Les isotopes radioactifs dans

les eaux souterraines

EXPOSE :

Responsable du module : Mme MEBROUK ZAIDI.

Année 2014/2015

Présenter par : ZEMOUR Youcef .

République algérienne démocratique et populaireMinistére de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique

Université d’Oran 2 : Mohamed ben Ahmed Faculté des sciences de la terre et l’univers

Master 1 : Eaux Souterraines et environnement

Plan de Travail : Introduction .

La Définition d’un isotope

La Radioactivité.

L’isotope radioactif de la molécule d’eau et définition .

Production naturelle

Production anthropogène

La datation par le trituim (Principe et équation )

Les isotopes Radioactif des espèces dissoutes

Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines.

La Conclusion .

Introduction :

• L'utilisation des isotopes du milieu dans le domaine de l'hydrologie des eaux souterraines offre la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des processus de mouvement et de distribution dans l'aquifère. Les eaux souterraines contiennent naturellement des isotopes du milieu et on peut en tirer des conclusions par rapport aux quantités existantes.

Définition d’un isotope:

𝑬𝑍𝐴

Nous désignons un isotope d’un élément E par la notation suivante:

𝑪612 , 𝑶8

16

où Z est le numéro atomique (nombre de protons) et A la masse atomique (somme du nombre de protons et du nombre N de neutrons) . Exemples:

Les isotopes d'un élément chimique ont tous lemême numéro atomique Z (le même nombre deprotons dans leur noyau) mais des massesatomiques différentes (le nombre de neutronsdifférents).

Exemples :

𝑶818 , 𝑶, 8

17 𝑶 816

𝑺𝒓, 𝑺𝒓3886 , 𝑺𝒓38

87 , 𝑺𝒓3888 38

84

La Radioactivité :

• La radioactivité est une transformation spontanée d’un noyau atomique au cours de laquelle ce dernier émet un rayonnement. Cette réaction se produit sur des éléments instables qui adoptent ainsi une configuration énergiquement plus stable. Les rayonnements produits peuvent être de trois types : alpha, bêta ou gamma.

L’isotope radioactif de la molécule d’eau

Période : 12,43 ans

Le tritium

Définition :• Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène, est un

traceur intime de la molécule d'eau, qui permet d'estimer le temps de transit des eaux dans l'aquifère. De par son origine essentiellement anthropogène et sa radioactivité, son comportement est sensiblement différent de celui des isotopes stables.

Définition :

Instable, il se désintègre avec une période de demi-vie de 12.43 années, en formant des atomes stables d’hélium-3 et un rayonnement β- selon l’équation:

C’est ce rayonnement qui permet de mesurer la quantité de tritium contenue dans un échantillon. Ce rayonnement de très faible énergie (0,018 MeV) est totalement absorbé par une couche de 5 μm d’eau, ou de 3 μm d’air, ce qui rend sa détection difficile.

• L'origine du tritium dans l'atmosphère est double :

l'une naturelle ,

l'autre, anthropique .

1-La production naturelle :

• La production naturelle du tritium est liée à l'impact neutronique du rayonnement cosmique sur les noyaux d'azote de l'air :

• Le tritium produit sous forme d’hydrogène est oxydé en eau. Il est alors introduit dans le cycle de l’eau.

2-Production anthropogène :

• A cette production naturelle s'ajoute une injection de tritium en grande quantité produite dans la stratosphère lors des essais thermonucléaires et nucléaires aériens.

Cette production artificielle permet de différencier les eaux résultant de précipitations sans tritium nucléaire (avant 1952) des eaux de précipitations formées dans une atmosphère contenant du tritium nucléaire (après 1952).

La datation par le trituim :

La nouvelle Méthode(Tritium/hélium)

• La possibilité de dater les eaux souterraines à partir des teneurs en hélium et tritium de l’eau, a été développée à la fin des années 60 (Tolstikhin and Kamensky, 1969). Elle a largement été utilisée en hydrogéologie continentale à partir des années 90 quand les concentrations en tritium précédemment utilisées seules en datation, sont devenues trop faibles (ou trop affectées par la dispersion dans le milieu) pour avoir une estimation des âges.

Principe et équation :

• L’hélium 3 est l’élément fils du tritium. Comme c’est un composé gazeux il se volatilise immédiatement vers l’atmosphère si le milieu est en contact avec celle-ci. Par contre, si l’eau est isolée de l’atmosphère, l’hélium 3 se comporte comme un traceur accumulatif, et sa concentration dans l’eau augmente proportionnellement à la concentration initiale en tritium et au temps.

• Il est donc théoriquement possible quand on connaît la concentration en tritium restant dans le milieu et en hélium 3 produit par décroissance de remonter au temps pendant lequel l’eau est restée isolée :

• Où :

• t est le temps en années

• λ est la constante de décroissance radioactive : λ= ln2/T avec T : demi-vie de l’élément considéré (pour le tritium T = 12,43 ans d’où λ= 0,05626 an-1)

• représente la concentration en tritium en UT (1 unité tritium correspond à un atomede 3H pour 1018 atomes de 1H)

• représente la concentration en hélium tritiogénique en équivalent UT (1 UT équivaut à la production de 0,402.10-12 cm3/kg de )

• La difficulté de cette méthode réside dans la séparation de l’hélium tritiogénique (issu de la décroissance radioactive du tritium) des autres sources d’hélium présentes dans l’échantillon prélevé.

