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RÉSUMÉ
Le cycle hydrologique est la série de transformations qui se produit au sein de la circulation de l'eau. L’ensemble de ces transformations sont de plus en plus renseignées par la géochimie et tout particulièrement par l'application des traçages isotopiques. Ces analyses permettent de définir pour chacun des systèmes étudiés, l'origine naturelle ou anthropique des éléments chimiques, leurs comportements, leur transport dans des compartiments différents (par exemple, forme dissoute et/ou particulaire pour les fleuves), les schémas de circulation des eaux et fluides profonds et les interactions entre les eaux et les différents types de roches encaissantes. Cet article s'appuie sur des études et des publications scientifiques réalisées par l'auteur et les géochimistes isotopistes du Bureau de recherches géologiques et minières BRGM.
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Philippe NÉGREL : Responsable de l'Unité traceurs isotopiques et datations - Service métrologie, monitoring et analyses - BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières)
INTRODUCTION
Les concepts d'origine, de sources, de processus et de bilans font souvent appel à des outils et des raisonnements communs parmi lesquels l'utilisation des traceurs géochimiques tient une part prépondérante. Les traceurs utilisés permettent l'identification des sources de matière, des conditions et des processus de leur formation ou transformation, la quantification des flux, l'estimation des processus de transfert des éléments entre différents réservoirs ainsi que l'identification des sources des éléments d'origine naturelle ou anthropique. Ces traceurs sont souvent sélectionnés pour leurs caractères spécifiques et le but ultime de leur utilisation est d'intégrer l'ensemble des données dans un modèle hydrochimique destiné à déterminer les flux d'eau, les flux de matière (taux d'érosion, bilans de transfert…) dans les différents compartiments du bassin.
Les circulations et les interactions des eaux, qu'elles soient de surface ou souterraines, avec les roches encaissantes, sont de plus en plus renseignées par l'utilisation de la géochimie et tout particulièrement par l'application des traçages isotopiques. Ces traçages permettent, entre autres, de définir pour chacun des systèmes étudiés, l'origine naturelle ou anthropique des éléments chimiques, leurs comportements, leur transport dans des compartiments différents (par exemple, forme dissoute et/ou particulaire pour les fleuves), des schémas de circulation des eaux et fluides profonds et les interactions entre les eaux et les différents types de roches encaissantes.
Ce dossier s'appuie sur des études et des publications scientifiques réalisées par l'auteur et les géochimistes isotopistes du Bureau de recherches géologiques et minières BRGM dans le domaine de l'application des méthodes isotopiques à la meilleure connaissance du cycle de l'eau au sein des programmes de recherche. Ce dossier n'est bien sur pas exhaustif et ne comprend qu'une sélection des travaux menés.
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Isotopes et cycle de l'eau
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1. Isotopes : définition, mesures et fonctionnement
L'eau recouvre les trois quarts de la surface de notre planète. On la trouve partout, et sous de multiples formes : pluie, cours d'eau, mers, océans, lacs, nappes souterraines, vapeur, nuages, glaces, sans oublier toute l'eau contenue dans le sol et la végétation. Tous ces éléments participent à ce que l'on appelle « le cycle de l'eau ». En effet, depuis qu'elle est apparue sur Terre, il y a quelques 4 milliards d'années, la quantité d'eau présente sur la planète, évaluée à plus de 1 milliard de km3 au total, n'a pas changé. C'est toujours le même volume d'eau qui ne cesse de se transformer, passant par les différents stades de vapeur, d'eau liquide et glace, pour perpétuer le cycle permanent de l'eau.
De formule chimique simple (H2O), il s'agit d'un corps complexe résultant de la combinaison de 3 isotopes de l'oxygène (16O, 17O, 18O) et de 3 de l'hydrogène (1H, Deutérium 2H, Tritium 3H) qui peut donc exister sous 18 formes différentes. De par sa structure atomique complexe, capable de créer des champs électriques assurant les liens et ponts entre les molécules, d'étonnantes particularités physiques en résultent (forte tension superficielle, constante électrique élevée…). La structure moléculaire de l'eau, qui permet aux atomes H+ de s'associer avec des anions et aux atomes O– de se lier à des cations, lui donne de fortes capacités de dissolution.
Le cycle de l'eau ou encore cycle hydrologique est la série de transformations qui se produit dans la circulation de l'eau. Les précipitations se transforment en ruissellement, en humidité du sol et en eau souterraine. L'eau souterraine circule à nouveau vers la surface, et de la surface, toute l'eau issue des rivières, nappes, sol, végétation retourne à l'atmosphère par évaporation et transpiration. Deux structures du milieu naturel organisent ensemble l'écoulement des eaux.
– Une, visible, est le réseau hydrographique d'arborescence plus ou moins dense et hiérarchisé. Selon les cas et les formes de conduits, ce réseau peut disperser ou centraliser les eaux avec une capacité de transport très variable.
– L'autre structure est cachée et est constituée par l'agencement des terrains aquifères dans le sous-sol. Cette dernière structure est principalement constituée de milieux conducteurs et de réservoirs.
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Isotopes : définition, mesures et fonctionnement
BIBLIOGRAPHIE
TREUIL (M.) - Éléments chimiques. Émergence des concepts dans les développements de la pensée humaine et de la recherche scientifique. - In Introduction à la géochimie et ses Applications, R. HAGEMANN et M. TREUIL éditeurs, Commissariat à l'Energie Atomique, Université Pierre et Marie Curie – Paris 6, Collection enseignement, Chap. 1, 59 p. (1998).
TREUIL (M.), JORON (J.L.) - Abondances et lois de distribution des éléments chimiques et de leurs isotopes. - In Introduction à la géochimie et ses Applications, R. HAGEMANN et M. TREUIL éditeurs, Commissariat à l'Energie Atomique, Université Pierre et Marie Curie – Paris 6, Collection enseignement, Chap. 2, 93 p. (1998).
FOURCADE (S.) - Les isotopes : effets isotopiques et base de radio-géochimie. - In Introduction à la géochimie et ses Applications, R. HAGEMANN et M. TREUIL éditeurs, Commissariat à l'Energie Atomique, Université Pierre et Marie Curie – Paris 6, Collection enseignement, Chap. 4, 80 p. (1998).
MOOK (W.G.) - Environmental Isotopes in the hydrological cycle. Principles and applications IHP-V Technical Documents in Hydrology. - UNESCO – IAEA, available at http://www-naweb.iaea.org, no 39 (2001).
BOUCHOUX (G.), SABLIER (M.) - Spectrométrie de masse - Principe et appareillage. - [P 2 645] Éditions techniques de l'ingénieur (2005).
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