Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments : from alkaline deposition towards acidification

J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Thesis abstract Mine waste is the largest volume of materials handled in the world. The oxidation of sulfidic mine waste may result in the release of acid mine drainage (AMD) rich in heavy metals and arsenic to the environment, one of the major problems the mining industry is facing today. To control and reduce this environmental impact, it is crucial to identify the main geochemical and hydrological processes influencing contaminant liberation, transport, and retention. This thesis presents the results of a geochemical, mineralogical and stable isotope study (δ2H, δ18O, δ34S) from two active porphyry copper tailings impoundments in Mediterranean (Carén tailings impoundment, El Teniente mine, Central Chile) and hyper-arid climate (Talabre tailings impoundment, Chuquicamata, Northern Chile) from the deposition in alkaline environment (pH 10.5) towards acidification after several years of exposure. The major hydrological results were the identification of vertical contaminant and water transport in the uppermost, not water-saturated zone, triggered by capillary rise due to evaporation, and infiltration downwards due to new tailings deposition, and of horizontal transport in the groundwater zone. At the surface of the sedimented tailings, evaporation of pore water led to the precipitation of Na-Ca-Mg sulfates (e.g., gypsum, tenorite), in hyper-arid climate also halite. At the Carén tailings impoundment, renewed deposition in a 4-week interval inhibited a pH decrease below neutral values and the formation of an efflorescent salt crust. At the Talabre tailings impoundment, deposition breaks of several years resulted in the formation of acidic oxidation zones in the timeframe of less than 4 years. This process enabled the transport of liberated Cu, Zn, and Fe via capillary rise to the surface, where these metals precipitated as heavy-metal sulfates (e.g., devilline, krohnkite) and chlorides (eriochalcite, atacamite). Renewed depositing may dissolve efflorescent salts and transport liberated elements towards the groundwater zone. This zone was found to be highly dynamic due to infiltration and mixing with water from different sources, like groundwater, catchment water, and infiltration from superficial waters. There, Cu was found to be partially mobile due to complexation with Cl (in Cl-rich groundwater, Talabre) and dissolved organic matter (in zones with infiltration of catchment water rich in dissolved organic matter, Carén). A laboratory study on the isotopic fractionation of sulfur and oxygen of sulfate in different minerals groups (water-soluble sulfates, low- and high-crystalline Fe(III) oxyhydroxides) contributed to the use of stable isotopes as tracer of geochemical and transport processes for environmental studies. The results highlight that a detailed geochemical, stable isotope and mineralogical study permits the identification of contamination processes and pathways already during the deposition of mine tailings. This knowledge allows the early planning of adequate actions to reduce and control the environmental impact during tailings deposition and after the closing of the impoundment. J. Smuda: Geochemical evolution of active porphyry copper tailings impoundments Résumé de these Les déchets miniers constituent les plus grands volumes de matériel gérés dans le monde. L'oxydation des déchets miniers sulfuriques peut conduire à la libération de drainages miniers acides (DMA) riches en métaux et arsenic dans l'environnement, ce qui est l'un des principaux problèmes de l'industrie minière aujourd'hui. Pour contrôler et réduire ces impacts sur l'environnement, il est crucial d'identifier les principaux processus géochimiques et hydrologiques influençant la libération, le transport et la rétention des contaminants. Cette thèse présente les résultats d'une étude géochimique, minéralogique et des isotopes stables (δ2H, δ18O, δ34S) sur des déchets miniers de 2 sites de dépôt actifs en climat méditerranéen (Dépôt de déchets de Carén, mine de El Teniente, Centre du Chili) et en climat hyper-aride (Dépôt de déchets de Talabre, mine de Chuquicamata, Nord du Chili). L'objectif était d'étudier l'évolution des déchets de la déposition en milieu alcalin (pH = 10.5) vers l'acidification après plusieurs années d'exposition. Le principal résultat hydrologique a été l'identification de 2 types de transport : un transport vertical de l'eau et des contaminants dans la zone non saturée en surface, induit par la montée capillaire due à l'évaporation et par l'infiltration subséquente de la déposition de sédiments frais ; et un transport horizontal dans la zone des eaux souterraines. À la surface des déchets, l'évaporation de l'eau interstitielle conduit à la précipitation de sulfates de Na-Ca-Mg (ex. gypse, ténorite) et halite en climat hyper-aride. Dans le site de Carén, une nouvelle déposition de déchets frais à 4 semaines intervalle a empêché la baise du pH en deçà des valeurs neutres et la formation d'une croûte de sels efflorescentes en surface. Dans le site de Talabre, les fentes de dessiccation des dépôts ont entraîné la formation d'une zone d'oxydation à pH acide en moins de 4 ans. Ce processus a permis la libération et le transport par capillarité de Cu, Zn, Fe vers la surface, où ces éléments précipitent sous forme de sulfates de métaux lourds (ex., dévilline, krohnkite) de chlorures (ex. ériochalcite, atacamite). Une nouvelle déposition de sédiments frais pourrait dissoudre ces sels et les transporter vers la zone des eaux souterraines. Cette dernière zone était très dynamique en raison du mélange d'eaux provenant de différentes sources, comme les eaux souterraines, l'eau de captage et l'infiltration des eaux superficielles. Egalement dans cette zone, le cuivre était partiellement mobile à cause de la formation de complexe avec le chlore (dans les zone riche en Cl, Talabre) et avec la matière organique dissoute (dans les zones où s'infiltre l'eau de captage riche en matière organique, Carén). Une étude en laboratoire sur le fractionnement des isotopes stables de sulfure et d'oxygène des sulfates dans différents groupes de minéraux (sulfates hydrosolubles, sulfures de oxy-hydroxyde de Fe(III) faiblement ou fortement cristallins) a permis d'apporter une contribution à leur utilisation comme traceurs dans l'étude des processus géochimiques et de transport lors d'études environnementales. Les résultats montrent qu'une étude détaillée de la géochimie, des isotopes stables et de la minéralogie permet d'identifier les processus et les voies de contamination déjà pendant la période de dépôt des déchets miniers. Cette connaissance permet de planifier, dès le début de l'exploitation, des mesures adéquates pour réduire et contrôler l'impact sur l'environnement pendant la période de dépôts de déchets miniers et après la fermeture du site.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

