Soutenance mémoire
L’utilisation de l’humus en pédogéochimie d’exploration minérale
L’élaboration de nouvelles techniques d’exploration sous couvert de dépôt glaciaire
Au Québec les minéralisations se situant à proximité d’affleurements ou faiblement recouvertes par un dépôt glaciaire ont déjà fait l’objet de travaux d’exploration. Le défi de l’industrie de l’exploration minérale est d’explorer les territoires recouverts d’une plus grande épaisseur de dépôts glaciaires. Ceux-ci représentent une portion importante du territoire (>90%) et empêchent les spécialistes de l’exploration de visualiser la nature même du substrat géologique sous-jacent. Par conséquent, les efforts et les coûts sont plus importants pour l’aménagement des travaux d’exploration. L’élaboration de techniques d’explorations indirectes permettant de détecter des minéralisations sous un couvert relativement épais de dépôt glaciaire est maintenant au coeur de la problématique de l’exploration minérale. L’utilisation de la biogéochimie et la pédogéochimie dans un cadre d’exploration minérale consiste à doser chimiquement les éléments traces métalliques (ETM) pour déterminer la nature géochimique du substrat géologique sous-jacent.
L’analyse des tissus de végétaux et d’humus (Ah, horizon organique) peut fournir de précieuses informations sur la source des ETM (milieu émetteur) et par la suite peut permettre de générer de nouvelles cibles d’exploration (Brooks et al., 1995). L’avantage de l’utilisation de ces techniques est qu’elles ont un coût relativement faible comparativement à une campagne de forage et elles sont réalisables sur de vastes territoires (Brooks et al., 1995; Dunn et al., 1995). On retrouve dans la littérature récente quelques études portant sur l’utilisation de la biogéochimie et la pédogéochimie d’exploration. Cependant, on ne rencontre aucune étude qui tient compte de l’effet du site d’échantillonnage (environnement d’échantillonnage) sur l’analyse des résultats. La principale limitation de ces approches est la mauvaise connaissance de l’effet de l’environnement d’échantillonnage sur la signature en ETM.
Effet du substrat géologique sur la géochimie des végétaux et de F humus des sols
La géochimie du substrat géologique influence directement les concentrations et la nature des ETM dans l’humus et dans les végétaux (Baize, 1997). Du point de vue géochimique, la végétation et l’humus peuvent être considérés comme l’extension en surface du substrat géologique (Hulme et al., 2006). Les ETM du substrat géologique devront subir une altération chimique (hydrolyse) par l’eau d’infiltration et l’eau phréatique avant de migrer vers l’environnement de surface (milieu récepteur). Un sol développé sur un substrat géologique riche en un élément donné sera forcément riche en cet élément (Baize, 1997). Différents modèles géochimiques, avec des degrés de complexité variés, ont été développés pour mieux comprendre la migration des ETM dans les sols de l’environnement de surface (milieu récepteur). Selon la littérature, plusieurs facteurs participent à la migration verticale des ETM vers le milieu récepteur.
La polarisation spontanée est un phénomène physique de diffusion des ETM par la génération d’un potentiel électrique en périphérie d’un corps conducteur métallique (minéralisation). Cette théorie électrochimique a été proposée par de nombreux auteurs (Sato et al., 1960 ; Govett et al., 1975 ; Goldberg, 1998 ; Hamilton, 1998). Ces auteurs supposent qu’il s’agit d’un phénomène d’oxydo-réduction. Le dessus du corps conducteur agit comme une cathode où il y a une réaction de réduction (gain d’électrons). La base de la minéralisation agit comme une anode où il y a réaction d’oxydation (perte d’électrons). Les ETM de l’anode vont vers la cathode et après vers le milieu récepteur générant une anomalie géochimique. La transpiration du couvert végétal (principalement à travers les stomates des plantes) et Pevaporation de Peau des sols participent à la migration verticale des ETM vers le milieu récepteur (Mann et al., 2005). La transpiration n’est pas homogène sur le territoire car elle varie selon l’importance du couvert végétal. La capillarité du dépôt glaciaire provoque l’ascension des ETM vers le milieu récepteur.
Le flux ascensionnel d’eau capillaire à partir des eaux interstitielles est fortement influencé par la texture de la matrice et le type de dépôt glaciaire. L’ascension capillaire a été suggérée par Mann et al. (1997) comme un processus important dans la distribution et la redistribution des ions dans l’environnement près de la surface (au-dessus de la nappe phréatique). Le pompage sismique est un autre phénomène géologique mentionné dans la littérature (Cameron et al., 2005). La figure 1 montre comment les paramètres physico-chimiques et biologiques peuvent être déterminants dans la géochimie des végétaux et de l’humus.
Définition des colloïdes
La propriété la plus importante des colloïdes organiques et inorganiques du sol est qu’ils exposent une grande surface externe de charge électrique négative. Cette charge négative contribue à l’adsorption des ETM de charge électrique opposée (Citeau et al., 2001). Ces fractions colloïdales sont composées de fractions solides et de fractions aqueuses qui respectivement peuvent être fixes sur la matrice du sol ou être mobilisées par le drainage (Pansu et al., 2003). La fraction solide est constituée d’oxydes métalliques, de matière organique (MO), d’argiles, de carbonates et de silices. Les ETM présents dans la fraction solide se distribuent entre la fraction organique et la fraction minérale. Tandis que la fraction aqueuse est fondamentalement constituée des mêmes structures dans des proportions différentes. Le rôle de ces colloïdes dans la dynamique des ETM dans les sols dépend en grande partie de leur abondance, de leurs propriétés de surface et de leur réactivité vis-à-vis les ETM.
