Research in selenium isotopes has been gaining interest as new contaminated sites are identified around the world. Selenium is an emerging contaminant, as it is increasingly being released through anthropogenic activities. It is an element with a very narrow range between nutrient requirement and toxic concentrations. Increased concentrations in the environment are a cause for concern. Selenium can be made less toxic in a system through reduction. Currently, investigations into fractionation caused by the reduction of Se by Fe and Fe minerals are limited. This thesis describes a batch study conducted using granular iron to treat Se(VI) in CaCO3 saturated water, under anaerobic conditions. The amount of Se(VI) in solution decreased to 14.5% of the initial concentration within three days. No quantifiable Se(IV) was found in solution. Analysis of the solid phase showed Se(IV), ferric selenite, FeSe, and Se(0) on the GI. The mass of Se0 on the GI increased over time. Iron selenide compounds became more prevalent after two days had elapsed. Effective fractionations of 4.3??? for 82/76Se and 3.0??? for 82/78Se were observed for this reaction. These effective fractionations are lower than fractionations observed in other experiments for reduction in solution. This discrepancy may be due to the reduction of Se(IV) occurring after adsorbing onto the solid phase, rather than reduction taking place only in solution.

Laboratory measurements of primitive and differentiated meteorites have been made in order to understand the origin of isotopic anomalies. The element Zr is chosen for analysis, due to its potential for nuclear and astrophysical applications. Zirconium has five stable isotopes that are produced in different (neutron–capture) nucleosynthetic processes. By analysing the Zr isotope composition of meteorites, we are able to track the mixing of various neutron capture processes in the early Solar System. Measurements have been performed on carbonaceous, ordinary and enstatite chondrites, eucrites, the Moon and Earth. Samples are crushed, digested and passed through a two stage anion exchange separation to obtain a clean Zr fraction. All Zr measurements are made on a Nu Plasma multiple–collector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC–ICPMS). The results indicate that the bulk of refractory Ca–Al rich inclusions of the Allende meteorite are characterised by uniform enrichments (around 2ε) of the neutron–rich isotope 96Zr, and potentially coupled with excesses reported for the neutron rich isotope 50Ti, indicating that both nuclides may have similar astrophysical origins. Analysis of bulk rock carbonaceous chondrites reveal 96Zr excesses (not exceeding 1ε) that scale with the abundance of CAIs. However, widespread 96Zr correlations are also seen, accompanied by minor depletions in 91Zr, which suggest the solar nebular had experienced thermal heating of some sort, altering the initial (possibly uniform) Zr isotope composition of the early Solar System from which planetary bodies formed.

Le germanium est un métalloïde « stratégique » dans l’industrie high-tech, notamment pour la transition énergétique et le secteur des communications. Étant distinctement sidérophile, lithophile, chalcophile et organophile, le Ge possède un fort potentiel comme traceur géochimique. Ces travaux de thèse visent à améliorer la compréhension de la géochimie du cycle du Ge et des facteurs qui contrôlent son incorporation dans les minéraux et les gisements métalliques. Les cibles de cette étude concernent le gisement filonien à Zn de Saint-Salvy (Massif Central, France), le gisement filonien à Cu de Barrigão (Ceinture pyriteuse ibérique, Portugal), et le gisement à Zn–Cu de Kipushi (R.D. Congo). Les porteurs de Ge les plus importants sont respectivement la sphalérite (jusqu’à 2580 ppm), la chalcopyrite (jusqu’à 5750 ppm) et la réniérite (5,0–9,1 %). Les résultats montrent qu’il existe une relation de premier ordre entre la concentration en Ge dans la sphalérite et le type de gisement. La spectroscopie XANES par rayonnement synchrotron met en évidence la présence de Ge4+ en site tétraédrique dans les sulfures analysés. Les corrélations élémentaires observées dans la sphalérite et la chalcopyrite suggèrent une incorporation du Ge par