L'examen des plumes en science forensique

L'investigateur forensique est confronté à une vaste typologie de traces qui comprend notamment les plumes d'oiseaux. La présente contribution a pour but de fournir les éléments nécessaires pour mieux discerner le potentiel informatif de ces dernières et donner un aperçu global des différents examens pouvant être réalisés sur les plumes dans un contexte forensique. Il s'agit également de mettre en évidence les avantages et les limitations de chaque méthode ainsi que leur capacité de discrimination. Cet article présente finalement plusieurs exemples d'affaires dans lesquelles un examen de plumes a contribué de manière non négligeable à l'enquête et propose des pistes de réflexion sur le traitement et l'exploitation de ce type particulier de traces dans le futur.

Nutrition et état de santé : études paléochimique et paléopathologique de la population exhumée du cimetière protestant Saint-Matthew, ville de Québec, Canada (1771-1860)

Quatre-vingt-quinze squelettes humains issus des fouilles archéologiques du cimetière protestant Saint-Matthew (ville de Québec, 1771-1860) ont été étudiés en associant deux aspects de la paléonutrition : la paléochimie et la paléopathologie. Le but de cette recherche est d’explorer la relation entre nutrition et état de santé pour cette population préindustrielle. Des informations directes sur l’alimentation ont été recueillies par l’analyse des isotopes stables du carbone et de l’azote du collagène des os, et des informations indirectes ont été obtenues par une quantification de l’état de santé des individus. Les méthodes paléopathologiques utilisées sont celles de l’« indice de santé » (Steckel et al., 2002) pour la comparaison interpopulationnelle, puis des méthodes comprenant des degrés de sévérité plus précis afin d’étudier les variations intrapopulationnelles. L’analyse de ces données atteste d’un état de santé relativement mauvais par comparaison avec d’autres groupes nord-américains contemporains, malgré une alimentation similaire. Des différences alimentaires ont été observées en fonction des données paléodémographiques (âge, sexe), mettant notamment en évidence une variabilité temporelle dans la réalisation du processus de sevrage. De plus, un régime alimentaire moins riche en ressources C4 (maïs, sucre de canne) et en ressources animales (viande, poissons, produits laitiers) a été constaté pour les enfants entre 2 et 7 ans par rapport aux individus plus vieux. Enfin, une relation possible entre la sévérité de certaines pathologies (cribra orbitalia et périostite) et la consommation des ressources alimentaires en C4 et/ou marines et riches en protéines a été observée.

