Le présent travail rentre dans le cadre du projet Hubert-Curien Tassili (PHC) entre l’université de Mostaganem et l’université de Perpignan, c’est une thèse de doctorat en cotutelle qui a comme objectif la contribution à l’étude de la contamination des eaux et des sédiments de l’Oued Chéliff et de ses deux affluents Oued Rhiou et Oued Mina. Cette étude a été abordée par un prélèvement saisonnier réalisé pendant deux périodes distinctes période humide et période sèche au niveau de 15 stations le long des cours d’eau. La qualité des eaux et des sédiments des cours d’eau a été déterminée par l’analyse des paramètres physico-chimiques, des métaux et des traceurs fluorescents.Les résultats obtenus ont montré une forte contamination en conductivité, DCO, DBO5 pendant la période humide et en Cl- et MES pendant la période sèche. Les résultats des métaux ont montré des concentrations importantes en Al, Fe et Ni particulièrement au niveau de l’Oued Chéliff et son affluent Oued Rhiou en période sèche. Cependant, Oued Mina présente des valeurs élevées de Li et de Sr. Les concentrations de types tryptophane, tyrosine et indole montrent des valeurs élevées au niveau des stations de rejets. L’évaluation de la qualité des sédiments de l’Oued Chéliff a montré que l’Oued Chéliff et son affluent Oued Rhiou sont caractérisés par la présence de fortes concentrations de Al, Mn, Fe, Cr, Ni, Pb pendant les deux périodes.Cette étude nous a permis de déduire que la qualité de l’eau et des sédiments de l’Oued Chéliff et de ses deux affluents a été altérée par les activités anthropiques et les phénomènes naturels. / The present thesis was carried out in co-tutelle between University of Mostaganem (Algeria) and University of Perpignan Via Domitia (France), it was partially funded through a PHC TASSILI project (15MDU937). It aims to study the quality of waters and sediments of Cheliff river and its two important tributaries Oued Rhiou and Mina rivers. During this work, seasonal samplings were performed for both water and sediment in 15 different stations along the watercourses during wet and dry.In order to evaluate the water and sediment quality of watercourses, several parameters were analyzed: the physicochemical parameters, fluorescence amino acids and trace metals. The study reveals a significant organic contamination along the watercourses with high concentrations of conductivity, COD, BOD5 during the wet period and Cl-, TSM during the dry period. The results of trace metals showed high concentrations of Al, Fe and Ni, particularly along the Cheliff and Oued Rhiou rivers during the dry period. On the other hand, Mina river presented high concentrations of Sr and Li. The presence of tryptophan like, tyrosine like and indole like in water samples revealed the impact of untreated urban discharges rejected into watercourses. Another part of the work is devoted to assess the quality of sediments of Cheliff river and its tributaries. The results show that the Cheliff river and its tributary Oued Rhiou are characterized through the presence of high concentrations of Al, Mn, Fe, Cr, Ni, Pb, during wet and dry periods. The present study has shown that the Cheliff river and its tributaries were strongly impacted by anthropogenic pollution and natural phenomenon.

Dans la région traversée par le plus important cours d’eau permanent d’Algérie l’Oued Cheliff, les déchets ménagers sont fréquemment mis en décharges à ciel ouvert, constituant une véritable menace environnementale à cause de la contamination causée par les lixiviats. Deux décharges ont été prises pour étude de cas : la première située sur l’Oued Hillil, affluent secondaire de l’Oued Chéliff et la deuxième localisée sur l’Oued Cheliff.Des prélèvements saisonniers d’eau et de sédiments ont été effectués dans les cours d’eau. Au sein de la décharge les lixiviats et les sols ont aussi été prélevés. L’impact des décharges a été évalué par l’analyse des paramètres physico-chimiques dans les liquides et des métaux dans tous les compartiments (eaux, lixiviats, sols et sédiments). L’analyse des traceurs fluorescents dans tous les compartiments est utilisée pour le suivi de la pollution urbaine.Cette étude a mis en évidence l’effet saisonnier important de l’impact des décharges sur les cours d’eau. Au printemps, les lixiviats présentes de fortes teneurs en traceurs fluorescents, Cr, Co, Mn, Ni issus de dépôt importants de déchets verts. En automne, ils reflétaient plutôt une contamination par NO2-, SO42-, PO43-, Fe, Cu, Cr provenant de résidus de produits agricoles (engrais, traitements phytosanitaires). Les eaux des deux cours d’eau sont très chargées en Cl- et Sr en toute saison dû à la nature saline des sols de la région.Les concentrations des métaux dans les sols des décharges sont largement supérieures à celles des sédiments fluviaux et révèlent une contamination métallique élevée (Cd, As, Zn, Cr, Pb), reflétant l’impact de déchets urbains (piles, batteries, plastiques…) / In the region crossed by the largest permanent watercourse of Algeria Oued Cheliff, household waste is frequently put in open dumps, constituting a real environmental threat because of the contamination caused by the leachates. Two landfills were taken for the case study: the first located on Oued Hillil, a secondary tributary of Oued Chéliff and the second located on Oued Cheliff.Seasonal sampling of water and sediment has been conducted in streams. In the landfill, leachates and soils were also collected. The impact of landfills was assessed by analyzing physico-chemical parameters in liquids and metals in all compartments (water, leachate, soils and sediments). The analysis of fluorescent tracers in all compartments is used for monitoring urban pollution.This study has highlighted the important seasonal effect of the impact of landfills on rivers. In the spring, leachates present high levels of fluorescent tracers, Cr, Co, Mn, Ni from large deposits of green waste. In autumn, they reflected rather NO2-, SO42-, PO43-, Fe, Cu, Cr contamination from residues of agricultural products (fertilizer, phytosanitary treatments). The waters of both rivers are heavily loaded with Cl- and Sr in any season due to the saline nature of the soils of the region.The concentrations of metals in landfill soil are much higher than those of river sediments and reveal a high metallic contamination (Cd, As, Zn, Cr, Pb), reflecting the impact of urban waste (batteries, batteries, plastics ...)

