Discrimination et traçage isotopique des sources anthropiques du mercure dans l'environnement - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Isotope tracing of anthropogenic mercury sources in the environment

Discrimination et traçage isotopique des sources anthropiques du mercure dans l'environnement

Résumé

Global Mercury (Hg) atmospheric emissions are dominated by anthropogenic sources, contributing to around 50-75% of the total Hg. The deposition of anthropogenic sources is estimated to be as large as three fold the pre-industrial ones. At local scale, many anthropogenic sources (coal combustion, incineration, metallurgy, etc) involve contamination of surrounding environments such as soils, vegetation or aquatic ecosystems. Anthropogenic contaminations can be revealed by total mercury concentration measurement, however, the origin of the contamination can not be accurately determined. With the improvement of MC-ICP/MS, the mercury isotopic composition can now be precisely measured, leading to a new scientific field for determining the fingerprint of mercury pollutions. This work reports on the mercury isotopic composition of several environmental compartments as well as anthropogenic materials in order to characterize sources and trace anthropogenic contamination into the environment. Firstly, this work summarizes results from isotopic analysis in multiple environmental matrices and reference materials. Secondly, a study reports on mass dependent and mass independent fractionation of Hg isotopes during experimental works on liquid mercury evaporation and abiotic reduction by green rust. Equilibrium evaporation involves relatively small magnitude of mass dependent fractionation. In contrast, kinetic evaporation involves large mass dependent fractionation. Futermore, small mass independent fractionations were measured in both conditions. Isotopic fractionation during abiotic reduction involves similar mass dependent fractionation factor than reported for other reduction conditions. A third part consists in showing how to use mercury isotope composition to discriminate and trace anthropogenic and natural sources. Mercury measured in lichens from an urban area displayed a significant range of isotopic ratios showing mass dependent and mass independent fractionation. The isotopic composition was characteristic of the geographical area and can be use to discriminate the atmospheric mercury sources (anthropogenic and atmospheric pool). Mercury isotope compositions in contaminated and urban soils indicate that the isotope signature of the anthropogenic source was preserved with time and for the soil conditions. This demonstrates a high potential for mercury isotopes to trace anthropogenic sources. Finally, this work presents preliminary results on the Hg isotopic composition of fly ashes and fume emissions of a municipal solid waste combustor located in an urban area. Mercury isotope fractionation during the condensation of the fumes is reported. The Hg isotopic composition of Hg(II) at the stack exhaust indicates mass dependent fractionation whereas the Hg0 may be affected by mass independent fractionation giving novel insight for anthropogenic source tracing.
À l'échelle globale, les sources anthropiques du mercure (Hg) atmosphérique dominent largement les sources naturelles avec une contribution d'environ 50-75% du Hg total. La déposition du mercure anthropique dans les écosystèmes est estimée à au moins trois fois la déposition des sources préindustrielles. À l'échelle locale, les différentes sources anthropiques du mercure (combustion de charbon, incinération, sidérurgie, métallurgie, etc.) engendrent des contaminations locales du compartiment terrestre comme les sols, la végétation ou les systèmes aquatiques. Néanmoins, même s'il est possible de mettre en évidence la contamination liée au mercure dans un échantillon ou un écosystème en analysant sa concentration en mercure total, il n'est pas possible de déterminer précisément l'origine de ce mercure. Avec l'apport des nouveaux instruments du type MC ICP/MS, on peut maintenant mesurer avec une très grande précision la composition isotopique du Hg. Cette précision permet d'ouvrir une nouvelle dimension scientifique pour déterminer l'origine d'une pollution. La signature isotopique du mercure dans un échantillon devient donc en quelque sorte sa carte d'identité, permettant de reconstruire son histoire et déterminer son origine. Le travail de thèse a consisté à mesurer la composition isotopique du mercure dans différents compartiments environnementaux récepteurs des retombées atmosphériques de Hg ainsi que dans des matériaux issus de systèmes industriels afin de discriminer et tracer les sources anthropiques dans l'environnement. Une première partie de ce travail s'intéresse à l'analyse isotopique du mercure dans différentes matrices environnementales et matériaux de référence en utilisant la génération de vapeurs froides couplée à l'ICP-MS multicollecteur. Ensuite, une étude rapporte les amplitudes de fractionnements isotopiques dépendants et indépendants de la masse mesurées lors de travaux expérimentaux sur l'évaporation du mercure dans le système liquide - vapeur ainsi que durant sa réduction abiotique par les rouilles vertes. L'amplitude de fractionnement isotopique mesurée dans le système liquide-vapeur en cinétique et à l'équilibre présente des contrastes de fractionnements dépendants de la masse très importants. Dans les deux cas, des fractionnements isotopiques indépendants de la masse de faible amplitude ont été mis en évidence. L'amplitude de fractionnement mesurée lors de la réduction abiotique montre des fractionnements uniquement dépendants de la masse de l'ordre de grandeur rapporté pour d'autres types de réduction. Une troisième partie s'intéresse aux fractionnements dépendants et indépendants de la masse des isotopes du mercure pour tracer les sources anthropiques et naturelles. La composition isotopique du mercure mesurée dans des lichens en milieu urbain montre des gradients significatifs en fonction des zones géographiques permettant de conclure sur l'origine des sources de mercure atmosphériques. La composition isotopique du mercure mesurée dans des sols contaminés industriels et urbains indique que la signature de la source de contamination est préservée avec le temps et les conditions du sol permettant ainsi de tracer les sources de contaminations anthropiques. Une quatrième partie rapporte des résultats préliminaires réalisés sur un incinérateur de déchets en milieu urbain. La composition isotopique du mercure dans les cendres de l'incinérateur indique des processus de fractionnements isotopiques lors de la condensation des fumées. La composition isotopique du mercure mesurée en sortie de cheminée indique que le Hg(II) susceptible de se déposer à proximité de la source présente uniquement des fractionnements dépendants de la masse alors que la fraction Hg0 peut présenter, dans certaines conditions, des fractionnements indépendants de la masse, donnant ainsi de nouveaux outils pour tracer les sources anthropiques du mercure dans l'environnement.
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Dates et versions

tel-00566776 , version 1 (17-02-2011)

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  • HAL Id : tel-00566776 , version 1

Citer

Nicolas Estrade. Discrimination et traçage isotopique des sources anthropiques du mercure dans l'environnement. Géochimie. Université de Pau et des Pays de l'Adour, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00566776⟩
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