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1
Stockage géologique des déchets.Pollutions des sols et du sous-sol :
de la source à l'homme. Partie 2Cours – Année 2007-2008
Éric PiliCommissariat à l’Énergie Atomique
Laboratoire Hydrogéochimie et Études de [email protected]
Master IPG Paris - Univ. Paris 7IUP Génie de l’Environnement
"Génie de l'Environnement & Industrie" "Géophysique de Surface et de Sub-surface"
+ autres composantes STEPUE optionnelle
Cadre & enjeux des études environnementales
Installation+ travailleurs
Atmosphère
Sol
Sous-sol : Zone Non Saturée
Sous-sol : Zone SaturéeNappe
Environnement+ êtres humains+ animaux+ végétaux
Exutoires : Puits, rivières, mers
Ruissellement : mares, rivières, lacs, mers
Infiltration
En résumé :• les pollutions résultent d’une contamination ;• les sols sont des intégrateurs des contaminations, ils permettent
généralement de remonter aux sources ;• les eaux de surface et les eaux souterraines sont des vecteurs
rapides pour les contaminants et des ressources indispensables pour l’homme ;
• les sols et la zone non saturée constituent la dernière barrière des pollutions avant atteinte de la ressource en eau ;
• Il existe de nombreuses catégories de polluants. Tous sont à traiter, sous toutes leurs formes.
=> Nécessité de savoir détecter et caractériser les contaminations et leurs proxies, sous toutes leurs formes, dans l’atmosphère, les sols, le sous-sol, et les nappes.
Les mesures sur site : le criblage• Détecter / doser sur site tout ou partie des
contaminants recherchés (sols, nappes) afin de cibler les zones de prélèvements pour les échantillons de laboratoire.
• Choix d’une technique de criblage selon :– existence, coût,– durée d’analyse sur le terrain,– destructions / interférences– limites de détections
• Criblage vrai ou prélèvements dirigés.
2
+ Très rapide, + Parfois sélectif γ > α >> β+ Mesure déportée (γ)- Pas tous les RN détectables
Contaminations radioactivesDétecteurs de radiations
+ Léger,- Nbre limité de pdts détectés
Détection HAP, TNTKits d’analyse (colorimétrie, antigène-anticorps)
+ Identification de composés spécifiques,- Nécessite un prélèvement
COV, composés organiques et inorganiques
Chromatographie gaz
+ Rapide- Nécessite un prélèvement (canne, adsorbant)
Détection / dosage COV, composés organiques et inorganiques
Détecteurs à ionisation
+ Rapide, avec ou sans prélèvement,- Nécessite le contact, - Source de rayons X
Détection / dosage métauxFluorescence XAvantages & inconvénientsApplicationMéthode
Méthodes de criblage des sols
Modifié d’après MATE, 2000
Détecter les gaz des sols : compétition émission - piégeage
D’a
près
nor
mal
isat
ion
XP X
31-
613,
199
7
• Plus le point d’ébullition est bas et la pression de vapeur élevée, plus le COV est vaporisable,• Plus la constante de Henry est faible, plus les COV sont solubles dans l’eau, d’où une rétention par le sol et une diminution de leur teneur dans la phase gazeuse.
• Cas similaire de l’émanation du radon :• sol sec ou sol saturé : faible émanation, • sol mouillé non saturé : forte émanation
Caractéristiques de quelques COV
Pourquoi ?
Méthodes géophysiques
D’après MATE, 2000
« Elles caractérisent le contenant plus que le contenu »
• Recherche de sources de pollutions enterrées : canalisations, fûts de déchets, fosses d’enfouissement
• Recherche de fuite, contrôle d’homogénéité de structures
• Détections de contamination en zones non saturée et saturée
STATION DE REFERENCE
STATION MOBILE
CONSTELATION GPS
CORRECTION DGPSTransmission RADIO
Principe de fonctionnement du GPS en mode différentiel temps réel.
