Importance de la qualité de l’eau souterraine

Importance de la qualité de l’eau souterraine

Importance de la qualité de l’eau souterraine

L’eau souterraine représente une ressource stratégique pour de nombreuses sociétés, notamment en raison de son omniprésence et de sa qualité. Elle constituerait la majeure partie de l’eau douce disponible sur Terre et à l’heure actuelle près de la moitié de la ressource en eau potable utilisée dans le monde (UNESCO, 2008; World Water Assessment Programme, 2009). L’eau souterraine exerce également des fonctions essentielles au maintien des régimes hydriques et des écosys tèmes dans beaucoup de régions du monde (Treidel et al. , 2012). Dans le futur, la pression sur la ressource en eau devrait continuer à s’intensifier en lien avec la croissance de la population mondiale et l’augmentation de la demande pour l’agriculture, l’accès à l’eau potable, les activités industrielles et la production d’énergie (World Water Assessment Programme, 2009). Par ailleurs, les changements climatiques devraient grandement modifier la disponibilité des ressources en eau dans le monde (Treidel et al., 2012). Comme les eaux de surface sont susceptibles d’être les premières affectées du fait de leur relation plus directe avec le climat, il est vraisemblable que notre dépendance à l’eau souterraine s’accroisse fortement à l’avenir (Kundzewicz et Doell, 2009). La disponibilité de la ressource en eau souterraine représente donc un enjeu majeur pour les sociétés. Celle-ci dépend autant de la quantité d’eau souterraine que de sa qualité, c’est-à-dire de
ses caractéristiques physiques, chimiques et biologiques. La qualité peut constituer un facteur limitant d’utilisation de l’eau souterraine, en particulier pour la consommation d’eau potable ou l’irrigation des cultures ( Gurdak et al., 2012).
La dégradation de la qualité de l’eau souterraine peut être d’origine anthropique, comme dans le cas de contaminations liées à l’entreposage de déchets domestiques et industriels, à l’utilisation d’engrais et de pesticides, au rejet d’eaux usées, ou au déversement accidentel de produits chimiques. La qualité de l’eau peut aussi se déteriorer naturellement, en lien avec la présence de substances géogènes, tels que le fluor et certains éléments métalliques. Parmi les contaminants inorganiques naturels de l’eau souterraine, l’arsenic est sans doute celui qui pose le plus de pro
blèmes vis-à-vis de la santé humaine à l’échelle mondiale (Ravenscroft et al., 2009).

L’arsenic dans l’environnement et les eaux naturelles

 Géochimie de l’arsenic

L’arsenic (As) est un élément connu pour ses effets néfastes sur les organismes vivants et la santé humaine. C’est un métalloïde, c’est-à-dire un élément ayant des propriétés hybrides entre les métaux et les non-métaux. De numéro atomique 33, il se situe dans le groupe 15 du tableau périodique des éléments avec l’azote (N) , le phosphore (P), l’antimoine (Sb) et le bismuth (Bi). Bien que l’arsenic puisse s’associer de manière covalente avec un grand nombre d’éléments, on le retrouve le plus souvent lié au soufre (S) et à l’oxygène (0) dans l’environnement (O’Day,
2006). On le rencontre essentiellement au degré d’oxydation -3, -1 , 0, +3 et +5, rarement sous sa forme élémentaire, principalement sous forme d’arsénosulfures, d’arséniures, d’arsénites et d’arséniates. Dans les arsénosulfures et les arséniures, l’arsenic se présente sous forme réduite (valence de -1 et 0) , alors que dans les arsénites et les arséniates, il se présente sous forme oxydée (valence de +3 et +5, respectivement). En solution, l’arsenic est stable sous forme d’oxyanions d’arséni te (As(III)) et d’arséniate (As(V) ), qui dominent en fonction des conditions
d’oxydo-réduction (figure 1.1). L’arsénite apparaît comme une espèce neutre dans
les conditions de pH typiques des eaux naturelles (pKa1 = 9,2), alors que l’arséniate a tendance à former des anions univalent ou divalent (pKa1 = 2,3, pKa2 = 7,0)(figure 1.1). Une grande variété de composés organiques methylés de l’arsenic existent comme sous produits des activités bactériennes, fongiques, et eukaryotiques. Les mieux connus sont l’acide monométhylarsonique (MMA(V)) et l’acide diméthylarsinique (DMA(V)) qui sont relativement stables dans l’environnement.
À noter que dans des environnements riches en soufre, l’arsenic peut exister sous forme de thioarsenic dans lequel les atomes d’oxygène sont remplacés par des atomes de soufre (Campbell et Nordstrom, 2014) .

