Long-term records of atmospheric deposition of mercury in peat cores from Arctic, and comparison with bogs - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2004

Long-term records of atmospheric deposition of mercury in peat cores from Arctic, and comparison with bogs

Enregistrements à long terme des retombées de mercure atmosphérique dans des tourbières d'Arctique, et comparaison avec des tourbières de la zone tempérée

Résumé

Because of the strong tendency of mercury (Hg) to bioaccumulate in the food chain, one of the greatest challenges faced by environmental mercury research in the Arctic is to quantify the relative contribution of anthropogenic sources of mercury to the contamination of this environment, as anthropogenically elevated mercury deposition over the past 150 years in Arctic ecosystems is potentially a serious environmental problem. To determine the magnitude of this concern, it is necessary to quantify the natural “background” of atmospheric mercury deposition and its variation over a millennial-scale period of time. A second problem is to understand the role which is played by the unique climate of the Arctic on the deposition of atmospheric mercury.
Total mercury concentrations were determined in peat cores from the High Arctic of Canada, the Faroe Islands and southern Ontario. The cores were dated using 210Pb and 14C. The mercury concentrations were used to calculate rates of atmospheric mercury accumulation in the peat in order to quantify rates of atmospheric deposition of mercury in the Arctic. In addition, rates of atmospheric mercury accumulation in the Arctic were compared with peat cores from the temperate zone of North America (southern Ontario).

Mercury concentration measurements and age dating of two peat hummocks from Bathurst Island, Nunavut indicate rather constant natural “background” mercury flux of ca. 1 µg m-2 per year from 5900 to 800 calibrated year BP. The values are well within the range of the Hg fluxes reported from other Arctic locations (Greenland and the Faroe Islands) but also by peat cores from southern Canada (Ontario) which provide a record of atmospheric Hg accumulation extending back to eight thousand years. Thus, pre-anthropogenic Hg fluxes in the Arctic were not significantly different from atmospheric Hg fluxes in the temperate zone. In pre-industrial times, therefore, the High Arctic was not more important as a sink for global atmospheric mercury than the temperate zone. Therefore, other processes have to be invoked as chief mechanism for transferring atmospheric Hg to the Arctic environment, possibly made more efficient in recent years by environmental changes, resulting in the mercury contamination of the Arctic food chain.

