Les gradients environnementaux, sols et activité minière

Qu’appelle-t-on gradients environnementaux?

Les résidus miniers sont des témoins de l’exploitation des corps métalliques qui a eu lieu jusqu’au siècle dernier. Ils forment des haldes qui peuvent nécessiter des actions de réhabilitation. En effet, ces résidus représentent une importante quantité de matériaux contaminés qui se dispersent dans l’environnement.

La présence de ces résidus miniers forme des gradients liés à la présence de métaux dans les sols, souvent de l’amont (présence importante de résidus et de métaux dans les sols) vers l’aval (moindre présence de résidus et de métaux). Le long de ces gradients, des changements importants dans la composition de la végétation sont observés. De plus, le long de ces gradients, et en lien avec la quantité de métaux dans les sols, d’autres facteurs importants pour le développement des plantes peuvent varier, comme la quantité de nutriments présents pour la croissance des plantes, ou la pierrosité et l’érosion. Cette partie du projet s’intéresse à la caractérisation de l’ensemble des paramètres physiques et chimiques du milieu qui varient de long de ces gradients.

Objectifs de cet axe de recherche :

L’objectif de cet axe de recherche est de caractériser les gradients environnementaux qui influent sur le développement des plantes, sur les stratégies qu’elles mettent en place pour s’y adapter, et in fine sur les interactions entre plantes.

L’étude des gradients environnementaux inclut :

1. La caractérisation des concentrations totales en métaux et métalloïdes au sein des zones étudiées
2. La caractérisation de la disponibilité environnementale des métaux  (potentiellement transférés du sol à la solution du sol via des processus physico-chimiques de désorption), et de la biodisponibilité environnementale (potentiellement prélevés par un organisme vivant via des processus physiologiques)
3. Les autres paramètres pédogéochimiques et physiques du sol: texture, matière organique, teneur en eau, en nutriments
4. La topographie et le micro-relief
5. Les conditions météorologiques qui diffèrent fortement entre les zones d’étude à basse et haute altitude (de 1000 à 2000 m). Les deux principaux paramètres suivis sont les températures et l’humidité (de l’air et des sols).

Personnes les plus impliquées :

Gaël Bellenfant,  BRGM, Ingénieur de recherche et chargé de mission en après mine, g.bellenfant_at_brgm.fr

Valérie Laperche, BRGM, Ingénieure de recherche experte en minéralogie et en mesures XRF, v.laperche_at_brgm.fr

Valérie Sappin-Didier, INRAe, Chargée de recherche, valerie.sappin-didier_at_inrae.fr

Christophe Nguyen, INRAe, Directeur de recherche, christophe.nguyen_at_inrae.fr

Jérémie Melleton, BRGM, Chercheur géologue et expert en gitologie, j.melleton_at_brgm.fr

Principales réalisations :

En été 2020 chaque zone d’étude a fait l’objet de nombreuses mesures à l’aide d’un spectromètre de fluorescence X portable (méthode permettant de mesurer les concentrations massiques des éléments chimiques) et des prélèvements de sols pour analyses en laboratoire des teneurs totales en éléments minéraux, des paramètres pédogéochimiques, et de la disponibilité environnementale des métaux.

Une synthèse géologique a également été réalisée en juin 2020 afin de replacer les sites dans leur contexte géologique et d’aider à faire la part entre la présence des métaux liée à l’ancienne activité minière et les concentrations spontanées (liées aux minéralisations naturelles affleurantes).

Au cours du projet, la caractérisation des gradients étudiés a été réalisée, que ce soit en lien avec la contamination et la disponibilité environnementale des métaux, mais aussi concernant l’évolution plus générale d’autres paramètres physiques et chimiques. La caractérisation de la pollution sur le site a été réalisée sur plus de 300 sols, par des mesures directes (1084 mesures pXRF réparties sur 7 sites soient 140 à 198 mesures par site, 16 DRX) et en laboratoire, de paramètres pédo-géochimiques (granulométries, calcaire, carbone organique, pH, phosphates, CEC, cation échangeables, minéralisation, ETMs) et minéralogiques (quartz, amphibole, calcite, goethite, muscovite, galène, talc, chlorite, hydrozincite, feldspath, sphalérite, smectite) et géologiques (minerai filonien plomb et zinc enchâssé dans les carbonates). Des cartes de répartition de la pollution ont ainsi étaient réalisées. La contamination en tout point est déduite par interpolation des valeurs mesurées aux points de prélèvement. Ce travail a permis de contextualiser précisément les zones d’observations et d’expérimentations utilisées par l’ensemble des partenaires du projet.

Les mécanismes régissant la disponibilité environnementale des métaux/métalloïdes ont été étudiés et modélisés par les paramètres pédo-géochimiques mesurés. Ainsi, les teneurs en Cd, Pb ou Zn sorbés par de faibles énergies sont majoritairement régies par le pH du sol. Pour de plus fortes énergies de liaisons, la disponibilité est régie par la compétition entre éléments autant que par l’abondance des sites de sorption. Ces travaux ont montré que sur le site de Sentein, quelques soit l’intensité de la pollution, l’origine du substrat (sols développés sur des roches schisteuses ou carbonatés) et donc les phases minérales porteuses de métaux, l’extraction des métaux par l’acide acétique est un bon indicateur de la disponibilité environnementale des métaux sur l’ensemble des sols. L’ajustement de la pollution en fonction de la toxicité écotoxicologique des contaminants montre que le risque écologique est extrêmement élevé pour tous les sols étudiés vis-à-vis de Cd, Zn et Pb. Notamment pour Cd, dont le risque écotoxique est ~ 2 et ~ 20 fois plus élevé que celui du Pb et du Zn, respectivement. En complément de ces analyses de sols, les modèles numériques de surface (MNS) et de terrain (MNT) ont été produits à partir de 30 jeux de données (en début et fin de croissance végétale, photo visible, proche infra-rouge, lidar et avec des définitions variables (lidar 60-80 points par m², résolution de 10 cm ; photogrammétrie : 2/3 mm et 2 cm). Ces données ont permis la réalisation de cartes des gradients géomorphologiques (distance au sommet de la pente, exposition solaire, ombrage, au thalweg, cônes d’éboulis, roche nue, fractures…) et morphométriques (pente, aspect, courbure verticale dans la direction de plus grande pente) et enfin la génération des cartes de références de végétation (cartes de zonage d’habitat)