# Développements analytiques innovants dans le domaine des sites et sols pollues. Apport des nouvelles technologies de mesure pour l'analyse rapide sur site

Association Record, I. Moulin, J. Breton, A. Faure

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Association Record, I. Moulin, J. Breton, A. Faure. Développements analytiques innovants dans le domaine des sites et sols pollues. Apport des nouvelles technologies de mesure pour l'analyse rapide sur site. n°21-0519/1A, RECORD. 2023, pp.62. hal-05162151

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Submitted on 15 Jul 2025

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# DEVELOPPEMENTS ANALYTIQUES INNOVANTS DANS LE DOMAINE DES SITES ET SOLS POLLUES

## APPORT DES NOUVELLES TECHNOLOGIES DE MESURE POUR L'ANALYSE RAPIDE SUR SITE

## RAPPORT FINAL

juillet 2023

I. MOULIN, J. BRETON, A. FAURE – setec lerm / setec hydratec

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

lerm

setec

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

hydratec

setec
Créée à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD est depuis 1989, le catalyseur d'une coopération entre industriels, institutionnels et chercheurs.

Acteur reconnu de la recherche appliquée dans le domaine des déchets, des sols pollués et de l'utilisation efficace des ressources, RECORD a comme objectif principal le financement et la réalisation d'études et de recherches dans une perspective d'économie circulaire.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et institutionnels) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Développements analytiques innovants dans le domaine des sites et sols pollues. Apport des nouvelles technologies de mesure pour l'analyse rapide sur site, 2023, 62 p, n°21-0519/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de la transition écologique) www.ademe.fr

### Comité de suivi de l'étude :

Rémy BAYARD - INSA DE LYON / RECORD, David BENANOU – VEOLIA RECHERCHE ET INNOVATION, Bénédicte COUFFIGNAL - RECORD, Eric DONDAINE – TOTAL ENERGIES, Martin GABORIAU - SNCF RESEAU, Karine GERARDIN - INRS CENTRE DE LORRAINE, Matthieu HIRRIEN - GRS VALTECH / VEOLIA, Philippe KASSEM - TOTAL ENERGIES, Lilian MARCHAND - SUEZ, Benjamin PIEL – EDF, Hélène ROUSSEL - ADEME

© RECORD, 2023
## RESUME

Ce rapport d'étude a pour objet d'inventorier les développements techniques innovants applicables in situ et sur site dans le domaine des sites et sols pollués. Le constat initial à ce projet est que de nouvelles tendances émergent pour une obtention de résultats rapide, efficace et sans passage par un laboratoire fixe. L'utilisation de ces techniques applicatives de terrain doit éventuellement permettre de diminuer les coûts associés aux investigations SSP, en limitant par exemple le nombre de prélèvements à réaliser. Pour les développements techniques qualifiés d'innovants, au nombre de 9, une étude approfondie est proposée en explicitant clairement les principes techniques de la méthode considérée. De plus, en s'appuyant sur les dires des fournisseurs et des utilisateurs et sur une recherche bibliographique approfondie, les points forts et faiblesses des dispositifs sont mis en exergue, ainsi que les opportunités ouvertes par les uns et les autres pour le futur. Outre le référencement des solutions techniques dont l'usage pourrait, à l'avenir être accru, plusieurs points centraux émergent de l'étude : l'appui de l'intelligence artificielle notamment pour le post-traitement des données, la potentielle complémentarité entre les différentes technologies de terrain et avec les analyses standardisées de laboratoire ainsi que la nécessité de connaître les limites de chacun des outils pour en avoir une bonne maîtrise.

## MOTS CLES

Sites et sols pollués, Techniques d'analyse sur site et in situ, Innovation, Chambre à flux, Chromatographie en phase gazeuse couplée à spectrométrie de masse, DSITMS, Imagerie hyperspectrale, LIBS, Spectrofluorimétrie UV, Spectrométrie portable infra-rouge, Fibre optique, Biocapteurs.

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## SUMMARY

This study report aims to inventory the innovative technical developments that could be applicable in situ and on-site in the field of contaminated soils and sites. The initial statement is that new trends are emerging to obtain rapid and efficient results, without the usual chain: sampling, transport and analyses in a permanent laboratory. Using these alternative field techniques should potentially allow a cost reduction of the pollution investigations, particularly by limiting the required number of samples. For the technical developments that are qualified as innovative (i.e. 9 techniques), an in-depth study is exposed. The technical principles are detailed for each considered technical development. Moreover, taking into account the suppliers explanation, the user statements and a dedicated literature study, the strengths and possible weaknesses are highlighted, along with the imaginable opportunities opened by these technical solutions. In addition to the innovative technologies inventory, several major points are identified: the future support of artificial intelligence (especially concerning the data treatment), the potential complementarity between in situ techniques and also the complementarity with standardized laboratory analyses, the need for the user to know the limits of the handled technology to get a better control on it.

## KEY WORDS

Contaminated sites, On-site and in-situ analytical techniques, Innovation, Flux chamber, Gas chromatography coupled with mass spectrometry, DSITMS, Hyperspectral imaging, UV spectrofluorimetry, IR portable spectrometry, Optical fiber, Biosensors.
# SOMMAIRE

<table><tr><td></td><td>Glossaire</td><td>6</td></tr><tr><td>1</td><td>Introduction</td><td>7</td></tr><tr><td>2</td><td>Méthodologie et périmètre de l'étude</td><td>8</td></tr><tr><td>2.1</td><td>Rappel du périmètre de l'étude</td><td>8</td></tr><tr><td>2.2</td><td>Etape d'inventaire des méthodes d'analyse sur site et in situ en contexte SSP</td><td>8</td></tr><tr><td>2.3</td><td>Etape d'approfondissement des solutions innovantes</td><td>9</td></tr><tr><td>3</td><td>Inventaire des techniques de caractérisation</td><td>10</td></tr><tr><td>3.1</td><td>Préambule : observations générales sur les tendances du secteur</td><td>10</td></tr><tr><td>3.2</td><td>Techniques inventoriées</td><td>11</td></tr><tr><td>3.2.1</td><td>Construction de l'inventaire</td><td>11</td></tr><tr><td>3.2.2</td><td>Synthèse des technologies inventoriées</td><td>12</td></tr><tr><td>3.3</td><td>Typologies de développements innovants</td><td>13</td></tr><tr><td>4</td><td>Les développements techniques innovants ou émergents</td><td>15</td></tr><tr><td>4.1</td><td>Nouveaux développements relatifs aux chambres à flux</td><td>15</td></tr><tr><td>4.1.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>15</td></tr><tr><td>4.1.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>17</td></tr><tr><td>4.1.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>19</td></tr><tr><td>4.2</td><td>Apport de la chromatographie mobile en phase gazeuse et dispositifs associés</td><td>20</td></tr><tr><td>4.2.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>20</td></tr><tr><td>4.2.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>22</td></tr><tr><td>4.2.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>27</td></tr><tr><td>4.3</td><td>Direct Sampling Ion Trap Mass Spectroscopy (DSITMS)</td><td>27</td></tr><tr><td>4.3.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>27</td></tr><tr><td>4.3.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>28</td></tr><tr><td>4.3.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>29</td></tr><tr><td>4.4</td><td>Imagerie hyperspectrale couplée à l'intelligence artificielle</td><td>29</td></tr><tr><td>4.4.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>29</td></tr><tr><td>4.4.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>32</td></tr><tr><td>4.4.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>32</td></tr><tr><td>4.5</td><td>Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)</td><td>33</td></tr><tr><td>4.5.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>33</td></tr><tr><td>4.5.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>34</td></tr><tr><td>4.5.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>35</td></tr><tr><td>4.6</td><td>Spectrofluorimétrie UV couplé à une sonde microfluidique</td><td>36</td></tr><tr><td>4.6.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>36</td></tr><tr><td>4.6.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>37</td></tr><tr><td>4.6.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>39</td></tr><tr><td>4.7</td><td>Spectrométrie infrarouge portable</td><td>39</td></tr><tr><td>4.7.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>39</td></tr><tr><td>4.7.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>40</td></tr><tr><td>4.7.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>44</td></tr><tr><td>4.8</td><td>Fibre optique</td><td>44</td></tr><tr><td>4.8.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>44</td></tr><tr><td>4.8.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>46</td></tr><tr><td>4.8.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>46</td></tr><tr><td>4.9</td><td>Capteurs microbiens</td><td>47</td></tr><tr><td>4.9.1</td><td>Descriptif du dispositif et principe de la technique</td><td>47</td></tr><tr><td>4.9.2</td><td>Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs</td><td>48</td></tr><tr><td>4.9.3</td><td>Apport du développement technique au domaine des SSP</td><td>48</td></tr><tr><td>5</td><td>Synthèse sur les développements innovants</td><td>49</td></tr><tr><td>6</td><td>Pratiques émergentes pour le diagnostic des SSP</td><td>54</td></tr><tr><td>6.1</td><td>Apport du laboratoire mobile</td><td>54</td></tr><tr><td>6.2</td><td>Apport du traitement des données par l'intelligence artificielle</td><td>55</td></tr><tr><td>7</td><td>Cas spécifiques des solutions issues de la géophysique</td><td>55</td></tr><tr><td>7.1</td><td>Historique et principes généraux des méthodes géophysiques</td><td>55</td></tr><tr><td>7.2</td><td>Types d'applications et apports au domaine des SSP</td><td>56</td></tr><tr><td>7.2.1</td><td>Géophysique exploratoire pour la pré-caractérisation d'un site</td><td>56</td></tr><tr><td>7.2.2</td><td>Compléments à la mission DIAG ou pour un plan de gestion</td><td>57</td></tr><tr><td>7.2.3</td><td>Dimensionnement et/ou suivi de travaux de dépollution</td><td>57</td></tr><tr><td>7.3</td><td>Retours d'expériences de l'utilisation des méthodes géophysiques en SSP</td><td>58</td></tr><tr><td>8</td><td>Conclusion</td><td>59</td></tr></table>
<table><tr><td>9</td><td>Bibliographie</td><td>61</td></tr></table>
# Glossaire

