Caractérisation géochimique régionale des sédiments marins de surface de l'Arctique canadien et évaluation de la contamination métallique

RÉSUMÉ : Ce projet de recherche a pour objectif principal de caractériser la distribution spatiale des éléments majeurs et traces dans les sédiments marins de l'Arctique canadien dans le but de faire une évaluation de la contamination métallique. Pour y parvenir, de multiples échantillons de sédiments marins de surface collectés à travers la zone d'étude ont été analysés pour leur composition chimique. Le premier chapitre de ce projet cherche à définir la dynamique sédimentaire de l'Arctique canadien. La provenance, les mécanismes de transport et les conditions de déposition des sédiments ont été déterminés à partir de la concentration totale des éléments majeurs et traces, du contenu en carbone organique et de la granulométrie des échantillons. Puis, la zone d'étude, étant vaste et présentant des contextes océanographiques et géologiques hétérogènes, a été délimitée selon ces paramètres. Ainsi, les données obtenues combinées à des analyses multivariées ont révélé une grande variabilité dans la composition chimique du fond marin, qui a pu être décrit selon trois groupes chimiques. Cette caractérisation géochimique a permis d'identifier le fleuve Mackenzie comme étant la principale contributrice de métaux et le plateau de la mer de Beaufort comme la zone la plus sensible aux enrichissements. L'applicabilité des indices de pollution a été évaluée à partir de différents fonds géochimiques, dont un fond régional basé sur des sédiments marins préindustriels. Le facteur d'enrichissement et l'indice de géo-accumulation ont révélé des niveaux généralement faibles d'enrichissement et de contamination en métaux dans les sédiments de surface par rapport aux valeurs régionales naturelles. Le deuxième chapitre établit une base de référence des concentrations en métaux trace dans les sédiments de surface de l'Arctique canadien. L'objectif est d'acquérir une meilleure compréhension de leurs sources et transports dans l'environnement marin arctique et d'évaluer leur risque écologique. Les métaux ont été mesurés dans la fraction extractible à l'acide des sédiments, ciblant la part la plus biodisponible. La variabilité régionale des métaux extractibles reflète bien celle des concentrations totales des éléments majeurs et traces, indiquant que la lithologie et les processus sédimentaires naturelles contrôlent leur répartition. Le fleuve Mackenzie constitue la principale source de métaux et les concentrations les plus élevées se trouvent dans la délimitation de son panache. Toutefois, les terres rares se concentrent surtout le long de la côte de l'île de Baffin, ceux-ci provenant des lithologies du Bouclier canadien. Les indices de pollution indiquent des niveaux d'enrichissement ou de contamination généralement faibles, mais des niveaux modérés d'As sont mesurés dans les sédiments de la mer de Beaufort et le détroit de Jones. D'après les Recommandations canadiennes pour la qualité des sédiments, la plupart des échantillons présentent des concentrations inférieures au seuil d'effets probables, bien que celui-ci soit dépassé pour l'As et le Ni dans certains échantillons des golfes d'Amundsen et de Coronation, du détroit de Jones et de la baie de Baffin. Globalement, la composition en éléments traces des sédiments reflètent des niveaux naturels liés à la géologie et aux dynamiques sédimentaires régionales. Finalement, le troisième chapitre évalue la contamination métallique à l'échelle locale dans les communautés nordiques de l'Arctique canadien. Les concentrations totales et extractibles à l'acide des métaux ont été mesurées dans les sédiments côtiers de six communautés inuites et de Milne Inlet, site du port de Mary River. Globalement, les résultats concordent avec la variabilité régionale. Les sites de Tuktoyaktuk, Resolute Bay, Grise Fiord, Qikiqtarjuaq et Milne Inlet présentent des niveaux naturels de métaux. Toutefois, des effets biologiques négatifs sur la faune aquatique sont possibles à Tuktoyaktuk en raison des apports naturels élevés du fleuve Mackenzie. À Pond Inlet, la composition chimique des sédiments reflète principalement a géologie locale. Toutefois, la variabilité lithologique le long de la côte entraîne parfois des concentrations élevées en ETM, et des apports anthropiques ponctuels sont également suspectés. À Kugluktuk, les résultats ont révélé des concentrations totales élevées en V et Cr possiblement résultant d'un mélange de sources naturelles et anthropiques locales. Les principales sources seraient l'érosion d'intrusions ultramafiques transportées par la rivière Coppermine et les décharges des eaux usées à proximité. Toutefois, les concentrations de