Géochimie éléments chimiques

Introduction

Étudier le comportement des éléments chimiques dans l'environnement afin de connaître la qualité des eaux et sert à tracer les éléments depuis une source jusqu'à un réceptacle sédimentaire.

Altération : modifier la composition chimique d'un volume

La composition des eaux varient par les surfaces continentales.

Les argiles a silex sont le produit d'altération de la craie.

La Normandie est la deuxième région la plus pollué de France.

La géochimie a des effets visibles, comme les sculptures. La géochimie conditionne la pédosphère.

Anthropocène : période qui prolonge le quaternaire, l'ère où l'Homme est capable de modifier durablement la Terre de façon chimique

On va utiliser la géochimie dans les zones critiques, les zones les plus touchés par l'Homme.

Familles chimiques

Valence : la répartition des électrons pour une sous - couche donnée se fait en remplissant d'abord toutes les cases quantiques.

atome métallique : perte d'un électron et acquisition de la structure électronique du gaz rare de la période précédente.

atome non - métallique : tendance à acquérir des électrons pour atteindre la structure du gaz rare de la même période.

L'hydratation va permettre de diviser les éléments en deux parties :

• oxyde métallique -> hydroxyde basique
• oxyde non métallique -> acide

États de la matière

Les atomes ont des formes en fonction du rapport entre les cations et anions.

Les argiles sont des silicates. Ils se chargent en eau donc les silicates gonflent. Les roches en silicates qui s'altèrent vont produire des argiles. Ils sont en équilibre selon la pression et la température.

• tétraèdres isolés
• tétraèdres en chaînes simples
• tétraèdres en feuillets

La thermodynamique va provoquer l'altération des roches. La vitesse de destruction va varier en fonction des minéraux. Le quartz va se détruire très lentement, c'est le minéral qu'on va retrouver sur les plages.

Deux grands types de minéraux argileux :

• argiles 1:1 -> kaolinite
• argiles 2:1 -> chlorite, smectites, vermiculites, illites

Les argiles sont une famille de minéraux stables dans les conditions de surface. Les métaux vont se fixer sur les argiles. Ils sont capable d'avoir des charges positives et négatives donc absorbent tout. La smectites et vermiculites absorbent l'eau et donc gonflent.

Le volume des particules de ces suspensions varie suivant les types d'argile, les électrolytes présents dans l'eau et leur concentration; cela signifie qu'il existe différentes structures dues aux variations des propriétés de surface.

Van Olphen (1977) distingue quatre cas (figure 1-8) suivant que les particules sont dispersées, agrégées face à face, floculées (les particules étant alors en contact bord/bord ou bord/face), ou défloculées (pas de contact entre les particules).

Formation des argiles :

1. Héritage : roche mère -> argiles
2. Transformations : argiles ou autres silicates -> argiles
3. Néogenèse : réorganisation complète de la structure cristalline

1. Processus diagénétique

Les fonds océaniques sont tapissés d'argiles rouge.

La géochimie est variée car les éléments vont être remplacé par d'autres.

Classification géochimique

Les cations précipitant ont tendance à rester sur place. Les oxyanions solubles sont les atomes qui constituent le vivants, ils sont capables de voyager.

MORB = basalte des dorsales

Géochimie, processus de surface et altération

Altération chimique : modification chimiques, dissolution des carbonates

Altération mécanique : érosion par l'eau et transport des matériaux

Facteurs de l'érosion mécanique :

• fracturation, schistosité, diaclase
• température
• transformation minéralogique
• usure mécanique
• végétation

Les vecteurs de l'érosion mécanique sont le climat mais surtout la disponibilité en mise en solution des ions constitutifs des minéraux des roches.

Les facteurs de l'altération chimique sont l'eau et le carbone. L'eau est le moteur principal de l'altération des roches.

Saprolite : résidu d'une roche altérée

Diagramme de Goldschimdt permet de regarder le comportement d'un ion face à l'eau. C'est un rapport charge ionique/rayon ionique.