Chasseurs de bisons : apports de l’archéozoologie et de la biogéochimie isotopique à l’étude palethnographique et paléoéthologique du gisement épigravettien d’Amvrosievka (Ukraine)

Réalisé en cotutelle avec le Département de Préhistoire du Muséum national d’Histoire naturelle (Paris, France), École doctorale « Sciences de la nature et de l’Homme » (ED 227)

Bioaccumulation du méthylmercure chez les invertébrés aquatiques aux latitudes tempérées et polaires : rôle des facteurs écologiques, biologiques et géochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

El Tropel, un sitio arqueológico del Clásico en el Occidente Mesoamericano.

Cette recherche doctorale a été réalisée dans le cadre d’un projet de sauvetage archéologique à Villa de Álvarez, dans l’état de Colima (Mexique). Dans la zone géographique à l’étude, plusieurs traces indiquant la présence de contextes funéraires ont été relevées par le passé, mais aucun de ces sites n’a fait l’objet d’un rapport archéologique. L’état de Colima est connu pour ses tombes à puits (tumbas de tiro), ses céramiques de manufacture typique, ainsi que pour les fameux « chiens de Colima ». Malgré la relation entre ces objets et les contextes funéraires, peu d’études se sont attardées à comprendre la composante biologique de ces contextes, c’est-à-dire les êtres humains. Ainsi, la richesse du projet de sauvetage archéologique nous a donné l’opportunité de structurer un projet de recherche de thèse doctorale beaucoup plus profond en ce qui concerne un des sujets les plus importants de cette région mésoaméricaine : les traditions funéraires. C’est de cette façon, à la lumière des résultats particuliers obtenus sur le site du Tropel, que nous avons décidé de travailler les liens culturels existants entre ce dernier, la région de Colima, l’Ouest mésoaméricain et l’aire culturelle dans son ensemble. La campagne de fouille ainsi menée a permis la récupération de vingt-six individus de différents sexes et âges. Au moins quatre périodes d’occupation ont été enregistrées sur le site. La présence humaine sur le site s’étend donc de 339AD à 682 AD (datations au radiocarbone sur trois individus du site El Tropel), ce qui correspond à la phase archéologique Comala à Colima. L’abondance d’artefacts de cette phase dans les quatre strates culturelles du site a permis de réaliser une datation relative en relation avec l’apparition et la fréquence de céramiques d’autres phases culturelles connues : Ortices, Colima, Armería y Chanal. Concernant les pratiques funéraires, la fouille a permis de constater le traitement des cadavres avant, pendant et après l’enterrement des défunts. Bien que des contextes funéraires similaires aient déjà été mentionnés dans la région, aucun d’entre eux n’a pu être identifié clairement. Ces traitements funéraires démontrent l’existence chez les anciens habitants de Colima d’une transmission des connaissances concernant l’anatomie, les processus de décomposition des cadavres, et même possiblement d’un culte des os humains. Une étude ostéologique a été menée sur les squelettes afin de documenter les aspects démographiques, pathologiques, sociaux et économiques de la population du site. Parmi les éléments les plus significatifs de l’étude, il est possible de mentionner la présence de certaines pathologies peu connues dans cette région de la Mésoamérique telles que la syphilis et la tuberculose. Des déformations crâniennes ont aussi été observées, ainsi que la présence d’un déformateur crânien en céramique. De plus, de nombreuses données ont été relevées concernant la présence d’os wormiens sur les crânes déformés artificiellement. Finalement, des analyses d’isotopes stables ont été pratiquées sur des os des individus, ainsi que sur des os de chiens et de cerfs retrouvés sur le site, afin de mieux connaître l’alimentation et la vie des communautés anciennes de la région.