co-substitutions, e.g., 3Zn2+ ↔ Ge4+ + 2(Cu,Ag)+ et 3Fe3+ ↔ 2Ge4+ + Cu+, ou via la création de lacunes cristallographiques, e.g., 2Zn2+ ↔ Ge4+ + ?. La corrélation positive δ74Ge–[Ge]ZnS des sphalérites de Saint-Salvy indiquerait que coefficient de partage (KdGe) augmenterai avec T. Les compositions isotopiques δ74Ge des sulfures étudiés varient de –5,72‰ à +3,67‰. Les compositions légères mesurées dans les gisements de Saint-Salvy et Barrigão semblent liées à des variations de température des fluides (basse à moyennes T) lors de l’incorporation de Ge en système ouvert, alors que la tendance marquée vers les compositions isotopiques lourdes à Kipushi indiquerait un fractionnement de Rayleigh. / Germanium is a critical metalloid in many high-tech industries, especially for the energy transition and the communication sector. Being distinctly siderophile, lithophile, chalcophile and organophile, Ge can be a particularly useful geochemical tracer. This thesis aims at understanding the Ge geochemistry and the factors controlling its concentration in Ge-bearing minerals and ore deposits. Three contrasted Ge-bearing deposits were studied, the Saint-Salvy Zn vein-type deposit, French Massif Central, the Barrigão Cu vein-type deposit, Iberian pyrite belt, Portugal, and the Kipushi Zn–Cu carbonate-hosted deposit, Central African copper-belt, D.R. Congo. The most important Ge-bearing minerals are sphalerite (up to 2580 ppm Ge), chalcopyrite (up to 5750 ppm Ge), and renierite (5.0–9.1 wt.% Ge). The results show a first order relation between the Ge content and the deposition temperature. Synchrotron-based XANES spectroscopy showed that Ge4+ occur in tetrahedral sites in the studied sulphides. Element correlations suggest that Ge is chiefly incorporated in sphalerite and chalcopyrite through coupled substitutions, e.g., 3Zn2+ ↔ Ge4+ + 2(Cu,Ag)+ and 3Fe3+ ↔ 2Ge4+ + Cu+, respectively, or via the creation of lattice vacancies, e.g., 2Zn2+ ↔ Ge4+ + ?. The positive δ74Ge–Ge content correlation observed in sphalerite from Saint-Salvy could indicate that Ge partition coefficient (KdGe) increases with temperature. Ge isotopes in sulphides yield δ74Ge values spanning from –5.72‰ to +3.67‰. The light δ74Ge compositions of Saint-Salvy and Barrigão ores appear to be related to variations in low to moderate fluid temperatures during Ge uptake in open system (e.g., fluid cooling), while the trend towards heavy δ74Ge compositions observed at Kipushi likely translates a Rayleigh fractionation effect during ore formation in closed system, associated with significant fluid modification.

En complément des analyses de concentration et de spéciation, les analyses des isotopes stables du mercure par MC-ICP-MS sont à l’heure actuelle un outil majeur pour tracer les sources et les transformations de cet élément dans l’environnement. Cette thèse propose le développement de techniques de pré-concentrations couplées au MC-ICP-MS afin de réaliser des analyses isotopiques de mercure au niveau du ng.L-1 (Ultra-trace). La stratégie de pré-concentration en ligne va générer des signaux transitoires courts dont la gestion en MC-ICP-MS représente un réel défi. Afin d’y répondre, une méthode de traitement de données adaptée à ce type de signaux ainsi qu’une méthode de correction du phénomène de dérive isotopique ont été développées. Dans le but de déterminer des compositions isotopiques en mercure total à de faibles concentrations, le couplage d’une génération de vapeur froide, d’une double amalgamation sur or (CVG-DGA) et d’un MC-ICP-MS a été développé. Cette nouvelle technique donne des précisions externes de l’ordre de 0.20 à 0.30‰ (2SD) pour des concentrations en mercure de 5 ng.L-1 en solution. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d’analyse isotopique par espèce chimique (CSIA) réalisée à l’aide du couplage d’une chromatographie en phase gazeuse équipée d’un injecteur PTV (GC-PTV) et d’un MC-ICP-MS. Celle-ci permet l’analyse isotopique de plusieurs espèces chimiques avec des précisions externes de l’ordre de 0.30 à 0.40‰ (2SD) pour des concentrations en mercure de 150 ng.L-1 dans des échantillons biologiques.Les développements analytiques de cette thèse ont permis de mesurer directement et de façon automatisée des compositions isotopiques de mercure à des niveaux d’ultra-trace (jusqu’à 5ng.L-1) tout en conservant des précisions compatibles avec les principales questions environnementales posées. Ceci va permettre d’analyser des compartiments environnementaux contenant de faibles quantités de mercure (eaux naturelles, planctons,…) et ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour une meilleure compréhension du cycle bio-géochimique du mercure. / In addition to the quantitative and speciation analysis, the analysis of mercury stable isotopes by MC-ICP-MS are now a tool of choice to track sources and pathways of this element in the environment. This PhD thesis presents the development of hyphenation between pre-concentration techniques and MC-ICP-MS to measure isotopic composition of mercury at ng.L-1 levels (Ultra-trace). The on-line pre-concentration strategy will create short transient signals which represent a real challenge for MC-ICP-MS. In order to solve it, a data treatment strategy for this particular signals and a correction method for the isotopic drift were developed.The hyphenation between a cold vapor generation, a dual gold amalgamation (CVG-DGA) and a MC-ICP-MS was developed to determine total mercury isotopic composition. This new technique gives external precisions ranging from 0.20 to 0.30‰ (2SD) for Hg concentration in solution of 5 ng.L-1. This PhD thesis also reports a new method to perform mercury compound specific isotopic analysis (CSIA) using a gas chromatography fitted with a PTV injector (GC-PTV) coupled to the MC-ICP-MS. This allows the isotopic analysis of several species with external precisions ranging from 0.30 to 0.40‰ (2SD) for mercury concentration down to 150 ng.L-1 in biological samples.The analytical developments proposed in this PhD thesis allows to automatically and directly measure mercury isotopic compositions at ultra-trace levels (down to 5 ng.L-1) while keeping precision compatible with main environmental questions. This will allow to analyze environmental compartment containing very low amount of mercury (natural waters, planktons,…) and then open new perspectives for a better understanding of the bio-geochimical cycle of mercury.

Les explorations scientifiques menées depuis une quarantaine d’années ont permis d'identifier la diversité et la complexité des processus géologiques et géochimiques conduisant à la concentration des métaux dans les grands fonds océaniques. Les dépôts métallifères riches en hydroxydes de Fer et de Manganèse, tels que les encroûtements hydrogénétiques et hydrothermaux et les nodules polymétalliques, présentent des enrichissements variés en éléments d'intérêts économiques tels que le Ni, Cu, Co, Te, Pt et les Terres Rares. Bien que la minéralogie et la géochimie de ces dépôts aient été largement étudiées dans la littérature, les sources de métaux restent encore mal déterminées. Par conséquent, comprendre la géochimie de ces dépôts implique d’une part, de connaître les processus participant à leur genèse, et d’autre part d’avoir de meilleures connaissances sur les sources impliquées (par ex. flux continental et hydrothermal) et leur importance dans les grands cycles biogéochimiques des métaux dans les océans. Afin d’apporter de nouveaux éléments de réponse, notre approche a consisté à utiliser les compositions isotopiques des métaux comme traceurs biogéochimiques. Ce projet est structuré autour de deux hypothèses, (1) le développement et l’utilisation d’un nouveau outil géochimique que sont les isotopes du Ni pour tracer les sources et les processus d’enrichissements en métaux dans les dépôts métallifères océaniques ; (2) la combinaison de plusieurs systèmes isotopiques tels que Fe, Pb, Cu et Zn (et Ni) dans les encroûtements de fer-manganèse comme proxy de la composition isotopique de l’eau de mer profonde. Après avoir développé une méthode d’analyse des isotopes du Ni par MC-ICP-MS et estimé la variabilité isotopique du Ni dans les systèmes naturels par la caractérisation des grands réservoirs terrestres, nous avons évalué expérimentalement le fractionnementisotopique du Ni lors de son adsorption sur les oxyhydroxydes de Fe et Mn comme analogue à ce qui pourrait se produire dans les dépôts de Fe-Mn naturels. Les résultats indiquent que lors de l’adsorption du Ni, la phase solide est