ANN : Approximate Nearest Neighbor

ATEX : ATmospheres EXPlosives

ATR : Attenuated Total Reflection

BRGM : Bureau de Recherches Géologiques et Minières

BTEX : Benzène, Toluène, Éthylbenzène et Xylènes

COFRAC : COmité FRançais d'ACcréditation

COHV : Composé Organo-Halogéné Volatil

COV : Composé Organique Volatil

CPT : Cone Penetration Tests

DELCD : Dry Electrolytic Conductivity Detector

DSITMS : Direct Sampling Ion Trap Mass Spectroscopy

EC : Electrical Conductivity

ECD : Electron Capture Detector

ETM : Eléments Traces Métalliques

FID : Flame Ionization Detector

FTIR : Fourier-Transform Infrared Spectroscopy

FOCS : Fiber Optic Chemical Sensor

GC / CPG : Chromatographie en Phase Gazeuse

HAP : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques

HCT : HydroCarbures Totaux

HPT : Hydraulic Profiling Tool

IA : Intelligence Artificielle

INERIS : Institut National de l'Environnement industriel et des RISques

IR : Infra-Rouge

IUSS : International Union of Soil Sciences

ITMS : Ion Trap Mass Spectrometry

LED : Light-Emitting Diode

LIBS : Laser Induced Breakdown Spectroscopy

MIP : Membrane Interface Probe

NIST : National Institute of Standards and Technology

PCB : PolyChloroBiphényle

PCE : PerChloroÉthylène (ou Tetrachloroéthylène)

PID : Détecteur par Photolonisation

PLS : Partial Least Squares

ppb : partie par milliard

ppm : partie par million

ppt : partie par trillion

SAW : Surface Acoustic Wave

SM / MS : Spectrométrie de Masse – Mass Spectroscopy

SNPA : Sistema Nazionale per la Protezione dell'Ambiente

SSAIL : Self-Simulator of Artificial Intelligence and Learning

SSP : Sites et Sols Pollués

SPME : Solid Phase MicroExtraction

RDX : Cyclotriméthylènetrinitramine

REX : Retours d'EXpériences

TCE : TriChloroÉthylène

TNT : TriNitroToluène

UPDS : Union des Professionnels de la Dépollution des Sites

US-EPA : United States Environmental Protection Agency

UV : Ultra-Violet

VOCI : Composé organique volatil chloré
# 1 Introduction

La gestion des sites et sols pollués nécessite de caractériser de manière fiable et précise les différents milieux et compartiments concernés (eaux souterraines, eaux de surface, matrices solides sols, gaz du sol et air ambiant) et ce pour une large gamme de composés chimiques organiques et inorganiques (métaux lourds, éléments-traces, hydrocarbures aliphatiques, composés organiques volatiles (COV), composés organiques semi-volatiles (COSV), huiles minérales, hydrocarbures halogénés volatils, organochlorés, composés perfluorés, etc.). La pertinence du diagnostic et l'efficacité des travaux de reconversion dépendent grandement de la qualité des analyses et du nombre d'échantillons réalisés sur l'emprise à investiguer.

Les outils de mesure sur site ou in situ apportent la possibilité de multiplier les points d'analyses à coût constant, de s'affranchir des difficultés liées à la conservation et au transport des échantillons jusqu'au laboratoire central d'analyses et de fournir rapidement à l'utilisateur des résultats.

En **phase diagnostic**, les dispositifs d'analyse in situ et sur site permettent ainsi de faire évoluer les stratégies d'échantillonnage en adaptant le programme de reconnaissance sur site en fonction des premiers résultats pour gagner en pertinence. Ils sont alors utilisés dans une logique de « screening » et de ciblage des régions d'intérêt sur le site à diagnostiquer. Ils apportent également la possibilité de déceler et qualifier des cinétiques d'évolution rapide de certains composés. En **phase travaux**, les systèmes utilisables sur chantier assurent un suivi rapproché permettant d'ajuster au mieux les traitements, notamment par des dispositifs de type monitoring, de s'assurer que les traitements mis en œuvre apportent les résultats escomptés et de suivre la qualité des effluents. Ils peuvent également servir d'outils d'aide à la décision pour la gestion des terres excavées. Les progrès techniques et les développements autour des systèmes analytiques sont rapides et nombreux, offrant ainsi des perspectives nouvelles aux étapes de diagnostic et de suivi des chantiers de reconversion. Les avancées de l'intelligence artificielle constituent également des pistes de progrès pour les outils de mesure sur site.

Après un inventaire des outils de mesure pour l'analyse rapide sur site, l'objectif de l'étude est de cibler et approfondir les développements techniques innovants et les pratiques émergentes. Outre les principes et méthodologies d'analyse, sont développés pour chacun des développements les limites d'utilisation, la disponibilité sur le marché (en cherchant à brosser le panel le plus large, sans toutefois être exhaustif), les aspects économiques et réglementaires ainsi que les perspectives d'emploi futur des dispositifs. Ces bilans, réalisés pour chacun des développements techniques considérés, s'appuient notamment sur une recherche bibliographique dédiée, des retours d'expérience utilisateurs et sur les présentations faites par les fournisseurs des dispositifs.
## 2 Méthodologie et périmètre de l'étude

L'étude conduite par les sociétés setec lerm et setec hydratec pour le compte du consortium RECORD relative aux développements techniques innovants pour le diagnostic in situ (et sur site) des sites et sols pollués se décompose en deux phases principales :

* Dans un premier temps, la réalisation d'un inventaire exhaustif des techniques de caractérisation pouvant être mises en œuvre dans le domaine des SSP pour l'identification et/ou la mesure des polluants. A l'issue de ce référencement, les solutions techniques les plus innovantes sont identifiées ;

* Dans un second temps, un approfondissement des techniques jugées innovantes, en tenant compte notamment des données fournisseurs et retours d'expérience utilisateurs. Cette collecte d'informations est réalisée via des entretiens oraux (fournisseurs d'appareillages et utilisateurs) et des recherches bibliographiques dédiées.

En amont de cette démarche en deux étapes, le périmètre de l'étude est clairement défini, en cohérence avec les attentes et besoins de RECORD.

### 2.1 Rappel du périmètre de l'étude

L'étude est limitée aux techniques présentant les caractéristiques suivantes :

* **Applicabilité sur site / in situ** : L'étude concerne les technologies pouvant être mises en œuvre dans le cadre d'analyses rapides sur le terrain ou à proximité immédiate du sites (laboratoire déporté / mobile). Toute technique devant être mise en œuvre hors site, typiquement en laboratoire fixe/central, n'est pas abordée dans le présent rapport. Toutefois, par la miniaturisation des dispositifs, certaines techniques classiquement mises en œuvre en laboratoire central pourront trouver une utilisation innovante si employées directement sur le terrain. Une distinction pourra éventuellement être faite entre les analyses qui sont réalisables in situ et celles à conduire sur site. La distinction lexicale est la suivante :

* **In situ** : La prise de mesure est réalisée en direct sur le sol, la masse d'eau ou les gaz en place. Les appareils utilisables en forage pourront par exemple être intégrés dans cette catégorie ;

* **Sur site** : Les analyses sont effectuées sur le chantier également mais requièrent des prélèvements, voire des traitements de matière. Une fois l'échantillon prélevé, la mesure est effectuée à l'air libre ou dans une installation sommaire de chantier prévue à cet effet (ex : camion).