Mercure, arsenic et sélénium au Burkina Faso : bioaccumulation, transfert trophique dans les systèmes aquatiques et évaluation de bioaccessibilité chez les humains

L’extraction aurifère est l’une des activités humaines qui a fortement accru l’émission de contaminants métalliques dans l’environnement. Le mercure (Hg), l’arsenic (As) et le sélénium (Se) sont 3 polluants métalliques de grande toxicité environnementale. En milieu aquatique, ils peuvent subir des transformations menant à des composés capables de bioaccumulation et de bioamplification. Il peut en résulter des concentrations 106 fois celle mesurée dans l’eau chez les poissons et les organismes situés en haut des chaînes alimentaires posant de ce fait de graves menaces pour la santé de ces organismes ainsi que leurs consommateurs y compris les humains. Cette étude a évalué les teneurs en Hg, As et Se dans les milieux aquatiques au Burkina Faso, une région d’Afrique sub-saharienne soumise à une exploitation minière intensive. Le risque potentiel pour les organismes aquatiques et les humains a été évalué en considérant les effets des interactions antagonistes Se/Hg et As/Se. La bioaccumulation et le transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques sont également décrits. L’exposition au Hg de poissons par les humains a été également évalué au laboratoire par mesure de la bioaccessibilité comme équivalent de la biodisponibilité par simulation de la digestion humaine. En général, les milieux aquatiques étudiés étaient peu affectés par ces 3 métal(loïd)s bien que certaines espèces de poisson issus des réservoirs les plus profonds indiquent des teneurs de Hg au dessus de 500 ngHg/g (poids frais) recommandé par l’OMS. Ces niveaux sont susceptibles de présenter des risques toxicologiques pour les poissons et pour leurs consommateurs. En considérant l’antagonisme Se/Hg, 99 % des échantillons de poisson seraient moins exposés à la toxicité du Hg dû à la présence simultanée du sélénium dans le milieu et pourraient être consommés sans risque. Cependant, les effets potentiels de l’antagonisme As/Se pourraient réduire les effets bénéfiques du Se et ramener cette proportion à 83 %. L’application des mesures de signatures en isotopes stables d’azote (δ15N) et de carbone (δ13C) des organismes aquatiques a permis le traçage des voies de transfert du Hg et du Se dans les réseaux trophiques. On y observe des chaînes trophiques très courtes (3 - 4 niveaux trophiques) et des poissons majoritairement benthiques. L’approche isotopique n’a cependant pas permis de détecter les variations saisonnières des niveaux de contamination en Hg des poissons. L’exploration des contenus stomacaux des poissons a permis de mieux expliquer la baisse des concentrations en Hg et Se observées chez certains poissons au cours de la saison sèche en lien avec la variation de la composition des proies que l’analyse isotopique n’a pas cerné. L’étude suggère que l’analyse de contenus stomacaux ainsi que l’étude de la dynamique des communautés d’invertébrés couplées à celle des métaux pourraient améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes étudiés. Enfin, l’évaluation expérimentale de l’exposition au Hg indique que les modes de traitement avant consommation ainsi que l’usage de composés alimentaires tels le thé, le café lors de repas de poisson par certaines communautés humaines ont un impact sur la bioaccessibilité du Hg de poisson. Ces résultats, sous réserve de validation par des modèles animaux, suggèrent la prise en compte des habitudes alimentaires des communautés dans l’élaboration adéquat des avis de consommation de poisson.

Évolution des pratiques alimentaires en cours de vie : une étude isotopique multi-matérielle de la population du cimetière Saint-Matthew (Québec, 1771-1860)

En tant que population majoritairement immigrante, les protestants inhumés au cimetière Saint-Matthew, ville de Québec (1771-1860) ont dû s'adapter à un nouvel environnement à leur arrivée au Québec, et donc à de nouvelles ressources. Parallèlement, les 18e et 19e siècles sont marqués par un contexte socio-économique en pleine mutation avec l'arrivée graduelle de la période industrielle, et la ville de Québec, avec son contexte portuaire, a ainsi été au coeur de ces changements. L'objectif de ce mémoire est d'évaluer si la géochimie des isotopes stables appliquée à plusieurs matériaux du squelette humain (collagène et apatite de l'os, collagène de la dentine, et carbonate de l'émail) permet de mieux comprendre comment les comportements alimentaires des individus analysés provenant de ce cimetière cosmopolite (n=40) ont évolué en cours de vie. L'alimentation étant influencée par des conditions socio-économiques, culturelles et environnementales, cela peut nous informer indirectement sur les processus d'adaptation et l'identité d'un individu. C'est dans cette perspective d'écologie culturelle que nous avons interprété les données recueillies lors de ce projet, en complément aux analyses effectuées précédemment par Morland (2009) et Caron (2013). Nos résultats corroborent les tendances déjà observées, soit des pratiques alimentaires semblables à celles que l'on retrouve en Europe, et des immigrants provenant majoritairement des Îles Britanniques. Ils démontrent également une légère augmentation de la consommation de ressources C4, comme le maïs et la canne à sucre, à l'âge adulte pour 90% des individus analysés, de même qu'une baisse du niveau de protéines. Par ailleurs, les individus étudiés ont généralement eu tendance à conserver le même niveau alimentaire les uns par rapport aux autres tout au cours de leur vie, même si les pratiques étaient moins diversifiés à l'âge adulte. Finalement, on constate des similarités de comportements avec les populations irlandaises et britanniques plus pauvres durant l'enfance, alors qu'ils ressemblent davantage à ceux visibles dans la vallée laurentienne en fin de vie, notamment en ce qui concerne l'apport en protéines. Nos résultats suggèrent donc des changements alimentaires significatifs, fort possiblement liés aux processus de migration et à une adaptation constante à un nouvel environnement de la part des individus étudiés.