Les ions à potentiel ionique faible sont les ions mobiles. C'est le domaine des cations solubles avec 2 classes :

• si Z/r < 1 : leur taille est trop grande par rapport à leur charge, ils n'ont aucune attirance pour l'eau donc partent en solution.
• si 1 < Z/r < 3 : les ions sont hydratés et donnent des solutions alcalines (Na, Ba, Sr, Mn, Fe) selon la formule chimique Aⁿ⁺ + nH₂O -> (A,nH₂O)ⁿ⁺

Les ions à potentiel ionique moyen (3< Z/r <10) : les ions sont insolubles. Aⁿ⁺ + nH₂O -> A(OH)_n + (n/2)H₂

Les ions à potentiel ionique fort (Z/r > 10), c'est le domaine des oxyanions Aⁿ⁺ + nH₂O -> AOP ^(n-2p) + pH₂

Réactions chimiques impliqués dans l'altération

Solubilité du quartz et autres silicates est très faible (5-6 ppm pour Qz dans les eaux de surface) : SiO₂ + 2 H₂O -> H₄SiO₄

Carbonates très solubles, car l'eau de pluie se charge en CO2 et agit comme un acide faible CaCO₃ + H₂O + CO₂ -> Ca⁺⁺ 2 HCO_3- (bicarbonate en solution)

Sel gemme et autres évaporites:fortement solubles (g/l; solubilités de l'ordre du millier de ppm) : NaCl -> Na⁺ + Cl^-

La solubilité des minéraux est fortement dépendante de: température, pH, Eh, ions présents dans la solution

Si acide fort (HCl) : CaCO₃ + H⁺ -> Ca⁺⁺ + H₂O + CO₂

Si acide faible, tel que l'acide carbonique (l'eau de pluie) :

CaCO₃ + H₂O + CO₂ -> Ca⁺⁺ + 2H⁺ + CO_3-

dans une eau à 10°C, saturée en CO2, on dissout quelques 200 mg de calcite seulement

Implications :

1. solubilité de la calcite diminue avec T (CO2 est expulsé à gauche de la formule) (calcite précipite au fond de la casserole / du bol / de la baignoire)
2. calcite précipite lors de la photosynthèse (qui consomme du CO₂)
3. solubilité de la calcite augmente dans les eaux froides,chargées en CO₂

Processus :

• addition H₂O dans minéraux peu hydratés (ex:oxydes de fer)
• gonflement du minéral et donc favorise la destruction de la roche

Les réactions les plus importantes sont :

anhydrite = gypse : CaSO4 + 2H2O -> CaSO42(H2O)

hématite= limonite: Fe2O3+ 3 H2O -> 2Fe(OH)3

kaolinite = gibbsite

Hydrolyse

Lors du processus, les minéraux d'olivine et de pyroxène sont détruits ou on a l'apparition d'une nouvelle espèce comme par exemple les feldspaths qui vont se transformer en phyllosilicates. Les argiles sont les minéraux les plus stables en silicates à la surface. Les autres minéraux se sont formés dans le sol à des températures plus grandes et ceux - ci vont se détruire à la surface ou se transformer en argiles.

Processus de bisiallitisation : perte de 60% de silicates et de 67% de potassium.

Processus de monosiallitisation : perte plus brutale que le première processus, on aura formation de kaolinite.

Lessivage encore plus poussé : toute la silice est lessivée : processus de d'allittisation si le produit contient du fer. Sinon c'est un processus de ferrallitisation ou laterisation.

L'étude des argiles permet de restituer les paléoclimats et les roches mères. L'hydrolyse est le processus majeur d'altération des roches.

L'hydrolyse est parfois aidé par l'altération mécanique qui va créer du vide dans lesquels l'eau va combler. Des constituants organiques vont s'altérer et générer des acides faibles qui en s'associant à l'eau vont former des complexes.

Restituer les différents processus d'altération qui ont amener à la mise en place de ces minéraux.

Le changement climatique accélère l'altération chimique.

Les plagioclases sont les minéraux les plus sujet à l'altération.

shale : roches sédimentaires détritiques.

Normalisation -> minéraux insolubles

Un aperçu des contaminants dans l'environnement, transfert des aquifères, indices de la qualité de la ressource en eau

Afin d'avoir tous les mobilités d'un contaminant, il faut prendre des échantillons dans différents milieux.

Les contaminants peuvent rejoindre la nappe phréatique à l'aide :

• érosion
• stockage dans le sol
• ruissellement vertical dans le sol
• les rivières

Pour cela on utilise des témoins sources dans les milieux où ce trouve les contaminants afin de connaître la nature de ceux - ci. On peut cibler les analyses pour cibler les contaminants -> source au puits : origine du matériau.

Les contaminants sont issus d'élements qui ont brûlés comme la dioxine. Ce sont des éléments qui sont issus de la transformation lié à la combustion.

Ici, Lubrizol n'a pas eu assez de chlore pour libérer des dioxines. Cependant, on a des molécules composant les suies : hydrocarbures, aromatiques et polycycliques. -> HAP ainsi que les phytosanitaires et des métaux lourds.