* **Analytiques** : Le focus est principalement braqué sur les technologies de mesure et analytiques. Les solutions nouvelles portant uniquement sur l'étape d'échantillonnage (eau, gaz, solide) ne sont pas prises en compte. En revanche, dans certains cas, les dispositifs expérimentaux de mesure émergents pourront être combinés à des méthodes de prélèvement différant des procédés d'échantillonnage habituellement mis en œuvre. De même, des solutions destinées à la conservation et au transport des échantillons avant analyses (ex : kits méthanol COVs) ne sont pas étudiées dans ce document ;

Enfin, notons que les solutions géophysiques applicables sur des terrains et dans des contextes SSP sont en marge du scope de l'étude. Elles sont toutefois abordées de façon groupée et synthétique au sein d'un chapitre dédié.

### 2.2 Etape d'inventaire des méthodes d'analyse sur site et in situ en contexte

#### SSP

La première étape de l'étude a pour objectif d'inventorier le panel des solutions techniques susceptibles d'être employées sur site ou in situ pour diagnostiquer la présence d'espèces polluantes dans le domaine SSP et/ou les quantifier. Dans ce premier niveau d'inventaire, les technologies courantes et en émergence sont considérées. Le spectre est donc relativement vaste, d'autant plus
que toutes les matrices du site sont abordées : matière solide du sol, gaz du sol, eau souterraine et air ambiant. Les solutions techniques sont par la suite triées et hiérarchisées. En accord avec RECORD, les procédés pouvant être qualifiés d'innovants et devant faire l'objet d'un focus particulier (étape 2) sont sélectionnés à l'issue de la première phase. Le découpage de cette première phase de l'étude est illustré via la figure ci-après.

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

La première étape s'appuie principalement sur un recueil et une étude de données bibliographiques, ainsi que sur l'expérience des équipes setec dans le domaine des techniques de caractérisation et des sites et sols pollués.

Les résultats et conclusions de cette première phase de l'étude figurent au chapitre 3 du présent rapport. En complément aux éléments figurant dans ce document, chacune des technologies référencées fait l'objet d'une fiche synthétique. Ces fiches, fournies en annexes au présent rapport, compilent des données informatives portant sur :

* le principe de fonctionnement ;

* les conditions d'emploi et de mise en œuvre ;

* les limites et avantages de la solution technologique ;

* les retours d'expériences disponibles ;

* le cadrage normatif et réglementaire si existant ainsi que d'éventuelles informations sur les fournisseurs et les coûts (en particulier pour les techniques encore peu répandues).

## 2.3 Etape d'approfondissement des solutions innovantes

Les solutions techniques les plus innovantes, sélectionnées au terme de la première phase, seront approfondies dans le cadre de cette deuxième étape. Des informations complémentaires seront apportées pour chaque développement technologique retenu, en allant au-delà de simples spécifications techniques. L'objectif étant de fournir, in fine, un diagnostic et avis étayé quant au potentiel de développement de ces solutions innovantes.

Pour construire ce diagnostic, des recherches bibliographiques plus ciblées viennent compléter les travaux de synthèse menés dans la première phase de l'étude.

De plus, des prises de contacts, entretiens, visites de site et démonstrations pratiques seront conduits avec :

* Des fournisseurs (ou développeurs) des technologies ;

* Des entités (bureaux d'études, entreprises de dépollution, maîtres d'ouvrage) ayant fait l'expérience des solutions innovantes. De manière à toucher un large public, les structures regroupant les acteurs du domaine des SSP (notamment l'UPDS) constituent des portes d'entrée pour l'étude ;

* Des instances en charge de la normalisation et de la réglementation dans le secteur des SSP (AFNOR, BRGM, INERIS, COFRAC).
# 3 Inventaire des techniques de caractérisation

## 3.1 Préambule : observations générales sur les tendances du secteur

Les métiers des Sites et Sols Pollués bénéficient en France d'environ une trentaine d'années de pratique. Certains précurseurs ont pu débuter et exercer avant la mise en place des premiers guides méthodologiques établis par le BRGM avant 1997 puis le panel des intervenants s'est développé à partir des années 1990-2000 en intégrant tour à tour des ingénieries spécialisées, puis des entreprises plus généralistes du secteur du déchets, de la construction ainsi que des succursales d'ingénierie étrangères, essentiellement anglo-saxonnes, hollandaises, germaniques ou scandinaves. Plus récemment, on note l'intégration progressive mais importante des entreprises de géotechniques disposant de moyens d'investigation nouveaux ainsi qu'une hyperspecialisation de certains laboratoires d'analyse environnementale sur la thématique SSP.

Cette période a permis l'émergence de pratiques de terrain, certaines incluant la réalisation de mesures ou prélèvements in-situ ou sur site, qui constituent aujourd'hui un socle de technologies courantes et communes à l'ensemble des acteurs, que nous aborderons ci-après dans le cadre d'un inventaire le plus exhaustif possible issu de nos recherches bibliographiques et de notre retour d'expérience.

Parmi les technologies évoquées, certaines font figure de solutions « innovantes », soit par le fait de leur faible utilisation en France, soit tout simplement car s'agissant d'innovation récente bénéficiant de perspectives intéressantes de développement mais également de quelques limites d'applicabilité.

Avant d'aborder en détail la revue des technologies, il paraissait intéressant de mettre en exergue quelques tendances récemment observées qui concourent, ou pourraient concourir, à l'émergence de nouvelles solutions :

### Une transition du laboratoire vers le terrain

En premier lieu, il convient de rappeler le rôle et l'apport des laboratoires d'analyses dans la mise en œuvre de solutions de plus en plus adaptées aux besoins d'investigation. Certaines entreprises ont pu s'appuyer sur les avancées technologiques des fabricants (miniaturisation, robustesse des équipements, fiabilité des process) pour proposer de transporter la mesure sur le terrain pour permettre une réactivité accrue dans la chaîne de production des données. Ainsi, nous distinguerons certaines technologies par leur capacité à être déployées sur site, soit via l'équipement d'un laboratoire de terrain (fixe ou mobile dans certains cas), soit via la mise en œuvre de kits de mesures et/ou d'appareils « transportables » et/ou facilement « manipulables » dans les conditions d'intervention des chantiers.

Dans plusieurs cas, les technologies ont pu faire l'objet d'adaptation pour être directement applicables in-situ, c'est-à-dire au sein même du sous-sol, à la manière d'une diographie opérée au fur et à mesure de l'avancée des sondages. Nous les catégoriserons comme « Direct push » dans notre inventaire.

### L'utilisation de nouvelles technologies

Les métiers des Sites et Sols Pollués sont par essence à la croisée des compétences et fourmillent d'intervenants proposant des innovations soit techniques, soit conceptuelles du fait de leur adaptabilité. Les méthodes analytiques utilisées en laboratoire ne font pas toutes l'objet d'équivalent pour être opérées sur site dans les conditions d'intervention du terrain mais la montée en compétence des intervenants sur ces sujets autorise toutefois une véritable évolution vers plus de variété dans le choix des méthodes analytiques. Ainsi, on notera l'émergence récente de l'utilisation de technologies proposant une imagerie des milieux (dont traitement de signal hyper-spectral) basée sur la lecture d'un signal en temps quasi-réel. Ces techniques bénéficient pour l'instant d'un faible retour d'expérience mais elles ouvrent la voie vers une batterie de nouveaux outils à disposition des acteurs du marché.

### L'apport de l'Intelligence Artificielle dans le traitement des données
Il s'agit là d'une nouvelle approche s'appuyant sur la capacité accrue du traitement des données et la possibilité d'apprentissage (machine-learning). Cette étape n'en est qu'à ses débuts mais pourrait largement influer sur l'avenir de la caractérisation des milieux dans le domaine SSP. Le principe s'appuie sur l'accumulation de données entre la mesure sur site et les analyses en laboratoire autorisant une traduction des signaux en valeur quasi-quantitatives, en tous cas représentatives et exploitables. Le champ est pour l'instant relativement réduit quant aux opérateurs en mesure d'exploiter cette nouvelle ressource mais il s'annonce très prometteur. Ce sujet est abordé au sein du chapitre 6.2.

