Soutenance de thèse de Romain GELLY
Ecole Doctorale
Sciences de l'Environnement
Spécialité
Sciences de l'environnement: Géosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
sols,contamination métallurgique,Zn. Cu. Pb,isotopes stables,éléments traces métalliques,contamination historique multi-source
Keywords
soils,metal contamination,smelting,stable isotopes,historical contamination,Zn. Cu. Pb
Titre de thèse
Potentiel des isotopes du Cu et du Zn comme traceurs de lorigine et
des redistributions des métaux dans les sols
Tracing Cu and Zn redistribution and contamination sources in soil: an isotopic approach
Date
Jeudi 20 Juin 2019
à 14:00
Adresse
CEREGE
Technopôle Environnement Arbois-Méditerranée
Avenue Philibert F-13090 Aix-en-Provence
Amphithéâtre
Jury
Directeur de these | Mme Catherine KELLER | UMR CEREGE |
Rapporteur | M. Jérôme VIERS | GET Université de Toulouse |
Rapporteur | Mme Laurence DENAIX | INRA UMR 1391 ISPA |
CoDirecteur de these | Mme Zuzana FEKIACOVA | UMR CEREGE |
Examinateur | Mme Géraldine SARRET | ISTerre |
Examinateur | M. Jean-Philippe BEDELL | LEHNA-IPE |
Examinateur | M. Moritz BIGALKE | Universität Bern, Geographisches Institut |
Résumé de la thèse
Ces travaux ont été consacré à létude de lorigine et du devenir des éléments traces métalliques (ETM) et particulièrement de Cu, de Pb et de Zn dans des sols longuement exposés à des émissions dusines métallurgiques localisées dans le parc national des Calanques (site de lEscalette) ou dans le complexe industriel de la commune de Fos-sur-Mer (site sidérurgique). Dans les contextes dune pollution métallurgique historique et dune pollution actuelle, nous avons utilisé les isotopes stables de Pb, Zn et Cu comme traceurs des sources et de la redistribution de ces métaux anthropogéniques dans les sols et la végétation. Nous avons couplé lapproche isotopique avec les mesures des concentrations élémentaires totales et extraites par différents extractants (NaNO3, DTPA), de la spéciation du Zn par spectroscopie dabsorption des rayons X (par XAS) et de la susceptibilité magnétique.
Lutilisation combinée de ces différents outils nous a permis de mettre en évidence la présence des métaux dorigine anthropogénique dans les profils de sols étudiés. Certains horizons présentaient des concentrations élémentaires bien supérieures à celles du fond pédogéochimique de la région. Par exemple nous avons estimé que les concentrations de Zn étaient 15x et 35x supérieures aux concentrations Zn du fond pédogéochimique dans les sols de lusine sidérurgique ou les sols des Calanques, respectivement. Nous avons également déterminé létendue latérale de la contamination (jusquà 5 km dans les sols des Calanques) ou les cônes dimpact des différentes sous unités de lusine sidérurgique. Certains de ces métaux anthropogéniques (Pb dans les sols des Calanques, Cu dans les sols de Fos-sur-Mer) ont migré à travers les profils de sol et peuvent être retrouvés jusque dans les horizons les plus profonds. Par exemple, nous avons calculé que les contributions du Pb anthropogénique au Pb total étaient au minimum de 72% dans les horizons profonds des sols des Calanques. Au contraire, Zn provenant des usines était resté piégé dans les horizons de surface et se distinguait de son homologue dorigine géogène. Ces métaux anthropogéniques sont apparus peu biodisponibles pour les végétaux avec de très faibles facteurs de bioaccumulation. Cependant, la flore méditerranéenne des Calanques présentaient des signatures isotopiques de Cu inhabituelles par rapport à ce qui a été observé dans la littérature et qui pourraient résulter de processus de fractionnement isotopique de Cu spécifiques à cette flore ou dune adaptation à des conditions environnementales difficiles
Thesis resume
In this work, we studied the origin and the fate of Cu, Pb and Zn brought to soils by atmospheric emissions from an active smelter and a historical one. To investigate the redistribution of these anthropogenic Cu, Zn and Pb in the surrounding soils and vegetation, we used stable metal isotopes of Zn, Cu and Pb associated with total and extracted metal concentrations, Zn speciation (by XAS measurements) and magnetic susceptibility.
By coupling these techniques, we demonstrated the presence in soils of Pb and Zn originating from the smelters. Anthropogenic metals were concentrated in soil surface horizons and for Zn reached up to 15 and 35 times the geochemical background at resp. the active and historical metallurgical sites. We identified the presence of anthropogenic Pb and Cu in the deepest soil horizons which migrated either as solid (Pb) or solubilized (Cu) forms. Contribution of anthropogenic Pb to total Pb was estimated to be at least 72% at depth in the soils nearby the Escalette former smelter. Anthropogenic Zn was found, at both sites, to be immobilized in soil surface horizons due to its precipitation as Zn-LDH or bonding with Fe. We showed that anthropogenic Pb and Zn solubility was low and that it contrasted with Cu mobility. Therefore, anthropogenic metals appeared to be poorly or not bioavailable to the nearby vegetation. In addition, we highlighted the specific behavior of Mediterranean plants regarding Cu isotopes fractionation, as we measured isotopic enrichment (i.e. in 65Cu) in aerial parts, not observed, so far, in the literature.