D’après P.Richon, comm. pers., 2004
Sonde SAPHYMO MPP2
Cartographier une contamination :• détecter ou mesurer une substance ou un paramètre• associer ses coordonnées géographiques à chaque point de mesure• répéter l’opération dans un temps acceptable
Exemple de chaîne détecteur-centrale d’acquisition-localisation géographique : le système SOCRATE développé par l’IRSN
3
Cartographie d’un site par carroyage croisé avec un espacement de 1 m, unevitesse 5 km.h-1 et un pas d’enregistrement de 1 seconde. Sonde Saphymo MPP2 tenue à
50 cm du sol.
D’a
près
P.R
icho
n, c
omm
. per
s., 2
004
Réalisation d’une cartographie par mesure in-situ
Peut-on toujours se permettre d’effectuer un carroyage (mesure ou échantillonnage systématique) ?=> adapter les géométries de couverture aux objectifs et aux moyens
Exemple de cartographie pédestre du débit de dose. Système SOCRATE, développé par l’IRSN, àpartir d’une sonde Saphymo MPP2 tenue à 50 cm du sol et d’un GPS différentiel.
Cartographie de la contamination radioactive d’un sol
D’après P. Richon, comm. pers., 2004
Fluorescence X portable de terrain (FP-XRF)
• Exemple de l’instrument NITON XL 700• Source de rayons X : tube• Utilisation in-situ
ou déportée sur prélèvement (voir photos)• Préparation des échantillons :
aucune (in-situ) ou séchage, broyage, compaction (prélèvements)
• LD (selon les éléments) :5-350 ppm
• Précision (selon les éléments) :10-40 % in-situ1-30 % sur prélèvements
• Cadence : 60 sec./mesure (annoncé)100 points / jour (testé)
Sou
rce
: ww
w.n
iton.
com
25
15
20
20
15
15
75
125
100
200
250
250
350
Matrice sol SRM
Limites de détection en ppm(comptage 60 secondes sur prélèvement)
15Sr
5Rb
2012Hg
40012Pb
8010Se
2010As
72040Zn
600100Cu
14060Ni
24030Co
150Fe
150Mn
400250Cr
Anciennes Valeurs de Constat d’Impact (MATE, 2000)
Matrice quartz
Elément
Utilisation des normes pour la détection des pollutions
Voir www.afnor.fr et MATE, 2003
4
Échantillonnage : les étapes• Stratégie
– Compartiments cibles, substances cibles,– Cartographie, repérage,– Matériels et méthodes,– Planification, autorisations.
• Processus– Prélèvement, – Mesures in-situ couplées, – Traitements & mesures non différés, – Conditionnement,– Conservation.
• Exploitation– Analyses au laboratoire, y compris rapport d’essai,– Utilisation pour la problématique,– Mise à disposition d’autres problématiques.
Échantillonnage : les contraintes• Le prélèvement doit être :
– représentatif,– reproductible,– décrit (protocole, carnet de terrain)
• L’échantillon doit être : – intègre,– référencé de façon unique,– décrit (nature, origine, caractéristiques, lieu, date …)– capable de fournir la matière aux analyses
souhaitées,– exploité– conservé, archivé.
• Solides : sols, zone non saturée, zone saturée – Pelles, tarières, carottiers, tranchées, tunnels …
• Eaux interstitielles : sols, zone non saturée – Prélèvement in-situ : bougies poreuses– Récupération après traitement au laboratoire : pressage, distillation, lixiviation, centrifugation …
• Eaux de nappe : – Prélèvement direct : piézomètre, puits, forage AEP– Prélèvement périphériques :utilisation des sources, rivières
Échantillonnage des sols et du sous-sol
Procédé d’extraction de contaminants organiques dans un sol par lixiviation à chaud sous pression
Utilisation des normes pour l’échantillonnage des sols
Voir www.afnor.fr et Pottevin et Thomas, 2003
5
Utilisation des normes pour l’échantillonnage des eaux
Norme internationale ISO 5667-11mars 1993
Qualité de l'eau. Échantillonnage.Partie 11 : guide général pour
l'échantillonnage des eaux souterraines.