L'utilisation de l'intelligence artificielle et de toutes les technologies connexes (deep-learning, réseaux de neurones, etc.) a été identifié dès le début des années 2000 comme un possible changement de paradigme dans l'ingénierie environnementale (Chan & Huang, 2003). Quelques années plus tard, ce constat est confirmé par les solutions visibles sur le marché et en développement.

Ces 3 tendances maintenant rappelées, il est proposé, dans le chapitre qui suit, de dresser un inventaire des technologies retenues dans le cadre de notre étude avant de sélectionner un panel parmi les développements pouvant être considérés comme les plus innovants.

## 3.2 Techniques inventoriées

### 3.2.1 Construction de l'inventaire

L'inventaire complet des techniques d'analyse sur site et in-situ est présenté dans le chapitre suivant. Dans le présent chapitre, les modalités de classification des techniques et les critères de tri sont explicités, permettant de comprendre l'organisation de l'inventaire.

L'inventaire des techniques peut être filtré suivant différents critères :

* **Niveau d'usage :**

* Technique couramment utilisé dans le domaine du diagnostic des sites et sols pollués ;

* Méthode présentant un niveau de développement avancé, couramment utilisée dans certains secteurs mais peu dans celui des sites et sols pollués bien que théoriquement applicable ;

* Développement technique innovant, dont l'émergence est récente et possiblement amenée à se développer dans le secteur des sites et sols pollués.

* **Type de matrice** que peut analyser une technologie donnée : eau souterraine, matrice solide du sol, gaz (du sol ou air ambiant) ;

* **Type de polluant et de molécule contaminante** que peut caractériser la technique considérée : éléments traces métalliques (ETM), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), chaines aliphatiques, composés organiques volatiles, polychlorobiphényles (PCB), hydrocarbures totaux (HCT), organochlorés etc.

* **Modalités de mise en œuvre de la solution technique sur le terrain SSP, avec trois niveaux identifiables :**

* Les techniques pouvant être transportés sur le site mais devant impérativement être mises sous laboratoire mobile (par exemple pour des raisons de protection vis-à-vis des intempéries, de stabilité de l'appareil, d'alimentation en énergie de l'appareillage, etc.) ;

* Les techniques portables permettant une mesure sur site en autonomie mais requérant une intervention relative de l'opérateur, notamment pour réaliser les prélèvements ad-hoc, voire une préparation sommaire de la matrice ;

* Les techniques pouvant être qualifiées d'in-situ qui peuvent être mises en place directement à l'affleurement, en forage, etc. La prise de mesure et la lecture se font alors en direct dans le milieu.
### 3.2.2 Synthèse des technologies inventoriées

L'inventaire des technologies utilisables sur site ou in-situ pour le domaine des sites et sols pollués figure dans le tableau 1 ci-après.

<table><caption>Tableau 1 : Inventaire des technologies (RECORD, 2023)</caption><thead><tr><th>Numéro</th><th>Technologie</th><th>Matrice investiguée</th><th>Type de polluant investigué</th><th>Niveau de développement</th><th>Laboratoire mobile (transportable)</th><th>Portable (autonome)</th><th>In situ (lecture directe)</th></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>Analyse portable absorption atomique</td><td>eau</td><td>Métaux</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2</td><td>Capteur ondes acoustique de surface (SAW)</td><td>direct push</td><td>COV, métaux, PCB</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>3</td><td>Capteur résistance chimique</td><td>sol</td><td>Pollutions organiques</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>4</td><td>Chambre à flux</td><td>gaz</td><td>COV</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="4">5</td><td rowspan="4">Chromatographie mobile phase gazeuse</td><td>sol</td><td></td><td>Rarement utilisé</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau</td><td rowspan="2">COV, BTEX, TCE et PCE, PCB</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>direct push</td><td>Courante</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>gaz</td><td></td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">6</td><td rowspan="2">Colorimétrie portable</td><td>sol</td><td rowspan="2">BTEX, HAP, HCT, PCB</td><td rowspan="2">Rarement utilisé</td><td rowspan="2">x</td><td rowspan="2">x</td><td rowspan="2"></td></tr><tr><td>eau</td></tr><tr><td></td><td>DELCD (Dry Electrolytic Conductivity Detector)</td><td>direct push</td><td>COV chloré et bromé</td><td>Innovante</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="3">7</td><td rowspan="3">DSITMS (Direct Sampling ion trap mass spectroscopy)</td><td>sol</td><td rowspan="3">COV</td><td rowspan="3">Innovante</td><td rowspan="3">x</td><td rowspan="3"></td><td rowspan="3">x</td></tr><tr><td>eau</td></tr><tr><td>direct push</td></tr><tr><td>8</td><td>Imagerie hyperspectrale + machine learning</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Innovante</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>9</td><td>Kit pour la détection des hydrocarbures - Petroflag</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>10</td><td>Kit pour la détection des PCB</td><td>sol</td><td>PCB</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">11</td><td rowspan="2">Kit pour la détection d'hydrocarbures et d'eau - Hanbytest</td><td>sol</td><td rowspan="2">HAP</td><td rowspan="2">Courante</td><td rowspan="2"></td><td rowspan="2">x</td><td rowspan="2"></td></tr><tr><td>eau</td></tr><tr><td>12</td><td>Kit pour la détection d'hydrocarbures totaux - Remediaid Kit</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>14</td><td>LIBS portatif (laser induced breakdown spectroscopy)</td><td>sol</td><td>Métaux</td><td>Innovante</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>15</td><td>LIF (laser induced fluorescence)</td><td>sol</td><td>HAP</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>16</td><td>MIP (Membrane Interface Probe)</td><td>direct Push</td><td>COV</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>17</td><td>OIP (Optical Image Profiler)</td><td>sol</td><td>HAP</td><td>Classique</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">18</td><td rowspan="2">PID (photoionisation detector)</td><td>direct push</td><td rowspan="2">HAP, BTEX, HCT, COV</td><td rowspan="2">Courante</td><td rowspan="2"></td><td rowspan="2"></td><td rowspan="2">x</td></tr><tr><td>gaz</td></tr><tr><td>19</td><td>Sonde de forage gamma (radioactivité) + drone analyseur gamma</td><td>sol</td><td>Elements radioactifs</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">20</td><td rowspan="2">Spectrofluorimétrie UV + Sonde microFlu</td><td>eau</td><td rowspan="2">HAP, BTEX, HCT</td><td rowspan="2">Innovante</td><td rowspan="2"></td><td rowspan="2">x</td><td rowspan="2">x</td></tr><tr><td>sol</td></tr><tr><td rowspan="2">21</td><td rowspan="2">Spectrométrie portable IR</td><td>eau</td><td rowspan="2">HCT, BTEX, HAP</td><td>Rarement utilisé</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>sol</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>22</td><td>XRF portatif</td><td>sol</td><td>Métaux</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>23</td><td>Fibre optique</td><td>eau</td><td>HCT</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>24</td><td>Capteur NODE</td><td>eau</td><td>Pollution organique</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr></tbody></table>
Dans la liste qui précède

