[PDF] Hydrologie et géochimie isotopique

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colloques

HYDROLOGIE ET GÉOCHIMIE ISOTOPIQUE

HYDROLOGY AND ISOTOPE GEOCHEMISTRY

Éditeurs scientifiques

Christiane Causse, Françoise Gasse

Hydrologie

et géochimie isotopique

Hydrology

and isotope geochemistry

Publications issues du Symposium international

à la mémoire de Jean-Charles Fontes

Paris,

ler et 2 juin 1995

Proceedings of the International Symposium

in memory of Jean-Charles Fontes

Paris, June

1st and 2nd 1995

Hydrologie

et géochimie isotopique

Hydrology

and isotope geochemistry

ÉDITEURS SCIENTIFIQUES

Christiane Causse, Française Gasse, URA 723

CNRS-Université de Paris-Sud

Éditions de l'Orstom

INSTITUT FRANÇAIS DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE

POUR LE

D~VELOPPEMENT EN COOPÉRATION

collection Colloques et Séminaires

Paris, 1998

Ouvrage publié avec le soutien des organismes suivants :

Institut de France

23, quai de Conti, 75006 Paris

Institzxtfrançais de recherche scientifique

pour le développement en coopération

213, rue La Fayette, 75010 Paris

Centre national de la recherche scientijîque

3 rue Michel-Ange, 75016 Paris

Université Paris-Sud

15, rue Georges-Clémenceau

9 1405 Orsay Cedex

Unionfrançaise des géologues

77, rue Claude-Bernard, 75005 Paris

Société géologique de France

77, rue Claude-Bernard, 75005 Paris

Mise en page

Atelier Christian Millet

Maquette de couverture

Michelle Saint-Léger

Fabrication

Marie-Odile Charvet Richter

Photos de couverture

Oued el Akarit, Tunisie (cliché K. Zouari)

Cheminée

hydrothermale du lac Abhé, République de Djibouti (cliché J.-Ch. Fontes) Chott

Fedjej, Tunisie (cliché K. Zouari)

La loi du ler juillet 1992 (code de la propridtd intellectuelle, premiere partie) n'autorisant, aux termes des alinda. 2 et 3 de l'article L. 122-5, d'une part, que les ucopies ou reproductions strictement réservées ?I l'usage du copiste et non destindes à une utilisation collective H et, d'autre part. que les analyses et les courtes citations dms le but d'exemple ou d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite» (alinéa la de l'article L. 122-4). Cette reprkntation ou reprcductio& par quelque procédé que ce soit. constihiexait donc une contrefaçon passible des peines prévues au titre

III de la loi précitée.

O Orstom éditions, 1998

ISSN : 0767-2896

ISBN : 2-7099-1377-1

Table des matières

Contents

Préface

Preface

............................................... J.DERCOURT M

Liste des auteurs

Authorslist .................................................. XI pREh@RE PARTIE

PART 1

Cycle des eaux naturelles

Cycle of natural waters

On the isotopic composition of precipitation

Sur la composition isotopique des précipitations

R.GONFYWTINI ................................

Stable isotopes in soi1 and water studies

Isotopes stables dans l'étude des sols et de l'eau G. B. ALLISON .............................................. 23 L'apport des isotopes de l'environnement à l'étude de la recharge et de la dynamique des aquifères Input of environmental isotopes in the study of the recharge and theflow dynamic of aquifers .................... J.-F. ARANYOSSY, R. NJITCHOUA ET G. M. ZUPPI 39 Isotope hydrology: Applied discipline in Earth sciences L'hydrologie isotopique: une discipline des sciences de la Terre ............. K. FROEHLICH, K. ROZANSKI AND L. ARAGUÀS ARAGUÀS 55 Hydrologie et géochimie du bassin soudano-sahélien du fleuve Niger Hydmlogical and geochemical studies on the Sahelo-Sudanian Basin of the Niger River J.C.OLIVRY ................................................ 73 Interaction eaux-roches en milieu périglaciaire : exemple des carbonates secondaires de la presqu'île de Brogger (Spitzberg) Water-rock interaction under periglacial conditions: example of the secondary carbonates of the Brogger Peninsula (Spitzbergen) C.MARLINETL.DEVER ...................................... 97