De nombreux travaux ont abordé les interactions colloïdes-ETM dans le but de fournir des données intégrables dans les modèles géochimiques. Cependant, peu de données existent sur les colloïdes naturels tels que ceux circulant dans les sols et générés par l’environnement (tourbière). Or dans les milieux naturels, les colloïdes sont constitués de différents composés qui dépendent fortement du milieu dont ils sont issus. En conséquence, il s’avère nécessaire d’étudier les propriétés de surface et la réactivité des colloïdes présents dans les systèmes naturels. En première approche, la connaissance des teneurs totales en ETM dans les sols permet d’estimer la quantité de colloïdes dans la solution sol et ainsi de circonscrire les zones ayant de forts enrichissements en ETM.
Fraction organique (colloïdes organiques)
La MO des sols montre une structure d’une grande hétérogénéité et d’une grande complexité. La MO se compose d’une fraction organique vivante (microflore, faune et racines des plantes) non décomposée et d’une fraction organique morte (débris d’origine animale ou végétale), plus ou moins décomposée. Pour cette dernière, on distingue généralement les substances non-humiques et les substances humiques. Les substances non-humiques sont des composés aux caractéristiques chimiques reconnaissables dont la majorité provient des constituants organiques de végétaux ou d’animaux ou de molécules excrétées par ces organismes dans l’environnement. Ce sont les constituants de ces résidus organiques qui sont à l’origine de la formation de la MO du sol. Brièvement, ces principaux constituants sont la cellulose, la lignine, les protéines, les tannins, les lipides…
Les substances humiques (SH) résultent de la transformation des composés organiques du sol en composés humiques (humification). Généralement on distingue dans ces SH : les acides humiques, les acides fulviques et l’humines. Dans la présente étude nous ne faisons pas de distinction entre les différents complexes humiques mentionnés. Les SH possèdent des propriétés colloïdales dues à la présence de nombreux groupements fonctionnels, telles que les fonctions carboxyliques, phénoliques et amines, qui sont susceptibles d’agir comme donneurs de protons ou d’électrons. Ces groupements fonctionnels leur confèrent une grande CEC (capacité d’échange cationique) et des charges de surface variables avec le pH (Jones et al., 1998).
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Table des matières
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION
1.1 L’élaboration de nouvelles techniques d’exploration sous couvert de dépôt glaciaire
1.2 Effet du substrat géologique sur la géochimie des végétaux et de l’humus des sols
1.3 Colloïdes et propriétés de complexation des ETM dans l’humus et utilisation de la pédogéochimie d’exploration minérale
1.3.1 Définition des colloïdes
1.4 L’utilisation de l’humus en pédogéochimie d’exploration minérale
1.5 Littérature sur l’utilisation des végétaux en biogéochimie d’exploration minérale
1.6 Hypothèses et objectifs
MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1 Description du site d’étude
2.1.1 Localisation
2.1.2 Climat
2.1.3 Géologie
2.1.4 Physiographie et hydrographie
2.1.5 Dépôts de surface
2.1.6 Description de la nature du sol : Gleysol
2.1.7 Couvert végétal
2.2 Méthodologie
2.2.1 Échantillonnage
2.2.2 Dispositif expérimental
2.2.3 Méthodes analytiques et traitement de l’humus .
2.2.4 Méthodes analytiques et traitement des aiguilles d’épinette noire
2.2.5 Contrôle de la qualité analytique
2.2.6 Analyses statistiques
RÉSULTATS
3.1 Partiel
3.1.1 Statistiques descriptives
3.2 Analyse de variance
3.2.1 Enrichissement en ETM en fonction du site d’échantillonnage
3.2.2 Enrichissement en Zn en fonction du site d’échantillonnage
3.3 Partie II
3.3.1 Statistiques descriptives
3.3.2 Analyse géostatistique et variographie
3.3.3 Profil des variables
3.3.4 Effet de pépite relatif (EPR %)
DISCUSSION
4.1 Partiel
4.1.1 Effet de l’environnement d’échantillonnage sur l’enrichissement en ETM
4.1.2 Effet d’une tourbière ombrotrophe sur les teneurs en Zn
4.2 Partie II
4.2.1 Analyse variographique du Zn dans l’humus
4.2.2 Caractérisation de la signature géochimique du Zn dans l’humus
4.2.3 Environnement physico-chimique de la minéralisation
4.2.4 Analyse variographique du Zn bioaccumulé dans les EPN
4.2.5 Caractérisation de la signature géochimique du Zn dans les aiguilles EPN
4.2.6 Bioaccumulation du Zn dans l’environnement de la minéralisation :
4.2.7 Synthèse et perspectives
CONCLUSIONS.
RÉFÉRENCES
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