On peut retrouver des contaminants dans différents compartiments :

Les HAP

Généralités

Les Hydrocarbures Aromatiques Polycyclique ou HAP sont des composés organiques neutres, apolaires, constitués d’au moins deux cycles aromatiques fusionnés par des arrangements linéaires, angulaires ou en coin.

Au sens strict, ils ne contiennent que des atomes de carbone et d’hydrogène. Néanmoins certains composés aromatiques contenant du soufre, de l’azote et de l’oxygène leur sont associés.

Le nombre de HAP identifiés à ce jour est de l’ordre de 130. Parmi ceux-ci, une liste restreinte généralement considérée pour les études environnementales a été élaborée. Ce sont les polluants retenus comme prioritaires par l’agence environnementale américaine (US-EPA). Elle contient les HAP les plus étudiés et posant des problèmes environnementaux majeurs du fait de leur toxicité.

Le transport et la répartition dans l’environnement des HAP dépendent notamment de leurs propriétés physico-chimiques telles que:

-La solubilité dans l’eau -La pression de vapeur -La constante de Henry -Le coefficient de partage octanol-eau -Le coefficient de partage du carbone organique -La solubilité dans l’eau

Plus la molécule est lourde, plus elle a du mal à se dégrader. Le benzène étant une molécule légère est déjà dégradé.

Coefficient de partage octanol - eau -> affinité de la molécule avc le support. Les HAP sont hydrophobes et semi-volatiles. Les HAP ont un important potentiel d’adsorption sur les matières organiques particulaires en suspension dans l’eau et dans l’air, ainsi que sur la matière organique du sol. De plus, ils ont un fort potentiel de bioaccumulation dans les organismes.

Sources de contaminations

Sources naturelles :

• feu de forêt
• éruption volcanique

Sources anthropiques :

• combustion pétrole
• combustion ordure ménagères
• combustion du charbon
• combustion du carburant des moteurs à essence et diesel

Ils ont trois origines principales :

• pyrolytique :combustion de matériel organique par les industries, transports, incinérateurs, incendies
• pétrogénique :introduction dans l’environnement à partir de produits pétroliers et dérivés
• diagénétique :formation naturelle du pétrole

En confrontant les HAP entre eux, on trouvera les sources.

Comportement dans l'air

Comportement dans les sols

Mobilité et transport

Les dépôts atmosphériques ont en grande partie à l’origine des HAP dans les sols. Les HAP sont ensuite adsorbés principalement sur les couches superficielles du sol riches en matières organiques. Mais on les retrouve pourtant dans les couches plus profondes du sol caractéristique d’un phénomène de lessivage. Le partage des HAP entre le sol, l’eau du sol et la matière organique dissoute (MOD) est crucial pour observer le lessivage. La MOD peut agir comme un transporteur de HAP facilitant leur mobilité.

Dégradations

Elles sont de type biotique ou abiotique. La dégradation abiotique regroupe la volatilisation, l’hydrolyse ou les réactions photochimiques. La dégradation biotique est liée à la présence de micro organismes.

Dégradations abiotiques

La volatilisation: phénomène important de perte des HAP particulièrement ceux de faible masse. Influencée par l’humidité du sol et son potentiel redox.

La photodégradation: intervient par une action directe des rayons UV qui cassent les molécules. Les HAP sont sensibles à la lumière entraînant une dégradation photochimique des composés en produits de dégradation.

Dégradations biotiques

Les microorganismes jouent un rôle important dans la biodégradation des polluants organiques dans les écosystèmes terrestres. Cette dégradation résulte de voies métaboliques qui mettent en jeu des populations microbiennes spécifiques qui peuvent dégrader:

-Totalement ou -Partiellement lorsqu ’une autre source de carbone est disponible pour leur métabolisme

Il existe donc deux types de biodégradation:

-La minéralisation complète des HAP -La dégradation par co-oxydation ou co métabolisme ou bio transformation

La structure du sol contrôle à la fois la distribution des micro organismes, des matières organiques et xénobiotiques et par conséquent la biodisponibilité des polluants dans le sol. Les propriétés du sol telles que la concentration en matière organique, son degré de maturation, la structure ou bien la taille des particules influencent le taux de dégradation.

Comportement dans l'eau

Les HAP arrivent dans les eaux de surface par les dépôts atmosphériques d’une part et par le phénomène de ruissellement dû aux eaux de pluie d’autre part. Une fois dans l’eau, ces contaminants très hydrophobes se fixent aux matières en suspension en général et à la matière organique dissoute (MOD) particulièrement et peuvent sédimenter dans le lit des rivières jusqu’à la possible remise en suspension en cas de crue par exemple.