Cette thèse a pour objectifs de documenter les variations spatiotemporelles de la zone de minimum d’oxygène (OMZ) du Pacifique Nord-Est, et d’identifier les mécanismes qui ont causé ces variations. L’étude est fondée sur l’analyse géochimique des composants majeurs, mineurs et traces de sédiments prélevés dans le Pacifique Nord-Est, en combinant des mesures par ICP-MS et scanneur XRF. Ces mesures ont permis de distinguer l’effet de la productivité biologique de celui de la ventilation océanique sur l’oxygénation du sédiment. J’ai pu mettre en évidence le rôle prépondérant de la productivité au niveau de la Basse Californie (23°N), qui varie en phase avec les températures en Atlantique Nord durant les 120.000 dernières années. Par ailleurs, la ventilation océanique a probablement joué un rôle important au niveau du golfe de Papagayo (12°N), par l’advection de masses d’eau provenant des hautes latitudes nord et sud. L’intensité de l’OMZ du Pacifique Nord-Est serait donc influencée par des modifications des circulations océaniques et atmosphériques, liées aux climats des hautes latitudes des deux hémisphères. / This thesis aims at documenting the spatiotemporal variations of the Oxygen Minimum Zone (OMZ) of the northeastern Pacific, and identifying the mechanisms that caused theses variations. The study is based on the geochemical analyses of major, minor, and trace elements of sediments from the northeastern Pacific, by combining ICP-MS and XRF scans measurements. These measurements allowed distinguishing the effect of biologic productivity and oceanic ventilation on sediment oxygenation. I was able to highlight the predominant impact of the productivity off the Baja California Margin (23°N), which varied in phase with the high northern Atlantic temperature across the past 120,000 years. Moreover, oceanic ventilation did play an important role off the Papagayo Gulf (12°N), because of the advection of water mass coming from the high northern and southern latitudes. OMS intensity in the northeastern Pacific could thus be influenced by changes in the atmospheric and oceanic circulation, in relation to high northern and southern latitudes climates.

L’océan Austral est soumis à la redistribution globale des contaminants par les voies atmosphérique et océanique. Cependant, la contamination des écosystèmes austraux est très peu connue, en particulier dans le secteur Indien. De par leur toxicité, leur mobilité et leur capacité à se bioaccumuler dans les tissus des organismes et à se bioamplifier dans les réseaux trophiques, le mercure (Hg) et les polluants organiques persistants (POPs) comptent parmi les contaminants les plus préoccupants. Du fait de leur position élevée dans les réseaux trophiques, les oiseaux marins sont exposés à de grande quantités de contaminants par la voie alimentaire. En conséquence, ils sont souvent utilisés comme bioindicateurs de l’état de contamination des écosystèmes, par le biais des plumes et du sang, qui peuvent être échantillonnés de façon non destructive. Ma thèse s’est intéressée aux nombreuses espèces d’oiseaux marins (plus de 40) qui nichent au sein des Terres Australes et Antarctiques Françaises, au sud de l’Océan Indien, afin de décrire et expliquer les niveaux de contaminants le long d’un large gradient latitudinal, de l’Antarctique à la Zone Subtropicale, et d’identifier les meilleures espèces bioindicatrices pour un suivi à long terme de la contamination de ces écosystèmes. Au cours d’une première étape méthodologique, les manchots et les poussins de toutes les espèces ont été identifiés comme de bons bioindicateurs de contamination puisque, à la différence de la plupart des oiseaux adultes, ils présentent une faible variabilité des niveaux de contaminants dans les plumes. Au cours d’une seconde étape explicative, l’effet de facteurs intrinsèques (traits individuels) et extrinsèques (écologie alimentaire déduite grâce à la méthode des isotopes stables) sur les niveaux de contaminants a été évalué dans les plumes des oiseaux de la communauté de Kerguelen (27 espèces) et dans le sang du grand albatros de Crozet (180 individus dont les traits de vie sont connus). L’écologie alimentaire s’est avérée être le principal facteur explicatif des niveaux de contaminants, tandis que l’âge, le sexe, la phylogénie et le statut reproducteur jouent un rôle mineur. La classe d’âge est néanmoins un facteur à prendre en compte, puisque les poussins montrent souvent des concentrations inférieures aux adultes. Au cours d’une troisième étape, les variations spatio-temporelles de la contamination ont été étudiées en utilisant une sélection d’espèces bioindicatrices et en tenant compte de leur écologie alimentaire. Plusieurs résultats portant sur