Ongin and age of deep waters of the Paris Basin

Origine et âge des eaux profondes du bassin de Paris par l'utilisation des traceurs chimiques et isotopiques .................................. J.-M. MATRAY AND L. CHERY 1 17

DEVX~ÈME PARTIE

PART II

Paléohydrologie et géochimie des sédiments

Palaeohydrology and sediment geochemistry

Isotopes in global change science: from isotope analytics to Earth system research Les isotopes pour l'étude du changement du système Terre H.OESCHGER ............................................... 137 Paléolacs et paléoclimats aux pourtours de l'océan Indien occidental depuis 25 ka BP Palaeolakes and palaeoclimates in the circum Western Zndian Ocean since 25 ka BP F. GASSE, L. BERGON~I, F. CHALIÉ, E. GIBERT, M. MASSAULT ET F. MÉL&RES .............................................. 147

Chronologie

(14C et Th/ü) des épisodes humides majeurs du Quaternaire récent au Sahara : sites choisis du programme PALHYDAF Radiocarbon and TWU chronologies of humid episodes of Late Quaternary from Sahara: Selected sites of PALHYDAF Programme K. ZOUARI, E. GIBERT ET C. CAUSSE ............................. 177

La carbonatogenèse bactérienne

Bacterial carbonatogenesis

S. CASTANIER, G. LE MÉTAYER-LEVREL

.......................................... ET J.-P. PERTHUISOT 197

Were the

tropics significantly cooler dunng the last glacial maximum? Des tropiques plus frais qu'aujourd'hui au dernier maximum glaciaire ? .................................................. M. STUTE 219

TROIS&ME PARTIE

PART 111

Production cosmique et production in situ

de radionucléides

Cosmogenic isotopes and in situ production

of radio-isotopes Le carbone 14 : progrès récents et limitations de la méthode de datation Carbon 14 dating: Recent progress and limits of the method J.-C. DUPLESSY, M. ARNOLD, E. BARD, E. CORTUO, L. LABEYRIE, C. LAJ, B. LEHMAN, A. MAZAUD, M. PATERNE, N. TISNERAT AND L. VIDAL ..... 229

Oklo, Natural

Analogue of the radionuclides migration through

the geological barrier Oklo, Analogue Naturel de la migration de radionucléides dans l'environnement D.LOWAT ................................................. 251

Liste des rapporteurs 27 1

List of reviewers

............................... Les travaux de Jean-Charles Fontes 273

Préface

Preface

Notre ami le professeur Jean-Charles Fontes n'est plus. Une automobile, sur une route du Mali qui le conduisait

à l'aéroport de Bamako l'a fauché le

2 février 1994. Il est mort en terre africaine. Il a consacré là une partie impor-

tante de sa vie

à comprendre pour agir. Il n'avait que 58 ans.

L'oeuvre de Jean-Charles Fontes est marquée par un goût très fort pour l'analyse instrumentale qu'il développa et il fut expérimentateur innovant et rigoureux. Il monta plusieurs laboratoires au cours de sa carrière ; il avait le génie pour débusquer les pistes de financements, toujours trop étroites

à son

goût et pourtant il sut les élargir pour créer des outils remarquables dont le dernier, celui d'Orsay, est un modèle. C'était un homme de voyage qui fréquen- tait les laboratoires des confrères lors de longs séjours, tout autant que les colloques et les congrès : n'avait-il pas commencé à s'adonner à la passion de sa vie scientifique - la Géochimie des isotopes des eaux naturelles - auprès de ce grand découvreur qu'était le professeur

Ezio Tongiorgi à Pise ?Il séjourna

souvent dans ce laboratoire ami. On trouvera au fil des pages de ce volume des contributions de la plupart de ces collègues devenus ses amis, on y lira l'internationalité de ses amitiés. Il aimait prélever lui-même les échantillons et en comprendre le cadre géologique général ; il battit la campagne en France, en Italie, en Afrique saharienne, sahélienne, équatoriale, dans le Maghreb, en Oman, à Djibouti et en Amérique du Sud tropicale.. . Dans ces opérations, il aimait travailler avec les hommes connaisseurs des terrains qu'il associait ses travaux ; par exemple, les géologues de l'Orstom s'en souviennent avec

émotion.

