Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra...

151
Christelle MARLIN, professor Hydrogeology, hydrogeochemistry UMR “GEOPS” CNRS - Université Paris-Sud, Orsay, France Hydrochemistry UE traceurs chimiques et isotopiques dans les eaux naturelles

Transcript of Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra...

Page 1: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Christelle MARLIN, professor Hydrogeology, hydrogeochemistry

UMR “GEOPS” CNRS - Université Paris-Sud, Orsay, France

Hydrochemistry

UE traceurs chimiques et isotopiques dans les eaux

naturelles

Page 2: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 3: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 4: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Water-rock interaction

Dissolution / precipitation of minerals

Gases

Page 5: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 6: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 7: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2. BASIC KNOWLEDGE IN

HYDRO GEOCHEMISTRY

Page 8: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.1 CONCENTRATIONS

Page 9: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Concentrations and activity

Concentration – mg.L-1 or µg.L-1

– mg.kg-1 (=ppm) or µg.kg-1 water (=ppb)

– mol.L-1 or mol.kg-1 water

– meq.L-1 = mmol.L-1 x charge (easy to verify if sum cations = sum anions)

Page 10: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Charge Balance

Electrical neutrality provides good check on

analytical error

Charge Balance Error – CBE

CBE = SmcZc - SmaZa

SmcZc + SmaZa

Where: m = molar concentration of major solutes

z =charge of cation (c) or anion (a)

Page 11: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Charge Balance

!!

!!

Page 12: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Concentrations and activity

Concentration – mg.L-1 or µg.L-1

– mg.kg-1 (=ppm) or µg.kg-1 water (=ppb)

– mol.L-1 or mol.kg-1 water

– meq.L-1 = mmol.L-1 x charge

Activity – “effective concentration”

Ion-ion and ion-H2O interactions (hydration layer) cause

number of ions available to react chemically ("free" ions) to be

less than the number present

Concentration can be related to activity using the

activity coefficient g, where a = g (c)

Until now we have assumed that activity, a, is equal to concentration, c, by

setting g = 1 when dealing withdilute aqueous solutions…

Page 13: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

But ions don’t behave ideally . . .

Concentration related to activity using the activity coefficient g, where [a] = g (c)

The value of g depends on:

– Concentration of ions and charge in the solution

– Charge of the ion

– Diameter of the ion

– Ionic strength, I = concentration of ions and charge in solution

I = 1/2 Smizi2

» where mi = concentration of each ion in moles per L,

zi = charge of ion

Activity coefficient gz 1 as concentrations 0 and tend to be <1 except for brines

Page 14: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Solution Models Debye-Hückel Equation

Physical model based on

electrostatic interactions

At higher ionic strength, use

extended Debye-Hückel equation

Davies Equation

for higher ionic strengths (<0.5) I

I

IAz

IBa

IAz

IAz

ii

o

ii

ii

3.0)(1

)(log

)(1

)(log

)(log

2/1

2/12

2/1

2/12

2/12

g

g

g

where I is the ionic strength of the solution as defined above; z is the charge of the ion

whose activity coefficient is being calculated; A and B are constants whose values depend

on the dielectric constant of the solvent and the temperature; and a is the effective diameter

of the ion in the solution in Å.

Page 15: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Values of constants tables

Page 16: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Na+

SO42-

(from Garrels and Christ, 1965)

I

g i

Sea

wate

r

Rivers, lakes,

groundwater

Brines

Ca2+

Page 17: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.2 MAJOR CONSTITUENTS (INORGANIC, ORGANIC, DISSOLVED GASES)

Page 18: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.2 MAJOR CONSTITUENTS (INORGANIC, ORGANIC, DISSOLVED GASES)

Page 19: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Major elements

Major elements

– 4 anions

– 4 cations

– Silica (SiO2)

– 90% of the total

Mineralisation

Minor elements

Trace elements

Page 20: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 21: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Global composition of groundwater

