre une interprétation
valable des résultats.
1.2. Enrichissement électrolytique
En tenant compte de la statistique des comptages, l'activité
minimale détectable est de l'ordre de 50 U.T., ce qui exige un enrichissement
des. échantillons à faible teneur.
Le laboratoire s'est équipé d'un dispositif permettant un enrichis-
s.ement électrolytique des échantillona. par réduction de volume. Par suite
d'un fractionnement isotopique, on a constaté que la réduction du protium
était plus, rapide que celle du tritium, si bien qu'il y a concentration de
ce dernier dans l'électrolyte au fur et à mesure de l'avancement de 1' elec¬
trolyse.
Il est possible, en fonction du volume initial, généralement 250 ml
d'obtenir des. facteurs d'enrichissement de l'ordre de 12, mais dans le cas
de faible teneur un facteur d'enrichissement de l'ordre de 40 peut être
atteint avec un volume initial de 1 litre.
Cette méthode peut donc déterminer avec suffisamment de précision
des teneurs, de l'ordre de quelques U.T.
24 -
1.3. Intérêt de la méttiode
Le prélèvement des échantillons est simple et n'exige pas d'appa¬
reillage complexe sur le terrain. Les volumes d'eau à prévoir sont de l'ordre
du litre ou pour les faibles teneurs de deux litres. Un stocKage éventuel
n'a pas d'inconvénient pour la détermination des teneurs en tritium, un cal¬
cul pouvant être effectué pour tenir compte éventuellement de la décroissance
radioactive entre le moment du prélèvement et la mesure.
Connaissant les caractéristiques isotopiques des précipitations
participant à la recharge des nappes et celles de leurs exutoires, il est
possible d'établir un modèle rendant compte de la dynamique des nappes dans
le cas d'eaux récentes.
L'étude doit être entreprise avec une échelle de temps suffisamment
grande, au moins de l'ordre de l'année sur un bassin versant représentatif
ou une nappe bien individualisée. Il est alors possible de résoudre certains
objectifs pratiques comme les conditions d'optimisation, d'exploitation, de
périmètre de protection, etc.
142. Détermination des teneurs en C dans les eaux (en cours de réalisation)
Il existe des eaux plus anciennes qui entrent dans des cycles
hydrogéologiques, beaucoup plua longs que ceux pouvant être étudiés è l'aide
du tritium. Leur temps de renouvellement moyen est généralement compris entre2 4
10 et 10 ans ; dans ce cas de nappes d'eau très anciennes, on peut employer
la méthode du radiocarbone.
En effet, la "datation" des eaux souterraines est possible par la
mesure de la décroissance d'un radioisotope. Dans le cas d'une nappe où il
n'y a pas mélange, la concentration initiale en radioisotopes Co décroît selon
la formule classique suivante : C = Co e
25
2.1. Rappel de quelques données fondamentales
14Le C est un isotope radioactif se désintégrant avec une période
de 5 670 ± 30 ans. C'est un émetteur de rayonnement 3 de faible énergie
(énergie maximale de 158 KeV) .
Formé dans l'atmosphère sous l'action des neutrons cosmiques
te, il est rapidement oxydé en CD i
métabolisme dans le règne végétal et animal.
sur l'azote, il est rapidement oxydé en CD et pénètre par photosynthèse et
Certaines variations ont pu être constatées par rapport à la14
teneur moyenne en C dans l'atmosphère.
C'est ainsi que :
14- de moins 6 000 ans à moins de 2 500 ans. la teneur en C a
diminué de 14 %. Ceci peut être attribué à une variation du taux de produc-14
tion du C qui serait due soit à une variation de l'intensité du champ ma¬
gnétique terrestre, soit à des variations de l'intensité du vent solaire.
- Un changement climatique peut entraîner une variation dans la14
teneur en C. En effet une baisse de la temperature dss océans facilite la mise
en solution de CD . d'où une concentration plus grande en carbone - 14 dans les
océans, ce qui entraîne un "rajeunissement" des eaux.
- Un autre phénomène est dû à l'activité de la biomasse terrestre,
dont le développement entraîne une augmentation de l'assimilation chlorophyl¬
lienne, d'où une diminution du CD atmosphérique et corrélativement une aug-14
mentation de la teneur en C.
