Environmental mineralogy
Minéralogie environnementale
Résumé
Environmental Mineralogy has developed over the past decade in response to the recognition that minerals are linked in many important ways with the global ecosystem. Minerals are the main repositories of the chemical elements in Earth's crust and thus are the main sources of elements needed for the development of civilization, contaminant and pollutant elements that impact global and local ecosystems, and elements that are essential plant nutrients. These elements are released from minerals through natural processes, such as chemical weathering, and anthropogenic activities, such as mining and energy production, agriculture and industrial activities, and careless waste disposal. Minerals also play key roles in the biogeochemical cycling of the elements, sequestering elements and releasing them as the primary minerals in crustal rocks undergo various structural and compositional transformations in response to physical, chemical, and biological processes that produce secondary minerals and soils. These processes have resulted in the release of toxic elements such as arsenic in groundwater aquifers, which is having a major impact on the health of millions of people in South and Southeast Asia. The interfaces between mineral surfaces and aqueous solutions are the locations of most chemical reactions that control the composition of the natural environment, including the composition of natural waters. The nuclear fuel cycle, from uranium mining to the disposition of high-level nuclear waste, is also intimately related to minerals. A fundamental understanding of these processes requires molecular-scale information about minerals, their bulk structures and properties such as solubility, their surfaces, and their interactions with aqueous solutions, atmospheric and soil gases, natural organic matter, and biological organisms. Gaining this understanding is further complicated by the presence of natural, incidental, and manufactured nanoparticles in the environment, which are becoming increasingly important due to the rapidly developing field of nanotechnology. As a result of this complexity, Environmental Mineralogy requires the use of the most modern molecular-scale analytical and theoretical methods and overlaps substantially with closely related fields such as Environmental Sciences, low-temperature Geochemistry, and Geomicrobiology. This paper provides brief overviews of the above topics and discusses the complexity of minerals, natural vs. anthropogenic inputs of elements and pollutants into the biosphere, the role of minerals in the biogeochemical cycling of elements, natural nanoparticles, and the Environmental Mineralogy of three major potential pollutant elements (Hg, As and U).
La Minéralogie environnementale s’est développée depuis une dizaine d’années, à la suite d’une prise de conscience des liens importants entre minéraux et écosystème global. Les éléments chimiques qui constituent la surface de la Terre se trouvent essentiellement dans les minéraux qui sont des sources aussi bien d’éléments essentiels pour les écosystèmes, que d’éléments potentiellement contaminants ou polluants comme les métaux lourds ou les radionucléides. Ces éléments sont relâchés par les minéraux au travers de processus naturels, comme l’altération chimique, ou résultent d’activités anthropiques comme l’exploitation des mines ou la production d’énergie, les activités industrielles et agricoles ou encore les décharges non surveillées. Les minéraux jouent aussi un rôle clé dans le recyclage biogéochimique des éléments, en les stockant ou les relâchant lors des transformations chimiques et structurales qui aboutissent à la formation des sols. De tels processus peuvent aboutir à mobiliser dans les aquifères des éléments toxiques, comme l’arsenic qui a un impact majeur sur la santé de millions de personnes dans le Sud-Est asiatique. Les interfaces entre les surfaces minérales et les solutions aqueuses sont le siège de la plupart des réactions chimiques qui contrôlent l’environnement naturel. Le cycle du combustible nucléaire, depuis l’extraction du minerai d’uranium jusqu’au stockage géologique des déchets nucléaires, est aussi relié intimement à la minéralogie. Une compréhension fondamentale de ces processus demande une vision des minéraux à l’échelle moléculaire, de leur structure et de leurs propriétés, comme solubilité, nature des surfaces ou interactions avec les solutions aqueuses, les gaz, la matière organique naturelle ou l’activité biologique. Cette compréhension est compliquée par la présence de nanoparticules naturelles et synthétiques dans l’environnement, dont l’importance augmente avec l’essort des nanotechnologies. La Minéralogie environnementale demande l’utilisation d’une grande variété de méthodes analytiques et théoriques à l’échelle moléculaire et recouvre des champs voisins, comme les sciences de l’environnement, la géochimie de basse température et la géomicrobiologie. Cet article présente une revue des thèmes mentionnés ci-dessus et discute la complexité des minéraux et des intrants d’éléments et de contaminants naturels ou anthropiques dans la biosphère, le rôle des minéraux dans les cycles biogéochimiques des éléments, les nanoparticules naturelles et la minéralogie environnementale d’éléments potentiellement polluants, Hg, As et U.