Page 22: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Global composition of groundwater

Page 23: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

European guidelines for drinking water quality

Standards

Page 24: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Goldschmidt diagram

anions

Page 25: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pH-Eh conditions

Page 26: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pH-Eh conditions

Classical pH

range in

natural

waters : 6 –

8.5

Oxydized

environment

Reduced

environment

Page 27: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main input of GW Precipitation

Page 28: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Acid rain destruction de la biomasse

ou dissolution des carbonates

Page 29: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Acid rain

SO2 + H2O + ½ O2 2H+ + SO42-

Page 30: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Acid rain

SO2 + H2O + ½ O2 2H+ + SO42-

même produits

que ceux de la

mise en solution

de H2SO4

Page 31: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 32: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Sources for ions in natural waters water-rock interaction geochemical baseline

Page 33: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 34: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.2 MAJOR CONSTITUENTS (INORGANIC, ORGANIC & DISSOLVED GASES)

Page 35: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Organic constituents

Humic acid (HA)

Fulvic Acid(FA)

(less mobile)

(mobile)

Page 36: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

COT & DCO COT = Carbone organique total. Somme du Carbone de nature

organique dans les matières dissoutes et en suspension dans l’eau.

Cyanates et thiocyanates sont également mesurés. – Cyanate, anion composé dans l'ordre d'un atome d'oxygène, d'un atome de carbone et d'un atome d'azote,

[OCN]− . Charge négative, portée principalement par l'atome d'azote. En chimie organique, le groupe

cynanate est un groupe fonctionnel.

– Thiocyanates [SCN]−.

COD (Carbone Organique Dissous) Somme du carbone

organique contenu dans la solution aqueuse après filtration à 0,45

μm.

La demande biochimique en oxygène (DBO) est la quantité

d'oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques

(biodégradables) par voie biologique (oxydation des matières

organiques biodégradables par des bactéries). DBO 5 5 jours

Page 37: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Humic substances

Page 38: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Organic Carbon occurs in the hydrosphere in:

natural and contaminant forms, both of which can be in

dissolved and suspended forms: – DOC = Dissolved organic carbon, includes fulvic acids (and humic acids

above pH=2).

– POC = Particulate (suspended) organic carbon. Includes humin (and

humic acids below pH=2).

DOC and POC concentration are variable in the

hydrosphere but are generally higher in waters with high

photosynthetic productivity:

e.g., ● watershed water in forested areas,

● the outflow of high photosynthesis lakes or swamps

● sewage outfalls

Organic constituents

Page 39: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Organic constituents Abundance variations of DOC and

POC are similar but POC is typically

lower than DOC in most of the

hydrosphere.

- Very clear (i.e., non-turbid) waters

can have relatively high DOC and

POC compared to inorganic solutes

due to photosynthesis.

- Very polluted waters can also have

high DOC and POC from the

pollutants or from enhanced

photosynthesis/ respiration (wastes

from organisms)

Page 40: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Organic constituents

Page 41: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.2 MAJOR CONSTITUENTS (INORGANIC, ORGANIC, DISSOLVED GASES)

Page 42: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Important Dissolved Gases

6 important gases are dissolved in lakes, streams, gw, seas

Nitrogen

Oxygen

Carbon dioxide

Methane

Hydrogen sulfide

Ammonia

All have important functions, but differ in behavior and origin

Page 43: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Air Provides Some Gases

Atmosphere has enough nitrogen (78%), oxygen (21%), and carbon dioxide (0.03%) to serve as primary source

Others present only in trace amounts in atmosphere

Page 44: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Gas into groundwater (degassing)

Degassing of CO2 in a borehole (Greece)

Page 45: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Gas Solubility

At equilibrium PO2 = pO2

The relationship between PO2

and [O2] is:

PO2 = KO2[O2] where K is

the Henry's Law constant (T

dependant and salinity)

If we assume that surface water is

in equilibrium with the atmosphere,

then [O2] can be calculated from

the T and salinity dependence on

KO2.