Projet ANCRE-DMX2 : Indicateurs biologiques et écologiques pour une gestion durable des stocks de poissons DéMersauX profonds (100–700 m) d’intérêt halieutique à La Réunion

L'usage de la ligne à main mécanisée (moulinet électrique) s'est développé à La Réunion au cours des années 2000. Ce métier s’est développé à la suite d’une campagne de prospection des ressources halieutiques profondes (200-700m), menée conjointement par le CRPMEM et l’Ifremer en 2000. L’objectif de cette campagne par pêche au moulinet électrique visait à identifier de nouvelles ressources démersales à des fins de diversification pour la petite pêche artisanale côtière professionnelle réunionnaise. Ainsi, les premiers résultats de cette étude avaient mis en évidence l'existence de nouvelles espèces et des stocks encore peu exploités à l’époque. Leur exploitation par la pêche professionnelle mais aussi par la pêche plaisancière s’est dès lors développée rapidement, sans aucun contrôle. En l’absence de cadre juridique et de mesures de gestion appropriés, la baisse rapide des rendements et les conflits pour l’accès à ces ressources profondes limitées et réputées sensibles à l’exploitation avaient motivé un précédent projet d'étude pour caractériser l’état de ces ressources (ANCRE-DMX, nommé DMX1, Ifremer 2011). Ce premier diagnostic réalisé à peine 10 ans après le début de l’exploitation des principales espèces avait mis en évidence des premiers signes d’une exploitation non soutenable des ressources dans l'ouest et le nord de La Réunion. Il avait été alors préconisé de lever des lacunes importantes concernant la biologie et l’écologie des espèces, d’évaluer l’état de ces stocks et enfin, de définir des indicateurs biologiques et halieutiques permettant de suivre l’évolution de ces différents stocks. En effet, les stocks de poissons démersaux profonds sont connus pour leur vulnérabilité (croissance lente, maturité sexuelle tardive, recrutement aléatoire…), et ce d’autant plus que leurs habitats sont particulièrement restreints à La Réunion. Le présent projet DMX2 a donc eu pour principal objectif d’établir, à partir d’une approche « indicateur », les bases des connaissances halieutiques, biologiques et écologiques manquantes sur les 6 principales espèces ciblées par la pêcherie à la ligne mécanisée. Le plan d’échantillonnage mis en place a couvert des profondeurs comprises entre 80 et 700 mètres, intégrant pour la première fois les zones de transition plus côtières. La période d’échantillonnage s’est déroulée sur un cycle annuel complet, soit d’avril 2014 à mai 2015, avec le concours de 10 pêcheurs professionnels répartis tout autour de l’île. Ainsi, 143 marées ont permis d’échantillonner 3984 individus et plus de 60 espèces différentes. Pour les principales espèces retenues, le suivi des captures en mer et les prélèvements biologiques réalisés ont permis d’appréhender leur rendement, leur structure démographique, leurs relations biométriques, l’étude de leur croissance, leur cycle de reproduction, leur taille de première maturité, la composition relative de leur alimentation ainsi que la variabilité de leur condition corporelle selon les saisons et en fonction des secteurs géographiques de l’île. Pour certaines espèces, les paramètres biologiques et écologiques obtenus n’avaient jamais été étudiés à ce jour. A partir des indicateurs populationnels et bio-écologiques retenus dans le projet, il a été possible d’évaluer l’état de santé des principaux stocks exploités et de les confronter à la situation et à l’évolution de la pêcherie ciblant ces espèces. Sur la base d’une approche de précaution, les diagnostics rendus sont variables selon l’état de santé de chacun des stocks et de leur sensibilité à l’exploitation. L’approche « indicateur » développée dans le cadre de ce projet a été appliquée aux données historiques disponibles. Ces indicateurs seront désormais proposés dans le cadre des suivis qui devront être mis en place dans la définition d’un plan de gestion des ressources démersales profondes à La Réunion. La définition du plan de gestion devra être discutée et validée auprès des différents usagers pêcheurs ainsi que des gestionnaires scientifiques, professionnels et administratifs.