<table><thead><tr><th>Numéro</th><th>Technologie</th><th>Matrice<br>investiguée</th><th>Type de polluant<br>investigué</th><th>Niveau de<br>développement</th><th>Laboratoire mobile<br>(transportable)</th><th>Portable<br>(autonome)</th><th>In situ (lecture<br>directe)</th></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>Analyse portable absorption atomique</td><td>eau</td><td>Métaux</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2</td><td>Capteur ondes acoustique de surface (SAW)</td><td>direct push</td><td>COV, métaux, PCB</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>3</td><td>Capteur résistance chimique</td><td>sol</td><td>Pollutions organiques</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>4</td><td>Chambre à flux</td><td>gaz</td><td>COV</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="4">5</td><td rowspan="4">Chromatographie mobile phase gazeuse</td><td>sol</td><td></td><td>Rarement utilisé</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau</td><td>COV, BTEX, TCE et PCE, PCB</td><td>Innovante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>direct push</td><td></td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>gaz</td><td></td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>6</td><td>Colorimétrie portable</td><td>sol<br>eau</td><td>BTEX, HAP, HCT, PCB</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td></td><td>DELCD (Dry Electrolytic Conductivity<br>Detector)</td><td>direct push</td><td>COV chloré et bromé</td><td>Innovante</td><td>x</td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="3">7</td><td rowspan="3">DSITMS (Direct Sampling ion trap mass<br>spectroscopy)</td><td>sol</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau</td><td>COV</td><td>Innovante</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>direct push</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>8</td><td>Imagerie hyperspectrale + machine learning</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Innovante</td><td>x</td><td></td><td></td></tr><tr><td>9</td><td>Kit pour la détection des hydrocarbures -<br>Petroflag</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>10</td><td>Kit pour la détection des PCB</td><td>sol</td><td>PCB</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td rowspan="2">11</td><td rowspan="2">Kit pour la détection d'hydrocarbures et<br>d'eau - Hanbytest</td><td>sol</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau</td><td>HAP</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>12</td><td>Kit pour la détection d'hydrocarbures<br>totaux - Remediaid Kit</td><td>sol</td><td>HCT</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>14</td><td>LIBS portatif (laser induced breakdown<br>spectroscopy)</td><td>sol</td><td>Métaux</td><td>Innovante</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">15</td><td rowspan="2">LIF (laser induced fluorescence)</td><td>sol</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>eau</td><td>HAP</td><td>Courante</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>16</td><td>MIP (Membrane Interface Probe)</td><td>direct Push</td><td>COV</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>17</td><td>OIP (Optical Image Profiler)</td><td>sol</td><td>HAP</td><td>Classique</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">18</td><td rowspan="2">PID (photoionisation detector)</td><td>direct push</td><td>HAP, BTEX, HCT, COV</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>gaz</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>19</td><td>Sonde de forage gamma (radioactivité) +<br>drone analyseur gamma</td><td>sol</td><td>Elements radioactifs</td><td>Courante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">20</td><td rowspan="2">Spectrofluorimétrie UV + Sonde microFlu</td><td>eau</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>sol</td><td>HAP, BTEX, HCT</td><td>Innovante</td><td></td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td rowspan="2">21</td><td rowspan="2">Spectrométrie portable IR</td><td>eau</td><td>HCT, BTEX, HAP</td><td>Rarement utilisé</td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>sol</td><td></td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>22</td><td>XRF portatif</td><td>sol</td><td>Métaux</td><td>Courante</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td></tr><tr><td>23</td><td>Fibre optique</td><td>eau</td><td>HCT</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr><tr><td>24</td><td>Capteur NODE</td><td>eau</td><td>Pollution organique</td><td>Innovante</td><td></td><td></td><td>x</td></tr></tbody></table>

Tableau 1), les développements techniques retenus comme innovants sont les suivants :

* Les développements novateurs sur la technologie chambre à flux ;

* La chromatographie mobile et portable phase gazeuse, principalement pour les applications eaux et gaz ;

* Le DSITMS (Direct Sampling Ion Trap Mass Spectroscopy) ;

* L'imagerie hyperspectrale et son post-traitement par intelligence artificielle ;

* Le LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) portatif ;

* La spectrométrie UV en association avec sonde microflu ;

* La spectrométrie portable infrarouge ;

* Les capteurs chimiques fonctionnant sur fibre optique ;

* Les capteurs microbiens / biocapteurs.

Les développements techniques jugés innovants sont donc au nombre de 9.

Dans la suite du rapport (section suivante), les techniques qualifiées d'innovantes sont étudiées successivement en présentant (i) un descriptif détaillé du principe de fonctionnement, (ii) des REX d'utilisation et de la bibliographie ciblée sur la mise en application et (iii) un regard sur l'apport dont pourrait bénéficier le domaine des SSP et les limites qu'il convient d'identifier.
## 3.3 Typologies de développements innovants

Les 9 solutions techniques identifiées comme étant des développements innovants pour l'identification et/ou la quantification des polluants sur chantier SSP peuvent être regroupées en diverses typologies. En effet, derrière le terme unique « innovant », 4 grands cas ont été distingués (représentés dans la **Figure 1** qui suit :

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Illustration graphique des typologies de développements innovants (RECORD, 2023)</figcaption></figure>

* **Cas n°1** : Dans ce premier groupe, sont placées des techniques existantes et couramment utilisées sur lesquelles viennent se greffer des développements nouveaux. Ces développements novateurs sont par exemple susceptibles de : diminuer le temps d'analyse et d'accroître le nombre de prises de mesure par unité de temps, rendre l'utilisation de l'appareillage plus aisée pour l'opérateur, etc. Cette première typologie comprend en particulier les développements récents conduits sur la technologie courante qu'est la chambre à flux ;

* **Cas n°2** : Dans cette seconde typologie, sont regroupées les technologies fonctionnant sur un même principe physique ou chimique avec des développements pouvant être simultanés, aller dans diverses directions et être conduits par plusieurs équipes de recherche. Deux grandes familles sont identifiées : les biocapteurs/capteurs microbiens d'une part, les capteurs reposant sur la technologie de la fibre optique d'autre part ;

* **Cas n°3** : Cette troisième typologie comprend des technologies couramment utilisées en laboratoire et sur paillasse qui sont amenées à être miniaturisées et rendues portables pour une utilisation sur site. Elle intègre notamment les spectromètres infrarouge et chromatographies gazeuses portables ;

* **Cas n°4** : La quatrième catégorie intègre des développements de matériels uniques, « ex-nihilo ».

L'arborescence en 4 typologies exposée dans ce paragraphe résulte d'une analyse critique des résultats de la présente étude.
# 4 Les développements techniques innovants ou émergents

Pour chacun des 9 développements techniques identifiés comme novateurs dans le chapitre qui précède, une section d'approfondissement leur est dédiée dans la suite de ce rapport. Pour chaque développement technique faisant l'objet d'un focus spécifique, une structuration similaire de la sous-section est utilisée. Les informations sur chacun des développements techniques approfondis sont organisées comme suit :

* Descriptif du principe de la technique ;

* Etude bibliographique ciblée, retours d'expériences et présentations fournisseurs ;

* Compréhension de l'apport potentiel du développement technique considéré au métier des sites et sols pollués.

## 4.1 Nouveaux développements relatifs aux chambres à flux

### 4.1.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

D'un point de vue pratique et concret, une chambre à flux est un dispositif physique mis en place temporairement sur l'emprise à investiguer où les gaz du sol sont collectés dans une enceinte fermée. Elle est fixée hermétiquement à la surface du sol, ce qui permet aux gaz qui y sont contenus et s'échappant vers le compartiment atmosphérique d'être piégés. Ainsi, ce sont essentiellement les COV émis par le milieu souterrain qui peuvent être analysés par ce procédé de chambre à flux.

Les chambres à flux peuvent être utilisées dans plusieurs contextes :

* soit pour la délimitation d'une zone de pollution du milieu souterrain (en considérant que les aires au droit desquelles la quantité de contaminants volatils collectée est la plus importante sont aussi les plus polluées) ;

* soit dans une logique de quantification en valeur absolue des transferts vers l'atmosphère (air extérieur ou air intérieur de bâtiment). Ces mesures peuvent ensuite être utilisées comme donnée d'entrée pour l'estimation des expositions dans le cadre d'évaluation des risques sanitaires.

Le dispositif doit être installé de sorte qu'aucun échange gazeux autre que celui provenant du sol ne soit possible. Pour ce faire, soit un joint d'étanchéité est installé et la chambre à flux est enfoncée dans le sol de quelques centimètres, soit du sable humide sert de barrière aux fuites d'air. Il est à noter que le sol étudié doit être suffisamment perméable à l'air pour que les gaz qu'il contient soient extraits.

Plusieurs designs de chambres à flux coexistent (Ma, et al., 2020) :

* **Chambre à flux avec accumulation** : pour cette méthode le dispositif est uniquement scellé au sol et l'air à l'intérieur de la chambre est aspiré vers l'appareil analyseur. La concentration augmente petit à petit jusqu'à atteindre un état d'équilibre entre l'air à l'intérieur de la chambre à flux et les gaz contenus dans le sol. Le processus d'accumulation peut donc être décrit comme passif. Le flux de contaminant local peut être déduit de l'enrichissement par accumulation de l'atmosphère par les molécules d'intérêt en fonction du temps (Hulot, et al., 2003).
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 2 : Chambre à flux avec accumulation (West Meters, 2019)</figcaption></figure>

* **Chambre à flux sans accumulation / dynamique** : pour cette méthode, une fois le dispositif fixé au sol, il est alimenté par un gaz vecteur. Avant toute mesure de la concentration, la chambre à flux est totalement purgée de deux fois son volume. La concentration augmente ensuite au fur et à mesure jusqu'à atteindre l'équilibre entre l'air à l'intérieur de la chambre à flux et les gaz compris dans le sol.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 3 : Chambre à flux dynamique (Cowan, et al., 2014)</figcaption></figure>

Les chambres à flux peuvent fonctionner avec ou sans recirculation. En cas de recirculation, l'air analysé est réinjecté dans la chambre à flux. Sans recirculation, l'air est rejeté en dehors de la chambre à flux après analyse.

