Transcript David Widory, BRGM

Méthodes isotopiques au
service de l’identification des
sources et processus de
contamination
David WIDORY ([email protected])
Service Métrologie, Monitoring, Analyse
Eléments chimiques
et isotopes
n+p
p
>
>
>
>
A
X
noyau d'un atome
X
Z
X : espèce atomique (U, Pb, C, Rb, …)
A : nombre de nucléons
•
•
nucléon : particule du noyau (protons et neutrons)
Ex. 238U uranium avec 238 nucléons dans son noyau
Z : numéro atomique = nombre de protons du noyau
•
Ex.
238
92
U possède 92 protons
N = A - Z : nombre de neutrons présents dans le noyau.
Dritri Ivanovith Mendeleïv ( 1834-1907 )
>2
Isotopes
et éléments chimiques
>
Les isotopes d’un même élément chimique :
•
•
16
8
18
8
ont le même Numéro atomique (p), ils portent le même nom et occupent la
même place dans la table de Mendeleïev,
diffèrent par leur Masse atomique (p+n)
O
possède 8 protons, 8 neutrons, 16 nucléons
a une masse molaire de 16 g/mol
O
possède 8 protons, 10 neutrons, 18 nucléons
a une masse molaire de 18 g/mol
>3
Les isotopes - Généralités
• Azote : 15N : 99.64 %
14N
•Oxygène : 16O : 99.763 %
: 0.36 %
Notation d (en ‰) :
 15 N 


 14

N

15
échantillon  1  103
d N 
 15 N 


 14 N 

s
tan
dard


 18O 

 16 

O

18
échantillo
n
d O
 1  103
 18O 


 16

 O  s tan dard

 11B 


 10

B

11
échantillon  1  103
d B
 11B 


 10 B 

s tan dard


17O
: 0.0375 %
18O
: 0.1995 %
•Bore : 11B : 18.98 %
10B
: 81.02 %
Standard
Atmosphère
Sea Mean
Oceanic
Water
NBS 951
>4
Panel des analyses isotopiques (au BRGM)
1
2
H
B
He
Analyses en routine au BRGM
1.008
4.00
3
Li
4
5
Be
Th
En cours de développement
6
7
8
9
B
C
N
O
F
10
Ne
6.94
9.01
10.81
12.01
14.01
16.00
19.00
20.18
11
12
13
14
15
16
17
18
Na Mg
23.00
24.31
19
20
K
Si
21
23
24
25
26
27
28
29
30
Al
Si
P
S
Cl
Ar
26.98
28.09
30.97
32.06
35.45
39.95
31
32
33
34
35
36
Ti
V
Cr Mn Fe Co
Ni
Br
Kr
39.10
40.08
44.96
47.90
50.94
52.00
54.94
55.85
58.93
58.71
63.55
65.38
69.72
72.59
74.92
78.96
79.90
83.80
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Ca Sc
22
En projet
Sr
Y
Zr
85.47
87.62
88.91
91.22
92.91
95.94
55
56
57
72
73
74
Cs Ba La* Hf
Cu Zn Ga Ge As Se
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
Ta
W
In
Sn Sb Te
75
76
Re Os
77
Ir
78
Pt
79
80
Au Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
132.90 137.30 138.90 178.50 181.00 183.90 186.20 190.20 192.20 195.10 197.00 200.60 204.40 207.20 209.00
87
Fr
(223)
88
89
104
I
Xe
98.91 101.07 102.90 106.40 107.90 112.40 114.80 118.70 121.80 127.60 126.90 131.30
84
Po
85
At
86
Rn
(210)
(210)
(222)
69
70
71
105
Ra Ac** Ku Ha
(226)
(227)
(258)
(260)
58
*Lanthanides
Ce
59
Pr
60
**Actinides
91
Th Pa
62
63
64
65
66
67
68
Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er
140.10 140.90 144.20
90
61
92
U
Tm Yb Lu
(145) 150.40 152.00 157.30 158.90 162.50 164.90 167.30 168.90 173.00 175.00
93
94
95
96
97
Np Pu Am Cm Bk
232.00 231.00 238.00 237.00 239.10
(243)
(247)
(247)
98
99
100
101
102
103
Cf
Es Fm Md No
Lr
(251)
(254)
(258)
(257)
(256)
(254)
>5
Caractériser le type et l’origine de l’eau
L’étude des compositions
isotopiques en hydrogène
(dD) et oxygène (d18O) de la
molécule d’eau renseigne sur
le lieu de recharge de la
nappe.
L’étude des rapports
isotopiques d’éléments
dissous tels que le strontium
(87Sr/86Sr) renseigne sur les
circulations principales, ainsi
que les proportions de
mélanges
éventuels.
>6
Tracer les sources/cheminements de polluants
+
=
L’étude des compositions isotopiques en azote (d15N) et oxygène (d18O) de
la molécule de NO3, couplée à celle du bore (d11B) permet de remonter aux
sources de pollution en NO3 en un lieu et temps donnés.
L’étude des compositions isotopiques
en azote (d15N) et oxygène (d18O) de la
molécule de NO3, permet aussi de
caractériser d’éventuels processus de
dénitrification naturelle.
>7
Caractériser/quantifier les processus de biodégradation
Le processus de biodégradation
induit une modification des
compositions isotopiques.
Les compositions isotopiques
des molécules parents et filles
sont alors liées.
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
20
15
y = -20.147x - 9.1836
10
2
R = 0.9103
5
0
-5
-10
y = -9.0258x - 20.742
R2 = 0.9684
CKW Konz. in µg/L
-15
-20
-25
13
d C in permil
0
Le processus de
biodégradation
peut être
modélisé par une
loi de Rayleigh,
dont la pente est
directement liée à
la cinétique de
dégradation..
L’approche multi-isotopique
permet en plus de
caractériser les types de
réactions, et leurs
contributions respectives
éventuelles.
TCE
cis-DCE
Linear (cis-DCE)
Linear (TCE)
Il est lors
possible de
calculer le degré
d’avancement de
la réaction.
>8
Perspectives : Isotopes et pesticides : exemple du
chlordécone, du glyphosate et de leurs métabolites.
> Chlordécone & 5B-hydrochlordécone : relation de
dégradation ou polluant dans le cocktail de départ ?
•
•
Si les deux sont liés, leurs compositions isotopiques le seront aussi.
Caractérisation des voies et des cinétiques de dégradation si le
processus est avéré.
> Glyphosate et AMPA : relation de dégradation ou
polluant dans le cocktail de départ ?
•
•
•
AMPA : dégradation du glyphosate ou des phosphonates ?
Si métabolites du glyphosate : caractérisation des types et cinétiques
de dégradation.
Traçage des sources de contamination en AMPA (?).
>9
Conclusions : Les isotopes, vos amis pour la vie !
> Les isotopes : traceurs de sources de pollution.
•
•
•
Nitrates.
Polluants organiques : solvants chlorés, HAP, BTEX, pesticides, ….
Polluants inorganiques : métaux, …
> Les isotopes : caractériser les processus.
•
•
•
Processus de mélange : (semi)-quantification des contributions.
Dénitrification naturelle : occurrence et cinétique.
Biodégradation : type et cinétique
> 10