Hydrochimie 1093903 31310891 2008-07-04T23:51:53Z Xofc 66118 restauration version du 27 avril 2008 à 18:10 et modifiée en dernier par Dhatier {{ébauche|chimie}} L''''hydrochimie''' étudie les processus chimiques qui affectent la distribution et la circulation des composés chimiques des eaux<ref>Stumm, Morgan, 1981, Aquatic Chemistry 2nd Edition, [[John Wiley & Sons]] Ed.</ref>. Pour cela l'hydrochimie se sert essentiellement de la [[chimie]] ([[thermodynamique]], acides-bases, précipitations-dissolutions, oxydation-réduction, interactions entre différentes phases, etc.), mais aussi de la [[biologie]] et de la [[géologie]]. Elle met en place des modèles propres tels les modèles de la dissolution du [[dioxyde de carbone]], la précipitation et la dissolution des [[minéral|minéraux]] (oxydes, dioxydes, carbonates, etc.), la spéciation des [[métal|métaux]], les intéraction solides-liquides. On peut également ranger dans l'hydrochimie les techniques et protocoles d'échantillonnage des eaux, l'étude de la pollution des milieux aquatiques et de nombreuses autres applications qui sont devenues des sciences à part entière au vue de leur complexité. == Applications == L'hydrochimie rencontre de nombreuses applications : * l'origine d'une eau, de sa qualité * le suivi de la qualité de l'eau (respect des normes) * la détermination des flux par [[traçage]] naturel (étude des [[soluté]]s et/ou des [[isotope]]s) ou artificiels (suite à l'injection de [[traceur (chimie)|traceur]]s comme la [[rhodamine]], etc.); * la [[prospection (géologie)|prospection]] minière (étude des métaux marqueurs des [[gisement]]s traversés par l'eau). * l'étude du [[cycle de l'eau]] et la [[paléoclimatologie]] (notamment par l'étude de la teneur en [[isotope]]s). == Méthodes d'analyse == La caractérisation de la composition de l'eau fait appel à différents procédés : * l'[[analyse chimique]] élémentaire : déterminer la composition en éléments dissous d'une eau ([[concentration massique]] des différents [[soluté]]s), en général traduite sous forme de teneurs en [[ion]]s pour les éléments majeurs et exprimées habituellement en mg/L; * les méthodes physico-chimiques : les analyses, initialement faite avec des réactions chimique (dosages) élément par élément, sont maintenant faites avec des méthodes physiques ou physico-chimiques comme la [[chromatographie liquide]] haute pression ([[anion]]s majeurs), la [[spectrométrie de flamme]] ([[cation]]s majeurs), la [[spectrométrie de masse]] (isotopes de l'[[oxygène]] et de l'[[hydrogène]] en particulier), [[torche à plasma]] (analyse des traces), analyseurs de carbone (carbone organique/carbone inorganique), [[électrode]]s pour le [[potentiel hydrogène|pH]] et différents ions. ==Classification hydrochimique des éléments et paramètres utilisés== ===Eléments=== * Majeurs : ** Anions : [[hydrogénocarbonate|HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>]], [[chlore|Cl<sup>-</sup>]],[[sulphate|SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>]]. Parfois : [[nitrate|NO<sub>3</sub><sup>-</sup>]], [[phosphate|PO<sub>4</sub><sup>3-</sup>]], [[fluor|F<sup>-</sup>]]... ** Cations : [[calcium|Ca<sup>2+</sup>]], [[magnésium|Mg<sup>2+</sup>]], [[sodium|Na<sup>+</sup>]], [[potassium|K<sup>+</sup>]]... * Mineurs : ** Métaux : [[fer|Fe]], [[manganèse|Mn]], [[plomb|Pb]], ... ** Isotopes : (<sup>18</sup>O, [[deutérium|D]], [[tritium|T]], [[strontium|Sr]]...) ** Organiques : [[hydrocarbures]], ** Autres : [[oxygène]] dissout ** [[pesticide]]s, ===Paramètres physico-chimiques=== [[Potentiel hydrogène|pH]], eH (potentiel [[redox]]), [[température]], [[conductivité électrique]], [[turbidité]] == Hydrochimie et cycle de l'eau == ===Eaux de pluie=== La composition chimique de l'eau de pluie est d'abord influencée par la composition de la source de vapeur d'eau - l'eau de pluie peut par exemple avoir des similitudes remarquables avec l'eau des océans. Par la suite durant le transport de cette vapeur puis sa condensation sous forme de pluie, l'eau d'habitude s'appauvrit en certains éléments à mesure de l'éloignement de sa source, ou inversement s'enrichit au contact des poussières et pollutions atmosphériques. ===Equilibres des solutions et des minéraux=== ===Le système carbonate=== Les ions carbonates et les [[Carbonate|minéraux carbonatés]] dans l'[[eau]] participent au [[Solution_tampon|pouvoir tampon]] de l'eau. <br>Le [[dioxyde de carbone|CO{{sub|2}}]] ([[dioxyde de carbone]]) est un [[gaz]] représentant environ 0.03 a 0.04 % de l'[[air]] sec. La [[dissolution]] du CO{{sub|2}} au contact air-eau est une réaction rapide. La quantité de CO{{sub|2}} dissous dépend surtout de la température et de la pression du CO{{sub|2}} dans l'air (habituellement entre 0.03 et 0.04 %) qui augmente rapidement dans les sols (pour atteindre environ 1 % de l'air du sol) du fait de la respiration organique. On parle aussi d''''eau en équilibre avec l'air''' et d''''eau en équilibre avec le sol'''. Dans certains cas, l'eau peut être en équilibre avec d'autres sources de CO{{sub|2}} importantes, comme par exemple des eaux carbo-gazeuses thermales, les marais et les tourbes. L'équilibre de dissolution et dégazage du CO{{sub|2}} s'écrit : :(1) '''CO<sub>2 gazeux </sub> ⇌ CO<sub>2 dissous</sub> ''' La réaction du CO{{sub|2}} dissous et de l'eau liquide conduit à la formation du CO{{sub|2}} aqueux (H{{sub|2}}CO{{sub|3}}) suivant l'équilibre : :(2) '''CO<sub>2 dissous</sub> + H<sub>2</sub>O ⇌ H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>''' Dans des conditions normales de température et de pression, l'équilibre (2) conduit à l'équation : :(3) '''H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> = p(CO<sub>2 gazeux</sub>).10<sup>-1.46</sup>''' Le CO{{sub|2}} aqueux se dissocie suivant les équilibres entre les différentes espèces ioniques HCO{{sub|3}}- et CO{{sub|3}}2- et l'eau : :(4) '''H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> + H<sub>2</sub>O ⇌ HCO<sub>3</sub><sup>1-</sup> + H<sup>+</sup>''' :(5) '''HCO<sub>3</sub><sup>1-</sup> + H<sub>2</sub>O ⇌ CO<sub>3</sub><sup>2-</sup> + H<sup>+</sup>''' On voit ainsi comment le CO{{sub|2}} gazeux, par dissolution dans l'eau puis par réaction avec les molécules d'eau peut former l'anion HCO{{sub|3}}- également appelé [[bicarbonate]] ou encore hydrogénocarbonate. Dans une eau naturelle, les couples H+ et carbonates sont souvent les seuls apportant un peu d'acidité permettant la dissolution des minéraux carbonatés ([[Calcite]], [[Magnésite]], [[Dolomite]], etc.). Un des phénomènes les plus concrets de cette dissolution est la formation de [[karst]] dans les massifs calcaires. Inversement lorsque la pression en CO{{sub|2}} diminue, du fait par exemple de l'émergence de l'eau a l'air libre, la diminution de la concentration en bicarbonate induit la précipitation des carbonates - c'est le phénomène a l'origine de la construction d'une [[Tufière]]. ===Echanges ioniques et sorption=== ===Pollutions et hydrochimie=== ==Modèles hydrochimiques== Plusieurs modèles sont utilisés par les hydrochimistes, pour résoudre des systèmes d'équilibre complexes et calibrer des données expérimentales et éprouver des scénarios. Souvent un modèle nécessite une base de données recensant les constantes d'équilibres des phases minérales d'une eau. Une référence dans la matière est la suite [http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/ Phreeq], mais de nombreux autres modèles existent ([http://home.tiscali.nl/cheaqs/ CHEAQS], ChemEQL, [http://www.cig.ensmp.fr/~vanderlee/chess/ CHESS], [http://www.lwr.kth.se/forskningsprojekt/MoW/fiteql.htm FITEQL], [http://www.kemi.kth.se/medusa/ MEDUSA], [http://www.mineql.com/ MINEQL], [http://www.lwr.kth.se/English/OurSoftware/vminteq/index.htm MITEQ], [http://www.mtech.edu/hhuang/stabcal.htm StabCal]). ==Classification des eaux== On peut tout de suite distinguer les eaux chaudes des eaux froides, mais surtout on peut distinguer selon la chimie d'une eau son faciès hydrochimique. Pour arriver a une telle distinction de nombreuses voies nous sont offertes. La plus simple est probablement d'utiliser un simple [[hydrochimie#Représentation des analyses hydrochimiques|diagramme hydrochimique]]. Il existe également des méthodes plus "numériques" s'accordant bien par exemple avec l'emploi de bases de données et de formules mathématiques. Dans tous les cas le but d'une classification est de faire ressortir les concentrations principales de l'eau, dont on peut par exemple déduire l'origine "géologique" de l'eau. Comme toutes classifications ces dernières peuvent s'avérer péjorativement simplificatrices. ==Représentation des analyses hydrochimiques== Des diagrammes particuliers ont été développés pour représenter les résultats d'analyses hydrochimiques et en tirer des renseignements particuliers. L'emploi de ces diagrammes s'avère précieux, car il rend simple et directe l'interprétation d'analyses riches et difficiles à interpréter de but en blanc. Ces diagrammes toutefois n'emploient pas tous les éléments analyses, nécessitent que certains éléments le soient absolument, et sont parfois utilisés pour un objectif spécifique (reconnaître le faciès d'une eau souterraine ou repérer des processus de salinisation par exemple). <gallery> Image:Diagramme de Schoeller.gif|Diagramme de Schoeller Image:Diagramme de Stiff.gif|Diagramme de Stiff Image:Diagramme de Stabler.gif|Diagramme de Collins Image:Pourbaix_Diagram_of_Iron.svg|Diagramme de Pourbaix Image:Diagramme de Collins.GIF|Diagramme circulaire </gallery> ===Diagramme de Piper=== Le diagramme de Piper utilise les éléments majeurs pour représenter les differents faciès des [[eaux souterraines]]. Il permet également de voire l'évolution d'une eau, passant d'un faciès a un autre, grâce a des analyses espacées dans le temps ou des analyses d'échantillons pris a des endroits differents. Le diagramme de Piper est très utile pour représenter toutes autres sortes de groupes d'analyses. Le diagramme de Piper est composé de deux triangles et un losange. Les deux triangles (un triangle portant les cations et un autre les anions) sont d'abord remplis puis ensuite le losange. Les valeurs utilisées sont exprimées en %.meq.L-1. ===Diagramme de Stiff=== ===Diagramme de Durov=== Le diagramme de Durov est base sur les mêmes deux triangles utilises par le diagramme de Piper, et il utilise également des valeurs en %.meq.L-1. Ce diagramme remplace le losange du Piper par un carré. ===Diagramme de [[Henri Schoeller|Schoeller]] ou Berkaloff=== Le diagramme de [[Henri Schoeller|Schoeller]]<ref>Schoeller H. (1962) Les eaux souterraines, Masson, Paris.