La chambre à flux n'est pas un instrument d'analyse en tant que tel, dans le sens où aucune concentration en gaz ne peut être mesurée avec la chambre à flux seule. Elle doit, de fait, être couplée avec un appareil de mesure de terrain tel que le FID (Flame Ionization Detector), le PID (Photo Ionization Detector), le micro-PID ou bien la micro-GC. En fonction de l'appareil couplé, la limite de détection pourra varier. Dans le meilleur des cas, la précision pourra atteindre le ppb. Pour mesurer le CO₂, le couplage sera fait avec un détecteur IR.

Il est, de plus, possible de suivre les résultats en direct et à distance relative (dans une logique de monitoring) avec un appareil relié par Bluetooth au PID. Sur certains dispositifs, des trous sont prévus spécifiquement afin de mesurer des paramètres physico-chimiques tout au long de la mesure (pression différentielle, température, humidité, oxygène).

La chambre à flux doit être constituée d'un matériel inerte vis-à-vis des gaz à investiguer. Certains modèles de chambre sont associés à un vecteur gaz inerte (de type azote).
Bien que la chambre à flux (notamment à accumulation) soit un dispositif relativement ancien du point de vue de sa conception, plusieurs points apparaissent innovants et méritent d'être creusés dans le cadre de la présente étude :

* L'utilisation des chambres à flux dynamique apparaît plus récente que celle des chambres à flux passives. Les potentialités qu'elles offrent pourraient également être plus vastes ;

* Le caractère potentiellement embarqué et mobile des chambres à flux constitue également des évolutions novatrices des dispositifs.

### 4.1.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

A l'étranger, notamment en Italie et aux Etats-Unis, les chambres à flux font l'objet de réglementations spécifiques. L'US-EPA a édité un guide lié à celles-ci en 1988 (U.S. Environmental Protection Agency, 1986) qui donne les préconisations techniques afin d'obtenir des données reproductibles, précises et applicables à toute lithologie. En Italie, le SNPA (Sistema Nazionale Protezione Ambiente) a établi en 2018 une note contenant les lignes directrices pour la gestion des vapeurs provenant des sites contaminés avec une annexe B centrée sur les chambres à flux et leur utilisation (Sistema Nazionale per la Protezione dell'Ambiente, 2018). Nous constatons donc que, dans certains pays, l'utilisation des chambres à flux est suffisamment étendue pour que des normalisations spécifiques et dédiées soient mises en place. Cela n'est actuellement pas le cas en France. Aucun support normatif, ni aucune préconisation de mise en œuvre n'existe et n'est reconnue à l'échelle nationale.

A l'usage, il apparaît que certains paramètres environnementaux et contextuels peuvent affecter la représentativité des résultats, comme la perméabilité du sol et la température. Le choix de la durée de prélèvement en fonction de ces paramètres est donc primordial. Les variations de pression atmosphérique constituant l'un des phénomènes ayant le plus d'influence sur la variation des flux, la mesure de ce paramètre est donc particulièrement importante pour ce type de mesure.

La méthode des chambres à flux permet d'avoir des résultats quantitatifs sur le terrain à l'aide d'un PID, mais ne permet pas de connaitre précisément la nature du (ou des) polluant(s) volatil(s) mesuré(s). Tous les COV accumulés étant lus de manière globalisée. Pour ce faire, des analyses par chromatographie gazeuse en laboratoire doivent impérativement être réalisées.

#### Focus développement innovant : Mobiflux

Le consortium InnovaSol développe une chambre à flux mobile, autonome et pilotable par un opérateur sur site nommée « Mobiflux » (Figure 4). C'est une chambre à flux passive à accumulation de 50x50 cm². Elle permet de mesurer le flux sur une surface de 0,25 m². Elle possède un système de recirculation permettant d'homogénéiser les teneurs en contaminant à l'intérieur de la chambre. Elle est équipée de capteurs permettant de semi-quantifier la concentration en polluant présent (le plus souvent : PID). Les capteurs pouvant être fixés sur le Mobiflux sont modulables en fonction du polluant recherché. Ainsi, l'utilisation d'une GC-PID, voire d'une GC-MS en sortie de flux pourrait s'envisager. Dès lors, une identification individualisée des espèces polluantes organiques serait rendue possible. L'analyse pourrait même aller jusqu'à une semi-quantification des composés, dans la limite des bibliothèques disponibles et des gammes de mesure.

L'originalité repose sur la mise en place d'un châssis motorisé (type rover) qui permet de lever et de monter la chambre à flux et de se déplacer sur le terrain à analyser. La chambre à flux suivra le plan de prélèvement mis en place au préalable et analysera le terrain à investiguer en fonction de la résolution souhaitée. Une carte pourra être élaborée et donnera les zones où les teneurs en polluants sont les plus fortes et les plus faibles. Des prélèvements gazeux destinés à des analyses ultérieures hors site / en laboratoire peuvent être effectués via une vanne à gaz située sur le Mobiflux.
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 4 : Photographie de l'appareil Mobiflux (Delsarte, et al., 2022)</figcaption></figure>

Les avantages de ce développement technique, en particulier énoncés par les équipes à l'origine de ce dispositif, concernent la rapidité d'exécution des mesures et de déplacement de la chambre à flux. Le nombre de points d'analyse, pour une même période, peut être accru comparativement à un dispositif classique qui doit être déplacé « à la main ». Les retours d'expérience sur ce dispositif montrent que le site peut donc être « screené » rapidement du point de vue des transferts atmosphériques de COVs (Delsarte, et al., 2022). En revanche, l'expérience montre également que certaines limites relatives aux chambres à flux en général ne sont pas résolues par le développement Mobiflux. Cela concerne notamment les caractéristiques de la surface et sub-surface du sol à investiguer. Les éléments grossiers ainsi que les mottes végétales peuvent restreindre l'utilisation de l'appareillage. En effet, leur présence est susceptible de générer des défauts d'étanchéité et, en conséquence, des mesures de polluants gazeux erronées.

## Focus développement innovant : Boîte expérimentale

Une « boîte expérimentale » a été développée dans le cadre d'une collaboration entre notamment le CSTB et BURGEAP (Figure 5). Ces entités Ils ont développé une chambre à flux dont l'objectif est de mimer les phénomènes qui se produisent dans un bâtiment notamment en termes de transferts de polluants à l'interface entre le sol et le bâtiment. Par méthodes calculatoires et de modélisation, le flux observé dans la chambre permet d'anticiper et prévoir le potentiel qu'ont les sols en présence à transférer des polluants vers l'air intérieur des futurs bâtiments qui prendront place sur le sol investigué. La boîte expérimentale joue donc un rôle dans la prévention des flux potentiellement toxiques pour les usagers ultérieurs des lieux.

Cette boîte est constituée d'acier et son principe est basé sur la circulation d'air. La perméabilité à l'air du bâtiment est simulée sur la chambre par la présence de 16 ouvertures de 4 mm de diamètre réparties à la surface de l'interface. De plus, un système d'extraction d'air a été mis en place sur la chambre afin de générer une dépression représentative de celle qui se passe dans un bâtiment. Cette chambre mesurera ainsi le flux d'air, la pression et la concentration en polluants via l'utilisation d'un PID. Cette méthodologie a été développée pour une source de contamination localisée directement sous le bâtiment, de 1 à 12 m de profondeur. Il n'a pas été étudié d'autres configurations.