• La concentration en hélium tritiogénique est obtenue en soustrayant chacune des autres composantes à la valeur mesurée :

• Où :

• : est la composante tritiogéniquerecherchée

• L’ensemble des calculs permettant de déterminer la proportion de chaque composante et donc la composante tritiogénique, peut être résumé par la formule ci-après ; où chacune des composantes de est estimée à partir des concentrations en

• Avec :

• Rm : rapport 3He/4He mesuré

• Ra : rapport 3He/4He atmosphérique

• Rterr : Rapport 3He/4He terrigène : pourrait être déduit d’une eau où il n’y a pas de tritium et où on attribue l’ensemble de l’hélium à la production par désintégration radioactive. Pour les roches cristallines ce rapport a habituellement une valeur proche de 2.10-8 avec une gamme de variation pouvant aller de 5,7.10-9 à 7,1.10-8.

• α : fractionnement isotopique lié à la solubilisation (0,983)

• : concentration en 4He mesurée en cm3 STP

• : concentration en hélium 4 en cm3 STP à l’équilibre avec l’atmosphère (solubilité, à 12°C : 4,606.10-8cm3/g)

• : concentration en hélium terrigène en cm3 STP, il peut être estimé grâce à la formule suivante où sont soustraites à la concentration en hélium 4 totale la composante liée à sa solubilité et celle liée à l’excès d’air (à partir du néon en supposant un rapport He/Ne identique dans l’air et dans l’excès d’air):

Les isotopes Radioactif des espèces dissoutes:

Le carbone 14

Période: de 5.730 ans.

Le radiocarbone 14C :

Le radiocarbone 14C , est comme le trituim , se forme dans la haute atmosphére à partir des noyaux d’azote 14 , aprés l’oxydation , il est distribué dans le cycle de carbone sous forme de Co

2 mélangé au Co2

atmosphérique , il se désintégre en emettant de rayon β.

14C β + 14N

La datation des eaux par le carbone 14

Le radiocarbone entre dans les eaux souterraines par l’intermédiaire du CO2 atmosphérique via le sol .La datation est basée sur la décroissance radioactive de la teneur en 14C du carbone minéral total dissous .Le temps de séjour moyen (ts) de l’eau entre la zone de recharge et le lieu de prélèvement est donné par la formule :

Ts = 8267. Ln (A°/At) en années.A° = l’activité initiale en 14C du carbone minéral total dissous (CMTD).At = L’activité résiduelle en 14C de CMTD mesuré dans des échantillons d’eau de cette nappe.A° et At sont exprimés en pour cent de carbone moderne (pcm), avec 100 pcm =13,56 ± 0,07 désintégration par minute et par gramme de carbone .

Applications du 14C sur les eaux souterraines:

La détermination de l’âge pour les études paléo

hydrologiques, paléo climatiques et l’hydrodynamique.

La détermination de la direction et des vitesses de

l’écoulement des eaux souterraines.

L’estimation des taux de recharge dans les aquifères

phréatiques et profonds.

Le Chlore 36

Le chlore 36 d’une periode de 300 000 ans est un traceur de temps particuliérement bien adapté à l’étude des eaux souterraines anciennes.

Mais la méthode d’éstimation l’àge des eaux par le chlore 36 est relativement lourde , n’est encor que peut utilisés .

Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines :

Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines :

• Les résultats issus de la datation des eaux souterraines peuvent devenir de puissants outils pour tester de nouvelles hypothèses de fonctionnement hydrogéologique, pour comprendre le transfert de polluants tels que les nitrates dans le milieu naturel et pour mieux contraindre le modèle hydrogéologique des aquifères fracturés hétérogènes.

Conclusion :

• Finalment nous constatent que le but principale d’étude isotopique (soit par les radioactif ou stable) dans le domaine hydrogeologique , hydrologie , envirennement permet de déterminer l’age des eaux dans l’aquifere , donc elles apportent des réponses fiables aux différentes questions que l'on est amené à se poser quand on cherche à préciser le gisement de l'eau .

Références :

• FONTES J.Ch. (1976) Les Isotopes du milieu dans les eaux naturelles - La Houille Blanche 3/4 - 205-221

• Mamyrin, B. A. and I. N. Tolstikhin (1984). Helium isotopes in nature. Amsterdam, Elsevier.

• Allison, G.B., Hughes, M.W., 1975. The use of environmental tritium to estimate recharge to a South Australian aquifer. J. Hydrol., Vol. 26: 245-254.

• Clark I. D. and Fritz P. (1997) Environmental Isotopes in Hydrogeology, Lewis Publishers of CRC Press, New York, 328 pp. Cook P. G., and Herczeg A. L. (2000) Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Boston, 529 pp.

• Isotopes in the water cycle, 2005, Aggarwal et al., eds., Springer, Dortrecht, NL.

• Bentley, H.W., Phillip, F.M., Davis, S.N., Habermehl, M.A., Airey, P.L., Calf, G.E., Elmore, D., Gove, H.E., Torgersen, T., 1986. Chlorine-36 dating of very old groundwater I. The Great Artesian Basin, Australia, Water Resources Res., Vol. 22, No. 13: 1991-2001.

• Heemskerk, A.R., 1998, Techniques: Tritium (Direct and Enriched [TP 01]: Environmental Isotope Laboratory University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada: http://www.science.uwaterloo.ca/research/elab/Methodology/inContent/tp01.html, 2 p.

Merci de votre attention.