- De plus, depuis un siècle environ, il faut tenir compte de la
con±)ustion des produits carbonés fossiles (charbons et pétroles) qui entraîne14
une diminution de la teneur en C dans l'atmosphère (effet Suess) .
14- Enfin, la production artificielle du C par les essais thermo¬
nucléaires a été nettement ressentie depuis 1952.
26 -
2.2. Etude des nappes d'eaux "anciennes"
Dn admet à cette échelle de temps des eaux "anciennes" que le taux14
de production de C est essentiellement constant et voisin de 100. A la
surface du sol, le rôle des racines et des micro-organismes détermine une
valeur élevée en CD [jusqu'à 5 % alors que dans l'atmosphère, la teneur n'est
que de 0,03 %). Il en résulte que l'eau de percolation peut dissoudre beau-14
coup plus de gaz carbonique possédant la même teneur en C que le CD atmos¬
phérique, car il provient de matières organiques vieilles au plus de quelques
dizaines d'années.
Cette teneur en CO va conditionner la dissolution du calcaire
suivant la mention classique suivante :
Teneur
en 14c
CD^Ca + CD + H D -s-
100
(CD^H)^ Ca
50
14La teneur en C du bicarbonate sera égale à 50, car il provient
pour moitié du CD atmosphérique dont la teneur est de 100 et pour l'autreV 14
moitié du' calcaire, ou la teneur est de 0, car il n'y subsiste plus de C.
14La teneur en C du bicarbonate décroît avec une période de
145 B70 ana, il en resuite que l'eau présentant une teneur en C de 25 sera
"âgée" d'environ 5 600 ans et ainsi de suite.
Mais, pratiquement, on trouve pour les eaux actuelles, des valeurs
comprisBS. entre 50 et 100, ces variations pouvant être dues soit par échange
avec du CO provenant de l'oxydation de matières organiques récentes, soit14
du CO "enrichi" en C par les explosions thermonucléaires. Ce phénomène
détermine un "rajeunissement" de l'eau. Par contre des échanges avec du CD14
d'origine magmatique dépourvu de C ou du calcaire ont pour effet de diminuer14
la teneur en C et de "vieillir" l'eau. Il eat possible de ae rendre compte13 12
de cea échangea en meaurant le rapport C/ C faisant intervenir les tech¬
niques d'analyse des isotopes atablea.
27
2.3. Techniques de prélèvements
14Le principe de la méthode est donc basé sur la mesure du C,
celle-ci exigeant environ 2 à 3 g du bicarbonate de l'eau. Il est donc en
général nécessaire de traiter de 20 à 200 litres d'eau.
Le traitement peut être fait, soit en laboratoire, soit même sur
le terrain, avec des dispositions spéciales pour éviter toute pollution avec
l'atmosphère.
Cette méthode a un intérêt certain pour la détermination du temps
de renouvellement de nappes, d'eau très anciennes (depuis quelques milliers
d'années jusqu'à 50 000 ans).
L'utilisation des isotopes radioactifs tels que le tritium et le
carbone - 14 en hydrogéologie permet d'ajouter, une échelle de temps aux
grandeurs physico-chimiques classiques, ce qui est évidemment extrêmement
précieux pour l'étude d'un phénomène naturel. Mais il importe que ces études
hydrochronologiques menées conjointement avec celles d' hydrogéologie, soient
conduites en respectant les diverses échelles où interviennent en particulier
quelques uns des paramètres évoqués précédemment.
Les isotopes des éléàiènts stables
L'étude des variations isotopiques naturelles des éléments stables
a pris une importance considérable au cours des dernières années, apportant
des données précises dans, différentes disciplines, géologiques telles que la
pétrographie, l'hydrologie, l'hydrogéologie, l'océanologie. La notion d'iso¬
topes stables, est la conséquence d'une théorie de SODDY (1910), visant à
expliquer les variations de masse atomique de certains éléments qui occupent
la même place dans le ayatème périodique de MENDELEEV, donc ayant le même
nombre de protons dans leur noyau, mais dont la masse atomique varie.
28
H. UREY (1947) a montré le premier l'intérêt de l'étude de la
teneur en isotopes stables des composés naturels. Par des raisonnements
thermodynamiques il a démontré que la composition isotopique des éléments,
en particulier des plus légers, était sujette, par suite d'un "fractionnement",
à des variations non négligeables en fonction des conditions physiques. De ce
fait naquit l'hypothèse que les composés naturels pouvaient conserver dans
les proportions isotopiques de leurs composants, certaines particularités
de leur histoire.