Voir www.afnor.fr et MATE, 2003
D’a
près
Jea
nnot
et a
l., 2
001
Analyses au laboratoire après prélèvement : quelques principes & méthodes
Comment passer des mesures à la cartographie d’un contaminant ?
Réaliser une carte les yeux fermés néglige : les différences d’origine et de qualité des mesures,la signification des mesures anomales,le recours à une méthode d’interpolation respectant la structure des données,la prise en compte des incertitudes de mesure,l’existence d’une incertitude liée à l’interpolation,
ww
w.g
eosi
pol.o
rg
ww
w.g
eosi
pol.o
rg
•Analyse exploratoire des données,
•Détection des mesures anomales,
•Détermination de la structure des données : variogramme
•Interpolation par kriegage
•Prise en compte des incertitudesde mesure,
•Calcul d’une incertitude liée àl’interpolation par simulationsgéostatistiques.
Apport de la géostatistique 1/2
Variogramme expérimental des concentrations en HC
6
ww
w.g
eosi
pol.o
rg
Apport de la géostatistique 2/2
Un même effort analytique avec 2 rendus très différents,
Une prise en compte de la structure des données,
Une quantification de la confiance accordée à l’interpolation.
Reconnaître un polluant
• Composés artificiels,• Particularités moléculaires,• Éléments traces associés au polluant,• Composition et rapports isotopiques• Équilibre séculaire,• Isotopes radioactifs / isotopes stables.
Progress in lead. Logarithmic plot of historical lead production over time, from Nriagu (1998)
Extraction minière du plomb au cours des âges
D’après Shotyk et al., 1998Facteur d’enrichissement en Pb
……
……
……
….D
atat
ion
14C
……
……
……
……
…|
Dat
atio
n 21
0 Pb Le plomb dans une carotte de tourbe des montagnes du Jura suisse
7
Distribution 2D verticale d’une contamination surfacique à l’uranium
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
0 1 2 3Longueur (m)
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
Prof
onde
ur (m
)
110 210 120 110 100 100 130 190 360 1700 260 100 90 90 90 90 80 80 80
90 130 90 90 80 80 90 100 160 260 190 90 70 80 80 80 70 80 80
80 90 70 100 80 90 80 80 100 100 100 70 70 70 70 70 70 70 70
80 80 70 80 80 70 70 70 70 70 70 70 70 60 70 70 70 80 80
80 80 80 80 80 80 80 80 70 70 80 70 70 70 70 70 70 80 80
80 80 80 80 80 70 80 80 70 80 70 80 70 70 80 70 80 80 80
80 70 80 70 70 80 80
Ouest Est
Activité(cps / s)
Pépites d'uranium
D’après A. Podembski, comm. pers., 2004
Méthode : Sonde gamma au contact sur paroi de tranchée après repérage de contaminant au sol
222Rn
218Po
214Pb
214Bi
214Po
210Pb
210Bi
210Po
206Pb
226Ra
230 Th
234U234Pa
234 Th
238 U
(1600 ans)
(7,54 . 104 ans)
(2,46 . 105 ans)
(3,82 j)
(3,05 min)
(19,9 min)
(26,8 min) (22.2 ans)
(5,01 j)
(stable)
(138 j)(1,65 . 10-4 s)
(1,17 min)
(24,1 j)
(4,47 . 109 ans)
L’uranium 238et ses principaux descendants
α4,7 MeV
β-
β-
β-
β-
β-
β-
α4,8 MeV
α5,5 MeV
α6 MeV
α7,69 MeV
α5,3 MeV
α4,2 MeV α
4,8 MeVLes désintégrations α, β-, sont accompagnées d’émissions de rayonnements γ.
D’après Granier et Le Petit, 2002
D’après A. Podembski, comm. pers., 2004
Caractérisation d’une contamination U : utilisation d’un référentiel externe
-120
-100
-80
-60
-40
-20
01 10 100 1000 10000 100000 1000000
Activité de 238U (Bq.kg-1)
Prof
onde
ur (c
m)
Tranchée T1
Tranchée T2
Tranchée T4 : fond radiochimique localFond géochimique local
Méthode : spectrométrie gamma GeHP de laboratoire sur échantillons (séchés, broyés, comptage 4000 minutes) prélevés sur la paroi de tranchée le long de la verticale du maximum de signal. Les pépites présentent au sol sont soustraites des échantillons.