différentes espèces (oiseaux océaniques) et populations (poussins de skua) ont montré que, contrairement aux prédictions, l’exposition des oiseaux au Hg augmente graduellement des eaux antarctiques aux eaux subantarctiques puis aux subtropicales, alors que l’exposition aux POPs, en accord avec la théorie de la distillation globale, montre la tendance inverse. D’autre part, la comparaison des concentrations en Hg dans les plumes de manchot, effectuée entre des spécimens de musée et des échantillons actuels, indique que leur exposition au Hg n’a pas changée depuis les années 1950-1970. Toutefois, des espèces subantarctiques montrent une tendance à la hausse. De futures études devraient viser à l’utilisation des plumes comme tissu de référence pour l’évaluation et le suivi de la contamination des écosystèmes, en particulier en ce qui concerne les POPs. Parmi les nombreuses espèces étudiées au cours de ces travaux de thèse, les bioindicateurs les plus pertinents se révèlent être le manchot empereur et le pétrel des neiges (Antarctique), le manchot royal, le pétrel bleu et l’albatros à sourcil noirs (subantarctique), le gorfou sauteur subtropical et l’albatros à bec jaune (subtropical). Le suivi à long terme de ces espèces permettra d’évaluer l’évolution temporelle de l’état de contamination de l’océan Austral. / Antarctic and subantarctic marine environments are reached by inorganic and organic contaminants through ocean circulation and atmospheric transport. Yet, environmental contamination is poorly known in the Southern Ocean, in particular in the Indian sector. Among environmental contaminants, mercury (Hg) and persistent organic pollutants (POPs) are primarily of concern, because they are toxic, highly mobile, and they bioaccumulate in the tissues of living organisms and biomagnify up the food web. Seabirds, as upper predators, are exposed to large quantities of contaminants via food intake and have widely served as biomonitors of marine contamination, notably through the non-destructive sampling of their feathers and blood. My doctoral work has focussed on the abundant and diverse seabird species (more than 40) breeding in the French Southern and Antarctic Lands, southern Indian Ocean, in order to describe and explain contaminant concentrations over a large latitudinal gradient, from Antarctica to the subtropics, and to identify the best bioindicator species for contaminant biomonitoring. In a first methodological step, seabirds with synchronous moult of body feathers (adult penguins and chicks of all species) were recognised as good candidates as bioindicators, because, unlike most adult birds, they present low within-individual variation in feather contaminant concentrations. In a second explanatory step, the influence of intrinsic (individual traits) and extrinsic factors (feeding ecology inferred from the stable isotope method) driving variation in contaminant concentrations was evaluated in feathers of the large avian community of the Kerguelen Islands (27 species) and in blood of wandering albatrosses from the Crozet Islands (180 birds of known individual traits). Feeding ecology was the main factor driving variation in contaminant concentrations of blood and feathers, both at the community, population and individual levels, whereas age, sex, phylogeny and breeding status played a minor role. Age-class was however an important intrinsic factor to consider, with chicks usually having lower concentrations than adults. In a third step, spatio-temporal patterns of contamination were studied through selected bioindicator species and by taking into account their feeding habits. Results from different species (oceanic seabirds) and populations (skua chicks) showed that, contrary to predictions, Hg exposure gradually increases from Antarctic to subantarctic and subtropical waters, whereas, in accordance with the global distillation theory, POPs exposure has the opposite pattern. Comparisons between penguin feathers from museum collections and contemporary samples showed that bird exposure to Hg is overall not different today when compared to 50-70 years ago, but subantarctic species are possibly experiencing an increasing trend. Future research efforts should be focussed on the use of feathers as biomonitoring tools, in particular for POPs determination. The best recommended bioindicator species include the emperor penguin and snow petrel (Antarctic), king penguin, blue petrel and black-browed albatross (subantarctic), and northern rockhopper penguin and Indian yellow-nosed albatross (subtropical). Future biomonitoring studies on these species will give invaluable insights into the poorly-known temporal trends of environmental contamination in the Southern Ocean.