Au fil des ans, le laboratoire d'Orsay devint une référence internationale et Jean-Charles Fontes y agissait en expert sollicité pour des programmes nationaux (en France on notera le rôle qu'il joua dès la naissance de l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) et internationaux. Les données actuelles éclairent un instant la Planète et ne prennent leurs réelles significations qu'en les plaçant dans le temps. Géologue, Jean-Charles Fontes conçut et anima un programme de paléohydrogéologie de l'Afrique dont des résultats nouveaux sont exposés dans ce volume. Le géologue s'in- téressa aussi à la paléo-écologie et au paléo-environnement des lagunes paléo- gènes d'Alsace et du bassin de Paris et bien évidemment au plus vaste récep- tacle d'évaporites au monde, la Méditerranée au Messinien. Ses travaux s'inscrivent dans cette volonté de comprendre le passé de la Terre.

Un tel programme nécessite un concepteur, un

lanceur d'idées. Jean-Charles Fontes l'a été très tôt, il a su attirer

à la discipline qu'il illustrait de nombreux

jeunes chercheurs dont beaucoup sont devenus ses collaborateurs réguliers ou épisodiques et il construisit l'important laboratoire de l'université Paris-Sud

à Orsay.

Je pense que l'on comprendrait mal l'homme si l'enseignant n'était pas évoqué. Certes, il n'aimait guère les rudes contraintes des horaires et des calen- driers, mais ses cours éveillèrent la passion de beaucoup de géologues qui participent à la communauté française et étrangère. Ce fut un maître au sens plein de ce terme, il n'a pu parachever son oeuvre, mettre en ordre tous les programmes qu'il imaginait, dont il rêvait ; il avait à peine pris ses responsa- bilités à l'Agence internationale de l'énergie atomique de Vienne dont il avait été pendant beaucoup d'années un expert écouté. Les articles que l'on va lire forment ensemble un corpus de géochimie isotopique de l'eau. Cet ouvrage sera précieux en lui-même. 11 deviendra une référence. Chaque auteur a rédigé ces lignes en pensant que c'était l'hom- mage le plus fort qu'il pouvait rendre

à Jean-Charles Fontes.

Jean DERCOURT,

de l'Académie des Sciences

Liste des auteurs

Authors list

Graham B. ALLISON

Division of Water Resources, Adelaide Laboratory, PMB2, Glen Osmond, Adelaide,

5064, South Australia.

Luis

ARAGUAS ARAGUAS

Isotope Hydrology Section, International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria.

Jean-François ARANYOSSY

Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA), B.P. 38, 92266

Fontenay-aux-Roses, France.

Maurice

ARNOLD

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Édouard

BARD CEREGE, Université d'Aix-Marseille-III, N CNRS 17, BP 80, Europôle de l'Arbois,

13545 Aix-en-Provence Cedex 4, France.

Laurent

BERGONZINI

CNRS - UA 0723, Laboratoire d'hydrologie et géochimie isotopique, Université Paris-

Sud, Bât.

504,91405 Orsay Cedex, France.

Sabine

CASTANIER

Universit6 d'Angers, Faculté des Sciences, Belle Beille, 49000 Angers ; Service de microbiogéologie, (EAD 1708), France.

Christiane

CAUSSE

CNRS - UA 0723, Laboratoire de géologie, MNHN, 43 rue Buffon, 75005 Paris,

France.

Françoise

CHALIÉ

CNRS - UA 0723, Laboratoire d'hydrologie et géochimie isotopique, Université Paris-

Sud, Bât. 504,91405 Orsay Cedex, France.

Laurence

CHERY BRGM, Avenue de Concyr, BP 6009, F-45060 Orléans Cedex 2, France.

Elsa CORTIJO

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

XII LISTE DES AUTEURS

Laurent

DEVER Laboratoire d'hydrologie et de géochimie isotopique, URA 723-CNRS, Bât. 504, Université Paris-Sud, 91405 Orsay Cedex, France.

Jean-Claude

DUPLESSY

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Klaus FROEHLICH

Isotope Hydrology Section, International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria.

Françoise GASSE

CNRS -UA 0723, Laboratoire d'hydrologie et géochimie isotopique, Université Paris-

Sud, Bât.