Les premiers essais avec cette boîte expérimentale démontrent que :

* Elle peut permettre d'orienter d'une part le choix des aires les plus à même d'accueillir les constructions, d'autre part la sélection des zones sur lesquelles concentrer l'attention car les plus polluées et à même de transférer des contaminants ;
* L'usage est fortement limité par la sensibilité du dispositif aux conditions hygro-météorologiques. Ces dernières doivent être assez stables pendant la durée de la mesure. Les précipitations (donc le niveau de la nappe) influent sur l'analyse, tout comme la vitesse du vent (qui ne doit pas dépasser 2 m/s) ainsi que la température. Des difficultés pour mettre en œuvre ce dispositif en période hivernale peuvent donc être attendues ;

* Enfin, précisons que les concepteurs préconisent de maintenir la boîte expérimentale en place, à minima sur plusieurs heures. L'obtention des données n'est donc pas immédiate.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 5 : Principe d'une boîte expérimentale (Collignan, et al., 2020)</figcaption></figure>

### 4.1.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

Au global, les chambres à flux, sans même évoquer les développements innovants actuels, sont encore rarement employées en France sur les sites à dépolluer, mais représentent pourtant une réelle opportunité de réaliser un diagnostic semi-quantitatif rapide à la surface des sols (terre-plein, voirie, dallage...) de la composante tellurique du dégazage des sols (et/ou des nappes). Avec une chambre à flux à accumulation : la mesure dure environ 5 minutes, le temps que le capteur PID s'équilibre avec le milieu. Des applications mobiles permettent de préciser ce palier. Les mesures avec chambres à flux peuvent s'organiser selon une approche systématique maillée ou plus ciblée, notamment sur des hot spots avérés ou pressentis.

Avec la chambre à flux dynamique, la mise en œuvre est plus complexe : il faut transporter sur site les bonbonnes de gaz-vecteur qui sont sous pression et faire en sorte que la base de la cloche adhère correctement à la surface de pose, encore plus pour la chambre à flux dynamique qui entretien un flux à l'intérieur de la cloche de mesure, que pour la chambre à flux statique. Dans des conditions de chantier, parfois fortement poussiéreuses, obtenir des surfaces de pose propres pour éviter le colmatage du capteur peut s'avérer délicat et chronophage.

Les mesures semi-quantitatives PID peuvent être cartographiées, d'où un screening de l'emprise foncière à étudier, et permettre d'orienter par la suite des investigations plus fines.

Bien que certains écueils, comme l'influence de la topographie de surface sur l'adhérence entre la chambre et le sol, ne soient pas corrigés par les développements nouveaux (en particulier le Mobiflux), la capacité à investiguer plus rapidement et efficacement un site pourrait être une avancée significative. Il est possible que les développements innovants soient favorables à une extension de l'utilisation des chambres à flux au sens large.

Précisons toutefois que le manque actuel de cadrage normatif et l'absence de recommandations à l'échelle de la France sur les chambres à flux (au sens large du terme) est sans doute un frein dans la croissance à très court terme.
## 4.2 Apport de la chromatographie mobile en phase gazeuse et dispositifs associés

### 4.2.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

La GC mobile (Chromatographie gazeuse mobile) permet d'analyser le sol, l'eau, l'air ambiant et le gaz du sol (direct push). C'est une technique permettant de séparer des espèces organiques dans un mélange complexe, de manière à les identifier et les quantifier. Il s'agit d'une miniaturisation de dispositifs expérimentaux qui existent de longue date à l'échelle du laboratoire. L'objectif de la miniaturisation est de les rendre transportable sur un site à investiguer, sachant que la miniaturisation s'accompagne encore aujourd'hui d'une certaine perte de qualité du signal. Ainsi, le ratio entre signal détecté et bruit de fond est moins élevé que sur des dispositifs fixes de laboratoire et la reproductibilité des spectres de masse diminue (Marcillo, et al., 2023). Il doit être précisé que deux niveaux de miniaturisation des chromatographies phase gaz coexistent :

* Les GC portables qui pourraient, en théorie, être emmenées sur le terrain et seraient à même de résister aux conditions extérieures ;

* Les GC transportables : dispositifs qui peuvent être déplacées sur un chantier mais qui doivent impérativement être utilisés de manière abritée et sur une paillasse (typiquement en laboratoire mobile).

Pour donner quelques éléments de description technique, la GC mobile est connectée à une pompe à air qui aspire l'air ambiant ou l'air du sol. Les espèces volatiles vont être envoyées dans un injecteur. Il est important que la température de l'injecteur soit réglée à une température assez haute afin d'éviter aux molécules de se recondenser. Ensuite, les espèces volatiles vont se déplacer dans une colonne chromatographique, se trouvant dans un four, à l'aide d'un gaz porteur. En faisant varier la température de ce four, les espèces vont être éluées en fonction de leur température d'ébullition et de leur affinité avec la phase stationnaire de la colonne. En sortie de colonne se trouve un détecteur (sélectif ou universel) qui permet de connaître la nature des molécules analysées. La miniaturisation du système et son caractère portable tiennent particulièrement à la partie « colonne », avec une adaptation (i) de la longueur et (ii) de l'agencement au sein de l'appareillage.

Ainsi, les espèces sont séparées avec différents temps de rétention qui sont caractéristiques d'une molécule (en fonction des conditions d'analyses). Les aires obtenues sur le chromatogramme sont converties en concentration grâce à une droite d'étalonnage construite au préalable avec des molécules de la même famille que la substance analysée.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 6 : Schéma d'une chromatographie en phase gazeuse (Bitesizebio, 2022)</figcaption></figure>

La GC mobile peut être couplée à différents types de détecteurs (sélectifs ou universels) en fonction du type de composés à analyser :
* PID pour les composés aromatiques (BTEX);

* FID pour les hydrocarbures aliphatiques;

* ECD pour les composés chlorés (TCE et PCE);

* SAW pour les PCB ou COV;

* Spectrométrie de masse (MS) pour tous types de composés, qui nous intéressera particulièrement pour ce qui est des appareillages mobilisables en contexte SSP;

* DELCD pour les composés chlorés et bromés (faible teneur).

La GC mobile peut être couplée à un thermodésorbeur qui permet de dissocier, par la température, des composés chimiques (notamment de type polluants organiques) des phases solides auxquelles ils sont adsorbés.

C'est une technique qui s'applique à tous types de composés dont les points d'ébullition sont assez bas (volatils COVs et semi-volatils SCOVs) pour pouvoir être volatilisés sans être dégradés.

Différentes colonnes peuvent être utilisées et doivent être choisies en fonction de différents critères :

* la taille de la colonne : plus la colonne est courte, plus l'analyse sera rapide mais la séparation des différentes molécules sera moins bonne;

* le diamètre interne de la colonne : plus celui-ci est épais, plus les composés seront retenus et donc mieux séparés.

Il faut noter que les sols argileux seront peu propices à cette analyse étant donné leur caractère peu poreux et peu perméable. Dans le cas des gaz du sol ou de l'air ambiant, les résultats seront quantitatifs et l'expression des résultats sera convertie en mg/m³. Les chromatogrammes peuvent être extraits et téléchargés. Dans le cas de l'analyse des sols ou des eaux, les résultats seront semi-quantitatifs. Les échantillons devront être prélevés dans un contenant. Les substances semi-volatiles qu'ils contiennent seront analysées en reliant la GC mobile au contenant.

Une analyse standard dure entre 5 et 30 minutes en fonction des conditions d'analyses. Les systèmes rapides peuvent aller jusqu'à 30 secondes par analyse. Un blanc d'air ambiant ainsi qu'une calibration devront être effectués avant chaque utilisation. Le mélange standard comporte des BTEX et des VOCI. Les résultats sont obtenus en temps réels. Une des précautions à prendre avec la GC mobile est que l'étalonnage et les analyses doivent être effectués à une température fixe afin que tous les pics sortent toujours au même temps de rétention. Dès lors, dans le cadre d'une utilisation sur le terrain, il est préférable que le système soit embarqué et mis à l'abri (par exemple à l'arrière d'un véhicule). Les appareillages de type GC-MS mobiles sont également sensibles à certains paramètres environnementaux, en particulier l'humidité des sols. Il est à noter également que tous les appareils ne peuvent pas être utilisés dans des zones à atmosphères explosives (ATEX).

La GC mobile est très performante et permet de détecter les composés volatiles avec une limite de détection très basse comprise entre 0,005 et 0,05 ppm. La limite de détection sera plus basse encore dans le cadre d'un couplage avec spectromètre de masse en tant que détecteur. De plus, l'erreur de mesure doit être évaluée par une analyse en laboratoire sur des échantillons doublés.

Dans la suite du document, deux appareillages sont spécifiquement étudiés car étant d'ores et déjà commercialisés et bénéficiant d'une utilisation et de retours d'expérience relatifs dans le domaine des sites et sols pollués :

* Le dispositif EnISSA-MIP, produit par la société du même nom ;

* La GC-MS Torion-T9 du fabricant Perkin-Elmer.