Cette thèse constitue une étude de référence sur la qualité des ressources hydriques du bassin versant du fleuve Ibrahim au Liban, notamment avant la construction d’un grand barrage (Jannah). Pour ce faire, 7 stations (NI7 à NI1) ont été sélectionnées de l’amont vers l’aval sur l’Ibrahim et ses sources karstiques. L’ensemble des sept sous bassins a été caractérisé d’un point de vue hydroclimatologie et états de surface (sols, végétation, cultures, géologie, relief). Les débits mesurés à l’amont (2 stations) et à l’aval (1 station) nous ont permis de reconstituer les débits des autres stations intermédiaires grâce à des relations débits-surfaces spécifiques. À partir de prélèvements et d’analyses chimiques de la composition des eaux tout au long d’un cycle hydrologique et avec une fréquence mensuelle, les flux de matières exportées en solution par l’Ibrahim ont été estimés à 122 372 t/an. 80% de ce tonnage est exporté durant la période des hautes eaux. À partir de ce tonnage, on a pu estimer que l’altération chimique des roches carbonatées sur l’ensemble du bassin s’effectue à la vitesse de 81 cm/10000 ans. Cette altération consomme un flux élevé de CO2 typique des régions carbonatées soumises à un drainage intense (1500 mm/an), soit 2,23 x106 moles/km2/an de CO2. L’analyse de la concentration en éléments traces dans les sédiments de fond des cours d’eau, intégrateurs des transports solides, en hautes eaux et en basses eaux, montre des concentrations élevées pour le Sc, V, Cr, Co, Ni, Ga et Cu en passant de NI5 jusqu’à NI2. L’évaluation du degré de cette contamination et de sa variation spatio-temporelle a été effectuée grâce au facteur d’enrichissement en normalisant par rapport à l’aluminium et en prenant les sédiments de la station amont NI7 (source karstique) considérés comme peu ou pas contaminés en ET, comme fond géochimique naturel. Des teneurs élevées en Zn, Pb, Cu et d’autres éléments traces montrent que dans cette région où les activités industrielles, agricoles, et urbaines sont développées, il existe un apport anthropique non négligeable en éléments métalliques. Mais cette contamination reste modérée / Throughout the study framework conducted on the quality of the water resources in the Ibrahim River watershed in Lebanon (notably before the construction of a large dam, Jannah), 7 stations (NI7 to NI1) were selected, from upstream to downstream, including its karst springs. Hydroclimatological and specific catchment characteristics (such as land cover use, geology, hydrology, soil and topography) where characterized for the whole seven sub-basins respectively. Discharge data from the sources (2 stations) and the basin outlet (1 station) enhanced our study to determine and further calculate the discharge of other stations. Sampling and analyzing the chemical composition of water collected monthly during one hydrological cycle allowed us to determine the amount of dissolved material carried by the Ibrahim River. The river flux of dissolved material was estimated at 122 372 tons / year of which 80% of is exported during high flow season. Therefore this flux allowed us to estimate the rate of chemical weathering of carbonate rocks across the basin at 81 cm / 10000 years. This alteration consumes a high flux of CO2 (around 2,23x106 moles/km2/year of CO2) typical for carbonate regions subject to intense drainage (1500 mm). The analysis for the concentration of trace elements in fluvial sediments for the Ibrahim River for the low and high flow periods shows high concentrations of Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu and Ga in the from NI5 station up to NI2. The assessment of the extent of the contamination and its spatio-temporal variation was conducted using the enrichment factor by normalizing to aluminium concentration and using the element concentrations in the sediments of station NI7 (karstic sspring) considered as the natural geochemical background for this catchment. High levels of Zn, Pb, Cu and other traces of noticeable elements show that in this region where industrial, agricultural and urban activities are developed, there is a significant anthropogenic contribution for some metallic elements; thus the trace element contamination remains moderate.

La région de Rouyn-Noranda est fortement touchée par la contamination en éléments traces (ET), tels que l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le cuivre (Cu) et le plomb (Pb), provenant des dépositions atmosphériques générées par les émissions de la fonderie Horne. Bien que des études aient démontré l’influence biogéochimique de la fonderie sur l’environnement, aucune recherche ne s’est penchée spécifiquement sur la distribution spatiale des ET dans les écosystèmes terrestres situés en périphérie de la fonderie. Ce mémoire vise donc à cartographier l’étendue spatiale des ET dans la région de Rouyn-Noranda et d’évaluer leurs distributions, spatialement au sein du territoire, mais également entre les composantes écosystémiques de tourbières exposées à des niveaux contrastants de déposition. À partir des concentrations analysées au sein du bryophyte Sphagnum fuscum, échantillonné dans 54 bogs jusqu’à 50 km à l’est de la fonderie, la modélisation de la distribution spatiale des ET a été réalisée par l’entremise d’interpolation spatiale par krigeage. La contamination en ET est plus importante près de la fonderie et diminue significativement dès que la distance augmente de cette dernière. De même, les niveaux d’ET dans la tourbe, l’eau interstitielle et les composantes (racine, tige et feuille) de quatre espèces végétales caractéristiques des tourbières, sont systématiquement plus importants dans les sites situés à 10 km de la fonderie que dans ceux à 25 km. Au sein des végétaux, la remobilisation verticale des ET est limitée et ces éléments s’accumulent en majorité dans les racines, qui sont exposées aux concentrations élevées d’ET dans la tourbe et l’eau interstitielle. Mes travaux ont démontré que l’étendue de la contamination environnementale en ET à Rouyn-Noranda est fonction de la distance à la fonderie Horne et que la mobilité des ET dans les tourbières se concentre à l’interface sol-eau-racine. / The Rouyn-Noranda region is strongly affected by trace element (TE) contamination, such as arsenic (As), cadmium (Cd), copper (Cu) and lead (Pb), from atmospheric deposition of the Horne copper smelter emissions. Although studies have demonstrated the biogeochemical influence of the Horne smelter on the environment, no research has particularly investigated the spatial distribution of TEs in the vicinity of the smelter. This thesis aims to map the spatial extent of TEs in the Rouyn-Noranda region and to evaluate their distribution between the ecosystem components of peat bogs exposed to contrasting levels of TE depositions. Based on the TE concentrations analyzed in the bryophyte Sphagnum fuscum, sampled in 54 bogs up to 50 km east from the smelter, we modelled the spatial extent of TE through spatial kriging interpolation. Trace element contamination is higher near the smelter and decreases with increasing distance from the latter. Consequently, TE levels in the peat, pore water, and components (roots, shoots, and leaves) of four plant species within bogs are consistently higher at sites 10 km from the smelter than at sites 25 km away. Within plants, the vertical translocation of TE is limited, and these elements accumulate specifically in the roots, which are exposed to considerable concentrations of TE in the peat and in the pore water. My work has shown that the extent of the environmental contamination of TEs in Rouyn-Noranda is a function of the distance from the Horne smelter and their mobility in peatlands is localized at the root-soil-water interface.

