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Le lac de Culot, un des étangs du plateau des mille étangs, façonné par les glaciers il y a 12000 ans et remanié par l'homme sous Louis XIV (Est de Luxeuil-les-Bains, Haute-Saône, 2006). © BRGM - François Michel

Évaluation du fond hydrogéochimique des cours d’eau du Territoire de Belfort

11.08.2016
Le projet vise à caractériser les fonds géochimiques dans les cours d’eaux du département du Territoire de Belfort. Cette information sur les cours d’eau est nécessaire pour l’estimation de leur bon état, notamment dans le cadre de la Directive cadre européenne sur l’eau (DCE).

Cette étude fait suite à l’observation régulière de dépassements en éléments mineurs (EM) des normes de qualité environnementale au droit de certains cours d’eau. Il est à noter que le Territoire de Belfort est un département présentant un contexte géologique varié (présence de formations cristallines dont certaines ont fait l’objet d’exploitation minière métallifère) et un passif industriel important pouvant expliquer l’existence d’EM.

A partir des données sur la géochimie des eaux, sur la géologie et sur l’occupation des sols (activités anthropiques), il a pu être réalisé :

  • une synthèse bibliographique sur la présence des éléments traces (Cd, Zn, Pb, Ni, As, Cu, Cr, Ti, Ba, Co, Hg, V) dans les eaux des surface et les sols du département ;
  • deux référentiels, tenant compte de la distribution de la lithologie :
    • une gamme de concentrations naturelles fond hydrogéochimique,
    • une gamme de valeurs de concentration critique dont le dépassement peu laisser présager une contamination ponctuelle.

Concentrations critiques des cours d’eau selon la lithologie drainée

Concentrations critiques des cours d’eau selon la lithologie drainée.

Contexte

Dans le cadre de son réseau de surveillance des eaux de surface, le Conseil départemental du Territoire de Belfort (CD90) observe régulièrement, en plusieurs points, des concentrations en éléments mineurs (EM) dépassant les normes de qualité environnementale. Ces anomalies ont également été détectées dans les sédiments de cours d’eau.

Ce constat a donc amené le CD90 et l’ARS 90 à s’interroger sur :

  • la qualité des milieux, et en particulier celle des cours d’eau ;
  • l'origine de ces éléments ;
  • la localisation précise des zones du territoire impactées par ces éléments.

Le Conseil départemental du Territoire de Belfort a mandaté le BRGM pour réaliser une évaluation des concentrations naturelles et anthropiques en éléments traces dans les eaux de surface et les sols du Territoire de Belfort et proposer des valeurs de fond hydrogéochimique.

Objectif

L'objectif général de cette étude est d’obtenir une meilleure connaissance du fond géochimique des sols et des eaux afin de proposer ou vérifier l'hypothèse d'une contribution majeure d’origine naturelle pour les éléments traces identifiés dans les eaux, notamment : Cd, Zn, Pb, Ni, As, Cu, Cr, Ti, Ba, Co, Hg, V.

Dans l’hypothèse où l'origine géochimique naturelle était écartée, l'étude devait alors apporter des confirmations quant aux sources potentielles de contamination d'origine anthropique.

Programme des travaux

Face à cette problématique, le BRGM a ainsi proposé une étude s’articulant de la façon suivante :

  • Phase 1 : Synthèse bibliographique et collecte de nouvelles données ;
  • Phase 2 : Détermination de l’origine des teneurs anormales ;
  • Phase 3 : Estimation du fond hydrogéochimique des cours d’eau.

Dans un premier temps, l’ensemble des données existantes sur le territoire a été collecté. Le but de cette synthèse bibliographique était d’affiner la connaissance du territoire et de délimiter les zones riches en éléments mineurs.