Le fractionnement même dans les circonstances très favorables
n'aboutit jamais à une grande variation de composition isotopique. Comme
d'autre part la concentration en isotope lourd est très faible, on sera
donc amené à rechercher des variations faibles d'une quantité elle-même
petite. Les techniques d'analyse par spectrométrie de masse ne permettent
pas d'effectuer des mesures absolues d'un échantillon quelconque avec une
précision suffisante aux applications géologiques. Il est donc préférable
de procéder par mesures relatives, c'est-à-dire que les mesures de l'échan¬
tillon sont faites par rapport à un "étalon" de référence. On définit une
valeur "delta" telle que si l'on pose :
abondance isotope lourd
abondance isotope léger
R échantillon
R étalon1 ODD
Les variations de concentrations étant très faibles, le facteur 1 000
permet une simplification des résultats.
On voit que si 6 est positif, il y a enrichissement en isotope
lourd, inversement si ô est négatif il y a appauvrissement.
- 29
1. Géologie isotopique de l'oxygène et du carbone
A.O. NIER (1950) a déterminé l'abondance relative de différents
éléments tels que le carbone, l'oxygène, l'argon et le potassium. Pour les
deux éléments nous intéressant plus particulièrement, la répartition natu¬
relle des. isotopes est la suivante pour l'oxygène, trois isotopes stables :
16 17 180, 0, 0.
^^0 ''u '^
Atmosphère 99,759 % 0,0374 % 0,2039 %
Eau 99,760 % 0,0420 % 0,1980 %
12 13Pour le carbone, deux isotopes stables : C et C
^^C '\
98,892 % 1,108 %
Ces. valeurs ne constituent en fait que des moyennes, la mesure
dea écarts, par rapport à ces moyennes conduit aux interprétations géologiques
ou hydrogéologiques des échantillons. En fait, dans l'analyse isotopique de1 R 1 R
l'oxygène, on n'étudie que les variations du rapport 0/ 0. En effet,
l'oxygène 17 se trouvant en faible proportion, son étude est malaisée, par1 fi
ailleurs, son comportement se déduit aisément de celui de 1' 0.
30 -
1.1. Comportement des isotopes de l'oxygène et du carbone
dans le cycle de l'eau
Toutes les données expérimentales confirment les processus du
fractionnement isotopique. L'exemple le plus simple est celui de l'eau en
présence de vapeur, il s'agit là d'un fractionnement entre deux phases d'un
même composé qui dépend seulement de la différence de tension de vapeur de
chacune des espèces isotopiques à une température donnée. Il en résulte que1 R
les molécules H 0, passent préférentiellement dans la phase vapeur. Il .
s'ensuit donc un enrichissement de la phase liquide.
Dans la nature la principale source de la vapeur atmosphérique est
l'eau des grandes masses océaniques. Point de départ et d'aboutissement des
cycles hydrologiques, les océans jouent le rôle de bassin tampon où les dif¬
férents fractionnements isotopiques constatés localement se compensent ou
s'annulent. C'est pour cette raison qu'à la suite des travaux d 'EPSTEIN et
MAYEDA (1953) et CRAIG (1961) l'eau des océans a été choisie comme étalon
universel. Celui-ci est appelé communément SMOW (standard mean ocean water),
il représente la composition isotopique moyenne de l'eau océanique, et son
delta est zéro par définition.
1.2. Problèmes pratiques de l'analyse
Les variations isotopiques sont mesurées au spectromètre de masse
sous forme gazeuse.
L'eau pourrait être analysée directement sous forme de vapeur mais
de nombreuses difficultés techniques ont conduit à procéder par mesure in¬
directe sous une autre forme gazeuse.
Le gaz utilisé est du gaz carbonique, de composition isotopique
connue, qui a été maintenu en équilibre isotopique avec l'eau à analyser.
Après équilibration, la composition isotopique de ce gaz est modifiée et le
résultat de son analyse permet de remonter ensuite à celle de l'eau.
31
1.3. Domaines d'application des analyses isotopiques de 1' oxygène
et du carbone
L'intérêt de l'analyse des isotopes du carbone et de l'oxygène
des eaux d'origine variée, a été établi par de nombreux travaux qu'il n'est
pas possible de résumer ici. Ils concernent tous les "milieux" hydrologiques,
glaces, banquises, neige, grêle, pluies, eaux courantes, eaux de mer. etc.
