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Les isotopes radioactifs dans
les eaux souterraines
EXPOSE :
Responsable du module : Mme
MEBROUK ZAIDI.
Année 2014/2015
Présenter par : ZEMOUR Youcef .
République algérienne démocratique et populaire
Ministére de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique
Université d’Oran 2 : Mohamed ben Ahmed
Faculté des sciences de la terre et l’univers
Master 1 : Eaux Souterraines et environnement
Plan de Travail :
 Introduction .
 La Définition d’un isotope
 La Radioactivité.
 L’isotope radioactif de la molécule d’eau et définition .
 Production naturelle
 Production anthropogène
 La datation par le trituim (Principe et équation )
 Les isotopes Radioactif des espèces dissoutes
 Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines.
 La Conclusion .
Introduction :
• L'utilisation des isotopes du milieu dans le
domaine de l'hydrologie des eaux souterraines
offre la possibilité d'obtenir une meilleure
compréhension des processus de mouvement
et de distribution dans l'aquifère. Les eaux
souterraines contiennent naturellement des
isotopes du milieu et on peut en tirer des
conclusions par rapport aux quantités
existantes.
Définition d’un isotope:
𝑬𝑍
𝐴
Nous désignons un isotope d’un élément
E par la notation suivante:
𝑪6
12
, 𝑶8
16
où Z est le numéro atomique (nombre de
protons) et A la masse atomique (somme
du nombre de protons et du nombre N de
neutrons) . Exemples:
Les isotopes d'un élément chimique ont tous le
même numéro atomique Z (le même nombre de
protons dans leur noyau) mais des masses
atomiques différentes (le nombre de neutrons
différents).
Exemples :
𝑶8
18
, 𝑶,8
17
𝑶8
16
𝑺𝒓, 𝑺𝒓38
86
, 𝑺𝒓38
87
, 𝑺𝒓38
88
38
84
La Radioactivité :
• La radioactivité est une transformation
spontanée d’un noyau atomique au cours de
laquelle ce dernier émet un rayonnement.
Cette réaction se produit sur des éléments
instables qui adoptent ainsi une configuration
énergiquement plus stable. Les rayonnements
produits peuvent être de trois types : alpha,
bêta ou gamma.
L’isotope radioactif de la molécule d’eau
Période : 12,43 ans
Le tritium
Définition :
• Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène, est un
traceur intime de la molécule d'eau, qui permet
d'estimer le temps de transit des eaux dans
l'aquifère. De par son origine essentiellement
anthropogène et sa radioactivité, son comportement
est sensiblement différent de celui des isotopes
stables.
Définition :
Instable, il se désintègre avec une période de demi-
vie de 12.43 années, en formant des atomes
stables d’hélium-3 et un rayonnement β- selon
l’équation:
C’est ce rayonnement qui permet de mesurer la
quantité de tritium contenue dans un échantillon.
Ce rayonnement de très faible énergie (0,018
MeV) est totalement absorbé par une couche de
5 μm d’eau, ou de 3 μm d’air, ce qui rend sa
détection difficile.
• L'origine du tritium dans l'atmosphère est
double :
l'une naturelle ,
l'autre, anthropique .
1-La production naturelle :
• La production naturelle du tritium est liée à
l'impact neutronique du rayonnement
cosmique sur les noyaux d'azote de l'air :
• Le tritium produit sous forme d’hydrogène est
oxydé en eau. Il est alors introduit dans le
cycle de l’eau.
2-Production anthropogène :
• A cette production naturelle s'ajoute une
injection de tritium en grande quantité produite
dans la stratosphère lors des essais
thermonucléaires et nucléaires aériens.
Cette production artificielle permet de différencier
les eaux résultant de précipitations sans tritium
nucléaire (avant 1952) des eaux de précipitations
formées dans une atmosphère contenant du
tritium nucléaire (après 1952).
La datation par le trituim :
La nouvelle Méthode
(Tritium/hélium)
• La possibilité de dater les eaux souterraines à
partir des teneurs en hélium et tritium de l’eau, a
été développée à la fin des années 60 (Tolstikhin
and Kamensky, 1969). Elle a largement été
utilisée en hydrogéologie continentale à partir
des années 90 quand les concentrations en
tritium précédemment utilisées seules en
datation, sont devenues trop faibles (ou trop
affectées par la dispersion dans le milieu) pour
avoir une estimation des âges.