enrichie en isotopes légers par rapport à la solution avec des facteurs de fractionnement (Δ60/58Nimin/sol) variant de -1 ‰ pour la birnessite, -0.9 ‰ pour la goethite et -0.4 ‰ pour la ferrihydrite. A partir de ces résultats et d’autres études récentes, nous avons pu appuyer l’hypothèse selon laquelle d’un point de vue global la variabilité isotopique du Ni dans les dépôts métallifères océaniques riches en Fe et Mn s’explique par des processus d’enrichissement et de formation lors de l’incorporation des métaux dans les phases minérales de Fe et Mn plutôt que par des variations des compositions isotopiques des sources. Ainsi les encroûtements hydrogénétiques formés lentement à partir de l’eau de mer ne montrent pas de fractionnement isotopique du Ni, tandis que les dépôts hydrothermaux formés par des processus rapides liés aux apports hydrothermaux montrent des fractionnements du Ni plus importants. Puis, afin d’évaluer la possibilité d’utiliser les signatures isotopiques du Ni comme nouveaux traceurs paléocéanographiques, nous avons mené une étude comparative sur des encroûtements collectés dans le Pacifique Nord (proche de Hawaii) et le Pacifique Sud (proche de Tahiti). Dans ce contexte, les ncroûtements de fer-manganèse formés par précipitation très lente de l’ordre de quelques mm/Ma entre 1500 et 3000 m de profondeur, fournissent un enregistrement de plusieurs millions d’années des métaux dissous dans l’eau de mer. Après avoir réalisé une étude minéralogique et géochimique (éléments majeurs et traces) et calibré les taux de croissance des encroûtements, nous avons mesuré pour la première fois les compositions isotopiques du Ni, Fe, Zn, Cu et Pb sur la même série temporelle. / Scientific explorations implemented for around forty years allow to identifying the diversity and the complexity of geological and geochemical processes conducting to metals concentration on the deep seafloor. Fe- and Mn-rich metalliferous deposits such as hydrogenetic and hydrothermal ferromanganese (Fe-Mn) crusts and polymetallic nodules, present various enrichment in elements of economic interests like Ni, Cu, Co, Te, Pt and Rare Earth Elements. Although the mineralogy and geochemistry of these deposits have been largely studied in the literature, metal sources remain poorly determined. Accordingly, understanding the geochemistry of these deposits implies to know which processes are involved in their formation but also to have a better knowledge of the sources (e.g. the continental and hydrothermal fluxes) and their importance in the global oceanic metal biogeochemical cycles. In order to fill this gap, our approach consisted in using metal stable isotope compositions as biogeochemical tracers. This project is organized around two hypotheses, (1) development and utilization of a new geochemical tool, namely Ni isotopes, for tracing metal enrichment sources and processes in oceanic metalliferous deposits; (2) combination of several isotope systematics such as Fe, Pb, Cu, Zn (and Ni) in Fe-Mn crusts as proxies of the deep seawater isotope composition. Upon developing an analytical method for measuring Ni isotopes by MC-ICP-MS and estimating the Ni isotopes variability in natural systems through the characterization of terrestrial reservoirs, we experimentally evaluated Ni isotope fractionation during adsorption on Fe- and Mn-oxyhydroxides since similar processes may potentially occur in natural Fe-Mn deposits. Results indicate that after Ni adsorption, the solid phase is enriched in light Ni isotopes relatively to the solution with fractionation factors (Δ60/58Nimin/sol) varying from -1 ‰ for birnessite, -0.9 ‰ for goethite and -0.4 ‰ for ferrihydrite. These results, and other recent studies, strengthen our hypothesis according to which Ni isotopes variability in Fe- and Mn-rich metalliferous deposits can be explained by enrichment and formation processes during metal incorporation in Fe and Mn mineral phases rather than variations in the isotopic composition of the sources. Thus, hydrogenetic Fe-Mn crusts formed slowly from seawater dissolved metals do not show significant Ni isotope fractionation, whereas hydrothermal deposits formed by relatively rapid processes as a result of hydrothermal inputs exhibit important Ni isotope fractionation.