PO2

pO2 partial pressure air

partial pressure in water

Page 46: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Other Gas Sources

Methane (CH4) - anaerobic breakdown of plants/animals

Hydrogen sulfide (H2S) - chemical/bacterial transformations

Ammonia (NH3) - breakdown of nitrogenous materials by bacteria, some animals

Page 47: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

How much gas is dissolved in water?

Dependent on several

factors:

– Solubility factor

– Pressure

– Temperature

– Salinity

Page 48: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Solubility of

gas in water

decreases as

temperature

rises

Page 49: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Noble gases

Solubility of gas in water

decreases as temperature rises

Use to estimate recharge

temperature (palaeo-groudwater)

Oceans (salinity of 35‰) have lowered gas saturation values of ~ 20%

Page 50: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.3 WATER TYPES

Page 51: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Typology of waters

Total Dissolved Solids (TDS) = sum of all ion

concentration in mg.L-1

Page 52: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Typology of waters

Total Dissolved Solids (TDS) = sum of all ion

concentration in mg.L-1

Page 53: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Typology of waters

Total Dissolved Solids (TDS) = sum of all ion

concentration in mg.L-1

Connate water = Water trapped in the pores of a rock during formation of the rock

(“fossil” water). The chemistry of connate water can change in composition throughout

the history of the rock. Connate water can be dense and saline compared with seawater.

Formation water = Water that occurs naturally within the pores of rock in a geological

formation.

Page 54: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chemical type – Piper diagram

Page 55: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chemical type – Piper diagram

Page 56: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chemical type (cont.) – example (Piper diagram)

Page 57: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Traitement de nombreuses analyses

Cloutier et al., 2008 (Canada)

Page 58: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chemical type – Stiff diagram

Page 59: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chemical type – Stiff diagram

Page 60: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Available environmental geochemical tracers

Dissolved elements/compounds :

Major : Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3, SO4, NO3, SiO2

Minor and trace : Sr, Br, F, B, Fe, Mn, …

Conservative or controlled (reactive) ?

Page 61: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Controlled by saturation

Dissolved elements/compounds :

Major : Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3, SO4, NO3, SiO2

Minor and trace : Sr, Br, F, B, Fe, Mn, …

Page 62: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Controlled by redox

Dissolved elements/compounds :

Major : Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3, SO4, NO3, SiO2

Minor and trace : Sr, Br, F, B, Fe, Mn, …

Page 63: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Controlled by cation exchange

Dissolved elements/compounds :

Major : Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3, SO4, NO3, SiO2

Minor and trace : Sr, Br, F, B, Fe, Mn, …

Page 64: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

The most conservative tracers

Dissolved elements/compounds :

Major : Cl

Minor and trace : Br, (B)

Main tracers used to study

the mixing process

and origin of salinity

Page 65: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

2.4 EQUILIBRIUM

Page 66: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main chemical reactions

Page 67: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Equilibrium

Page 68: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 69: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Non equilibrium

Saturation

Index (SI) =

log(Q/K)

SI<0

SI>0

SI=0 Q =K Chemical equilibrium

Page 70: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Exemple : Saturation with respect to fluorite

Page 71: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 72: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

3. MAIN REACTIONS

Page 73: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main chemical reactions

Acid/ base

Water-rock interactions

– Precipitation/dissolution

– Weathering of al-silicates (hydrolysis reactions)

– Sorption (adsoption/desorption)

Redox

Page 74: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main chemical reactions

Acid/ base

Water-rock interactions

– Precipitation/dissolution

– Weathering of al-silicates (hydrolysis reactions)

– Sorption (adsoption/desorption)

Redox

Page 75: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Important acids/bases in natural waters

- Acid-base reaction implies

H+ or OH-

HA = H+ + A-

Ex. : H2CO3 = H + + HCO3 -

- Species that produce H+

=acid

- Species accepting H+ = base

(conjugate base)

Page 76: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Carbon Dioxide

CO2 increasing in concentration in

atmosphere

High solubility

Follows solubility laws (pressure, temp.)