Dans cette thèse nous avons simulé la distribution d’éléments traces en Méditerranée, dans le but de mieux contraindre la circulation thermohaline et les cycles biogéochimiques. Pour cela, nous avons utilisé le modèle dynamique à haute résolution NEMO-MED12 couplé avec le modèle de biogéochimie marine PISCES.La Méditerranée offre un cadre particulièrement attrayant pour l’étude des traceurs géochimiques. Il s’agit d’une mer semi-fermée, ce qui permet de mieux contraindre les différentes sources et puits des éléments (poussières atmosphériques, fleuves …). Plus particulièrement, nous avons modélisé le tritium (3H), traceur transitoire couramment utilisé pour l’étude de la variabilité interannuelle de la circulation thermohaline. Nous avons aussi simulé les isotopes de l’hélium (3He, 4He), traceurs conservatifs injectés par l’activité volcanique sous-marine et les sédiments, pour contraindre la circulation profonde. Nous nous sommes intéressés également à la composition isotopique du Néodyme (Nd), traceur permettant d’étudier les échanges de matière avec les marges continentales, ainsi qu’à la modélisation du radiocarbone (14C), qui permet d’avoir des informations uniques sur les variations de la circulation thermohaline et des processus de mélange sur les périodes récentes et passées.Cette ensemble de simulations nouvelles et la confrontation avec des observations récentes d’éléments traces issues de différents programmes d’observation (GEOTRACES, METEOR, PALEOMEX), a apporté une expertise nouvelle et supplémentaire sur la dynamique et les cycles biogéochimique en mer Méditerranée. Ce travail contribue à améliorer le modèle régional NEMO/Med12/PISCES développé pour ce bassin, apporte une expertise essentielle pour développer notre aptitude à prévoir l’évolution future de ce bassin sous la pression du changement anthropique. / Useful diagnostics of the ventilation of the ocean’s interior are derived from geochemical tracers characterized by simple boundary conditions at the ocean’s surface, and a conservative behavior in marine waters. In this thesis, we simulated explicitly some trace elements distribution in the Mediterranean to better constrain the thermohaline circulation and biogeochemical cycles. We used a high resolution physical/biogeochemical model NEMO-MED12-PISCES.The Mediterranean offers a particularly attractive setting for studying geochemical tracers. It’s a semi-enclosed basin, which makes it easier to quantify the various sources and sinks of the elements (atmospheric dust, rivers ...). In particular, we modeled tritium (3H), a transient tracer currently used for the study of the interannual variability of the thermohaline circulation. We also simulated helium isotopes (3He, 4He), useful tracers for investigating the deep ocean circulation.We have simulated the isotopic composition of neodymium (Nd), tracer adapted to investigate the exchanges between dissolved/particulate phases, with the continental margins, and to constrain the modern and paleo thermohaline circulation, as well as radiocarbon (14C), an ideal tracer for studying air-sea gas exchange and for assessing the ventilation rate of the deep water masses over very long timescales.This study is part of the work carried out to assess the robustness of the NEMO-MED12 model, which will be used to study the evolution of the climate and its effect on the biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea, and to improve our ability to predict the future evolution of the Mediterranean Sea under the increasing anthropogenic pressure.

Les sédiments urbains et résidus minier sont deux sources de pollution potentielle pour l’environnement et plus particulièrement les eaux de surfaces ou les eaux souterraines. L’altération chimique de ces interfaces solides par contact avec une source d’acidité ou d’alcalinité via l’air ou l’eau, est susceptible de se traduire par une dissolution des phases minérales et organiques et d’induire une mobilisation des éléments majeurs et traces métalliques. Ces mécanismes sont encore mal décrits et modélisés pour ce type de matrices très complexes. Cette thèse étudie donc le potentiel de mobilisation des éléments majeurs et traces métalliques de diverses interfaces carbonaté ou non carbonaté (pour l’étude du drainage minier acide et neutre contaminé). En supplément, des interfaces minérales pures ont été utilisées pour simuler en laboratoire des assemblages de phases et identifier les mécanismes croisés impliqués dans le drainage minier acide et neutre contaminé. Toutes ces matrices ont été soumises à des tests de capacité de neutralisation acido-basique (mise en contact avec une source de protons ou d’alcalinité), avec le suivi du pH (pouvoir tampon), de la conductivité et de la mobilisation élémentaire (majeurs et éléments traces métalliques). Les données expérimentales ont été modélisées avec le logiciel de spéciation géochimique PHREEQC. La combinaison des volets d’expérimentation et de modélisation, qui a très rarement été développé sur des interfaces solides aussi complexes, a permis l’identification (i) des réactions de dissolution des phases constitutives des interfaces polluées avec les réactions de sorption impliquées dans la mobilisation de leurs éléments majeurs et traces métalliques, (ii) de la spéciation des éléments majeurs et traces métalliques dans ces interfaces et dans les solutions en équilibre avec les phases solides. Ce travail de thèse permet donc d’aboutir à une méthodologie robuste, précise et réplicable permettant une caractérisation fine de la spéciation en phase liquide et solide des polluants métalliques dans les interfaces contaminées. Cette méthodologie constitue une base cruciale pour comprendre et prédire