Origine et distribution de l’arsenic dans l’eau souterraine de l’aquifère rocheux fracturé du bouclier canadien en Abitibi-Témiscamingue

L’arsenic (As) est un des contaminants naturels de l’eau souterraine les plus problématiques à l’échelle mondiale. Dans les aquifères rocheux fracturés, les concentrations naturelles en arsenic dans l’eau souterraine peuvent dépasser la recommandation de 10 μg/l de l’Organisation Mondiale de la Santé. L’exposition à l’arsenic via la consommation d’eau issue de puits domestiques peut entraîner divers problèmes de santé incluant cancers, troubles cardiovasculaires ou encore diabètes. L’objectif de cette thèse de doctorat est d’améliorer les connaissances sur l’origine et la distribution de l’arsenic dans l’eau souterraine des aquifères rocheux fracturés, en s’appuyant sur le cas de la contamination de l’aquifère rocheux du Bouclier canadien dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue (Province de Québec, Canada). Pour ce faire, ce travail de recherche se base sur une démarche pluridisciplinaire incluant approche conceptuelle, investigations de terrain et de laboratoire ainsi que travaux de modélisation. L’introduction (chapitre 1) présente la problématique de la contamination naturelle à l’arsenic dans les aquifères rocheux ainsi que les objectifs et la méthodologie de recherche. La libération d’arsenic à partir de l’altération des minéraux sulfurés est généralement considérée comme la source primaire principale d’arsenic dans l’eau souterraine. Dans le chapitre 2, les résultats d’investigations minéralogiques, d’essais de laboratoire et d’analyses d’eau souterraine dans une zone minéralisée confirment cette hypothèse et montrent par ailleurs que la libération d’arsenic est en partie déterminée par la susceptibilité des sulfures par rapport à l’altération. L’oxydation de la gersdorffite (NiAsS), minéral du groupe de la cobaltite, libère davantage d’arsenic que l’oxydation de l’arsénopyrite (FeAsS), l’un des minéraux d’arsenic les plus courants. Ces résultats suggèrent que la minéralogie des sources primaires d’arsenic pourrait avoir un impact significatif sur les concentrations en arsenic dans des zones où l’oxydation des sulfures constitue un mécanisme important de mobilisation. Néanmoins, ce travail montre que la concentration d’arsenic dans l’eau souterraine ne dépend pas uniquement de la libération d’arsenic à partir des minéraux sulfurés, mais aussi de sa mobilité dans l’eau souterraine qui est elle-même fonction des conditions géochimiques dans l’aquifère. Dans le chapitre 3, des investigations hydrochimiques dans les puits domestiques d’un secteur contaminé de la région suggèrent que les fortes concentrations en arsenic sont majoritairement associées à des eaux souterraines géochimiquement évoluées caractérisées par des conditions réductrices et alcalines. La spéciation de l’arsenic est dominée par l’arsénite (As(III)), l’espèce la plus toxique d’arsenic, alors que des espèces organiques méthylées sont présentes à des concentrations relativement faibles mais néanmoins détectables. L’arsenic apparaît comme étant essentiellement mobilisé par un processus à deux étapes mettant en jeu (1) l’altération des minéraux sulfurés dans la partie oxydante de l’aquifère, suivie par (2) la dissolution dans la partie plus réductrice de l’aquifère des oxyhydroxides de fer et de manganèse qui sont considérés comme les principaux minéraux secondaires d’arsenic. En lien avec l’évolution géochimique de l’eau souterraine, les concentrations élevées d’arsenic sont généralement observées dans les zones captives de l’aquifère situées dans la partie aval des systèmes d’écoulement. À l’inverse, les eaux souterraines des zones de recharge libres contiennent en général de faibles concentrations d’arsenic, à l’exception de celles associées à l’oxydation des sulfures. L’écoulement de l’eau souterraine apparaît donc être un facteur déterminant dans la mobilisation de l’arsenic dans les aquifères rocheux. En ce sens, le chapitre 4 examine l’impact des modifications des conditions hydrologiques sur les concentrations en arsenic en contexte de changements climatiques. Lors des épisodes plus fréquents de sécheresse extrême, il se pourrait que la baisse des niveaux piézométriques accélère l’oxydation des sulfures dans la zone non saturée, et que la baisse des débits renforce la présence d’eau géochimiquement évoluée favorable à la mobilisation de l’arsenic dans la zone saturée. Dans certains cas, la mobilisation de l’arsenic pourrait également être indirectement affectée par des changements dans les activités humaines, notamment ceux favorisant l’extraction et la pollution des eaux souterraines. Comme détaillé en conclusion (chapitre 5), les résultats issus de cette thèse fournissent de nouvelles informations essentielles à la compréhension des mécanismes contrôlant les concentrations en arsenic dans l’eau des aquifères rocheux fracturés. Les principales retombées de cette recherche pour la société concernent la gestion des problématiques associées à la présence d’arsenic dans les captages destinés à l’approvisionnement en eau potable. La qualité de l’eau est une question centrale dans les aquifères rocheux fracturés qui constituent une source d’eau de plus en plus utilisée par les sociétés à travers le monde.

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