Many sources other than atmosphere:

rainwater, runoff, groundwater, respiration,

decomposition in sediments, crust/mantle

degassing

Page 77: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Carbon Dioxide

CO2 behaves much differently than other

gases once it dissolves in water

Exists in equilibrium with many additional

forms of carbon

Page 78: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

CO2 + H2O = H2CO3

H2CO3 = HCO3- + H+

HCO3- = CO3

2- + H+

Carbonic acid

Bicarbonate

Carbonate

Ko = 10-1.5

K1 = 10-6.4

K2 = 10-10.3

K at 25°C

Carbon system

Page 79: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Putting it all together

Sensitive to changes in pH

Low pH - left side dominates

High pH - right side dominates

CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3- + H+ = CO3

2- + 2H+

Page 80: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3- + H+ = CO3

2- + 2H+

Addition of CO2 via respiration pushes

equilibrium to left and lowers pH

Respiration

Photosynthesis

Removal of CO2 via photosynthesis pulls

equilibrium to right and raises pH

Putting it all together

<CH2O> + O2 = CO2 + H2O

Page 81: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pH range for most

natural waters

Page 82: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Open system with respect CO2

Page 83: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Closed system with respect CO2

Page 84: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Silica

H4SiO4 (silicic acid)

is the dominant

species for dissolved

Si

Silicic acid

decomposes above

pH 9 (rare)

Sometines, SiO2 is

used instead of

H4SiO2

Analogy with CO2 in

solution

Page 85: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Disslved silica

hightly dependant

on temperature

Page 86: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main chemical reactions

Acid/ base

Water-rock interactions

– Precipitation/dissolution

– Weathering of al-silicates (hydrolysis reactions)

– Sorption (adsoption/desorption)

Redox

Page 87: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Carbonates

Important system

20% of globe surface

most groudwater ressources

Page 88: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Main carbonate minerals

Page 89: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Limestone outcrop

Dual porosity

Microporosity (a)

Macroporosity (faults

karst) (b)

(a)

(b)

Page 90: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

CaCO3 + H2O + CO2 = 2 HCO3- + Ca2+

In most natural waters, CO2 combines with

alkali metals or alkaline earth metals to

form bicarbonates (pH 6-8.5) and cabonates (pH>8.5)

calcite

Aggressive CO2 dissolves CaCO3 and drives equation to right.

The same chemical type may be obtained by Ca-Feldpar/water weathering

Carbonate system

CaSi2Al2O8 + 8H2O + 2CO2 = 2Al(OH)3+ 2H4SiO4 + 2HCO3- + Ca2+

Page 91: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

3 ways for writing calcite dissolution

Page 92: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Buffer System

Little change in

pH despite

additions of lots

of acids or

base, as long as

supply of

carbonates &

bicarbonates

holds out

CaCO3 + H2O + CO2 = 2 HCO3- + Ca2+

Page 93: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pCO2 versus Ca2+ (saturation calcite)

Page 94: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Stalactites

CO2 (g) CO2 (aq)

CO2 (aq) + H2O H2CO3

H2CO3 HCO3- + H+

Sum :CO2 (g) + H2O HCO3- + H+

PCO2 35∙10-4 atm CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3

-

PCO2 3.5∙10-4 atm

CO2 (g) + H2O + CaCO3 Ca2+

+ HCO3-

Page 95: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chalk aquifer (UK)

Page 96: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Or FeS2 + 4.25 O2 + 2.5 H2O + CaMg(CO3)2

= Fe(OH)3 + Ca2+ + Mg2+ + 2SO42- + 2HCO3

-

Page 97: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Al-Silicates

Page 98: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Total concentration of aluminum (AlT) in solution, as a

function of pH, for a solution in equilibrium with gibbsite.