La lithosphère, source d’arsenic dans l’environnement

Le principal réservoir d’arsenic dans l’environnement est la lithosphère. La concentration moyenne d’arsenic dans la croûte terrestre est évaluée entre 1,0 et 1,8 mg/ kg (Henke, 2009), mais les teneurs en arsenic peuvent être très variables selon les environnements géologiques. L’arsenic tend à se concentrer dans les dépôts hydrothermaux généralement associés aux roches magmatiques et métamorphiques. Il peut également être abondant dans les charbons et les lignites ainsi que dans les roches sédimentaires d’origine marine formées dans des conditions réductrices
comme certaines argilites (Bowell et al., 2014). L’arsenic ne se substitue pas facilement dans des minéraux abondants tels que les silicates et les carbonates, et est généralement présent dans des minéraux sulfurés et des oxydes. On dénombre actuellement dans la nature plus de 560 minéraux dans lesquels l’arsenic est présent en tant que composant principal, dont environ 58 % d’arséniates, 24 % de sulfures et sulfosels, 8 % d’oxydes et d’arsénites, le reste étant des arséniures, l’arsenic sous forme native ou dans des alliages (Majzlan et al., 2014). La plupart
sont des minéraux hydrothermaux et leurs produits d’altération (Smedley et Kinniburgh, 2013). L’arsenic peut aussi se substituer au soufre et être présent à des concentrations significatives (jusqu’à 10 %) dans d’autres minéraux sulfurés tels que la pyrite, la chalcopyrite ou la galène (Smedley et Kinniburgh, 2002). À noter que dans les sédiments alluviaux, l’arsenic est généralement présent à des teneurs modérées, le plus souvent dans des oxydes de fer et dans une moindre mesure dans la pyrite framboïdale (Ravenscroft et al. , 2009). Le tableau 1.1 présente une sélection de minéraux primaires et secondaires d’arsenic communs dans les dépôts hydrothermaux associés aux zones magmatiques et métamorphiques

L’arsenic dans les eaux naturelles et ses impacts sur la santé humaine

La présence d’arsenic dans les eaux naturelles est dans la majorité des cas d’origine géogène, bien que localement de fortes concentrations en arsenic peuvent être liées à des pollutions industrielles (Chatterjee et al. , 1993), des activités minières (Williams, 2001) ou plus rarement à des pesticides et herbicides (Peryea et Creger, 1994) et des additifs pour l’alimentation animale (D’Angelo et al., 2012) . En général, les eaux de surface contiennent naturellement peu d’arsenic. En revanche, les eaux souterraines peuvent contenir des concentrations significatives d’arsenic
géogène du fait de l’influence des interactions eau/ roche sur leur composition chimique et des conditions géochimiques favorables à la mobilisation de l’arsenic dans les aquifères (Smedley et Kinniburgh, 2013; Campbell et Nordstrom, 2014) . Les concentrations d’arsenic dans les eaux souterraines peuvent atteindre plusieurs milligrammes par litre (mg/ 1), alors qu’elles dépassent rarement quelques microgrammes par litre (p.g/ 1) dans les eaux de surface. L’arsenic est probablement unique, y compris parm1 les éléments qui apparaissent sous forme d’oxyanions
tels que le sélénium (Se), l’antimoine (Sb), le chrome (Cr), le vanadium (V) ou le molybdène (Mo), par sa capacité à être mobilisé dans des gammes de pH typiques des eaux naturelles (6,5 à 8,5), et dans des conditions réductrices comme oxydantes (Smedley et Kinniburgh, 2002). L’arsenic représente ainsi une sérieuse menace pour la santé humaine lorsque de l’eau souterraine contaminée est utilisée comme source d’eau potable ou comme eau d’irrigation pour les cultures (Ravenscroft et al., 2009). On estime qu’actuellement plus de 200 millions de personnes
dans le monde consomment de l’eau souterraine dépassant la recommandation de 10 p.g/ 1 de l’Organisation Mondiale de la Santé (Naujokas et al., 2013). La plupart des personnes affectées se situent dans les bassins alluviaux et deltas asiatiques, notamment au Bangladesh, en Inde, en Chine ou encore au Vietnam (Nickson et al. , 2000; Berg et al. , 2001; Rodrfguez-Lado et al. , 2013). L’ingestion d’arsenic par la consommation d’eau et de nourriture contaminées peut être à l’origine de nombreux problèmes de santé tels que des cancers de la peau, du foie , des reins ou
de la vessie, des diabètes, des troubles cardiovasculaires, neurologiques ou encore reproductifs (Ravenscroft et al., 2009; Naujokas et al. , 2013).

