IMPMC - UMR 7590 Institut de Minéralogie, Physique des Matériaux et de Cosmochimie

http://www.impmc.upmc.fr (env. 130 personnes)

(UFR de Physique et UFR de Sciences de la Terre)

(la collection de Minéralogie de l'UPMC, suivie par l'IMPMC)

aérosols

Volcanisme

mines métallurgie agriculture

sols

roches sedimentation

diagenèse

érosion Cycles redox

Cycles redox Aquifères

Epithermalisme altération

magmatisme

Biogéochimie et interactions solides-solutions!•  Minéraux, acteurs et traceurs •  Conditions physico-chimiques •  Activité microbienne •  Fonctionnement des interfaces -> transferts de matière, nutriments, polluants -> Spéciation et dynamique des éléments

Evin Malmaison, Nord-Pas-de-Calais

Usine pyrométallurgique Pb, Zn

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600

Prof

onde

ur (

cm)

Concentration (ppm)

PbZn

Pollution métallique des sols

9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)

I/Io

9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)

I/Io

franklinite

scorie

1mm

Zn, Fe Fe

Spéciation

Spectroscopie de fluorescence sur synchrotron

Débri végétal

sol racine

Zn K

Cu Ca Fe

Mn Pb Ti

Biodisponiblité

1 mm!

Sol cultivé

Morin et al. 1999, 2001!Juillot et al. 2003, 2006!

Biogéochimie des éléments polluants

Les sites pollués

D’après http://basol.environnement.gouv.fr/

4033 sites et sols pollués recensés en 2007 par le Ministère de L’Environnement

0 100 200 300 400 500 600TOMcorse

La réunion Guadeloupe-Guyane-Martinique

LimousinPoitou charentes

BretagneBasse-Normandie

BourgogneAuvergne

Languedoc RoussillonFranche-ComptéPays de la Loire

Champagne-ArdenneProvence Alpes Cote d'Azur

CentreMidi Pyrénées

AquitainePicardie

Haute-NormandieAlsace

LorraineIle-de-France

Nord Pas de CalaisRhone Alpes

Nombre de Sites Pollués

A

Nombre de sites et sols pollués

Ministère de l’Environnement (2001)

Hydrocarbures

HAP

solvantshalogénésPb

Ni

Cr

Cu

As

NiCd

D’après http://basol.environnement.gouv.fr/

Les polluants majeurs identifiés sur les 4033 sites et sols pollués

Zn

Pollution diffuse

–  Concentrations faibles –  Surface/volume affectés élevés –  Origine mal définie –  Risque à court et long terme

Pollution ponctuelle

–  Concentrations très élevées –  Surface/volume affectés faibles –  Source de la pollution bien définie –  Risque à court terme et direct

Les deux grands types de pollutions

La spéciation

Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !

Concentration des métaux lourds dans les fractions fines du sol

Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !

La solubilité

Le comportement des ions en solution

-15

-10

-5

0

5

0 2 4 6 8 10 12 14

α-FeO(OH)

Fe3+

Fe(OH)2+

Fe(OH)2

+

Fe(OH)3

0

Log

C

pH

Fe(OH)4

-

La solubilité (ex: goethite α-FeOOH) Fe(OH)3(s) + 3H+ ↔ Fe3+ + 3H2O log Ks0 = 3.96 Fe(OH)3(s) + 2H+ ↔ Fe(OH)2+ + 3H2O log Ks1 = 0.91 Fe(OH)3(s) + H+ ↔ Fe(OH)2

+ + 2H2O log Ks2 = -2.35 Fe(OH)3(s) + H2O ↔ Fe(OH)4

- + H+ log Ks4 = -18.7

L’adsorption

L�adsorption (ex: (hydr)oxydes de Fe)

Concentration en solution (mmol/g)

Con

cent

ratio

n ad

sorb

ée (m

mol

/g)

goethite α-FeOOH hématite α-Fe2O3

L�effet du substrat

L�adsorption (ex: (hydr)oxydes de Fe)

L�effet du pH

La nature de l�adsorption: CSE / CSI

L�adsorption (ex: (hydr)oxydes de Fe)

L’état d’oxydation

Le comportement rédox

Ox + e- red

pe = -Log(e-) Eh = 0.0592 pe

Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !

soil!

root!

1 mm!

Zn!

K!

Cu!

Ca!

Fe!

Ti!

Pb!

La forme chimique des éléments influence leur mobilité vers les eaux et la chaîne alimentaire.!

Mn!

Microfluorescence X sur une coupe transversale de racine de graminée dans un sol pollué par des métaux lourds dans le Nord-Pas-de-Calais.!