Page 99: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Incongruent dissolution of Al-silicates

Page 100: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Multiple secondary minerals

According to

climate

conditions

According to

chemical

composition

of the water

that causes

the

weathering

Formula From Conditions

illite KAl2(AlSi3O10 )(OH) 2

K-Feld, mica

blanctemperate, hydrothermal

smectite (Al,Mg)4(Si8O20 )(OH) 2biotite,

amphiboles

sub-tropical to temperate +

hydrothermal

chlorite(Mg,Fe)6-x(Al,Si)xSi4-x

Alx(OH)10

biotite,

amphibolestemperature + hydrothermal

kaolinite Al2Si2O5(OH)4 K-feld(sub-) tropical, high weathering

process, even dissolution of quartz!

Page 101: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Stability diagram (K-Feldspar, (KSi3Al08)

Page 102: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Stability diagram

Anothite CaSi2Al208

Albite NaSi3Al08

Page 103: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 104: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 105: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Table 9-3. Mineral weatherability listed in order

of increasing resistance to weathering

Halite

Gypsum, anhydrite

Pyrite

Calcite

Dolomite

Volcanic glass

Olivine

Ca-plagioclase

Pyroxenes

Ca-Na plagioclase

Amphibo les

Na-plagioclase

Biotite

K-feldspar

Muscovite

Vermiculite, s mectite

Quartz

Kaolinite

Gibbsite, hematite, goethite

Mineral weatherability

Page 106: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

The common-ion effect

Natural waters are very complex and we may have saturation with respect to several phases simultaneously.

Example: What are the concentrations of all species in a solution in equilibrium with both barite and gypsum?

CaSO4·2H2O Ca2+ + SO42- + 2H2O,

KSP = [Ca2+][SO42-] = 10-4.6

BaSO4 Ba2+ + SO42-,

KSP = [Ba2+][SO42-] = 10-10.0

Page 107: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Cont. [Ca2+][SO4

2-] = 10-4.6

[Ba2+][SO42-] = 10-10.0

Eliminate [SO42-] by substituting 10-4.6/[Ca+]:

[Ba2+]•10-4.6/[Ca2+] = 10-10.0

2) Species: Ca2+, Ba2+, SO42-, H+, OH-

H2O H+ + OH-

Kw = [H+][OH-] = 10-14

3) Mass-balance: [Ba2+] + [Ca2+] = [SO42-]

4) Charge-balance:

2[Ba2+] + 2[Ca2+] + [H+] = 2[SO42-] + [OH-]

Page 108: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

10-4.6 + 10-10.0 = [SO42-]2

[SO42-] = (10-4.6 + 10-10.0)1/2 = 10-2.3 mol/L

[Ca2+] = 10-4.6/10-2.3 = 10-2.3 mol/L

[Ba2+] = 10-10.0/10-2.3 = 10-7.7 mol/L

Conclusion

The least soluble salt (barite, KSP=10-10), contributes a negligible amount of

sulfate to the solution. The more soluble salt (gypsum, KSP=10-4.6)

suppresses the solubility of the less soluble salt (the common-ion effect).

Barite can replace gypsum because barite is less soluble than gypsum.

(in other words : gypsum dissolves while secondary barite precipitates)

2

4

6.42 10SO

Ca 2

4

0.102 10SO

Ba

2

42

4

0.10

2

4

6.4 1010 SOSOSO

,

Page 109: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Cation exchange

Page 110: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

CEC

Structural substitutions result

in a charge imbalance on the

clay structure that is balanced

by addition of non-structural

ions to the interlayer region

and accounts for the cation

exchange capacity (“CEC”)

of clays

Page 111: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 112: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Cation exchange

Cation may be exchanged between groundwater and clay

minerals

Selectivity exists according the size and the charge of the cations

Solution (mobile element) solid (less mobile elements)

