Echanges de cations et sorption dans les eaux de nappes aquifères en socle cristallin, Massif central, France 

Cation exchange and sorption in crystalline basement’s shallow aquifers, Massif central, France

Résumé

Les eaux souterraines du Massif central français, captées dans les aquifères peu profonds du socle cristallin, portent la signature géochimique d’échanges d’ions, ou de sorption spécifique :

Les eaux les moins minéralisées sont surtout sodiques, ce qui correspond à la loi du ratio de Schofield [1947]. Dans les eaux à TDS plus élevées, les trois cations Mg2+, Ca2+ et Sr2+ présentent des relations linéaires étroites avec la somme des cations ; en d’autres termes, les ratios de concentrations Ca/Mg, Ca/Sr, etc., sont invariants en première approximation, ceci quel que soit le type de roche du secteur étudié (granites, gneiss, migmatites). Ces ratios sont comparables à ceux mesurés dans les saprolites, à un coefficient de sélectivité près. Pour ces éléments, qui forment en solution des complexes de sphère externe, les variations de concentration sont fortement corrélées à SiO2 et à l’alcalinité, et donc fonction du degré d’hydrolyse des silicates.

Au contraire les gros cations comme K et Ba, qui forment des complexes de sphère interne, ont un comportement différent : les concentrations ne sont pas corrélées à un paramètre quelconque. Les quelques données disponibles actuellement, montrent que les éléments de taille relativement petite sont enrichis dans les eaux, par rapport aux roches-hôtes : ceci est compatible avec ce que l’on sait de la fixation d’ions monovalents sur les phyllosilicates, avec l’affinité Cs > Rb > K. Les concentrations dans les eaux sont sans doute régies par une sorption spécifique sur ces minéraux.

De ces phénomènes d’échange et de sorption, il résulte que dans les eaux souterraines, les signatures géochimiques originelles en cations des diverses composantes, atmosphérique, géologique, organique, etc., sont effacées. A la différence des anions (B, N, S), l’usage des isotopes de cations (Sr) pour caractériser ces composantes, est donc difficile.

Ces résultats ont une conséquence directe sur la question du fond géochimique naturel des divers métaux lourds. Ceux qui forment des complexes de sphère externe ou des complexes neutres, devraient être à des concentrations variables et fonction du degré d’hydrolyse des silicates. Ceux qui forment des complexes de sphère interne, devraient voir leurs concentrations régies par des phénomènes de sorption.

Abstract

Groundwaters in the French Massif Central, trapped in the crystalline basement's shallow aquifers, carry the geochemical signatures of ion exchanges or of specific sorption:

The least mineralized waters are particularly sodic, which corresponds to Schofield's Ratio Law [1947]. In the waters with the highest TDS, the three cations Mg2+, Ca2+, and Sr2+ display close linear relationships with the total cations; in other words the concentration ratios Ca/Mg, Ca/Sr, etc. are invariant to a first approximation, whatever the rock type in the area studied (granites, gneisses, or migmatites). These ratios are comparable to those measured in saprolites, with very similar selectivity coefficients. For these elements, which form outer-sphere complexes in solution, the variations in concentration are strongly correlated with SiO2 and alkalinity, and thus depend on the level of hydrolysis of the silicates.

On the other hand the large cations such as K and Ba, which form inner-sphere complexes, behave differently: their concentrations are not correlated with any parameter. The few data that are currently available show that elements of relatively small size are enriched in the waters as compared to the host rocks: this agrees with what is known about the fixation of monovalent ions on phyllosilicates, the affinity being Cs > Rb > K. The concentrations in the waters are no doubt controlled by specific sorption on these minerals.

Owing to these exchange and sorption phenomena the original geochemical signatures of the various constituent cations—atmospheric, geologic, organic, etc.—are erased. In contrast with the anions (B, N, and S), the use of cation isotopes (Sr) to characterize these constituents thus becomes problematic.

These results directly affect the issue of how to determine the natural geochemical background levels of the various heavy metals. The ones that form outer-sphere or neutral complexes should have variable concentrations depending on the level of silicate hydrolysis; the ones that form inner-sphere complexes should have concentrations that are controlled by sorption processes.