Sous 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 (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 vis-à-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. 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. 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. Un enrichissement local modéré dans certaines stations et pour certaines terres rares (Gd ou Y), a été observé.
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.
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Under semi-arid Mediterranean climate characterized by floods and severe low water flow and increasing anthropogenic pressures, the North African wadis are exposed to important environment impacts (industrial, domestic and medical wastes, constructions of dams ...). Trace elements contamination (TM, including rare earth elements) is increasing and contributes to damage aquatic environment. Trace element concentrations and their mobility, various relative (hydro)biogeochemical processes, as well as their transfer downstream, are thus affected.
In this context, to evaluate the impact of these environmental pressures, the Tafna river was used as a model in this thesis: (i) to evaluate the quality of water and bed sediments, (ii) to identify the sources, and (iii) the behavior of the TM in different hydrological conditions. TM (Pb, Cd, Zn, Cu, Cr, Co, Ni, As), REE (La-Yb) and major elements, COP, COD, as well as the physicochemical parameters, were studied during several contrasted hydrological campaigns, for 10 stations and two dams, from upstream to downstream of the watershed. The results 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 TM 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 accumulated particles, 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 TM to the Mediterranean sea. The elements from natural origin (Co, Ni, Cr, As) are correlated with Al, Fe and Mn, suggesting a control by oxides or clays, those of an anthropogenic origin are linked to phosphorus (Cd and Zn) or sulfur (Cu), mainly related to agricultural inputs. Cadmium and Pb are the most extractable metals at upstream and downstream stations, but their availability is not strictly related to the degree of contamination.
REE patterns in sediments are controlled by particle size and geochemical characteristics (including anomalies). LREE were associated with clay minerals and HREE with coarse silts; MREE and HREE were the most extractable ones. Dams are sinks for LREE of stored sediments and they influence the usual fractionation patterns of REE due to erosion processes from upstream to downstream. Moderate local enrichment in some stations and for some REE (Gd or Y) were observed.
By highlighting the impact of natural processes (hydrological, geochemical and erosion) and anthropogenic disruptions (discharges, dams) using REE tracers and a combination of various geochemical and isotopic tools, this innovative work for semi-arid carbonate systems could be used for other similar basins undergoing various pressures (erosion and anthropization). Repository recommendations and a set of geochemical and statistical data and tools, are provided.
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