l’évolution des matières solides contaminées (sédiments urbains et déchets miniers) en fonction des différents modes de gestion : dépollution, valorisation et recyclage. / Urban sediments and mine tailings constitute two potential sources of pollution for the environment, especially surface water or groundwater. The chemical alteration of these solid matrices by contact with a source of acidity or alkalinity via air or water is likely to result in the dissolution of the mineral and organic phases and to induce the mobilization of majors and trace elements. These mechanisms are still poorly described and modeled for this type of very complex matrices. This thesis investigates potential for the mobilization of major and trace metals elements of various contaminated complex matrices, including an urban infiltration basin sediment and two carbonated and non-carbonated mining waste (for the study of contaminated acid mining drainage and contaminated neutral drainage). Besides, pure minerals were used to simulate phase mixture at the laboratory and identify the crossed mechanisms involved in contaminated acid and neutral mine drainage. All these matrices were subjected to acid-base neutralization capacity tests (solids put into contact with a source of protons or alkalinity), with monitoring of the pH (buffer capacity), the conductivity and the elemental release (major and trace metal elements). Experimental data were modeled with the PHREEQC geochemical speciation software. The combination of experimental and modeling approaches, which had very rarely been developed on such complex solid matrices, allowed the identification of (i) the dissolution reactions of the constitutive phases of the polluted matrices with the sorption reactions involved in the mobilization of their major and trace metal elements, (ii) the speciation of the major and trace metal elements in these matrices and in solution in equilibrium with the solid phases. This thesis, therefore, leads to a robust, precise and replicable methodology allowing a fine characterization of liquid and solid phase speciation of metallic pollutants in contaminated matrices. This methodology constitutes a crucial basis for understanding and predicting the evolution of contaminated solids (urban sediments and mining waste) according to different management methods: decontamination, recovery, and recycling.

The Peace River Valley (British Columbia, Canada) is an area of intensive unconventional oil and gas (UOG) exploitation, an activity that can release contaminants with possible adverse effects on the fetus. My project aimed to estimate the importance of this exposure. For this aim, we 1) measured concentrations of 21 trace elements in tap water and biological (hair, urine, nails) samples from 85 pregnant women in this region; 2) compared them with those from the general population and health-based guidance values; 3) assessed their correlations between matrices; and 4) evaluated their associations with the density and proximity of UOG wells (i.e., wells within radii of 2.5 km, 5 km, 10 km, and with all wells in British Columbia around residences). Spearman's rank correlation and multiple linear regression analyses adjusted covariates were performed. Our results showed higher urinary and hair levels of certain trace elements compared to reference populations (e.g., Co, Ba, Sr, Mn, V, Ga). Concentrations in tap water correlated strongest with concentrations in hair, followed by nails and urine. Positive (e.g., Al, Mn, Cu, Ga, Cd, Ba, Cr, Sr, U) and negative (e.g., Fe) associations were observed between the density and proximity of UOG wells and the concentrations of certain trace elements in tap water, hair, and nails. Our results suggest that pregnant women living in an active area of UOG exploitation are likely to be more exposed to certain trace elements than the general population, but the association with density and proximity to wells remains uncertain. / La vallée de la rivière de la Paix (Colombie-Britannique, Canada) est une zone d’exploitation de pétrole et de gaz naturel par méthodes non-conventionnelles (PGNNC), une activité qui est susceptible de libérer des contaminants avec des effets nocifs possibles sur le foetus. Mon projet visait à estimer l’importance de cette exposition. À cette fin, nous avons 1) mesuré les concentrations de 21 éléments traces dans des échantillons de cheveux, d'ongles, d'urine et d'eau du robinet de 85 femmes enceintes de cette région, 2) comparé celles-ci avec celles de la population générale et des valeurs-guides, 3) évalué leur corrélation entre matrices et 4) évalué leur association avec la densité et proximité des puits (mesures pour des rayons de 2,5 km, 5 km, 10 km, et sans limite autour des résidences). Des analyses de corrélation de Spearman et de régression linéaire multiple ajustées pour certaines variables ont été effectuées. Les concentrations urinaires et capillaires étaient plus élevées pour certains éléments traces par rapport aux populations de référence (p. ex. Co, Ba, Sr, Mn, V, Ga). Les concentrations dans l'eau du robinet étaient plus fortement corrélées avec les concentrations dans les cheveux, suivis des ongles et de l'urine. Des associations positives (p. ex. Al, Mn, Cu, Ga, Cd, Ba, Cr, Sr, U) et négatives (p. ex. Fe) ont été observées entre la densité/proximité des puits de PGNNC et les concentrations de certains éléments traces dans les échantillons d'eau, de cheveux et d’ongles. Nos résultats portent à croire que les femmes enceintes vivant dans une zone active de PGNNC sont susceptibles d’être plus exposées à certains éléments traces que la population générale, mais le lien avec la densité et la proximité des puits demeure incertain.

