Sources et transferts des éléments majeurs et traces dans le bassin versant de la Tafna (Algérie) : approches géochimiques et hydrochimiques

Sources and transfers of major and trace elements in the Tafna watershed (Algeria) : geochemical and hydrochemical approaches

• Auteur / Autrice : Mohammed el Amine Benabdelkader
• Direction : Anne Probst, Amina Taleb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces Interfaces Continentales Hydrologie
• Date : Soutenance le 14/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Université Abou Bekr Belkaid (Tlemcen, Algérie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Probst
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Probst, Amina Taleb, Olivier Radakovitch, Mostefa Boulahdid, Gérard Blanc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Radakovitch, Mostefa Boulahdid

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tafna, Vallée de la (Algérie)

Bassins hydrographiques

Sédiments (géologie) -- Analyse

Mots clés libres

Sédiments

Eléments traces métalliques dont REE

Conditions hydrologiques

Bassin versant de la Tafna

Impacts anthropiques

Traceurs géochimiques et isotopiques

Sediments

Traces metal elements including REE

Hydrologicals conditions

Tafna watershed

Impacts anthropiques

Geochemical and istopic

Résumé

Sous un climat méditerranéen semi-aride caractérisé par des crues intenses et des étiages sévères et une anthropisation croissante, les oueds nord africains subissent des impacts environnementaux importants. La contamination par les éléments traces métalliques (ETM dont terres rares) ne cesse d’augmenter et contribue à dégrader les milieux aquatiques. Les concentrations et la mobilité des éléments traces, les différents processus (hydro)biogéochimiques, ainsi que leur transfert vers l’aval, sont ainsi affectés. Dans ce contexte, pour évaluer l’impact de ces pressions, la Tafna a servi de modèle dans cette thèse pour évaluer la qualité des eaux et sédiments du bassin, identifier les sources et le comportement des ETM visà- vis de différentes conditions hydrologiques. Les ETM (Pb, Cd, Zn, Cu, Cr, Co, Ni, As), les REE (La-Yb) et les éléments majeurs, COP, COD, ainsi que les paramètres physico-chimiques, ont été étudiés au cours de plusieurs campagnes hydrologiques contrastées, pour 10 stations et deux barrages, de l’amont à l’aval du bassin versant. Les résultats obtenus ont montré que la composition chimique des eaux est influencée par la lithologie (présence de calcite et minéraux évaporitiques) qui contribue à l’enrichissement des eaux en Na, Mg, B, Cl, SO4, ainsi qu’en Ca et CO3 par processus de dissolution. Les conditions hydrologiques ainsi que les différents processus géochimiques d’adsorption/désorption, précipitation/dissolution, dilution influencent la teneur et la mobilité des ETM dans les eaux et sédiments, notamment en lien avec la présence des formations carbonatées et évaporitiques. L’enrichissement et les origines de la contamination des sédiments ont été évalués à l'aide d’une combinaison d’indicateurs géochimiques et isotopiques. Une forte contamination en certains ETM (Pb>Cd>Zn>Cu) et un faible enrichissement pour d’autres (Al, Fe, Cr, Co, Ni), ont été mis en évidence. De multiples sources locales de contamination ont été identifiées (déchets industriels, agricoles et domestiques) et une pollution plus diffuse provenant notamment de dépôts atmosphériques (essence, minerais, aérosols). Lors des crues, par le biais de la remobilisation de particules accumulées, les barrages peuvent être soit des sources de contamination secondaires, soit de dilution de la contamination par des particules issues des zones amont très érosives. La géomorphologie a un rôle majeur dans le ralentissement du transfert de la contamination vers l’aval (par sédimentation), mais en hautes eaux on assiste à une remobilisation et un transfert des ETM vers la Méditerranée. Les éléments d'origine naturelle (Co, Ni, Cr, As) sont corrélés à Al, Fe et Mn, suggérant un contrôle par des oxydes ou à des argiles, ceux d'origine anthropique au phosphore (Cd et Zn) ou au soufre (Cu), en lien surtout avec les intrants agricoles. Le cadmium et le Pb sont les métaux les plus extractibles en amont et à l’aval, mais leur disponibilité n’est pas strictement liée au degré de contamination. Les profils de REE dans les sédiments sont contrôlés par la taille des particules et leurs caractéristiques géochimiques. Les LREE sont associées aux minéraux argileux et les HREE à des limons grossiers, ces dernières avec les MREE sont les plus extractibles. Les barrages sont des puits pour les LREE des sédiments retenus et influencent le fractionnement classique du profil d’érosion des REE de l’amont à l’aval. Par la mise en évidence de l'impact des processus naturels (hydrologiques, géochimiques et érosion) et de certaines perturbations anthropiques (rejets, barrages) par les REE et différents outils géochimiques et isotopiques combinés, ce travail innovant pour des systèmes semi-arides carbonatés, pourrait servir à d'autres bassins similaires soumis à diverses pressions (érosion et anthropisation). Des recommandations de référentiel et un ensemble de données et outils géochimiques et statistiques, sont fournis.