……….

Table des matières

LISTE DES FIGURES
LISTE DES TA BLEA UX
RÉSUMÉ
ABST RA CT
CHAPITRE 1 INT RODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Importance de la qualité de l’eau souterraine
1.2 L’arsenic dans l’environnement et les eaux naturelles
1.2.1 Géochimie de l’arsenic
1.2.2 La lithosphère, source d’arsenic dans l’environnement
1.2.3 L’arsenic dans les eaux naturelles et ses impacts sur la santé humaine
1.2.4 L’arsenic dans l’eau souterraine des aquifères rocheux fracturés et cas de l’Abitibi-Témiscamingue
1.3 La problématique de la mobilisation et de la distribution de l’arsenic dans l’eau souterraine des aquifères rocheux fracturés
1.3.1 État des connaissances
1.3.2 Lacunes scientifiques actuelles
1.3.3 Objectifs de recherche
1.3.4 Démarche scientifique et méthodologie
CHAPITRE 2 THE ROLE OF SULFIDE M INERALS IN ARSENIC CONTAMINATION OF BEDROCK GROUNDWATER IN WESTERN QUEBEC, CANADA
Résumé
Mots-clés
Abstract
Keywords
2.1 Introduction
2.2 Geological and hydrogeological settings
2.3 Material and methods
2.3.1 Samples collection
2.3.2 Rock samples analysis
2.3.3 Laboratory tests
2.3.3.1 Batch leaching tests
2.3.3.2 Humidity cells tests
2.3.4 Chemical analysis
2.4 Results
2.4.1 Arsenic content and mineralogy in bedrock cores
2.4.2 Arsenic release from core samples
2.4.2.1 Batch leaching tests
2.4.2.2 Humidity cell tests
2.4. 3 Dissolved arsenic in groundwater
2.5 Discussion
2.5.1 Arsenic release from sulfide minerais
2.5.2 Source and mobilization of arsenic in groundwater
2.6 Conclusion
Acknowledgments
Appendix A. Supplementary data
References
CHAPITRE 3 MOBILITY AND SPECIATION OF GEOGENIC ARSENIC IN BEDROCK GROUNDWATER FROM T HE CANADIAN SHIELD IN WESTERN Q UEBEC, C ANADA
Résumé
Mots-clés
Abstract
Keywords
3.1 Introduction
3.2 Study Area
3.3 Material and methods
3.3.1 Sampling and field measurements
3.3.2 Separation of arsenic species
3.3.3 Analytical method
3.4 Results and discussion
3.4.1 Groundwater composition and origin of dissolved elements in bedrock groundwater
3.4.1.1 Physico-chemical parameters
3.4.1.2 Major chemical species
3.4.2 Dissolved arsenic and trace metal elements
3.4. 3 Arsenic speciation
3.4.4 Geochemical controls on arsenic mobility
3.4.5 Conceptual model of arsenic mobilization in bedrock wells
3.4.6 Arsenic exposure and protection of public health
3.5 Conclusions
Acknowledgments
Appendix A. Supplementary data
References
CHAPITRE 4 A REVIEW AND EVALUATION OF THE IMPACTS OF CLIMATE CHANGE
ON GEOGENIC ARSENIC IN GROUNDWATER FROM FRACTURED BEDROCK AQUIFERS
Résumé
Mots-clés
Abstract
Keywords
4.1 Introduction
4.2 Review of arsenic occurrences in fractured bedrock aquifers
4.2.1 Sources, sinks and fate of arsenic in groundwater
4.2.1.1 Primary mineral sources
4.2.1.2 Arsenic mobility and secondary sources
4.2.2 Influence of groundwater flow
4.3 Impacts of climate change on the processes controlling arsenic concentrations in groundwater
4.3.1 Increase in sulfide oxidation
4.3.2 Changes in groundwater flow and geochemical evolution
4.3.3 Indirect impacts of changing human activities
4.3.4 Influence of aquifer properties
4.4 Concluding remarks and perspectives
Acknowledgments
References
CHAPITRE 5 CONCLUSION GÉNÉRALE
5.1 Portée de la thèse pour la science et la société
5.1.1 Principales avancées scientifiques
5.1.2 Retombées pour la société
5.2 Considérations pour les futures recherches
BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE

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