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Mesure isotopique - laboratoires du BRGM à Orléans (2009). © BRGM - Didier Depoorter

Congrès de géochimie isotopique appliquée

Communiqués de presse - 18.09.2015
Comment retrouver l'origine d'un élément chimique dans un cours d'eau comme la Loire ? Comprendre les processus d'altération des pierres ornementales des monuments historiques ? La géochimie isotopique permet de répondre à ce type de question, un colloque international organisé par le BRGM à Orléans du 21 au 25 septembre lui est justement dédié.

Le congrès international de géochimie appliquée, intitulé AIG (Applied Isotope Geochemistry), a lieu tous les deux ans et est organisé cette année au BRGM sous l'égide de l'Association internationale de géochimie (IAGC : www.iagc-society.org). Les thématiques scientifiques couvrent des domaines très vastes tels que la géochimie environnementale, les géo-ressources ou les changements climatiques.

Le Neptune, premier spectromètre de masse à source plasma français, au BRGM depuis 2002

Le Neptune, premier spectromètre de masse à source plasma français, au BRGM depuis 2002. © BRGM

A la manière d'une empreinte digitale, le rapport isotopique d'un élément chimique permet de tracer l'origine de cet élément, mais également de comprendre les mécanismes et processus qui sont responsables de sa dispersion dans l'environnement (voir encadré ci-dessous). Cette année, l'accent sera mis plus particulièrement sur la thématique de l'eau, le Val de Loire étant inscrit au patrimoine mondial de l'Unesco.

Bassin de la Loire : suivre la qualité de l'eau et des sédiments

Un premier exemple de traçage isotopique, appliqué aux eaux de surface : il s'agit du projet ISOP (Recherche méthodologique pour l'identification des sources de métaux sur le bassin Loire-Bretagne), cofinancé par l'Agence de l'Eau Loire-Bretagne et le BRGM. Le projet se concentre sur plusieurs éléments (en particulier le zinc, le cuivre et le plomb) pour en déterminer les sources et mieux comprendre leur transfert dans l'environnement, notamment leur fixation dans les sédiments. Le but recherché est d'évaluer les processus qui contrôlent la répartition des métaux entre l'eau et les sédiments.

Une première phase s'est achevée en 2014, elle a permis d'identifier les origines des éléments métalliques et ainsi de mettre en évidence les apports naturels en zinc et plomb dans les eaux de la Loire. Un volet s'est intéressé aux contaminations des mollusques marins et l'importance des apports continentaux a pu être mis en évidence.

Le projet a également montré la complexité des processus qui peuvent contrôler les échanges entre les phases dissoutes et solides de ces métaux dans le milieu naturel. Une suite du projet a ainsi débuté fin 2014 afin d'évaluer par une approche isotopique la répartition des métaux entre l'eau et les sédiments. Si on considère un effluent en matière dissoute, dans un bassin versant lors du transport de l'amont vers l'aval, les métaux sont en effet susceptibles de changer progressivement de milieu de transport en passant de la forme dissoute à la forme solide/particulaire, a priori moins mobile.

Pierres ornementales : comprendre l'origine de leur altération

Restons dans le bassin de la Loire pour évoquer une autre question à laquelle les isotopes ont apporté leur réponse : pourquoi les pierres des châteaux de la Loire se dégradent-elles ? La pollution atmosphérique est le premier facteur incriminé dans les apports de sels qui noircissent et altèrent la surface des édifices. Les observations d'un restaurateur de pierre travaillant dans la vallée de la Loire nous ont permis de suivre une seconde piste : certains matériaux utilisés lors des restaurations contiennent des sulfates, notamment le plâtre de Paris.

Une équipe de chercheurs du LRMH (Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques), du CICRP (Centre Interrégional de Conservation et Restauration du Patrimoine) et du BRGM a pu distinguer et quantifier par des analyses isotopiques du soufre, de l'oxygène et du bore, l'origine des sulfates sur un choix de monuments français dont, dans le bassin de la Loire, le château de Chenonceau et la cathédrale de Bourges. Pour tous les édifices étudiés, les contrastes isotopiques entre sources externes (pollution de l'air) et internes (matériaux) sont significatifs. Même si la pollution atmosphérique reste un facteur prépondérant, les résultats sur Chenonceau et Bourges montrent qu'une partie des sulfates provient de la dissolution partielle de plâtres et de mortiers.

La méthodologie développée s'est également révélée utile pour identifier la provenance des matériaux de construction : en analysant la signature isotopique des matériaux on peut remonter aux carrières d'origine. En collaboration avec le Musée du Louvre, nous sommes actuellement sur la piste des carrières ayant fourni le matériel pour ses plus belles sculptures en albâtre du 14ème au 17ème siècle.

POUR ALLER PLUS LOIN

Télécharger le communiqué de presse

En savoir plus sur l'AIG-11

Qu'est-ce qu'un isotope et comment le mesurer ?

Les isotopes du même élément chimique sont identiques à un point près : le nombre de neutrons de leur noyau, et donc la masse de ce noyau. Dans un solide, un gaz ou un liquide, la proportion d'un isotope par rapport à un autre constitue une sorte de signature : comme pour l'ADN dans une enquête policière, on compare ce rapport d'isotopes à une banque de données de référence. Ceci permet d'apporter des informations sur l'origine de l'élément chimique étudié, ou sur les processus qu'il a subis (conditions de températures, environnement rencontré, transformations chimiques...).

Les écarts entre les rapports isotopiques d'un échantillon à l'autre sont souvent minimes, de l'ordre du millionième, comme si on recherchait un individu sur une population d'un million de personnes... Les analyses nécessitent donc une fine précision, avec des appareils de type spectromètres de masse et des conditions de "salle blanche" afin d'éviter toute perturbation en laboratoire. Certains isotopes comme ceux du plomb sont ainsi mesurés depuis environ 50 ans, ce qui a permis de constituer des bases de connaissances solide sur ces signatures dans la nature. Depuis les années 2000, une nouvelle génération de spectromètres de masse, dits à source plasma, a permis d'élargir les mesures à de nouveaux isotopes, par exemple ceux du zinc ou du lithium. Le premier appareil de ce type en France, nommé Neptune, a d'ailleurs été installé au BRGM en 2002. Pour ces isotopes plus récemment et plus rarement mesurés, une des difficultés scientifiques consiste à créer une "banque de données" de référence, en mesurant leur comportement soit par des expériences en laboratoire soit dans les systèmes naturels ou en les simulant par des calculs numériques. 

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Alice Chaumerat

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