504,91405 Orsay Cedex, France.

Élisabeth

GIBERT

CNRS -UA 0723, Laboratoire d'hydrologie et géochimie isotopique, Université Paris-

Sud, Bât.

504,91405 Orsay Cedex, France.

Roberto GONFIANTINI

Laboratoire d'hydrologie et de géochimie isotopique, URA 723, Université Paris-Sud,

91405 Orsay, France

Present address

: Institute for Reference Materials and Measurements, European

Commission-Joint

Research Centre, 2440 Geel, Belgium.

Laurent

LAEIEYRIE

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Car10 LN

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Benoît

LEHMAN

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Gaële

LE MÉTAYER-LEVREL

Laboratoire de biogéologie, Faculté des sciences et des techniques, Université de

Nantes,

44072 Nantes Cedex 03 (EAD 1708), France.

Didier

LOUVAT

Commissariat à l'énergie atomique, Département d'entreposage et de stockage des déchets nucléaires, Centre d'étude de Cadarache, France.

Christelle MARLIN

Laboratoire d'hydrologie et de géochimie isotopique, URA 723-CNRS, Bât. 504, Université Paris-Sud, 91405 Orsay Cedex, France. Marc

MASSAULT

CNRS -UA 0723, Laboratoire d'hydrologie et géochimie isotopique, Université Paris-

Sud, Bât.

504,91405 Orsay Cedex, France.

LISTE DES AUTEURS

Jean-Michel

MATRAY

BRGM, Avenue de Concyr, BP 6009, F-45060 Orléans Cedex 2, France. Alain

MAZAUD

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Frédéric

MÉLI~RES

CNRS - UA 0723, Laboratoire de géologie, MNHN, 43 rue Buffon, 75005 Paris,

France.

Roger

NJ~~CHOUA

Laboratoire d'hydrologie et de géochimie isotopique, URA 723, Université Paris-Sud,

Bât. 504, F-91405 Orsay Cedex, France.

Hans OESCHGER

Universitat Bem, Physikalisches Institut, Siderstrasse 5, CH-3012 Bem.

Jean-Claude

OLIVRY

Orstom, BP 5045, 34032 Montpellier Cedex 2, France.

Martine PATERNE

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Jean-Pierre

PERTHUISOT

Laboratoire de biogéologie, Facultt des sciences et des techniques, Universitt de

Nantes, 44072 Nantes Cedex 03 (EAD 1708)

, France.

Kazimierz ROZANSKI

Isotope Hydrology Section, Intemational Atomic Energy Agency, Vie~a, Austria.

Martin STUTE

Larnont-Doherty Earth Observatory, Palisades, NY 10964/Bamard College, New York,

NY 10027.

Nadine ~SNERAT

Centre des faibles radioactivités, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Laurence

VIDAL Centre des faibles radioactivitts, Laboratoire mixte CNRS-CEA, 91 198 Gif-sur-Yvette

Cedex, France.

Kamel ZOUARI

École nationale d'ingénieurs de Sfax. Laboratoire de géochimie isotopique et de paléo- climatologie. BP " W » 3038 Sfax (Tunisie).

Gian Maria ZUPPI

Laboratoire d'hydrologie et de gtochimie isotopique, URA 723, Université Paris-Sud,

Bât. 504,

F-91405 Orsay Cedex, France.

Liste des rapporteurs

List of reviewers

Les rapporteurs, dont les noms figurent ci-dessous, sont chaleureusement remerciés pour leurs commentaires et critiques constructives qui ont contribué l'amélioration des manuscrits. Thanks are due to the reviewers listed below for their constructive and criti- cal comments which have improved the manuscript qualiw

Boulègue (J.), Laboratoire de Géochimie et Métailogénie, Université Pierre et Marie Curie,

Paris, France.

Clark (1. D.), Department of Geology, University of Ottawa, Ontario, Canada. Coleman (M.), University of Reading, Whiteknights, Reading, U.K. Decarreau (F.), CNRS-URA 721, UniversitC de Poitiers, Poitiers, France. Duplessy (J.-C.), CNRS-UMR 2101, Centre des Faibles RadioactivitCs, Gif-sur-Yvette,

France.

