Pourquoi l'arsenic est partout
L'arsenic est un élément naturellement présent dans la croûte terrestre, avec une concentration moyenne d'environ 5 mg/kg. Il se concentre dans certains types de roches : les schistes noirs riches en matière organique, les roches volcaniques, les gisements sulfurés associés aux minéralisations aurifères et polymétallines. Dans ces contextes, sa mobilisation vers les eaux souterraines peut se produire naturellement, sans aucune intervention humaine.
Parallèlement, de nombreuses activités anthropiques génèrent des apports d'arsenic dans l'environnement : l'extraction minière (l'arsenic est fréquemment associé à l'or et au cuivre), les traitements du bois par des composés arsenicaux (CCA, largement utilisés jusqu'aux années 2000), les pesticides arsenicaux historiques, et les fumées de fonderies.
L'enjeu de la distinction
La distinction entre arsenic naturel et arsenic anthropique a des implications directes sur les décisions de gestion. Un aquifère naturellement arsenifère ne peut pas être "dépollué" puisque la source est la roche elle-même, la solution passe par le traitement de l'eau à la distribution ou par la recherche de ressources alternatives. En revanche, une contamination arsenicale d'origine industrielle peut faire l'objet d'une remédiation à la source, d'une action en responsabilité, et d'un confinement ou d'une excavation des matériaux contaminés.
Dans la plaine de la Bekaa au Liban, des concentrations élevées d'arsenic ont été détectées dans les eaux souterraines. Des travaux de recherche ont utilisé les isotopes de l'oxygène dissous et d'autres traceurs géochimiques pour démontrer que cette contamination était principalement d'origine géologique, liée à la dissolution de minéraux arsenifères dans des aquifères argileux en conditions réductrices. Cette conclusion a des implications directes sur la politique de gestion de l'eau potable dans la région.
Ce que l'isotopie apporte à la question
Plusieurs systèmes isotopiques sont pertinents pour caractériser l'arsenic environnemental, même si l'arsenic lui-même ne possède qu'un seul isotope stable (⁷⁵As, ce qui exclut une approche isotopique directe sur l'arsenic).
- Isotopes du soufre (³²S, ³⁴S) : l'arsenic est souvent associé aux sulfures. La signature isotopique du soufre permet de distinguer les sources sulfurées naturelles (pyrite d'origine magmatique ou sédimentaire) des sources anthropiques (sulfures industriels).
- Isotopes du fer (⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe) : l'arsenic en milieu aqueux est fortement lié au cycle du fer. Les oxydes de fer adsorbent l'arsenic, et leur dissolution libère l'arsenic dans l'eau. La signature isotopique du fer renseigne sur les processus redox qui contrôlent cette libération.
- Isotopes de l'oxygène et de l'hydrogène dans l'eau : traceurs des origines et des temps de résidence des masses d'eau, utiles pour distinguer des eaux de sources géologiques profondes d'eaux superficielles influencées par des activités récentes.
- Plomb (Pb) : dans les contextes où l'arsenic est co-contaminant avec le plomb (sites miniers polymétallines), la signature isotopique du plomb permet d'identifier les sources de la contamination mixte.
- Isotopes de l'antimoine (¹²¹Sb/¹²³Sb) : un proxy indirect particulièrement puissant dans les environnements miniers, développé en détail ci-dessous.
Les isotopes de l'antimoine comme proxy pour tracer l'arsenic
L'arsenic n'ayant qu'un seul isotope stable (⁷⁵As), sa signature isotopique ne peut pas être mesurée directement. Dans les environnements miniers aurifères, cela a longtemps constitué un obstacle majeur à l'investigation isotopique des contaminations arsenicales.
L'antimoine offre une solution élégante à ce problème. As et Sb partagent une géochimie très proche : même cortège minéralogique (l'arsénopyrite et l'antimonite coexistent fréquemment dans les gisements aurifères), même comportement en solution (métalloïdes oxyanioniques), même mécanismes de transport et d'adsorption sur les oxydes de fer. Dans les environnements où As et Sb sont co-contaminants, la source de l'un est dans la grande majorité des cas la même que celle de l'autre.
L'antimoine possède deux isotopes stables (¹²¹Sb et ¹²³Sb) dont les rapports varient mesurably selon les sources géologiques et les processus de transformation. Sa signature isotopique peut donc être utilisée comme traceur indirect de la source et du devenir de l'arsenic dans ces contextes.
Cette approche est développée dans la revue invitée : Ferrari C., White K.B., Ptacek C.J., Blowes D.W. - Tracing arsenic and antimony in mining-impacted environments: New insights from antimony isotopes, Chemical Geology, vol. 707, 2026.
L'article démontre notamment que les isotopes de Sb permettent de distinguer les sources de contamination As-Sb, review écrte après le retour d'expérience sur le site Giant Mine (Arctique canadien) et de reconstituer les processus de transport depuis les haldes de résidus jusqu'au Grand lac des Esclaves.
Cette approche par proxy est particulièrement pertinente pour les sites miniers aurifères, les sites de traitement de minerais sulfurés, et les environnements où l'arsenic et l'antimoine coexistent dans les eaux et les sédiments. Elle ouvre la voie à une investigation isotopique complète des contaminations arsenicales dans des contextes où elle était jusqu'ici impossible.
Les processus géochimiques qui libèrent l'arsenic naturel
Dans de nombreux aquifères asiatiques, la libération naturelle d'arsenic est liée à la réduction des oxydes de fer en conditions anaérobies. En profondeur, en l'absence d'oxygène, des bactéries réduisent les oxydes ferriques en ions ferreux solubles. Ce processus libère l'arsenic adsorbé sur ces oxydes, qui se retrouve alors en solution dans l'eau souterraine à des concentrations parfois très élevées.
Les isotopes du fer permettent de tracer ce processus de réduction réductrice et de le distinguer d'une libération d'arsenic d'origine anthropique, qui suit des chemins géochimiques différents avec des signatures isotopiques caractéristiques.
- L'arsenic naturel est libéré par des processus géologiques et géochimiques indépendants de toute activité humaine.
- L'arsenic d'origine anthropique provient de l'exploitation minière, des traitements industriels et des usages agricoles historiques.
- Les deux types ont des implications de gestion radicalement différentes.
- Les isotopes du soufre, du fer et du plomb permettent de discriminer les sources dans les contextes mixtes.
- L'arsenic n'ayant qu'un seul isotope stable, les isotopes de l'antimoine (géochimiquement proche) constituent un proxy indirect pour tracer As dans les environnements miniers aurifères.