Principe et équation :
• L’hélium 3 est l’élément fils du tritium. Comme
c’est un composé gazeux il se volatilise
immédiatement vers l’atmosphère si le milieu
est en contact avec celle-ci. Par contre, si l’eau
est isolée de l’atmosphère, l’hélium 3 se
comporte comme un traceur accumulatif, et
sa concentration dans l’eau augmente
proportionnellement à la concentration
initiale en tritium et au temps.
• Il est donc théoriquement possible quand on
connaît la concentration en tritium restant
dans le milieu et en hélium 3 produit par
décroissance de remonter au temps pendant
lequel l’eau est restée isolée :
• Où :
• t est le temps en années
• λ est la constante de décroissance radioactive :
λ= ln2/T avec T : demi-vie de l’élément considéré
(pour le tritium T = 12,43 ans d’où λ= 0,05626
an-1)
• représente la concentration en tritium en UT
(1 unité tritium correspond à un atomede 3H
pour 1018 atomes de 1H)
• représente la concentration en hélium
tritiogénique en équivalent UT (1 UT équivaut à la
production de 0,402.10-12 cm3/kg de )
• La difficulté de cette méthode réside dans la
séparation de l’hélium tritiogénique (issu de la
décroissance radioactive du tritium) des
autres sources d’hélium présentes dans
l’échantillon prélevé.
• La concentration en hélium tritiogénique est
obtenue en soustrayant chacune des autres
composantes à la valeur mesurée :
• Où :
• : est la composante tritiogénique
recherchée
• L’ensemble des calculs permettant de
déterminer la proportion de chaque
composante et donc la composante
tritiogénique, peut être résumé par la formule
ci-après ; où chacune des composantes de
est estimée à partir des concentrations en
• Avec :
• Rm : rapport 3He/4He mesuré
• Ra : rapport 3He/4He atmosphérique
• Rterr : Rapport 3He/4He terrigène : pourrait être
déduit d’une eau où il n’y a pas de tritium et où
on attribue l’ensemble de l’hélium à la production
par désintégration radioactive. Pour les roches
cristallines ce rapport a habituellement une
valeur proche de 2.10-8 avec une gamme de
variation pouvant aller de 5,7.10-9 à 7,1.10-8.
• α : fractionnement isotopique lié à la
solubilisation (0,983)
• : concentration en 4He mesurée en cm3 STP
• : concentration en hélium 4 en cm3 STP à
l’équilibre avec l’atmosphère (solubilité, à 12°C :
4,606.10-8cm3/g)
• : concentration en hélium terrigène en cm3
STP, il peut être estimé grâce à la formule
suivante où sont soustraites à la concentration en
hélium 4 totale la composante liée à sa solubilité
et celle liée à l’excès d’air (à partir du néon en
supposant un rapport He/Ne identique dans l’air
et dans l’excès d’air):
Les isotopes Radioactif des espèces
dissoutes:
Le carbone 14
Période: de 5.730 ans.
Le radiocarbone 14C :
Le radiocarbone 14C , est comme le trituim , se forme
dans la haute atmosphére à partir des noyaux
d’azote 14 , aprés l’oxydation , il est distribué dans le
cycle de carbone sous forme de Co
2 mélangé au Co
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atmosphérique , il se désintégre en emettant de rayon
β.
14C β + 14N
La datation des eaux par le carbone 14
Le radiocarbone entre dans les eaux souterraines par
l’intermédiaire du CO2 atmosphérique via le sol .
La datation est basée sur la décroissance radioactive de
la teneur en 14C du carbone minéral total dissous .
Le temps de séjour moyen (ts) de l’eau entre la zone de
recharge et le lieu de prélèvement est donné par la
formule :
Ts = 8267. Ln (A°/At) en années.
A° = l’activité initiale en 14C du carbone minéral total
dissous (CMTD).
At = L’activité résiduelle en 14C de CMTD mesuré
dans des échantillons d’eau de cette nappe.
A° et At sont exprimés en pour cent de carbone
moderne (pcm), avec 100 pcm =13,56 ± 0,07
désintégration par minute et par gramme de carbone .
Applications du 14C sur les eaux
souterraines:
 La détermination de l’âge pour les études paléo
hydrologiques, paléo climatiques et l’hydrodynamique.
 La détermination de la direction et des vitesses de
l’écoulement des eaux souterraines.
 L’estimation des taux de recharge dans les aquifères
phréatiques et profonds.
Le Chlore 36
Le chlore 36 d’une periode de 300 000 ans est
un traceur de temps particuliérement bien
adapté à l’étude des eaux souterraines
anciennes.
Mais la méthode d’éstimation l’àge des eaux par
le chlore 36 est relativement lourde , n’est
encor que peut utilisés .