Al 3 +

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+

Na+ < K+ < Rb+

Solid

Solution

Page 113: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

North China plain (Beijing area)

Page 114: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Rain water (recharge water)

should be on Na=Cl line

Page 115: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Redox reactions (electron transfer reactions)

Page 116: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 117: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 118: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 119: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pH-Pe environments

Page 120: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 121: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 122: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Sulfur (S)

Page 123: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Nitrogen (N)

Page 124: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Iron (Fe)

Eh=0.059.pe

Page 125: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Redox boundary

Page 126: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

pE-pH diagram

U is mobile

in oxidizing

environment

Page 127: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Table 9-10. Origin of major aqueous s pecies in groun d water

Aqueous species Origin

Na+ NaCl d issolution (some pollution)

Plagioclase weathering

Rainwater addition

K+ Biotite weathering

K-feldspar weathering

Mg2+ Amphibole and pyroxene weathering

Biotite (and chlorite) weathering

Dolo mite weathering

Olivine weathering

Rainwater addition

Ca2+ Calcite weathering

Plagioclase weathering

Dolo mite weathering

HCO

3 Calcite and dolomite weathering

Silicate weathering

SO2

4 Pyrite weathering (some pollution)

CaSO4 dissolution

Rainwater addition

Cl- NaCl d issolution (some pollution)

Rainwater addition

H4SiO4 (aq) Silicate weathering

HCO

3

SO2

4

Argiles

Mer (10500 mg.L-1)

Engrais ( Kcl)

Non pour l’eau Mer ( 400 mg/L)

Mer (1350 mg/L)

CO2

Mer (2700 mg/L)

Mer ( 19 000 mg/L)

Engrais ( KCl)

Page 128: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Example

Page 129: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Chalk aquifer

London basin (UK)

Page 130: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 131: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Exemple 2

Mauritanie

Page 132: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

APPROCHES HYDRODYNAMIQUE ET

GÉOCHIMIQUE DE LA RECHARGE DE LA

NAPPE DU TRARZA, SUD-OUEST DE LA

MAURITANIE

Ahmed Salem

Sous la direction de Christelle MARLIN et Christian LEDUC

Page 133: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

TRA

RZA

Les zones arides et semi-arides représentent plus de 30 % des

terres émergées

13

4

Page 134: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Infiltration

directe Recharge

localisée

Echange

rivières / nappes

RECHARGE AQUIFERE

Variabilité spatiale et temporelle

Mécanismes de recharge en milieux semi-arides

13

5

recharge diffuse (directe)

nappe

recharge concentrée (indirecte)

nappe

nappe

nappe

Ech

an

ge

eau

de s

urf

ace e

au

so

ute

rrain

e

Page 135: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Climatiques

Transgressions

marines

Régime Hydro.

Transport des

particules

Digues/Barrages Déforestation

Variabilité de la recharge

Alternance périodes

Humide/sèche

Anthropiques

Niveau de base

Biseau salé

Chimie d’eau

Niveau de base

Diffusion d’eau

Chimie d’eau

Niveau de base

Eau de surface

ETP

13

6

Irrigation

Niveau de base

Eau de surface

Chimie d’eau

Mécanismes de recharge en milieux semi-arides

Page 136: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Principaux mécanismes de recharge de la nappe du

Trarza

Impacts climatiques et anthropiques sur la dynamique de

la nappe

Objectifs

13

7

Page 137: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Eau souterraine

40000 km2

Eau de très bonne

qualité

AEP de plusieurs

régions : 700 000

habitants

Eau de surface

Fleuve Sénégal

Lac de R’kiz

Lac d’Aleg

Localisation

13

8

60 000

m3.d-1

2010

Page 138: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Pluie mensuelle moyenne Précipitation moyenne de

1934 à 2011 :

• Rosso : 250 mm

Ecart-type : 100 mm

• Boutilimit : 150 mm

Ecart-type : 85 mm

Climat

Climat sahélien :

saison pluvieuse : Juil., Août, Sept., Oct.

saison sèche : Nov. à Juin Ros

so

Boutili

mit

0

20

40

60

80

100

120

J F M A M J J A S O N D

Plu

ie m

oy.