Les sols jouent un rôle de filtre pour les eaux de surface!!!Les éléments lourds toxiques (e.g. Pb, Cd, As, radionucleides …) peuvent s�accumuler pendant des centaines d�années dans les sols, du fait de la précipitation de minéraux porteurs ou de l�adsorption à la surface des composants des sols, oxydes de Fe, Mn, Al, argiles, et matières organiques. !!Speciation : la forme chimique des éléments (état d�oxydation, environnement moléculaire) influence directement leur mobilité et leur toxicité. !!La concentration totale en un élément doit être pondérée par des paramètres de mobilité et de toxicité pour évaluer les risques liés à une pollution ou une contamination, en termes de transferts vers les eaux et la biosphère. !

Le plomb dans les sols

http://www.ifen.fr/fileadmin/donnees_essentielles/sol/sol4a.htm

http://www.ifen.fr/fileadmin/donnees_essentielles/sol/sol4a.htm

Site localisé à proximité de l’usine pyrométallurgique (Pb-Zn) de Métaleurop (Noyelles-Godault, Nord-Pas-de-Calais).

Distribution verticale du zinc et du plomb

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600

Prof

onde

ur (

cm)

Concentration (ppm)

PbZn

Horizon labouré

la Deule

Usine

Courcelles-les-Lens

Noyelles-Godault

Evin-Malmaison

750 m

Dourges

sous-bois

N

cultivé

> 200 mg/kg > 500 mg/kg > 1000 mg/kg

0 500 1000 1500 20000

20

40

60

80

100

120

PbZn

Prof

onde

ur (

cm)

Concentration (ppm)

Distribution spatiale du zinc et du plomb pH 7.5, COT 1.5 %

pH 5.5, COT 6.5 %

Godin et al. (1985), Juillot (1998), Morin et al. (1999), Juillot et al. (sous presse)

European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble.

Anneau

Accélérateur

Lignes de lumière

Evin Malmaison, Nord-Pas-de-Calais

Usine pyrométallurgique Pb, Zn

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600

Prof

onde

ur (

cm)

Concentration (ppm)

PbZn

Pollution métallique des sols

9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)

I/Io

9.65 9.70 9.75 9.80 9.85Energie (keV)

I/Io

franklinite

scorie

1mm

Zn, Fe Fe

Spéciation

Spectroscopie de fluorescence sur synchrotron

Débri végétal

sol racine

Zn K

Cu Ca Fe

Mn Pb Ti

Biodisponiblité

1 mm!

Sol cultivé

Morin et al. 1999, 2001!Juillot et al. 2003, 2006!

Biogéochimie des éléments polluants

aérosols PbS

PbSO4 Emissions Pb/Zn

40 t/an (DRIRE 1991)

scories usine!

Adsorption majoritaire Scories

le plomb dans les sols pollués du Nord-Pas-de-Calais

Pb(II) / oxydes (Fe et Mn) Pb(II) / M.O.

Pb2+!

Pb2+!

Pb

P

Pyromorphite Pb5(PO4)3Cl

http://www.ifen.fr/fileadmin/donnees_essentielles/sol/sol4a.htm

Dans la croûte continentale métasomatisme. Les minéraux sont concentrés par des solutions aqueuses et chaudes qui s'écoulent dans les fractures et pores de la roche encaissante. Ces solutions prennent leur origine dans les magmas (l'eau est libérée pendant le refroidissement du magma, elle monte et dissout certains éléments dans la croûte) ou elles proviennent de l'eau de pluie qui s'infiltre et se réchauffe en circulant dans la croûte continentale.

L’hydrothermalisme : Une source importante des gisements métallifères

Pyrite (FeS2)

Galène (PbS)

Sphalérite (ZnS)

Chalcopyrite (CuFeS2)

Largentière

*

hercynian basementpermian

lower triassicmiddle triassic

jurassic

upper triassic 1 km

N

le Liard

Le plomb dans un sol développé sur une anomalie géochimique naturelle: Le cas de Largentière (Ardèche).

Sol développé sur des grès minéralisés en sulfures (PbS et ZnS)

Profils de concentration!

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30 cm!

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0! 2000 mg/kg!

Pb!Zn!

Grès altéré!

!A!

!B!

!C!

pH!

0! 6 !

COT!(% pds)!

Juillot (1998), Morin et al. (2001)

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30 cm!

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0! 2000 mg/kg!

Pb!

Grès altéré!

!A!

!B!

!C!

Evolution de la spéciation du plomb le long du profil de sol !

Pb(II) / Oxydes Mn

45 %!

Plumbogummite PbAl3(PO4)2(OH)5 .H2O

50 %!

Plumbogummite PbAl3(PO4)2(OH)5 .H2O

55 %!

40 %!

Pb(II) / M.O. Pb2+!

Pb2+!

Juillot (1998), Morin et al. (2001)

Phosphates de plomb et adsorption sur M.O.

Phosphates de plomb et adsorption sur oxydes. pH!

0! 6 !

COT!(% pds)!

Immobilisation in-situ du plomb par des amendements phosphatés (hydroxyapatite HA)

Tige Racine

Laperche et al. ES&T 1999