Radioactivité isotopique et pollution
des eaux souterraines :
Radioactivité isotopique et pollution
des eaux souterraines :
• Les résultats issus de la datation des eaux
souterraines peuvent devenir de puissants
outils pour tester de nouvelles hypothèses de
fonctionnement hydrogéologique, pour
comprendre le transfert de polluants tels que
les nitrates dans le milieu naturel et pour
mieux contraindre le modèle hydrogéologique
des aquifères fracturés hétérogènes.
Conclusion :
• Finalment nous constatent que le but
principale d’étude isotopique (soit par les
radioactif ou stable) dans le domaine
hydrogeologique , hydrologie , envirennement
permet de déterminer l’age des eaux dans
l’aquifere , donc elles apportent des réponses
fiables aux différentes questions que l'on est
amené à se poser quand on cherche à préciser
le gisement de l'eau .
Références :
• FONTES J.Ch. (1976) Les Isotopes du milieu dans les eaux naturelles - La Houille
Blanche 3/4 - 205-221
• Mamyrin, B. A. and I. N. Tolstikhin (1984). Helium isotopes in nature. Amsterdam,
Elsevier.
• Allison, G.B., Hughes, M.W., 1975. The use of environmental tritium to estimate
recharge to a South Australian aquifer. J. Hydrol., Vol. 26: 245-254.
• Clark I. D. and Fritz P. (1997) Environmental Isotopes in Hydrogeology, Lewis
Publishers of CRC Press, New York, 328 pp. Cook P. G., and Herczeg A. L. (2000)
Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers,
Boston, 529 pp.
• Isotopes in the water cycle, 2005, Aggarwal et al., eds., Springer, Dortrecht, NL.
• Bentley, H.W., Phillip, F.M., Davis, S.N., Habermehl, M.A., Airey, P.L., Calf, G.E.,
Elmore, D., Gove, H.E., Torgersen, T., 1986. Chlorine-36 dating of very old
groundwater I. The Great Artesian Basin, Australia, Water Resources Res., Vol. 22,
No. 13: 1991-2001.
• Heemskerk, A.R., 1998, Techniques: Tritium (Direct and Enriched [TP 01]:
Environmental Isotope Laboratory University of Waterloo, Waterloo, Ontario,
Canada:
http://www.science.uwaterloo.ca/research/elab/Methodology/inContent/tp01.ht
ml, 2 p.
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les isotopes radioactif dans les eaux souterraine

  • 1. Les isotopes radioactifs dans les eaux souterraines EXPOSE : Responsable du module : Mme MEBROUK ZAIDI. Année 2014/2015 Présenter par : ZEMOUR Youcef . République algérienne démocratique et populaire Ministére de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université d’Oran 2 : Mohamed ben Ahmed Faculté des sciences de la terre et l’univers Master 1 : Eaux Souterraines et environnement
  • 2. Plan de Travail :  Introduction .  La Définition d’un isotope  La Radioactivité.  L’isotope radioactif de la molécule d’eau et définition .  Production naturelle  Production anthropogène  La datation par le trituim (Principe et équation )  Les isotopes Radioactif des espèces dissoutes  Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines.  La Conclusion .
  • 3. Introduction : • L'utilisation des isotopes du milieu dans le domaine de l'hydrologie des eaux souterraines offre la possibilité d'obtenir une meilleure compréhension des processus de mouvement et de distribution dans l'aquifère. Les eaux souterraines contiennent naturellement des isotopes du milieu et on peut en tirer des conclusions par rapport aux quantités existantes.
  • 4. Définition d’un isotope: 𝑬𝑍 𝐴 Nous désignons un isotope d’un élément E par la notation suivante: 𝑪6 12 , 𝑶8 16 où Z est le numéro atomique (nombre de protons) et A la masse atomique (somme du nombre de protons et du nombre N de neutrons) . Exemples:
  • 5. Les isotopes d'un élément chimique ont tous le même numéro atomique Z (le même nombre de protons dans leur noyau) mais des masses atomiques différentes (le nombre de neutrons différents). Exemples : 𝑶8 18 , 𝑶,8 17 𝑶8 16 𝑺𝒓, 𝑺𝒓38 86 , 𝑺𝒓38 87 , 𝑺𝒓38 88 38 84
  • 6. La Radioactivité : • La radioactivité est une transformation spontanée d’un noyau atomique au cours de laquelle ce dernier émet un rayonnement. Cette réaction se produit sur des éléments instables qui adoptent ainsi une configuration énergiquement plus stable. Les rayonnements produits peuvent être de trois types : alpha, bêta ou gamma.