Analyse du compartiment mésozooplanctonique et écologie alimentaire printanière de la sardine, Sardina pilchardus (Walbaum, 1782), et de l’anchois, Engraulis encrasicolus (Linné, 1758) adultes dans le Golfe de Gascogne

Dietary studies of marine species constitute an important key to improve the understanding of its biology and of its role in the ecosystem. Thus, prey-predator relationships structure and determine population dynamics and the trophic network at the ecosystem scale. Among the major study sites, the marine ecosystem is submitted to natural and anthropogenic constraints. In the North-Eastern part of the Atlantic Ocean, the Bay of Biscay is a large open area surrounded South by Spain and East by France. This bay is an historic place of intense fishery activities for which the main small pelagic species targeted are the pilchard, Sardina pilchardus and the anchovy, Engraulis encrasicolus. The aim of this work is to analyze the trophic ecology of these two small pelagic fish in spring in the Bay of Biscay. To do this, a first section is devoted to their prey composed by the mesozooplanktonic compartment, through a two-fold approach: the characterization of their spatio-temporal dynamics during the decade 2003-2013 and the measurement of their energetic content in spring. For this season, it appears that all prey types are not worth energetically and that the Bay of Biscay represents a mosaic of dietary habitat. Moreover, the spring mesozooplankton community presents a strong spatial structuration, a temporal evolution marked by a major change in abundance and a control by the microphytoplankton biomass. The second section of this work is relative to a methodological approach of the trophic ecology of S. pilchardus and E. encrasicolus. Three different trophic tracers have been used: isotopic ratios of carbon and nitrogen, parasitological fauna and mercury contamination levels. To improve the use of the first of these trophic tracers, an experimental approach has been conducted with S. pilchardus to determine a trophic discrimination factor. Finally, it appears that the use of these three trophic tracers has always been permitted to highlight a temporal variability of the relative trophic ecology of these fish. However, no spatial dynamics could be identified through these three trophic tracers.

Planktonic and benthic stables Isotopes, age model and carbon analysis of HUD91/039 from the northernmost Baffin Bay

A multiproxy study of palaeoceanographic and climatic changes in northernmost Baffin Bay shows that major environmental changes have occurred since the deglaciation of the area at about 12 500 cal. yr BP. The interpretation is based on sedimentology, benthic and planktonic foraminifera and their isotopic composition, as well as diatom assemblages in the sedimentary records at two core sites, one located in the deeper central part of northernmost Baffin Bay and one in a separate trough closer to the Greenland coast. A revised chronology for the two records is established on the basis of 15 previously published AMS 14C age determinations. A basal diamicton is overlain by laminated, fossil-free sediments. Our data from the early part of the fossiliferous record (12 300 - 11 300 cal. yr BP), which is also initially laminated, indicate extensive seasonal sea-ice cover and brine release. There is indication of a cooling event between 11 300 and 10 900 cal. yr BP, and maximum Atlantic Water influence occurred between 10 900 and 8200 cal. yr BP (no sediment recovery between 8200 and 7300 cal. yr BP). A gradual, but fluctuating, increase in sea-ice cover is seen after 7300 cal. yr BP. Sea-ice diatoms were particularly abundant in the central part of northernmost Baffin Bay, presumably due to the inflow of Polar waters from the Arctic Ocean, and less sea ice occurred at the near-coastal site, which was under continuous influence of the West Greenland Current. Our data from the deep, central part show a fluctuating degree of upwelling after c. 7300 cal. yr BP, culminating between 4000 and 3050 cal. yr BP. There was a gradual increase in the influence of cold bottom waters from the Arctic Ocean after about 3050 cal. yr BP, when agglutinated foraminifera became abundant. A superimposed short-term change in the sea-surface proxies is correlated with the Little Ice Age cooling.