Semi-arid Mediterranean characterized by floods and sever low water and anthropogenic increasing, the North African wadis are exposed to important environment impacts. Traces metal elements contamination (ETM including rare earth elements) continues to increase and contributes to degrade aquatic environment. Traces metals elements concentrations and mobility, different processes (hydro)biogéochimiques as well as their transfer downstream, are thus affected. In this context, to evaluate the impact of these pressures, the Tafna was used as a model in this thesis to evaluate the water and sediments quality of the basin, to identify the sources and the behavior of the ETM in different hydrological conditions. ETM (Pb, Cd, Zn, Cu, Cr, Co, Ni, As), the REE (La-Yb) and the major elements, COP, COD, as well as the physicochemical parameters, were studied during several hydrological campaigns contrasting, for 10 stations and two dams, from upstream to downstream of the watershed. The results obtained show that the chemical composition of the water is influenced by lithology (presence of calcite and evaporitic minerals) which contributes to the water enrichment by Na, Mg, B, Cl, SO4, as well as by Ca and CO3 through dissolution process. The hydrological conditions and the different geochemical processes of adsorption/desorption, precipitation/dissolution, dilution influence the content and mobility of ETM in water and sediments, particularly in relation to the presence of carbonate and evaporitic formations. Enrichment and origins of sediment contamination were assessed using a combination of geochemical and isotopic indicators. High contamination in some ETM (Pb> Cd> Zn> Cu) and low enrichment for others (Al, Fe, Cr, Co, Ni) was demonstrated. Multiple local contamination sources were identified (industrial, agricultural and domestic wastes) and more diffuse pollution, notably from atmospheric deposition (gasoline, ores, aerosols). During floods, through the remobilization of particles accumulated, dams can be either secondary sources of contamination or dilution of contamination by particles from highly erosive upstream zones. Geomorphology plays a major role in slowing the transfer contamination to downstream (by sedimentation), but in high water condition there is remobilization and transfer of ETM to the Mediterranean. The elements with natural origin (Co, Ni, Cr, As) are correlated with Al, Fe and Mn, suggesting a control by oxides or clays, those of anthropogenic origin with phosphorus (Cd and Zn) or sulfur (Cu), mainly related to agricultural inputs. Cadmium and Pb are the most extractable metals upstream and downstream, but their availability is not strictly related to the degree of contamination. REE profiles in sediments are controlled by particle size and geochemical characteristics (including anomalies). Light rare earths elements were associated with clay minerals and heavy rare earths elements with coarse silt; the medium and heavy rare earths were the most extractable. Dams are wells for light rare earths from retained sediments and influence the traditional fractionation of REE erosion patterns from upstream to downstream. By highlighting the natural processes impact (hydrological, geochemical and erosion) and anthropogenic disruptions (discharges, dams) by the REE and various geochemical and isotopic tools combined, this innovative work for semi-arid carbonate systems could be used for other similar basins subjected to various pressures (erosion and anthropization). Repository recommendations and a set of geochemical and statistical data and tools are provided.