Caractérisation d’une contamination U : utilisation d’un référentiel interne
D’après A. Podembski, comm. pers., 2004
-120
-100
-80
-60
-40
-20
01 10 100 1000 10000 100000 1000000
Activité (Bq/kg)
Prof
onde
ur (c
m)
234mPa
234Th
226Ra
214Pb
214Bi
210Pb
Figuré évidé : activité inférieure à la limite de détection
8
Exemple : 1/3Recherche de contaminants dans un sol
• Contexte :– Installation industrielle d’usinage de métaux– Prélèvement de sol à proximité d’une cheminée
d’extraction des poussières• Référentiels
– Citer et commenter les référentiels utilisables• Résultats
– Commenter les 2 graphes de rendu de résultats suivants
Recherche de contaminants dans un sol 2/3Rendu des résultats
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Li Be Al Sc Ti Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga As Se Rb Sr Y Zr NbMoRu Rh Pd Ag Cd Sn Sb Te Cs Ba La Ce Pr NdSmEu Gd Tb Dy Ho Er TmYb Lu Hf Ta W Re Ir Pt Au Tl Pb Bi Th U
Rap
port
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TiCr
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CuZn
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Cd
Sn
Sb
Te
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Tl Pb
U
0.1
1
10
100
Rap
port
des
con
cent
ratio
nséc
hant
illon
/ fo
nd g
éoch
imiq
ue
Recherche de contaminants dans un sol 3/3Rendu des résultats
Migration d’un contaminant dans un aquifère : le film.
Film réalisé à partir de 100 prises de vue d’une expérience de traçage d’une durée de 5h réalisée en laboratoire, avec dimensionnement du modèle réduit (maquette de 40 cm de long, vitesse et gradient forts) à la réalité (longueur 10 km, vitesse et gradient faibles), pour une contamination en zone non saturée par une solution aqueuse (rhodamine / plomb)
D’a
près
Fou
rier,
2004
1 km
20 m
9
2 km
D’après Fourier, 2004
Si vous avez raté le film …
20 m
Migration : Vocabulaire & concepts– Sol, zone non saturée, insaturée ou vadose, zone
saturée ;– Aquifère, imperméable ;– Nappe libre, nappe captive, base, toit, piézométrie ;– Écoulement, gradient, charge, potentiels, flux ;– Migration ; transport non réactif, transport réactif ;– Advection, dispersion, diffusion– Spéciation ;– Modélisation géochimique ;– Modélisation hydrogéologique ;– Modélisation couplée, couplage géochimie-transport ;– Calibration, validation, intercomparaison, benchmark.
Des profils de migration aux mécanismes ?
-120
-100
-80
-60
-40
-20
01 10 100 1000 10000 100000 1000000
Activité (Bq/kg)
Prof
onde
ur (c
m)
234mPa
234Th
226Ra
214Pb
214Bi
210Pb
Figuré évidé : activité inférieure à la limite de détection
Quel mécanisme pour expliquer ce profil sachant que l’uranium est également détectédans la nappe à 10 m de profondeur ?
• possibilité d’un court-circuit hydrogéologique ?• possibilité d’un court circuit géochimique ?• résolution des mesures de ce profil ?
D’a
près
A. P
odem
bski
, com
m. p
ers.
, 200
4
Adapté de EPA, 1999
Distribution des espèces dominantes de contaminants à3 valeurs de pH pour des eaux souterraines oxydantes
10
Aucun3H
[Oxydes d’Aluminum ou de Fer], [Carbonate, Fluorure, Sulfate, Phosphate], [Argiles], [Matière Organique], pH, Redox, [U]
U
Capacité d’Echange Cationique, [Calcium], [Carbonate], pH, [Strontium Stable]Sr
AucunRn
[Oxydes d’Aluminum ou de Fer], [Carbonate, Fluorure, Sulfate, Phosphate], [Argiles], [Matière Organique], pH, Redox
Pu
Paramètres importants affectant la sorption des contaminantsElement
Element
Ada
pté
de E
PA, 1
999
Sélection des paramètres les plus importants, concernant les phases aqueuses et solides, affectant la sorption des contaminants.