Convergence Of Soil Nitrogen Isotopes Across Global Climate Gradients.

Quantifying global patterns of terrestrial nitrogen (N) cycling is central to predicting future patterns of primary productivity, carbon sequestration, nutrient fluxes to aquatic systems, and climate forcing. With limited direct measures of soil N cycling at the global scale, syntheses of the (15)N:(14)N ratio of soil organic matter across climate gradients provide key insights into understanding global patterns of N cycling. In synthesizing data from over 6000 soil samples, we show strong global relationships among soil N isotopes, mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP), and the concentrations of organic carbon and clay in soil. In both hot ecosystems and dry ecosystems, soil organic matter was more enriched in (15)N than in corresponding cold ecosystems or wet ecosystems. Below a MAT of 9.8°C, soil δ(15)N was invariant with MAT. At the global scale, soil organic C concentrations also declined with increasing MAT and decreasing MAP. After standardizing for variation among mineral soils in soil C and clay concentrations, soil δ(15)N showed no consistent trends across global climate and latitudinal gradients. Our analyses could place new constraints on interpretations of patterns of ecosystem N cycling and global budgets of gaseous N loss.

Stable isotopes of bulk organic matter to trace carbon and nitrogen dynamics in an estuarine ecosystem in Babitonga Bay (Santa Catarina, Brazil)

The biogeochemical processes affecting the transport and cycling of terrestrial organic carbon in coastal and transition areas are still not fully understood One means of distinguishing between the sources of organic materials contributing to particulate organic matter (POM) in Babitonga Bay waters and sediments is by the direct measurement of delta(13)C of dissolved inorganic carbon (DIC) and delta(13)C and delta(15)N in the organic constituents. An isotopic survey was taken from samples collected in the Bay in late spring of 2004. The results indicate that the delta(13)C and delta(15)N compositions of OM varied from -21.7 parts per thousand to -26 2 parts per thousand. and from + 9 2 parts per thousand. to -0 1 parts per thousand, respectively. delta(13)C from DIC ranges from +0.04 parts per thousand to -12.7 parts per thousand The difference in the isotope compositions enables the determination of three distinct end-members terrestrial, marine and urban Moreover, the evaluation of source contribution to the particulate organic matter (POM) in the Bay, enables assessment of the anthropogenic impact. Comparing the depleted values of delta(13)C(DIC) and delta(13)C(POC) it is possible to further understand the carbon dynamic within Babitonga Bay (C) 2010 Elsevier BV All rights reserved

Late Pleistocene and Holocene vegetation changes in northeastern Brazil determined from carbon isotopes and charcoal records in soils

Northeastern Brazil represents a strategic area in terms of Quaternary records of environmental changes in South America due to its distinct semi-arid climate in near equatorial latitudes. In this study, carbon isotope and charcoal distribution records in soils are used to characterize vegetation dynamics, forest fires and their relation to climate change since the Late Pleistocene in the States of Ceara, Piaui and Paraiba, Northeastern Brazil. At the Ceara site, the carbon isotope record showed an enrichment trend from -24%(o) to 19%(o) during the early-mid Holocene, indicating an opening of vegetation and expansion of savanna vegetation (C(4) plants) during this period. A trend toward more depleted delta(13)C values (similar to-32%.) in the late Holocene indicates an expansion of forest vegetation (C(3) plants). A similar trend is observed at the Piaui and Paraiba sites where values of similar to-24%0 are associated with open forest vegetation during the late Pleistocene. In the early-mid Holocene, delta(13)C values of up to -18.0%(o), suggest the expansion of C4 plants. Based on the carbon isotope data, it is postulated that from similar to 18,000 cal yr B.P. to similar to 11,800 cal yr B.P.-similar to 10,000 cal yr B.P. arboreal vegetation was dominant in northeastern Brazil and is associated with humid climates. The savanna expanded from similar to 10,000 cal yr B.P. to similar to 4500-3200 cal yr B.P. due to a less humid/drier climatic phase, also supported by the significant presence of fires (charcoal fragments in the soil). From approximately 3200-2000 cal yr B.P. to the present, carbon isotope records suggest forest expansion and a more humid phase. These results form part of a regional pattern since they are in agreement with paleovegetation records obtained in regions of Maranhao, northeastern Brazil and in the Amazon and Rondonia States, northern Brazil. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.