abstract: Applications of non-traditional stable isotope variations are moving beyond geosciences to biomedicine, made possible by advances in multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) technology. Mass-dependent isotope variation can provide information about the sources of elements and the chemical reactions that they undergo. Iron and calcium isotope systematics in biomedicine are relatively unexplored but have great potential scientific interest due to their essential nature in metabolism. Iron, a crucial element in biology, fractionates during biochemically relevant reactions. To test the extent of this fractionation in an important reaction process, equilibrium iron isotope fractionation during organic ligand exchange was determined. The results show that iron fractionates during organic ligand exchange, and that isotope enrichment increases as a function of the difference in binding constants between ligands. Additionally, to create a mass balance model for iron in a whole organism, iron isotope compositions in a whole mouse and in individual mouse organs were measured. The results indicate that fractionation occurs during transfer between individual organs, and that the whole organism was isotopically light compared with food. These two experiments advance our ability to interpret stable iron isotopes in biomedicine. Previous research demonstrated that calcium isotope variations in urine can be used as an indicator of changes in net bone mineral balance. In order to measure calcium isotopes by MC-ICP-MS, a chemical purification method was developed to quantitatively separate calcium from other elements in a biological matrix. Subsequently, this method was used to evaluate if calcium isotopes respond when organisms are subjected to conditions known to induce bone loss: 1) Rhesus monkeys were given an estrogen-suppressing drug; 2) Human patients underwent extended bed rest. In both studies, there were rapid, detectable changes in calcium isotope compositions from baseline - verifying that calcium isotopes can be used to rapidly detect changes in bone mineral balance. By characterizing iron isotope fractionation in biologically relevant processes and by demonstrating that calcium isotopes vary rapidly in response to bone loss, this thesis represents an important step in utilizing these isotope systems as a diagnostic and mechanistic tool to study the metabolism of these elements in vivo. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2011

Silver isotopes nowadays present a very fast evolving system. One of the field in which this isotopic system is used is archaeology where the silver isotopes are used as a tracer of monetary and power changes between geographical regions. Through statistical analysis of measured data and their comparison with so far published values can be estimated probability of common source area of metal used for coinage. On Celtic coin samples (180-70 BC) provided by the Institute of Archaeology of the CAS, Prague (A. Danielisová) the isotopic composition of silver was measured. Silver was separated from the matrix elements by a method which uses ascorbic acid to precipitate silver. However, the weights of samples commonly used for this method are generally distinctly higher than the amounts of the obtained fragments of Celtic coins. Regarding the differences in the method and low weights of fragments, tests with variable concentrations of ascorbic acid and amounts of silver were performed. The amounts of silver used for this method are commonly ~30x-70x higher. The results showed that this method effectively separates silver from matrix elements and is sufficient for higher concentrations of silver; with lower ones the yields are reduced. The separated silver was measured using MC-ICP-MS. The adjusted...

The effects of water and dietary influence, and time duration for discernment, of pectoral fin spine 87Sr/86Sr were evaluated in Atlantic Sturgeon Acipenser oxyrinchus oxyrinchus. Fish were subjected to 87Sr-enriched water (0.1 mg/L) or diet (0.25 migrogram/g or 0.5 microgram/g) for 1, 2, 3, 6, or 12 weeks. Fish were also held at 15 or 25°C to determine if temperature influenced 87Sr/86Sr. Results found fin spine 87Sr/86Sr changed in water after 1 week and diet after 12 weeks suggesting water is the primary influence. In wild Gulf Sturgeon A. o. desotoi, spot ablations closest to the fin spine core separated fish into four 87Sr/86Sr groups (0.7110, 0.7105, 0.7100, and 0.7906) for both the Pascagoula and Pearl Rivers from 2016-2021. In the Pearl River system, 87.5% of fish (pre-first annuli) had stable 87Sr/86Sr indicating minimal movement, whereas decreasing 87Sr/86Sr in the second and third growth zones indicated downriver movement towards estuaries.