Sélection de propriétés chimiques et de transport de contaminants.
D’a
près
Lem
ière
et a
l., 2
001
Comportement des contaminants organiques dans un aquifère 1/2
3
1 2
4
D’a
près
Lem
ière
et a
l., 2
001
Comportement des contaminants organiques dans un aquifère 2/2
7
5 6
8
Modifié d’après Lemière et al., 2001
Comportement des contaminants : 1/2propriétés intrinsèques
Temps de demi-vie• période radioactive• temps de demi-vie, mais aussi : potentiel redox, nature des bactéries, présence de nutriments …
Capacité à disparaître :•décroissance radioactive,•réactions bio-géochimiques
Coefficient de partage eau-carbone organique (Koc), Coefficient de partage liquide-solide (Kd)
Capacité à être piégé(sur la matière organique, les solides, les colloïdes)
Coefficient de partage octanol-eau (Kow)Affinité avec l’eauDensité des vapeurs par rapport à l’airMigration vertical des vapeurs
Tension de vapeur, Température d’ébullition, Constante de Henry
Capacité à se volatiliserDensité du liquide par rapport à l’eauÉcoulement verticalSolubilité dans l’eauCapacité à se solubiliserGrandeurs caractéristiquesCritère de comportement
11
AnisotropieCapacité à chenaliser les flux
Porosité de fractureExistence de fractures
Nature du milieux, force ioniqueCapacité à former & libérer des colloïdes
Battement de nappeCapacité à ennoyer/dénoyer une étendue de zone non saturée
Courbes de rétention, frange capillaireCapacité à retenir l’eau
PerméabilitéCapacité à transmettre les fluides
Pluie efficace, ruissellement, évapotranspiration
Intensité de l’infiltration
Porosité totale, porosité efficaceConnectivité du milieu poreux
Grandeurs caractéristiquesCritère de comportement
Comportement des contaminants : 2/2propriétés du milieu de transfert Remédiation
• Laver l’eau (cleanup of contaminated groundwater) : « rendre l’eau potable », nettoyer les sols : < 20 ans d’efforts et de REX.
• Des efforts importants en recherche et processus industriels, pour les sols et les nappes.
• Un principe encore peu accepté : « Mythe de Sisyphe, tonneau des Danaïdes », « qui paie pour qui ? »
• Peu de sites traités, un succès très limité.• Des coûts exorbitants (USA, $ 9 billions in 1996).• Repenser les remédiations, tant sur le plan des objectifs
que de leurs durées.• Émergence de l’Atténuation Naturelle Contrôlée.
Atténuation• Mécanismes :
– Abaisser les concentrations :• Dilution, dispersion, volatilisation
– Immobiliser ou rendre moins toxique :• sorption, précipitation, spéciation
– Faire ou laisser disparaître :• décroissance radioactive : cas des RN• dégradations chimique et biologique (métabolisme, photolyse, catalyse
…) : cas des substances organiques.
• Suivi (monitoring)– Paramètres de contrôle (dans le temps et l’espace) :
• décroissance des concentrations en produits initiaux,• croissance des concentrations en produits secondaires,• DCO, paramètres physico-chimiques de la spéciation.
– Mobilité & Toxicité des produits secondaires
Phys-chim.
Phys-chim.
Phys-chim.Bio.
Phys-chim.
Phys-chim.
Phys-chim.
Phys-chim.Bio.