métaux extractibles sont nettement plus faibles, ce qui suggère que les niveaux élevés de métaux sont probablement liés à des phases détritiques et que leur mobilité et leur biodisponibilité sont limitées. -- Mot(s) clé(s) en français : Arctique canadien, sédiments marins, éléments traces métalliques, dynamique sédimentaire, indices de pollution, communautés nordiques. -- ABSTRACT : The main objective of this research project is to characterize the spatial distribution of major and trace elements in marine sediments in the Canadian Arctic in order to assess metal contamination. To achieve this, multiple samples of surface marine sediments collected across the study area were analyzed for their chemical composition. The first chapter of this project aims to define the sedimentary dynamics of the Canadian Arctic. The provenance, transport mechanisms and depositional conditions of the sediments were determined from the total concentration of major and trace elements, organic carbon content and grain size of the samples. Then, the study area, being vast and presenting heterogeneous oceanographic and geological contexts, was delimited according to these parameters. The data obtained, combined with multivariate analyses, revealed great variability in the chemical composition of the seabed, which could be described according to three chemical groups. This geochemical characterization identified the Mackenzie River as the main contributor of metals, and the Beaufort Sea shelf as the area most sensitive to enrichment. The applicability of pollution indices was assessed using different geochemical backgrounds, including a regional background based on pre-industrial marine sediments. The enrichment factor and geo-accumulation index revealed generally low levels of enrichment and metal contamination in surface sediments compared with natural regional values. The second chapter establishes a baseline of trace metal concentrations in surface sediments in the Canadian Arctic. The aim is to gain a better understanding of their sources and transport in the Arctic marine environment, and to assess their ecological risk. Metals were measured in the acid-extractable fraction of sediments, targeting the most bioavailable part. The regional variability of acid-extractable metals closely mirrors that of total concentrations of major and trace elements, indicating that natural lithology and sedimentary processes control their distribution. The Mackenzie River is the main source of metals, with the highest concentrations in its plume boundary. However, rare earth elements are mostly concentrated along the Baffin Island coast, originating from the lithologies of the Canadian Shield. Pollution indices indicate generally low levels of enrichment or contamination, but moderate levels of As are measured in the sediments of the Beaufort Sea and Jones Sound. According to the Canadian Sediment Quality Guidelines, most samples show concentrations below the Probable Effects Level, although it is exceeded for As and Ni in some samples from Amundsen and Coronation gulfs, Jones Sound and Baffin Bay. Overall, the trace element composition of sediments reflects natural levels linked to geology and regional sedimentary dynamics. Finally, the third chapter assesses local metal contamination in northern communities of the Canadian Arctic. Total and acid-extractable metal concentrations were measured in coastal sediments from six Inuit communities and from Milne Inlet, home to Mary River harbor. Overall, results were consistent with regional variability. The sites of Tuktoyaktuk, Resolute Bay, Grise Fiord, Qikiqtarjuaq and Milne Inlet show natural levels of metals. However, adverse biological effects on aquatic fauna are possible at Tuktoyaktuk due to high natural inputs from the Mackenzie River. At Pond Inlet, the chemical composition of sediments primarily reflects the local geology. However, lithological variability along the coast leads to occasionally elevated concentrations of trace metals, and localized anthropogenic inputs are also suspected. At Kugluktuk, results revealed high total V and Cr concentrations, possibly resulting from a mixture of natural and local anthropogenic sources. The main sources would be the erosion of ultramafic intrusions carried by the Coppermine River and nearby wastewater discharges. However, concentrations of acid-extractable metals are significantly lower, suggesting that elevated metal levels are probably related to detrital phases, and that their mobility and bioavailability are limited. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Canadian Arctic, marine sediments, trace metals, sediment dynamics, pollution indices, northern communities.

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