. 18^a) Q
1 R
La teneur en 0 dea eaux de surface ou souterraines peut être
utilisée pour leur traçage naturel dans l'étude des nappes et des cours
d' eaux.
Citons particulièrement les travaux de W. DANSGAARD qui collationne
depuis plusieurs années les résultats relatifs aux précipitations d'un ré¬
seau de stations couvrant une grande partie de l'ancien continent et bâtit
ainsi une synth-èse météorologique à l'échelle des continents, nécessaire pour
la compréhension des problèmes hydrogéologiques.
Le fractionnement isotopique est en étroite dépendance de la
température et la composition isotopique dea précipitations dépend de leurs
conditions de formation, c'est-à-dire qu'elle eat fonction :
- de l'histoire des masses d'air qui leur donnent naissance, donc :
. de la composition de l'eau à partir de laquelle la vapeur
s'est formée.
. du nombre et de la durée des processus de condensation et
d'évaporation auxquels a été soumise précéderrment la masse d'air.
- Du degré d'évaporation des précipitations au cours de leur chute
au aol (important dans, les régions aridea) .
- De la quantité relative et de la composition isotopique du
matériel réévaporé rentrant dans la masse d'air où se forment les précipita¬
tions..
- Des températures pendant lesquelles se produisent evaporation et
condensation.
32
En pratique, si l'on considère des pluies moyennes, du type mensuel.
il est possible de relier les variations de composition isotopique des préci¬
pitations et celles de la température du lieu où elles sont recueillies.
Ces variations sont saisonnières, et sont fonction de l'altitude, de la lati¬
tude et de l'éloignement des côtes (phénomène de continentalité) .
Connaissant les caractéristiques isotopiques des précipitations dans
une région donnée, il est possible de déterminer l'origine des eaux souter¬
raines et de suivre leur comportement.
D'autres études peuvent être entreprises pour l'explication de
phénomène tels que le fonctionnement des geysers et des sources chaudes liées
au volcanisme, ou la cinétique des bassins en voie d'évaporation.
Il convient de noter que l'on mène fréquemment, en parallèle avec
l'étude de l'oxygène, la mesure de la teneur en deuterium. Bien que le deu-1 fl
térium se comporte généralement comme 1' D, des différences de comportement
entre les deux isotopes lourds apportent parfois un complément des données
dans l'analyse de l'eau.
13 12La mesure du rapport des isotopes stables du carbone C/ C peut
donner des indications sur l'origine du carbonate dissous dans l'eau. Ainsi14
qu'il a été dit précédemment pour les mesures de C, la composition isoto-13
pique en C du bicarbonate dépendra de celle du calcaire encaissant (par13
exemple calcaire marin ô C=Q) et du CD d'origine atmosphérique appauvri en13
isotope lourd par l'assimilation des végétaux (ô C- - 25 "/oo^-
Il en résulte que le bicarbonate verra sa teneur s'établir à
-12,5 °/oo" Mais par suite de l'échange isotopique entre le bicarbonate et
le CO de l'humus, la teneur en carbone - 13 va se fixer vers ô « - 17°/oo-
On est à même de se rendre compte d'éventuels échanges en détermi-13 12
nant le rapport C/ C, cette analyse permettant une correction éventuelle14
à apporter aux mesures de C.
33
Par ailleurs, dans le cas des eaux d'origine profonde généralement13 12
thermales, le rapport C/ C du bicarbonate dissous dans l'eau est un critère
irréfutable de l'origine ignée du CD .
2. Géologie isotopique du soufre
Dans la nature, l'élément soufre présente quatre isotopes stables
(^^S = 95 %, ^^S = 0.7 %. ^^S = 4,2 % et ^^S = 0,017 %) .
C'est sur le rapport le plus aisément mesurable, celui entre les
isotopes 32 et 34 que portent les analyses au spectromètre de masse.
La forme sous laquelle il est commode d'étudier les rapports isoto-2
soufre est 1' anhydrite sulfureux SO
de l'échantillon du composé soufré à analyser.