Afin d’obtenir une plus grande quantité d’information avec une meilleure précision, des mesures complémentaires ont été réalisées. Deux campagnes de prélèvements ont donc été programmées :

  • une 1ère campagne a eu lieu en juin-juillet 2013 : 350 échantillons de sols et 100 échantillons d’eau de surface ont été prélevés et analysés, cette campagne devait caractériser les basses eaux ;
  • une seconde campagne a eu lieu en mars 2014 : 100 échantillons d’eau de surface ont été prélevés et analysés, cette campagne devait caractériser les hautes eaux.

Les résultats en éléments mineurs mesurés lors des deux campagnes ont fait l’objet d’une représentation cartographique pour les sols et pour les eaux de surface permettant d’identifier les secteurs à risque. Ces mesures ont été analysées par grands groupes lithologiques (ex : Jurassique, socle, quaternaire,…), permettant d’identifier les prélèvements présentant des teneurs anormales en EM.

Les origines de ces anomalies en EM ont ensuite été recherchées en étudiant finement le contexte environnemental des bassins versants de chaque station de prélèvement aux teneurs anormales. Plusieurs critères ont été étudiés :

  • les activités anthropiques, notamment les éventuelles pollutions recensées ;
  • la nature géologique des terrains ;
  • les concentrations en éléments traces contenus dans les sols/sédiments prélevés.

Pour les stations de prélèvements où l’origine pouvait être double (naturelle et anthropique), une campagne de mesures des isotopes du plomb a été effectuée (sols et eaux de surface) en partant du principe que chaque source de plomb présentait sa propre signature isotopique.

30 prélèvements ont été répartis sur le département (22 points eau de surface et 8 points sols/sédiments) afin d’obtenir des valeurs isotopiques au droit des points aux concentrations anormales et des points dits « témoin » (signatures isotopiques des anciennes mines, de sortie de STEP et des différents grands groupes lithologiques).

Une fois l’origine des anomalies déterminée, le fond hydrogéochimique des cours d’eau a pu être défini à l’aide de deux méthodes d’analyses statistiques :

  • l’intervalle de confiance à 95% : définition d’une  gamme de concentrations naturelles,  (utilisé par le Service géologique national des Etats-Unis, l’USGS) ;
  • le centile 97.7 : définition des valeurs critiques selon les travaux de Langmuir 1997 et Edmunds & Shand, 2008.

Résultats obtenus

La synthèse bibliographique et les nouvelles données obtenues ont permis de parvenir à une bonne connaissance de la répartition des teneurs en EM sur le territoire pour les cours d’eau et pour les sols/sédiments.

L’analyse de ces données a permis de mettre en évidence des concentrations anormales en EM pour lesquelles des recherches complémentaires ont été réalisées afin dans déterminer leur origine, naturelle ou anthropique.

La plupart de ces anomalies a pu être expliquée à partir d’une analyse fine du bassin versant du point de prélèvement. Toutefois, pour certains points, l’origine de ces concentrations pouvait être mixte (naturelle et anthropique). Des analyses isotopiques du plomb ont donc été réalisées, montrant qu’en grande partie les teneurs anormales en zone mixte sont d’origine naturelle (seuls 4 points semblent avoir des concentrations en EM d’origine anthropique).

Une fois l’origine des anomalies déterminée, le fond hydrogéochimique des cours d’eau a pu être défini à l’aide de deux méthodes d’analyses statistiques.

Ces deux traitements statistiques donnent des résultats légèrement différents puisque les valeurs calculées selon le centile 97,7 donnent des résultats supérieurs à celles calculées avec l’intervalle de confiance à 95%. En effet, cette méthode permet de définir la gamme de concentrations naturelles pour le système considéré, soit le fond hydrogéochimique. La méthode du centile permet de cibler les valeurs anormales, notamment des contaminations ponctuelles significatives qui auront des valeurs au-dessus du centile 97,7.

Pour une meilleure exploitabilité des résultats, ces derniers ont été représentés sous 2 formes :

  • par tableur,
  • par cartographie.

Partenaires

Agence de l’eau Rhône Méditerranée Corse
Conseil départemental
Agence Régionale de Santé
Agglomération Belfortaine

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34