  • 7. L’isotope radioactif de la molécule d’eau Période : 12,43 ans Le tritium
  • 8. Définition : • Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène, est un traceur intime de la molécule d'eau, qui permet d'estimer le temps de transit des eaux dans l'aquifère. De par son origine essentiellement anthropogène et sa radioactivité, son comportement est sensiblement différent de celui des isotopes stables.
  • 9. Définition : Instable, il se désintègre avec une période de demi- vie de 12.43 années, en formant des atomes stables d’hélium-3 et un rayonnement β- selon l’équation: C’est ce rayonnement qui permet de mesurer la quantité de tritium contenue dans un échantillon. Ce rayonnement de très faible énergie (0,018 MeV) est totalement absorbé par une couche de 5 μm d’eau, ou de 3 μm d’air, ce qui rend sa détection difficile.
  • 10. • L'origine du tritium dans l'atmosphère est double : l'une naturelle , l'autre, anthropique .
  • 11. 1-La production naturelle : • La production naturelle du tritium est liée à l'impact neutronique du rayonnement cosmique sur les noyaux d'azote de l'air : • Le tritium produit sous forme d’hydrogène est oxydé en eau. Il est alors introduit dans le cycle de l’eau.
  • 12. 2-Production anthropogène : • A cette production naturelle s'ajoute une injection de tritium en grande quantité produite dans la stratosphère lors des essais thermonucléaires et nucléaires aériens. Cette production artificielle permet de différencier les eaux résultant de précipitations sans tritium nucléaire (avant 1952) des eaux de précipitations formées dans une atmosphère contenant du tritium nucléaire (après 1952).
  • 13.
  • 14. La datation par le trituim : La nouvelle Méthode (Tritium/hélium)
  • 15. • La possibilité de dater les eaux souterraines à partir des teneurs en hélium et tritium de l’eau, a été développée à la fin des années 60 (Tolstikhin and Kamensky, 1969). Elle a largement été utilisée en hydrogéologie continentale à partir des années 90 quand les concentrations en tritium précédemment utilisées seules en datation, sont devenues trop faibles (ou trop affectées par la dispersion dans le milieu) pour avoir une estimation des âges.
  • 16. Principe et équation : • L’hélium 3 est l’élément fils du tritium. Comme c’est un composé gazeux il se volatilise immédiatement vers l’atmosphère si le milieu est en contact avec celle-ci. Par contre, si l’eau est isolée de l’atmosphère, l’hélium 3 se comporte comme un traceur accumulatif, et sa concentration dans l’eau augmente proportionnellement à la concentration initiale en tritium et au temps.
  • 17. • Il est donc théoriquement possible quand on connaît la concentration en tritium restant dans le milieu et en hélium 3 produit par décroissance de remonter au temps pendant lequel l’eau est restée isolée :
  • 18. • Où : • t est le temps en années • λ est la constante de décroissance radioactive : λ= ln2/T avec T : demi-vie de l’élément considéré (pour le tritium T = 12,43 ans d’où λ= 0,05626 an-1) • représente la concentration en tritium en UT (1 unité tritium correspond à un atomede 3H pour 1018 atomes de 1H) • représente la concentration en hélium tritiogénique en équivalent UT (1 UT équivaut à la production de 0,402.10-12 cm3/kg de )
  • 19. • La difficulté de cette méthode réside dans la séparation de l’hélium tritiogénique (issu de la décroissance radioactive du tritium) des autres sources d’hélium présentes dans l’échantillon prélevé.
  • 20. • La concentration en hélium tritiogénique est obtenue en soustrayant chacune des autres composantes à la valeur mesurée : • Où : • : est la composante tritiogénique recherchée
  • 21. • L’ensemble des calculs permettant de déterminer la proportion de chaque composante et donc la composante tritiogénique, peut être résumé par la formule ci-après ; où chacune des composantes de est estimée à partir des concentrations en
  • 22. • Avec : • Rm : rapport 3He/4He mesuré • Ra : rapport 3He/4He atmosphérique • Rterr : Rapport 3He/4He terrigène : pourrait être déduit d’une eau où il n’y a pas de tritium et où on attribue l’ensemble de l’hélium à la production par désintégration radioactive. Pour les roches cristallines ce rapport a habituellement une valeur proche de 2.10-8 avec une gamme de variation pouvant aller de 5,7.10-9 à 7,1.10-8.