2piques du soufre est 1' anhydrite sulfureux SO , terme final de la préparation
Les résultats sont exprimés en "ô°/oo" par référence à un étalon
constitué par le soufre de la troïlite de la météorite du Canyon Diablo32 34 34
( S/ S = 22,22 soit 6 S°/oo = 0^- Cette valeur, assez constante pour le32 34
soufre dans les météorites, est très voisine des rapports isotopiques S/ S
de la croûte terrestre et du manteau, on peut donc considérer cette valeur
22,22 comme le rapport fondamental du soufre d'origine profonde.
Comportement des isotopes du soufre dans le cycle de l'eau
Avec le soufre, on ne considère plus la molécule d'eau elle-même
mais son rôle comme agent de transport de l'ion sulfaté. A partir de la compo¬
sition isotopique du soufre, il est possible de remonter à la genèse de l'ion
sulfaté dans l'eau souterraine et de constater si l'on doit attribuer son
origine :
- au lessivage des sols riches en gypse,
- à l'oxydation des sulfures par voie chimique ou bactérienne,
- aux précipitations atmosphériques polluées par les zones indus¬
trielles,
- à l'emploi d'engrais dans les sols.
34
A ces différents exemples correspondent des compositions isoto¬
piques en soufre spécifiques qui reflètent bien l'histoire des sulfates en
question.
Des analyses de ce genre ont également une grande importance dans
lea eaux thermominérales sulfureuses ou sulfatées pour l'établissement de la
genèse de ces minéralisations.
Une autre application de la composition isotopique du soufre dans
les. eaux souterraines peut être proposée pour établir si en bordure de mer
l'origine des sulfates est à rechercher dans une infiltration directe de l'eau
de mer ou si cette contamination correspond à un des cas envisagés précédem¬
ment.
Domaine de recherches relativement récent, l'hydrogéologie isotopi¬
que est devenue opérationnelle ces dernières années. C'est la seule méthode,
jusqu'à présent, qui permette grâce aux isotopes de l'hydrogène et de l'oxy¬
gène, de connaître le comportement propre de l'eau, sans passer par l'intermé¬
diaire des substances dissoutes présentes naturellement ou artificiellement.
35
D. REJET DES EFFLUENTS - PROBLEMES DE L 'AUTO-EPURATION
L'augmentation des besoins en eau et la nécessité d'éliminer les
effluents conduisent certains à traiter toutes les eaux usées de façon à per¬
mettre leur recyclage immédiat. (Solution envisagée aux U.S.A.). Une autre
tendance se développe, qui consiste à faire approuver le principe de la réin¬
jection des eaux usées et des effluents industriels soit dans des nappes ex¬
ploitées ou exploitables, si l'on attribue au milieu naturel un pouvoir d'épu¬
ration suffisant, soit dans un horizon inférieur dans le cas contraire. .
Cette possibilité paraît une solution alléchante permettant de se
débarasser aux moindres frais de toutes les pollutions. Elle n'est acceptable
que dans la mesure où l'on est certain que le milieu biologique et minéral
jouera le rôle souhaité d'épurateur dans le premier cas, ou que la nappe in¬
férieure rechargée ne diffuse pas dans des nappes exploitées dans le deuxième.
Déjà pour les eaux superficielles en cours d'infiltration ce rôle
d'auto-épuration est mal connu, qu'il s 'agisse. du pouvoir adsorbent ou de l'ac¬
tion biologique, il peut être différent suivant la couverture humique, le
taux d'oxygénation ou le pouvoir réducteur, la nature des horizons traversés.
De plus, les eaux usées par suite de leur composition et de leur concentration
ont des caractéristiques différentes des eaux météoriques alimentant normale¬
ment la nappe, par suite, elles peuvent modifier les équilibres naturels :
biologique et physicochimique.
En effet, des eaux riches en matière protéiques, même partiellement
dégradées sont une source de carbone et d'azote favorisant l'activité de cer^
tains microorganismes dont l'action sera prédominante suivant les conditions
d'aérobiose ou d' anaérobiose : nitrification des eaux, dissolution du fer et
du manganèse. Le métabolisme carboné favorisera l'augmentation des pressions
partielles en gaz carbonique, donc l'agressité vis-à-vis des calcaires. Inver¬
sement cette activité pourra être inhibée par certains toxiques soit organique;
soit minéraux aussi bien au niveau des horizons humiques riches en matières
36
organiques, qu'en ce qui concerne certains polluants : pesticides, hydrocar¬
bures, détergent ... dont la biodégradation peut être arrêtée. C'est ainsi
que l'emploi généralisé des produits de lavage introduit dans le milieu des
sels minéraux divers comme les borates qui diminuent la fertilité, les phos¬
phates qui contribuent à 1 'eutrophisation des lacs peu profonds, riches en
matières organiques, en favorisant le développement du phytoplancton et du
zooplancton, introduisant ainsi un déséquilibre très important du biotope.