Edmunds (M.), British Geological Suwey, Wallingford, UK. Gasse (F.), CNRS-URA 723, LHGI, Université de Paris-XI, Orsay, France. Gauthier-Lafaye (F.), Centre de Géochimie de la Surface, UniversitC Louis Pasteur,

Strasbourg, France.

Gonfiantini (R.), Institute for Reference Materials and Measurements, European

Commission-Joint Research Center, Geel, Belgium.

Groning (M.), Agence Internationale pour 1'Energie Atomique, Vienne, Autriche. Hillaire-Marcel (C.), GEOTOP, Université du Québec, Montréal, Canada. Jouzel (J.), Laboratoire de Modélisation du Climat et de l'Environnement, CEA, Saclay,

France.

Mahé (G.), ORSTOM, Bamako.

Marsily (G. de), CNRS-URA 1367, Université Pierre et Marie Curie, Paris, France. McNeil (G.), University of Reading, Whiteknights, Reading, UK. Michelot (J.-L.), CNRS-URA 723, LHGI, UniversitC de Paris-XI, Orsay, France. Miskowski (J.-C.), CNRS-UMR 5590, Tautavel, France. Purser (B.), Université de Paris XI, Orsay, France. Ribstein (A.), Laboratoire de Géologie Appliquée, Université Pierre et Marie Curie, Paris,

France.

Rozanski (K.), Faculty of Physics and Nuclear Techniques, Academy of Mining and

Metailurgy,

Krakow, Poland.

Zuppi (G.), Dipartamento Szienze della Terra, Universita di Torino, Torino, Italia.

PART I

Cycle des eaux naturelles

Cycle of natural water

On the isotopic composition of precipitation

Sur la composition isotopique des précipitations

R. Go-

ABSTRACT - The paper discusses some aspects of the isotopic composition (tritium and stable isotopes) of global precipitation which is being monitored since the late fifties through the network established by the International

Atomic Energy Agency.

Three quarters of the tritium formed during the atmospheric thermonuclear tests were released in the biennium 1961-1962. The successive five years of test moratorium provide a unique information on the tritium transfer rate from the stratosphere to the troposphere. The tritium concentration decreased stea- dily, and the decrease rate appears to be greater at high latitude. This fact can possibly be explained by precipitation recycling by evapotraspiration, which is more important at low latitudes, and tritium injections by jet streams.

In the

northem hemisphere, the mean tritium concentration ratio between two succes- sive years, is close to 0.68 + 0.02, with the exception of the year 1965, when the tritium content dropped to 0.50 + 0.02 with respect to the previous year.

At latitudes between 30 and

60°, the correlations between a2H and 6180

show almost identical slopes in winter and summer precipitation, but diffe- rent intercepts. The correlations are: a2H = (8.36 + 0.13)6180 + (14.2 I 4.2) for January and

62H = (8.33 i 0.13)6180 + (8.2 + 3.9) for July.This reflects

a different seasonal deuterium excess (defined as d = 65~ - 86180), which has a mean value of 10.7 + 0.6%0 in January and 5.8 + 0.5%0 in July, and a higher average value in stations with prevailing winter rains. Also, the slope becomes about 8 when summer and winter precipitation are considered al1 together. The altitude effect on the isotopic composition of precipitation on Mount

Cameroun is re-exarnined. The

mode1 which best fits the data is based on the adiabatic condensation of the atmospheric vapour with a liquidvapour ratio increasing from 0.15 at sea level to 0.45 at 4,000 m asl. Keywords: tritium, deuterium, 18-oxygen, deuterium-excess. RÉSUMÉ - On discute certains aspects de la composition isotopique (tritium et isotopes stables) des précipitations mondiales, échantillonnées depuis la fin des années cinquante par le réseau établi par l'Agence internationale de l'éner- gie atomique de Vienne. Les trois quarts du tritium formé lors des essais thermonucléaires effec- tués dans l'atmosphère ont été relachés en 1961 et 1962. Les cinq années qui ont suivi correspondent à une période de suspension des essais nucléaires. On assiste alors à une diminution progressive et continue de la teneur en tritium des précipitations, qui permet d'étudier la vélocité de transfert du tritium de la stratosphèrequotesdbs_dbs9.pdfusesText_15

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