  • 23. • α : fractionnement isotopique lié à la solubilisation (0,983) • : concentration en 4He mesurée en cm3 STP • : concentration en hélium 4 en cm3 STP à l’équilibre avec l’atmosphère (solubilité, à 12°C : 4,606.10-8cm3/g) • : concentration en hélium terrigène en cm3 STP, il peut être estimé grâce à la formule suivante où sont soustraites à la concentration en hélium 4 totale la composante liée à sa solubilité et celle liée à l’excès d’air (à partir du néon en supposant un rapport He/Ne identique dans l’air et dans l’excès d’air):
  • 24.
  • 25. Les isotopes Radioactif des espèces dissoutes:
  • 26. Le carbone 14 Période: de 5.730 ans.
  • 27. Le radiocarbone 14C : Le radiocarbone 14C , est comme le trituim , se forme dans la haute atmosphére à partir des noyaux d’azote 14 , aprés l’oxydation , il est distribué dans le cycle de carbone sous forme de Co 2 mélangé au Co 2 atmosphérique , il se désintégre en emettant de rayon β. 14C β + 14N
  • 28. La datation des eaux par le carbone 14
  • 29. Le radiocarbone entre dans les eaux souterraines par l’intermédiaire du CO2 atmosphérique via le sol . La datation est basée sur la décroissance radioactive de la teneur en 14C du carbone minéral total dissous . Le temps de séjour moyen (ts) de l’eau entre la zone de recharge et le lieu de prélèvement est donné par la formule : Ts = 8267. Ln (A°/At) en années. A° = l’activité initiale en 14C du carbone minéral total dissous (CMTD). At = L’activité résiduelle en 14C de CMTD mesuré dans des échantillons d’eau de cette nappe. A° et At sont exprimés en pour cent de carbone moderne (pcm), avec 100 pcm =13,56 ± 0,07 désintégration par minute et par gramme de carbone .
  • 30. Applications du 14C sur les eaux souterraines:  La détermination de l’âge pour les études paléo hydrologiques, paléo climatiques et l’hydrodynamique.  La détermination de la direction et des vitesses de l’écoulement des eaux souterraines.  L’estimation des taux de recharge dans les aquifères phréatiques et profonds.
  • 31. Le Chlore 36 Le chlore 36 d’une periode de 300 000 ans est un traceur de temps particuliérement bien adapté à l’étude des eaux souterraines anciennes. Mais la méthode d’éstimation l’àge des eaux par le chlore 36 est relativement lourde , n’est encor que peut utilisés .
  • 32. Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines :
  • 33. Radioactivité isotopique et pollution des eaux souterraines : • Les résultats issus de la datation des eaux souterraines peuvent devenir de puissants outils pour tester de nouvelles hypothèses de fonctionnement hydrogéologique, pour comprendre le transfert de polluants tels que les nitrates dans le milieu naturel et pour mieux contraindre le modèle hydrogéologique des aquifères fracturés hétérogènes.
  • 34. Conclusion : • Finalment nous constatent que le but principale d’étude isotopique (soit par les radioactif ou stable) dans le domaine hydrogeologique , hydrologie , envirennement permet de déterminer l’age des eaux dans l’aquifere , donc elles apportent des réponses fiables aux différentes questions que l'on est amené à se poser quand on cherche à préciser le gisement de l'eau .
  • 35. Références : • FONTES J.Ch. (1976) Les Isotopes du milieu dans les eaux naturelles - La Houille Blanche 3/4 - 205-221 • Mamyrin, B. A. and I. N. Tolstikhin (1984). Helium isotopes in nature. Amsterdam, Elsevier. • Allison, G.B., Hughes, M.W., 1975. The use of environmental tritium to estimate recharge to a South Australian aquifer. J. Hydrol., Vol. 26: 245-254. • Clark I. D. and Fritz P. (1997) Environmental Isotopes in Hydrogeology, Lewis Publishers of CRC Press, New York, 328 pp. Cook P. G., and Herczeg A. L. (2000) Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Boston, 529 pp. • Isotopes in the water cycle, 2005, Aggarwal et al., eds., Springer, Dortrecht, NL. • Bentley, H.W., Phillip, F.M., Davis, S.N., Habermehl, M.A., Airey, P.L., Calf, G.E., Elmore, D., Gove, H.E., Torgersen, T., 1986. Chlorine-36 dating of very old groundwater I. The Great Artesian Basin, Australia, Water Resources Res., Vol. 22, No. 13: 1991-2001. • Heemskerk, A.R., 1998, Techniques: Tritium (Direct and Enriched [TP 01]: Environmental Isotope Laboratory University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada: http://www.science.uwaterloo.ca/research/elab/Methodology/inContent/tp01.ht ml, 2 p.
  • 36. Merci de votre attention.