Des éléments tels que CN, Cd, Pb, Cu, Cr sont toxiques pour l'hom¬
me mais également pour les microorganismes, ils nuisent à leur développement
provoquant ainsi une diminution du pouvoir d'épuration.
Les phénols, les dérivés cationiques sont bactérîostatiques ...
Le comportement physico-chimique des horizons traversés au cours de
la percolation des eaux est aussi mal connu : pouvoir adsorbent des horizons
humiques. argileux, échange ionique, mobilisation, dissolution d'éléments
éventuellement toxiques.
Il semble par conséquent tout aussi difficile d'envisager les phéno¬
mènes dans le cas de réinjection dans des nappes profondes. N 'est-^ce-pas se
donner du recul à l'égard des conséquences éventuelles et diluer les respon¬
sabilités qu'une façon correcte d'envisager le problème ?
Aussi serait-il indispensable d'étudier ces problèmes avant de se
trouver devant des phénomènes irréversibles et de développer des études dans
les sens suivants.
1. Géochimie
- Poursuite des études sur la mobilité des éléments traces, sur
leur fixation, sur différents modèles de sols et roches avec notamment l'uti¬
lisation d'éléments marqués.
- Circulation et dégradation de certains produits organiques : étu¬
des effectuées en utilisant des pollutions accidentelles ou volontaires sur
un terrain d'expérimentation.
37
2. Géomicrobiologie
Etude des souches prédominantes au niveau des différents horizons
dea sols et dans les eaux de la nappe en fonction des éléments dissous (orga¬
niques et minéraux) .
3. Géologie isotopique
Etude des vitesses de recharge par traceurs naturels ou artificiels
de courte période.
Etude sur le pouvoir de fixation des sols en fonction de leur na¬
ture, de leur porosité . . .
- 38
TABLEAU RECAPITULATIF DES EXAMENS EFFECTUES
AU DEPARTEMENT LABORATOIRES
A. METHODES D'ANALYSES HYDROGEOCHIMIQUES
1. Analyse sommaire
Volume d'eau nécessaire 0^250 l
1 à 4 anions au cation parmi : Ca, Mg, Na, K, CD , CD H , SD ,
Cl , NO^ .
2. Analyse classique permettant un bilan
Volume d'eau nécessaire 0^500 l
Ca, Mg, Na. K, CO^ , CO^H , SO^ , Cl , NO^
3. Analyse complémentaire portant sur les éléments en très faibles concen¬
trations .
1) TRACES ; SEUIL DE DETECTION ; 0,1 mg/l (100 ppb)
Volume d'eau nécessaire 0^250 l
B, Ba, Cs, F. Li, Rb, Si, Sr
Ag, Al, Au, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn. Zn.
39
utilisée.
B, Si,
2) INFRATRACES ; SEUIL DE DETECTION ; quelques mg/m^ (ppb)
a) VOLUME NECESSAIRE 1 litre ou 0^125 l suivant la technique
Ag, Al, Au, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, Zn,
b) VOLUME NECESSAIRE 0,125 l
Dosage des mêmes éléments que 2 a
4. Analyse spéciale pour études géothermiques
Volume nécessaire 2 X 0,125 l
Dosage des mêmes éléments que ceux figurant aux paragraphes 2 et 3
5. Mesures physiques
pH, résistivité . . .
NOTE :Ces mesures qui comprennent aussi bien pH, résistivité que pO , pCO ...
peuvent toujours être faites en laboratoires mais leur signification est alé¬
atoire en fonction de la conservation des échantillons aussi nous insistons
pour qu'elles soient faites sur le terrain et nous soient communiquées.
RECOMMANDATIONS :
a) Compte tenu du seuil de dosabilité et des concentrations habi¬
tuellement très faibles en elementa dosés aux paragraphes 3 (analyse complé¬
mentaire) et 4 (analyse apéciale pour étude géothermique) et afin de conser¬
ver aux résultats donnés, leur rigueur, le flaconnage sera fourni obligatoire¬
ment par nos soins lorsqu'il s'agira d'effectuer ces analyses.