Erosion et transferts de matières (i.e. matières en suspension-MES, associées avec le carbone et les éléments traces métalliques - ETM) par les fleuves et rivières sont contrôlés par des facteurs naturels (ex. géologie, climat) et peuvent être significativement modifiés par les pressions anthropiques et/ou, le changement climatique. En se basant sur une banque de données de concentrations en MES et de débits, à hautes résolutions temporelles (journalières) sur le long terme (1960-2008) à l’exutoire du bassin versant du Fleuve Rouge (Chine/Vietnam), les taux d’érosion ont été estimés en moyenne à 600 t/km²/an avec des valeurs variant de 160 à 1330 t/km²/an selon les années. Cette large gamme de taux d’érosion est liée fortement aux conditions hydrologiques interannualles, mais aussi à la présence de réservoir de HoaBinh en 1989. En effet, à partir 1989, chaque année, 50% de matières transportées par le Fleuve Rouge sont piégées dans ce réservoir, correspondant à un taux de sédimentation dans le réservoir de 52 à 200 cm/an. La variabilité spatiale des flux de MES du bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam suggère que les MES du Fleuve Rouge viennent principalement de l’érosion en amont du bassin versant (~80%), contrairement à ce que l’on observe pour le flux liquide (~21%). De plus, l’échange des processus érosion-transport-sédimentation dans la partie médiane du bassin versant dépend fortement des conditions hydrologiques ; à l’inverse, une forte sédimentation a été observée à l’entrée du Fleuve Rouge dans le delta, quelle que soit la condition hydrologique. De même, dans la partie vietnamienne du Fleuve Rouge, les facteurs majeurs influant sur le taux d’érosion seraient les maximas d’élévation et la pente moyenne du bassin. Un suivi hebdomadaire à bimestriel en 2008-2009 des paramètres biogéochimiques (carbone et ETM) ont permis de caractériser la qualité des eaux et des particules sur l’ensemble du bassin versant du Fleuve Rouge. Les concentrations en carbone organique (particulaire et dissous) dans les eaux du Fleuve Rouge sont relativement faibles et majoritairement d’origine allochtone. Les concentrations en carbone inorganique dissous (CID) sont très importantes, en faisant le composé majoritaire (60-90%) des eaux du Fleuve Rouge, en relation avec la présence de roches carbonatées dans le bassin versant. En terme de concentrations en ETM, la qualité des eaux et des particules transportées dans le bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam peut être qualifiée de mauvaise dans la partie amont et de médiocre en aval. L’étude de la répartition entre phase dissoute et phase particulaire a montré que l’essentiel des transferts se fait sous forme particulaire pour plupart des ETM (excepté Mo), dû aux forts taux d’érosion mécanique. De plus, l’étude à haute résolution spatiale (40 points) réalisée sur l’ensemble bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam des concentrations en ETM et de leur spéciation (dissous et particulaire) a mis en évidence de fortes anomalies géochimiques dans la partie amont. Enfin, l’identification des signatures géochimiques des particules érodées a révélé des signatures similaires entre les particules de l’amont et de l’aval du Fleuve Rouge, démontrant une contribution quasi-exclusive de la partie chinoise aux flux de matière (80-95% au flux total). / Erosion and transfer of suspended particulate matter (SPM), and associated elements (e.g. carbon, trace metal elements-ETM) by river are attributed to a combination of natural parameters related to geology and climatic influences and affected by human disturbance. Based on an extensive dataset of daily water discharge and SPM concentrations between 1960 and 2008 at the outlet of the Red River system, the annual SPM yield of the Red River is estimated at 600 t/km²/yr (ranged between 160 and 1330 t/km²/yr). This large range of sediment yield is strongly related to the inter-annual hydrological conditions and the operation of the HoaBinh Reservoir in 1989. In fact, the HoaBinh Reservoir reduces annual SPM delivery to the delta by half after 1989, i.e. the mean sedimentation rate of 52-200 cm/yr. The spatial variability of SPM fluxes in the Red River watershed suggests that most SPM were eroded from the upstream catchment located in China (80%), contrasting the water discharge with only 21%. In addition, the complex processes of erosion/sedimentation occurring in the middle Red River basin strongly depend on hydrological conditions; in contrast, an important sedimentation was observed at the entry point to the Red River Delta whatever the hydrological conditions. The major factors controlling the spatial variation of the sediment yields of the Vietnamese Red River watershed are maximum elevation and mean surface.During 2008-2009, high resolution sampling (weekly to bimestrial) of biogeochemical parameters (carbon and ETM) were performed at five key sites along the Red River system. The organic carbon (particulate and dissolved) concentrations in the Red River are relatively low and mainly allochtonous; in contrast, the dissolved inorganic carbon are very important