</ref> permet entre autre de reconnaître simplement le faciès d'une [[eau souterraine]], en utilisant les concentrations des éléments majeurs et en les reportant sur un graphique en colonnes à échelles logarithmiques. ===Diagramme de Collins ou Stabler=== Le diagramme de Collins est utilisé pour déterminer rapidement les differents titres d'une eau (titre d'alcalimétrie, titre en sels d'acides forts et titre d'hydrotimétrie). Pour cela les concentrations en meq.L-1 des anions et des cations sont reportés sur deux barres ou colonnes distinctes de même longueur - les concentrations étant reportées en %. La détermination des differents titre est alors visuelle. ===Diagramme de [[Lorenzo Adolph Richards|Richards]] ou Riverside ou Wilcox=== Ce diagramme est essentiellement utilise pour évaluer le risque de [[salinisation]] des sols. Il utilise pour cela la conductivité électrique (CE) ou la charge totale dissoute, toutes deux relative à la salinité de l'eau, et l'indice d'adsorption du sodium (SAR en anglais) aussi appelé "pouvoir alcalisant" qui est une mesure du risque de la [[sodisation]] du sol du fait de l'[[irrigation]]. Le diagramme est découpé en quatre classes de [[salinité]] (axe des abscisses) et quatre classes de risques de [[sodisation]] (axe des ordonnées) ===Diagramme de Korjinski=== ===Diagramme de Langelier ou Ludwig=== ===Rose des vents=== ===Diagramme circulaire (camembert)=== Le diagramme circulaire représente comme le [[hydrochimie#Diagramme de Collins ou Stabler|diagramme de Collins]] les valeurs en %.meq.L-1 des éléments majeurs. Les cations sont habituellement positionnés dans l'hémisphère nord et les anions dans l'hémisphère sud du [[camembert]], et le diamètre du graphique peut être fonction de la valeur d'un autre paramètre comme par exemple la salinité. ===Diagramme de Giggenbach=== Ce diagramme triangulaire<ref>Chandrasekharam D, Bundschuh J, Geothermal Energy Resources for Developing Countries, 2002, Swets & Zeitlinger ed.</ref> est utilisé pour déterminer la température des réservoirs [[géothermiques|géothermie ]]. Il utilise pour cela les thermomètres chimiques [[potassium|K]]/[[magnésium|Mg]] et Na/[[potassium|K]]. ===[[Diagramme de Pourbaix]]=== Un article particulier détaille ce diagramme. En reportant les paramètres de l'échantillon sur le diagramme, on se rend compte des équilibres minéraux en jeu. == Voir aussi == * [[Loi sur l'eau]] * [[normes]] physico-chimiques pour les ressources en [[eau potable]]. == Liens externes == ===cours=== ====En francais==== [http://www.terre-et-eau.univ-avignon.fr/hydrochimie.html cours d'hydrochimie de Vincent Vallès de l'Université d'Avignon] ====En anglais==== [http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/studium/lehre/AquaPhys/AP2.html Intro isotope hydrology; Literature on isotope hydrology; Introduction to isotopes; Radioactivity; Overview of isotopes/tracers in hydrology] [http://www.ocean.washington.edu/courses/oc400/lecture_notes.html University of Washington - Chemical Oceanography] [http://www.geo.uu.nl/Research/Geochemistry/ University of Utrecht - geochemistry courses] ===logiciels=== ====modèles hydrochimiques==== [http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/ PHREEQC] ====représentation des données==== [http://www.terre-et-eau.univ-avignon.fr/Fichiers/Simler/Setup_Diagrammes.exe Diagramme (Université d'Avignon)] [http://www.kemi.kth.se/medusa/ MEDUSA (diagrammes d'équilibre de type Pourbaix)] ===données=== [http://isohis.iaea.org/ Global Network of Isotopes in Precipitation (GNIP) and Isotope Hydrology Information System (ISOHIS)] [http://www.gemstat.org/ United Nations Global Environment Monitoring System (GEMS)] == Notes et références == <references /> {{Chimie (branches)}} {{Portail|Sciences de la Terre et de l'Univers|chimie|environnement|eau}} [[Catégorie:Chimie générale|*]] [[catégorie:Sciences de la Terre]] [[catégorie:Hydrogéologie]] [[catégorie:Hydrologie]] [[Catégorie:Chimie des solutions]] [[de:Hydrochemie]] [[en:Chemical hydrology]] [[et:Hüdrokeemia]] [[pl:Hydrochemia]] [[ru:Гидрохимия]] [[tr:Hidrokimya]] [[uk:Гідрохімія]]