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b) Pour assurer aux échantillons, une bonne conservation et cette
condition est imperative pour réaliser non seulement les analyses du para¬
graphe 3 (analyse complémentaire) mais aussi celles du paragraphe 2 servant
pour le bilan azoté et du paragraphe 4 (analyse spéciale pour études géother¬
miques). Chaque échantillon sera prélevé deux fois.
1) Le premier prélèvement sera acidifié à l'acide chlorhydrique de
qualité voulu à raison de 5 ml/1.
2) Le second sera stabilisé avec le chloroforme à raison de 5 ml/1.
Ces 2 réactifs seront fournis avec le flaconnage.
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B. POTABILITE CHIMIQUE, BACTERIOLOGIQUE, PARTICULAIRE
Certains éléments présents dans l'eau la rendent impropre à la con¬
sommation, s'ils dépassent une certaine concentration ainsi pour les sulfates
et chlorures dont le dosage est prévu au chapitre précédent ; leur concentra¬
tion en SO et Cl ne doit pas dépasser 250 mg/l.
D'autres mesures, chacune en ce qui la concerne selon son caractère
propre, renseignent, sur le degré de potabilité et de pollution.
1. Potabilité chimique
TA : (titre alcalin)
TAC : (titre alcalin complet)
TH : (titre hydrotimétrique, indiquant la dureté de l'eau exprimée
en degré français).
Bilan azoté : (nitrites, nitrates, ammoniac azote total)
a) nitrites ae trouvent généralement à des doses très faibles. Ils
peuvent provenir d'une réduction des nitrates ou d'une oxydation de l'ammo¬
niac.
Dans une eau potable la teneur ne doit pas dépasser 0.1 mg/l.
Limite de détection : 0,007 mg/l en NO
b) nitrates : peuvent provenir de la dissolution des nitrates des
terrains, traversés ou des engrais ; ou de la nitrification de l'azote organi¬
que.
La teneur ne doit pas dépasser 44 mg/l en N0 (Réglementation fran¬
çaise) .
Limite de détection 0,2 mg/l en NO
- 42
c) ammoniac : d'origine végétal ou industriel, la teneur ne doit
pas dépasser 0,5 mg/l
Limite de détection 0,02 mg/l en azote ammoniacal.
d) azote total : méthode Kjeldahl permettant le bilan complet
azoté.
Phosphates et polyphosphates
a) Phosphates ou orthophosphates d'origine minérale pour la plupart.
b) Polyphosphates comprenant : meta, pyro, ou triphosphates ; ils
peuvent provenir des engrais, fosses d'aisances, fumiers, etc. être ajoutés
volontairement [adoucissement de l'eau).
Les teneurs exprimées en P^O ne doivent pas dépasser 5 mg/l.
Limite de détection 0,02 mg/l.
Cyanures : Proviennent d'eaux résiduaires industrielles. La réglementation
française indique que l'eau potable ne doit pas en contenir.
Limite de détection 0,002 mg/l en CN .
Demande biologique en oxygène (DBO ) : C'est la quantité d'oxygène consommée
en un temps donné (5 jours.) dans des conditions déterminées par les germes
aérobies décomposant la matière organique de l'eau.
Demande chimique en oxygène (DCO) (sur eau brute ou décantée : 2 h) : Elle
permet de déterminer la teneur en éléments réducteurs organiques ou minéraux
de l'eau. Cette détermination est sujette à caution au-dessous de 50 mg/l de
0 consommé.
43 -
Oxydabilité au permanganate : Elle permet la détermination globale de la ma¬
tière organique par le permanganate de potassium exprimée en mg/l d'oxygène
consommé.
Théoriquement :
a) en milieu acide le permanganate ne détruit que les M.D. complexes
en laissant intact des composés comme l'urée.
b) en milieu alcalin le permanganate détruit les composés des eaux
polluées par les déchets animaux.
Ainsi un taux de M.O. exprimé en mg d'O /l d'eau, supérieur en mi¬
lieu alcalin permettra de conclure à une pollution d'origine animale.
Matière en suspension d'origine minérale ou organique elle est déterminée par
filtration au centrifugation.
Nous examinons la nature de ces matières en suspension (quartz -
hydrate ferrique, etc.). Voir pollution particulaire.