(m

m) Boutilimit

Rosso

139 saison pluvieuse

Page 139: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Carte piézométrique de 2011

14

0

Page 140: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Carte piézométrique de 1962

14

1

Page 141: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Répartition de la minéralisation dans la

nappe

14

2

CE (µS.cm-1) %

< 200 2

200-500 30

500-1000 35

1000-2000 22

2000-5000 8

> 5000 3

Page 142: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Fleuve Sénégal et ses défluents

Compositions chimiques proches entre les eaux du fleuve et

la nappe

0 20 40 60 80 100 120

Distance depuis le fleuve (km)

1

10

100

1000

10000

1E5

Teneurs

en c

hlo

rure

s (

mg.L

-1)

14

3

Page 143: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Transgressions marines: eau de mer reste piégée dans les

sédiments

Limite de

l’Inchirien

33000 ans BP

Limite du Nouakchottien

5500 ans BP

Limite de

l’Inchirien

33000 ans BP

Limite du Nouakchottien

5500 ans BP

Origine de fortes minéralisations : Cl- > 1000 mg.L-

1

14

4

Page 144: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Dilution de l’eau de mer

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00

Cl- (meq.L-)

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

1000,00

Na

+(m

eq

.L- )

Lac R'kiz

Zone près du fleuve <10 km; Cl- >1000 mg.L-

Zone près du fleuve <10 km; Cl- <1000 mg.L-

Zone loin du fleuve >10 km

1 10 100 1000 10000 100000

Cl-(mg.L-1)

0,00

0,01

0,10

1,00

10,00

100,00

1000,00

Br- (m

g.L

-1)

Zone près du fleuve <10 km, Cl- <1000 mg.L-1

Zone près du fleuve <10 km, Cl- >1000 mg.L-1

Zone loin du fleuve >10 km

36

Dissolution de la Halite

Dilution de l'eau de mer

14

5

Origine de fortes minéralisations : Cl- > 1000 mg.L-

1

Page 145: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

Mélange eau douce

(pluie/fleuve) et une

solution marine

Limite de

l’Inchirien

33000 ans BP

Limite du

Nouakchottien

5500 ans BP

3

6 5

0 4000 8000 12000 16000 20000

Cl-(mg.L-)

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

δ18O

(vs V

-SM

OW

)36

Zone près du fleuve <10 km, Cl- <1000 mg.L-1

Zone près du fleuve <10 km, Cl- >1000 mg.L-1

Zone loin du fleuve >10 km

Pôle eau

de mer

Pôle

Fleuve/Pluie

Eva

po

ratio

n

Droite de mélange eau

douce-eau de mer5

25%

eau de

mer

70%

eau de

mer

14

6

Origine de fortes minéralisations : Cl- > 1000 mg.L-

1

Page 146: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

δ18O(vs V-SMOW)

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

δ

2H

(vs V

-SM

OW

)

Lac R'kiz

Mélange eau

douce-eau de mer

Zone près du fleuve <10 km, Cl- <1000 mg.L-1

Zone près du fleuve <10 km, Cl- >1000 mg.L-1

Zone loin du fleuve >10 km

Fleuve 2011

Pluie ponderée 2010

Eau de mer 36

5

(b)(a)

14

7

Mélange eau douce (pluie/fleuve) et une solution marine sur lequel

s’ajoute un effet d’évaporation

Origine de fortes minéralisations : Cl- > 1000 mg.L-

1

Page 147: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 148: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 149: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 150: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates
Page 151: Aucun titre de diapositive - UPMCech.metis.upmc.fr/files/hydrochemistry_marlin_2015_extra light.pdf · En chimie organique, le groupe cynanate est un groupe fonctionnel. – Thiocyanates