The beginning of mercury contamination from anthropogenic sources dates from AD 1475 at the Luther Bog in southern Ontario, corresponding to biomass burning for agricultural activities by Native North Americans. During the late 17th and 18th centuries, deposition of anthropogenic mercury was at least equal to that of mercury from natural sources. Anthropogenic inputs of mercury to the bogs have dominated continuously since the beginning of the 19th century.
The records from southern Ontario and the Faroe Islands show similar chronologies to one another, with mercury accumulation rates peaking in the 1950`s with 54 to 141 and 34 µg m-2 per year respectively. At both locations, in these (modern) samples, the Hg concentration profiles resemble those of lead (Pb), an element which is known to be immobile in peat bogs. The correlation between these two metals suggests that the predominant anthropogenic source of Hg (and Pb) was coal burning. While Hg accumulation rates have gone into strong decline since the late 1950`s, Hg deposition rates today still exceed the average natural background values by 7 to 13 times in southern Ontario. The increase in atmospheric mercury rates since the pre-industrial times in all these records is larger than the predicted by current global mercury cycling models.
(Traduction du résumé original en anglais)
Du fait de la tendance naturelle du mercure (Hg) à se bioaccumuler dans la chaîne alimentaire, un des plus important challenge rencontrer par la communauté de chercheurs étudiants le cycle du mercure en Arctique est de quantifier la part relative de la contamination de cet environnement liée aux sources anthropiques, la retombée de mercure atmosphérique d'origine anthropique au cours des 150 dernières années dans l'environnement Arctique pouvant être un sérieux problème environnementale.
Afin de terminer l'importance de ce problème, il est nécessaire de quantifier le bruit de fond naturel des retombées de mercure atmosphérique ainsi que ces variations au cours de plusieurs millénaires. Un second problème est de comprendre le rôle que pourrait jouer l'unique climat Arctique ainsi que ces variations au cours du temps sur le dépôt de mercure atmosphérique.
La concentration totale en mercure a été mesurée dans des carottes de tourbe provenant de haut Arctique Canadien, des Iles Féroé et du sud de l'Ontario. Les carottes ont été datées en utilisant les méthodes du 210Pb et du 14C. Les concentrations en mercure total ont été utilisées afin de calculer des taux d'accumulation de mercure atmosphérique dans la tourbière afin de quantifier les taux de retombée de mercure d'origine atmosphérique en Arctique. En parallèle, les taux d'accumulation de mercure atmosphérique dans l'Arctique ont été comparés avec ces mêmes taux dans des tourbières de zone tempéré d'Amérique du Nord (Sud de l'Ontario).
Les mesures des concentrations de mercure ainsi que la datation de deux butes tourbeuses de l'Ile de Bathurst (Nunavut) indiquent un flux naturel de mercure quasi constant (environ 1 µg m-2 par an) depuis 5900 jusqu'à 800 ans BP (ages calibrés). Aucune donnée n'a pu être calculée pour les 800 dernières années, faute d'archive naturelle intacte. Cette valeur de flux naturel de mercure est comparable aux flux de mercure calculés à partir de carottes de tourbes provenant pour d'autres localités dans l'Arctique (Groenland et les Iles Féroé) mais également provenant de carottes de tourbes prélevées dans le sud de l'Ontario (enregistrement des taux d'accumulation du mercure atmosphérique remontant à plus de huit milles ans). Ce constat permet de conclure que la retombée de mercure atmosphérique en Arctique au cours de la période pré anthropique n'est pas significativement différent de ces mêmes flux dans la zone tempéré. Ainsi au cours de l'époque pré industriel, l'Arctique n'a donc pas été un puit plus important pour le mercure atmosphérique global que la zone tempéré, discréditant l'hypothèse de la condensation naturelle du mercure atmosphérique dans les zones polaires. D'autres processus sont à invoquer comme mécanismes clés du transfert le mercure atmosphérique à l'environnement Arctique, mécanismes pouvant avoir été rendus plus efficaces dans un passé récent par des changements environnementaux, résultant d'une contamination au mercure de la chaîne alimentaire Arctique.
Pour la zone tempérée, le début de la contamination au mercure d'origine anthropique dans le sud de l'Ontario est daté à AD 1475 (Luther Bog), correspond probablement à la combustion de biomasse liée à l'activité agricole des peuples natifs d'Amérique du Nord. Durant la fin du 17ème siècle et au cours du 18ème siècle, la retombée de mercure d'origine anthropique à été au moins égal au dépôt de mercure provenant de sources naturelles. Depuis le début du 19ème siècle, les retombées de mercure atmosphérique sont largement dominées par le mercure anthropique.
Les enregistrements tourbeux du sud de l'Ontario et des Iles Féroé présentent des chronologies des taux accumulations de mercure très semblable avec un maximum dans les années 1950 avec de 54 à 141 et 34 µg m-2 par an respectivement. Pour ces deux sites, dans les échantillons modernes, les profiles de concentrations en mercure ressemble ceux de plomb (Pb), un élément qui est connu comme étant immobile dans les tourbières. La corrélation de ces deux métaux suggère que la source prédominante de mercure (et de plomb) était la combustion de charbon. Ceci est confirmé par les mesures des rapports isotopiques du plomb qui identifient clairement la combustion de charbon comme source principale du mercure et du plomb dans les tourbières aux cours des 150 dernières années. Alors que les taux d'accumulations du mercure dans les tourbières sont en net déclin depuis la fin des années 1950, les taux de retombée de mercure excède pourtant toujours les taux naturels d'un ordre de grandeur dans le sud de l'Ontario. L'augmentation des taux de retombée de mercure atmosphérique depuis le début de l'ère industrielle est démontrée, par cette approche, comme étant largement supérieure à celle prédite par les modèles actuels de cycle du mercure.
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Dates et versions

tel-00009797 , version 1 (22-07-2005)

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  • HAL Id : tel-00009797 , version 1

Citer

Nicolas Givelet. Long-term records of atmospheric deposition of mercury in peat cores from Arctic, and comparison with bogs. Geochemistry. Universität Bern, 2004. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009797⟩
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