Matière décantable (2 h) d'origine minérale ou organique. Elle peut subir
le même examen que les matières en suspension totale.
Phénols - Crësols - Naphtols : pollutions d'origine industrielle mais aussi
animale.
La réglementation indique que l'eau potable ne doit pas en contenir.
Limite de dosabilité 0,001 mg/l.
Détergents : C'est une mesure sur l'ensemble des agents tensioactifs anioniques
formant avec le bleu de. méthylène un composé extractible par le chloroforme.
La solution étalon de comparaison est préparée a partir d'AKyl benzène sulfate.
Méthode normalisée dite A.B.S.
Limite de dosabilité 0,1 mg/l.
- 44
REMARQUES
Pour effectuer les déterminations précédentes c'est-à-dire, TA -
TAC - TH - phosphates et polyphosphates, cyanures, DCO - DBO - oxydabilité5
ou permanganate - phénols - détergents et hydrocarbures 2 litres d'eau non
traitée sont nécessaires.
1 litre d'eau stabilisée par 5 ml de chloroforme est nécessaire pour
le bilan azoté (nitrites - nitrates - ammoniac).
L'analyse bactériologique est le complément indispensable pour dé¬
finir la qualité d'une eau destinée à l'alimentation humaine.
Le dénombrement total des bactéries renseigne sur le degré de conta¬
mination de l'eau. Des examens, répétés à diverses périodes montrant une teneur
en bactéries sensiblement constante sont en faveur d'une bonne protection vis-
à-vis des pollutions.
De nombreux microbes pathogènes, comme les Salmonella, étant dif¬
ficiles à isoler, la qualité d'une eau est appréciée en fonction d'autres
microorganîsmes plus faciles à identifier : les coliformes, notamment Esché-
ridua Coli, les Streptocoques fécaux, tests d'une contamination récente et
Clostridium sulfite, plus résistants, dont la présence peut laisser supposer
une dangereuse contamination organique ancienne.
2. Potabilité bactériologique
L'étude sera différente selon qu'il s'agisse :
- d'une eau inconnue provenant par exemple d'un nouveau captage
- de la surveillance d'une eau non traitée
- de la surveillance d'une eau filtrée
- de la surveillance d'une eau traitée (circuit d'adduction).
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1) EAU INCONNUE
a) EAU PROFONDE
- numération totale des bactéries aérobies
- colimétrie : coliformes et E. Coli
- streptocoques fécaux
- clostridies.
b) EAU DE SURFACE :
- en plus des précédents : bacteriophages fécaux.
2) SURVEILLANCE D'UNE EAU NON TRAITEE :
- numération totale
- colimétrie
- s.treptocoquea fécaux
- clostridies.
3) SURVEILLANCE D'UNE EAU FILTREE :
- numération totale
- colimétrie
- streptocoques fécaux.
4) SURVEILLANCE D'UNE EAU TRAITEE :
- colimétrie
- streptocoques fécaux.
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Pour CBS déterminations le département Laboratoires fournira obli¬
gatoirement les flacons stériles. 1 litre d'eau est nécessaire pour effectuer
chacun de ces 4 types d'études.
3. Particules minérales en suspension
L'étude de la pollution particulaire atmosphérique est étendue aux
particules, en suspension dans les eaux, elles proviennent de la condensation
des brouillards, des pluies et des effluents industriels.
Des méthodes surtout d'ordre physique, sont utilisées pour leur
caractérisation :
Microscopie optique
Microréf lectométrie pour les particules opaques
Contraste de phase et interférentiel pour les particules transpa¬
rentes..
Analyse thermique différentiel
Sur des prises de l'ordre de 15 mg.
Méthodes ph.yslco-chimiques
Microsonde électronique (nature chimique)
Microscope électronique à balayage (morphologie)
Debye et Scherrer classique [caractères cristallographiques) .
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4. Utilisation d'isotopes radioactifs et isotopes stables
Isotope radioactif
Tritium
- Datations des eaux dont le cycle de renouvellement
est rapide.
Isotope stable
0 18
Le dosage de cet isotope peut fournir d'utiles indications pour
l'étude des zones d'alimentation des. nappes souterraines, des zones de con¬
tact, eaux océaniques, eaux continentales (résurgences, biseaux sales, zones
estuariennes) .
Pour une analyse de 0 18 un échantillon de 20 à 50 m/1 est requis.