and is the major carbon form (60 -90%) in relation to the abundance of carbonate rocks in the Red River watershed. In terms of ETM concentrations, the quality of water and SPM transported in the Vietnamese Red River watershed can be classified as poor upstream and as mediocre downstream. The study of the partition between the dissolved and particulate phases showed that most ETM transported in the Red River are in particulate phase (except Mo), due to the high mechanical erosion rate. In addition, high spatial resolution study (40 sites) performed in the Vietnamese Red River watershed of ETM concentrations and their speciation (dissolved and particulate) has highlighted strong geochemical anomalies in the upstream Red River. Finally, the identification of geochemical signals showed a similarity in the geochemical signal of particulate metal transport between upstream and downstream of the Red River, suggesting a contribution quasi-exclusively from the upstream part (in China) in the ETM fluxes of the Red River (80 -95%). / Quá trình xói mòn và vận chuyển vật chất (chất rắn lơ lửng, các-bon và kim loại nặng) bởi các dòng sông, suối chịu ảnh hưởng tổng hợp từ các quá trình tự nhiên (địa chất, khí hậu) và các hoạt động của con người. Dựa trên các bảng số liệu ngày về hàm lượng chất rắn lơ lửng và lưu lượng nước trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 2008 trên trục chính của sông Hồng tại trạm Sơn Tây (hạ nguồn của hệ thông sông Hồng trước khi chảy vào vùng đồng bằng), mục tiêu đầu tiên của luận án là nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian tải lượng trung bình chất rắn lơ lửng của sông Hồng. Các kết quả cho thấy trong giai đoạn quan trắc, hàng năm sông Hồng chuyển tải ra biển khoảng 24×106 đến 200×106 tấn/năm (trung bình các năm là 90×106 tấn /năm), tương đương với hệ số xâm thực từ 160 đến 1330 tấn/km²/năm. Chính sự phụ thuộc mạnh mẽ của hàm lượng chất rắn lơ lửng vào các điều kiện thuỷ văn khác nhau đã tạo ra sự đa dạng về tải lượng chất rắn chuyển tải hàng năm của hệ thống sông Hồng. Tuy nhiên, trong những năm 1989-1990, khi hồ chứa Hoà Bình đi vào hoạt động, tải lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải ra biển của hệ thống sông Hồng đã giảm sút còn khoảng 50×106 tấn, tức là đã giảm khoảng 50%. Dựa trên chiều cao và thể tích của hồ Hoà Bình, hệ số lắng đọng chất rắn lơ lửng trong lòng hồ được xác định vào khoảng 52-200 cm/năm. Như vậy, sau 20 năm đi vào hoạt động, độ dầy lớp bùn đất lắng đọng trong hồ Hoà Bình khoảng 10.4-40m, làm giảm đáng kể thể tích của hồ Hoà Bình.Mục tiêu tiếp theo của luận án là thiết lập cân bằng hàm lượng chất rắn lơ lửng trong các đoạn sông từ thượng nguồn sông Hồng (trạm Lào Cai), tại các hạ nguồn của 3 nhánh sông chính (sông Hồng tại Phú Thọ, sông Đà và sông Lô tại Việt Trì) và tại Sơn Tây trong thời kỳ 2003-2008. Diễn biến của các quá trình xói mòn, chuyển tải và lắng đọng diễn ra trên các đoạn sông một cách phức tạp, đan xen lẫn nhau và phụ thuộc chặt chẽ vào các điều kiện thuỷ văn. Tuy vậy, hiện tượng lắng đọng mạnh mẽ các chất rắn lơ lửng trong vùng hạ nguồn của hệ thống sông Hồng (từ Phú Thọ đến Sơn Tây) đã được ghi nhận trong tất cả các năm quan trắc, không phụ thuộc vào điều kiện thuỷ văn. Ngoài ra, dựa vào các số liệu thu thập được, chúng tôi đã lập bản đồ xói mòn cho toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam. Hơn thế, các kết quả còn chỉ ra rằng độ cao và độ dốc trung bình lưu vực là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số xâm thực của lưu vực sông Hồng.Đánh giá chất lượng nước và chất lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải trong hệ thống sông Hồng là mục tiêu thứ 3 của luận án. Để đạt được mục tiêu trên, chúng tôi đã tiến hành lấy các mẫu nước và chất rắn lơ lủng trên trục chính cũng như trên các nhánh sông chính của sông Hồng để phân tích hàm lượng các-bon hữu cơ và vô cơ cũng như hàm lượng kim loại nặng trong hai năm 2008-2009, với chu kì lấy mẫu hàng tuần đến hàng tháng. Hàm lượng các-bon hữu cơ (dạng hoà tan và lơ lửng) trong nước sông Hồng tương đối thấp tại tất cả các điểm lấy mẫu và nguồn gốc chính của các-bon hữu cơ là allochtone. Ngược lại, hàm lượng các-bon vô cơ hoà tan rất cao, chiếm khoảng 60-90% hàm lượng các-bon tổng và được giải thích bằng sự có mặt phong phú của núi đá vôi trên toàn lưu vực. Đối với kim loại nặng, dựa trên các kết quả phân tích về hàm lượng kim loại nặng trong nước và trong chất rắn lơ lửng và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước QCVN 08, chúng tôi đã đánh giá chất lượng nước cho toàn bộ hệ thống sông Hồng từ Lào Cai đến Sơn Tây. Nếu nước sông Hồng trên vùng thượng nguồn (tại Lào Cai và Phú Thọ) không đảm bảo chất lượng để có thể sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt thì tại các vùng hạ lưu của sông Hồng, sông Đà và sông Lô, nhìn chung nước của 3 nhánh sông có thể dùng để cung cấp nước sinh hoạt nhưng phải qua các quá trình xử lí tách cặn lơ lửng. Hơn nữa, trong năm 2008, chúng tôi đã thực hiện hai chương trình lấy mẫu nước, chất rắn lơ lửng và trầm tích trên 40 điểm phân bố đều trên toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam trong mùa cạn và mùa mưa.