Dégradation
61 ans1,1-Dichloroéthane
1,1-DCE140 ans1,1,2-Trichloroéthane
Acide acétique400 jours30 jours
1,1,1-Trichloroéthane
Méthane1,3 x 106 ansTrichloroéthylène
Éthanol0,12 anChloroéthane
1800-3500 ansTrichlorométhane
704 ans300 jours
Dichlorométhane
ProduitDemi-vieComposé
Mod
ifié
d’ap
rès
Nov
ak e
t al.,
200
3
Périodes de quelques solvants chlorés soumis à des dégradations physico-chimiques ou biologiques
dans les nappes
Exemple de chaîne de biodégradation (déhalogénation réductive) :Trichloroéthylène -> Dichloroéthylène -> Chlorure de vinyle -> Ethylène -> Méthane
12
Atténuation naturelle : illustration des mécanismes en jeu pour les hydrocarbures
D’après Bekins et al., 2001
D’a
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Protection d’un captage d’eau : mécanisme, performance, économies
Bibliographie• Bekins, B., B.E. Rittmann, et J.A. MacDonald, Natural attenuation strategy for groundwater
cleanup focuses on demonstrating cause and effect, EOS, Transactions, American Geophysical Union, 82 (5), 53, 57-58, 2001.
• EPA. (1999) Understanding variation in partition coefficient, Kd values. Volume II: Review of geochemistry and available Kd values for Cadmium, Cesium, Chromium, Lead, Plutonium, Radon, Strontium, Thorium, Tritium (3H), and Uranium, pp. 341. U.S. EnvironmentalProtection Agency.
• Fourier, J., Réalisation d’une maquette illustrant les études de sites pollués, rapport de stage de DESS Pollution Chimique & Environnement, Université de Paris-Sud, Orsay, réalisé au CEA sous la direction d’Éric Pili, pp. 84, 2004.
• Granier, G., et G. Le Petit, Spectrométrie gamma appliquée aux échantillons de l'environnement (Dossier de recommandations pour l'optimisation des mesures), 238 pp., Lavoisier, 2002.
• Jeannot, R., B. Lemière, S. Chiron, F. Augustin, et D. Darmendrail, Guide Méthodologique pour l'Analyse des Sols Pollués, document BRGM 298, pp. 84, éditions BRGM, 2001.
• Lemière, B., J.J. Seguin, C. Le Guern, D. Guyonnet, P. Baranger, D. Darmendrail, et P. Conil, Guide sur le comportement des polluants dans les sols et les nappes. Applications dans un contexte d'Evaluation Détaillée des Risques pour les ressources en eau, pp. 121,
Bibliographie• MATE, Classeur Gestion des Sites (Potentiellement) Pollués - Diagnostic Initial et Évaluation Simplifiée
des Risques, BRGM Éditions, 2000.
• MATE, Guide méthodologique pour la mise en place et l'utilisation d'un réseau de forages permettant d'évaluer la qualité de l'eau souterraine au droit ou à proximité d'un site (potentiellement pollué. Ministère de l'Aménagement du territoire et de l'Environnement, pp. 61, 2003.
• Novak, C., J.R. Mossmann, et A. Saada, État des connaissances sur l'atténuation naturelle: mécanismes et mise en œuvre, rapport BRGM/RP-51960-FR, pp. 97, 2003.
• Nriagu J. O. (1998) PALEOENVIRONMENTAL RESEARCH: Enhanced: Tales Told in Lead10.1126/science.281.5383.1622. Science 281(5383), 1622-1623.
• Pottevin, M., et L. Thomas, Inventaire des normes sur la qualité des sols. Description et domaines d’application, pp. 57, AFNOR, 2003.
• Shotyk, W., D. Weiss, P.G. Appleby, A.K. Cheburkin, R. Frei, M. Gloor, J.D. Kramers, S. Reese, et W.O. Van der Knaap, History of atmospheric lead deposition since 12,370 C-14 yr BP from a peat bog, Jura Mountains, Switzerland, Science, 281 (5383), 1635-1640, 1998.
• Thomsen, R., and L. Thorling, Use of protection zones and land management restore contaminatedgroundwater in Denmark, EOS, Transactions, American Geophysical Union, 84 (7), 64-65, 2003.