À l'échelle globale, les sources anthropiques du mercure (Hg) atmosphérique dominent largement les sources naturelles avec une contribution d'environ 50-75% du Hg total. La déposition du mercure anthropique dans les écosystèmes est estimée à au moins trois fois la déposition des sources préindustrielles. À l'échelle locale, les différentes sources anthropiques du mercure (combustion de charbon, incinération, sidérurgie, métallurgie, etc.) engendrent des contaminations locales du compartiment terrestre comme les sols, la végétation ou les systèmes aquatiques. Néanmoins, même s'il est possible de mettre en évidence la contamination liée au mercure dans un échantillon ou un écosystème en analysant sa concentration en mercure total, il n'est pas possible de déterminer précisément l'origine de ce mercure. Avec l'apport des nouveaux instruments du type MC ICP/MS, on peut maintenant mesurer avec une très grande précision la composition isotopique du Hg. Cette précision permet d'ouvrir une nouvelle dimension scientifique pour déterminer l'origine d'une pollution. La signature isotopique du mercure dans un échantillon devient donc en quelque sorte sa carte d'identité, permettant de reconstruire son histoire et déterminer son origine. Le travail de thèse a consisté à mesurer la composition isotopique du mercure dans différents compartiments environnementaux récepteurs des retombées atmosphériques de Hg ainsi que dans des matériaux issus de systèmes industriels afin de discriminer et tracer les sources anthropiques dans l'environnement. Une première partie de ce travail s'intéresse à l'analyse isotopique du mercure dans différentes matrices environnementales et matériaux de référence en utilisant la génération de vapeurs froides couplée à l'ICP-MS multicollecteur. Ensuite, une étude rapporte les amplitudes de fractionnements isotopiques dépendants et indépendants de la masse mesurées lors de travaux expérimentaux sur l'évaporation du mercure dans le système liquide - vapeur ainsi que durant sa réduction abiotique par les rouilles vertes. L'amplitude de fractionnement isotopique mesurée dans le système liquide-vapeur en cinétique et à l'équilibre présente des contrastes de fractionnements dépendants de la masse très importants. Dans les deux cas, des fractionnements isotopiques indépendants de la masse de faible amplitude ont été mis en évidence. L'amplitude de fractionnement mesurée lors de la réduction abiotique montre des fractionnements uniquement dépendants de la masse de l'ordre de grandeur rapporté pour d'autres types de réduction. Une troisième partie s'intéresse aux fractionnements dépendants et indépendants de la masse des isotopes du mercure pour tracer les sources anthropiques et naturelles. La composition isotopique du mercure mesurée dans des lichens en milieu urbain montre des gradients significatifs en fonction des zones géographiques permettant de conclure sur l'origine des sources de mercure atmosphériques. La composition isotopique du mercure mesurée dans des sols contaminés industriels et urbains indique que la signature de la source de contamination est préservée avec le temps et les conditions du sol permettant ainsi de tracer les sources de contaminations anthropiques. Une quatrième partie rapporte des résultats préliminaires réalisés sur un incinérateur de déchets en milieu urbain. La composition isotopique du mercure dans les cendres de l'incinérateur indique des processus de fractionnements isotopiques lors de la condensation des fumées. La composition isotopique du mercure mesurée en sortie de cheminée indique que le Hg(II) susceptible de se déposer à proximité de la source présente uniquement des fractionnements dépendants de la masse alors que la fraction Hg0 peut présenter, dans certaines conditions, des fractionnements indépendants de la masse, donnant ainsi de nouveaux outils pour tracer les sources anthropiques du mercure dans l'environnement.

ELEMENTAL AND ISOTOPIC STUDY OF DIFFERENTIATED METEORITES AND IMPLICATIONS FOR THE ORIGIN AND EVOLUTION OF THEIR PARENT BODIES Iron meteorites are differentiated meteorites composed largely of Fe-Ni alloys. The metallic phase of many iron meteorites shows a texture called the Widmanstätten pattern, which develops as a two-phase intergrowth of kamacite (α-bcc, ferrite) and taenite (γ-fcc, austenite), and forms by nucleation and growth of kamacite from taenite during slow cooling of the parent body. Selected iron meteorites - octahedrites of different structural and chemical groups (Canyon Diablo, Toluca, Bohumilitz, Horh Uul, Alt Biela, Nelson County, Gibeon and Joe Wright Mountain) were studied with intention to evaluate the scale and extent of Fe isotopic heterogeneities in iron meteorites and to find the possible link between the isotopic variations and thermal histories of the respective meteorite parent bodies. The Fe isotopic compositions of kamacite and taenite in the studied meteorites, obtained by three independent analytical techniques with different spatial resolution capabilities (laser ablation and solution MC ICP-MS and SIMS) show significant variations of up to ~4.5‰ in δ56 Fe. The taenite is isotopically heavier compared to kamacite in all studied meteorites. There is no correlation...