Précisions que cette liste n'est sans doute pas exhaustive et que d'autres modèles pourraient potentiellement être mis en œuvre :

* La solution HAPSITE de la société INFICON ;

* L'appareil portable Griffin 510 ou 510E (version environnementale) de chez Flir ;

* Le FROG-5000 produit par la société Defiant Technologies ;
* Le X-pid 9000 / 9500 de la société Drager.

## 4.2.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

### 4.2.2.1 Système EnISSA-MIP

Le système EnISSA-MIP, développé par la société du même nom, est une technique permettant la détection de COV via l'utilisation d'une GC-MS couplée à un MIP dans les sols, les gaz du sol et les eaux souterraines. Ce système est intégré à un laboratoire mobile équipé d'une foreuse. Ainsi, des sondages directs peuvent être effectués à partir de la sonde MIP et analysés par la GC/MS tous les 30 cm de profondeur. Plusieurs centaines de points de données par jour peuvent être effectuées (30 cm/min). Il s'agit donc d'un appareillage qui peut augmenter considérablement le nombre de mesures par unité de temps comparativement aux techniques standards. Cette vitesse d'exécution est principalement due aux prélèvements automatisés à la foreuse. La sonde est équipée d'un dipôle EC qui permet de mesurer la conductivité électrique du sol et ainsi déterminer la structure du sol. Ce système peut aussi être combiné à un CPT ou un HPT. En fonction de la nature du sol à forer, les sondages peuvent être interrompus.

Du point de vue des polluants analysés, la GC-MS EnISSA a été optimisée pour la détection du perchloroéthylène et de ses dérivés. Le temps d'analyse est réduit à 1 minute lorsque seul ce type de polluant est en présence. Dans le cas d'un mélange plus complexes de composés inconnus, l'analyse pourra être allongée jusqu'à 4 ou 5 minutes et la fiabilité des résultats sera plus limitée. Lorsque le mélange de contaminants est peu courant, il est d'ailleurs préférable d'effectuer un test de faisabilité avant d'initier une campagne complète de mesures.

La limite de quantification est de 10 à 20 µg/L. Entre 10 et 1000 µg/L, la corrélation entre les mesures effectuées sur site et les données mesurées en laboratoire ont une bonne cohérence. Au-delà de 1000 µg/L, une dérive des résultats a été constatée par rapport aux analyses standards de laboratoire. Des phénomènes de saturation pourraient expliquer cette plus faible fiabilité à des concentrations élevées. Ainsi, pour les fortes teneurs, les résultats seront uniquement qualitatifs. La calibration se fait dans l'eau et donne des résultats semi-quantitatifs. Celle-ci sera plus compliquée dans les zones non saturée (sol) que dans les zones saturées (eau). Les résultats peuvent être données sous forme de graphique (Figure 7).

Au global, l'utilisation de cet appareillage apparaît comme conditionnée par divers paramètres : nature des polluants, concentrations maximales observées, niveau de saturation en eau du sol, etc.
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 7 : Résultats obtenus par la technique EnISSA MIP (Van de Putte, 2012)</figcaption></figure>

Un des intérêts majeurs de cette technique est l'analyse très rapide des teneurs en COV à différentes profondeurs. Ces mesures sont plus difficiles et plus longues avec d'autres techniques puisqu'il faut prélever un échantillon et l'analyser en laboratoire.

Le coût par jour pour une équipe de 2 personnes (1 foreur et 1 analyste) est estimé entre 4000 et 5000 euros ou entre 100 et 200 euros par mètre analysé. Des échanges en direct avec le fournisseur de la technique peuvent être envisagés pour une approche dynamique des résultats.

Cette technique a été appliquée afin de détecter la pollution en COV dans le sol et dans l'eau souterraine sur un site industriel (entreprise de Bavière).

### 4.2.2.2 GCMS Portable Torion T-9

La société Perkin Elmer commercialise une GCMS portable (Torion T-9) ainsi que des accessoires permettant de collecter un échantillon d'eau ou de gaz et de l'injecter directement dans le chromatographe (Figure 8).

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 8 : Photographie de la GC-MS portable Torion et de quelques accessoires (PerkinElmer, 2023)</figcaption></figure>

Le fabricant indique que cet appareil a une autonomie de 2,5 h et possède une cartouche d'hélium embarquée ce qui permet d'emmener l'appareil directement sur le lieu d'analyse, sans passer par un laboratoire mobile. L'expérience montre toutefois que, du fait du nombre de pièces dont est composé le dispositif et des consommables dont il faut disposer, il est préférable de travailler sous abri. Le temps d'analyse est très rapide : il faut 5 minutes pour analyser un échantillon. En effet, la colonne
5MS ne mesure que 5 m, son diamètre est de 0,1 mm et sa phase stationnaire a une épaisseur de 0,4 µm. Une spécificité importante de la GC-MS Torion est qu'elle ne possède pas de four, d'où la réduction de sa masse globale. Les résistances et sondes sont intégrées directement dans la colonne (Figure 9). La gamme de masse s'étale entre 41 et 500 uma ainsi les molécules à bas et hauts poids moléculaires ne seront pas détectées.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 9 : Schéma de la colonne 5MS présente dans le Torion-T9 (PerkinElmer, 2023)</figcaption></figure>

La GC-MS Torion peut être utilisé sans ordinateur mais la bibliothèque NIST sera moins complète et axée uniquement sur les molécules susceptibles d'être observées sur site. Avec l'utilisation d'un ordinateur et du logiciel Chromion, la base de données sera complète. Le fait que l'emploi de la Torion GC-MS soit amélioré lorsque connectée à un ordinateur invite également à privilégier un maniement dans un espace abrité implanté sur site.

Différents accessoires sont commercialisés par la société Perkin-Elmer avec la GCMS. Certains sont absolument requis pour une utilisation pleine du matériel. C'est le cas notamment des éléments qui permettent l'extraction des composés de la matrice solide du sol :

* **une SPME (Solid Phase Micro Extraction)** qui est composée d'une fibre exposée aux échantillons d'air ou d'eau avec un flux passif. Une fois que la fibre a capté les molécules à analyser, l'aiguille est désorbée directement dans l'injecteur du chromatographe. L'utilisation d'une SPME nécessite un temps de préparation de l'échantillon. Dans le cas d'une eau, la fibre sera immergée dans l'eau puis l'extrait sera injecté dans la GC. Ce prélèvement donnera lieu à des analyses uniquement qualitatives et permettra d'analyser les COV et BTEX. La sensibilité due à l'utilisation d'une seringue SPME sera de l'ordre de la dizaine de ppb. Le fonctionnement même du système SPME (fixation des polluants sur la fibre) peut être à l'origine de limites dans l'emploi du dispositif. Plusieurs effets peuvent être problématiques : encombrement maximal des sites d'adsorption sur l'aiguille (d'où une limitation pour de fortes concentrations en polluants), potentielle compétition entre les molécules dans le cas de mélange d'espèces ;

* **une seringue « Needle Trap »** qui permet une désorption thermale, à 80 °C, de l'échantillon avec un flux actif (utilisation d'une pompe pour faire un balayage de gaz). Les COV et BTEX des eaux, de l'air ambiant et du gaz du sol peuvent être analysés. Avec l'ajout d'un étalon interne, la quantification est possible. Les résultats obtenus avec la « Needle Trap » sont beaucoup plus sensibles que ceux obtenus avec une SPME (de l'ordre du ppb) ;

* **une station de préparation d'échantillon SPS-3** possèvant différentes fonctions (désorption, headspace, purge and trap, standard interne). Cette station sera notamment utile dans le cas d'analyse d'échantillons très dilués ou pour l'analyse des sols. La sensibilité avec une station de préparation sera de l'ordre du ppt ;

* le système « purge and trap » nécessite l'utilisation d'un flacon de 40 mL, chauffé à 80 °C, qui permet de libérer les COV et BTEX présent dans l'échantillon d'eau ou de sol. Une seringue « needle trap » permet de récolter les gaz obtenus et de les injecter dans le chromatographe ;
* Des tubes désorbeurs peuvent être utilisés. Ils peuvent être chauffés jusqu'à 300 °C. Ainsi, des composés plus lourds peuvent être analysés par cette méthode. Leur contenance va de 200 à 400 mg. De même que pour le « purge and trap », une « needle trap » est utilisée pour récolter les gaz émis et les injecter dans le chromatographe. Les COV et BTEX peuvent être analysés.

L'ensemble des systèmes d'extraction des polluants peuvent nécessiter (i) de l'espace pour les manipuler et (ii) des temps de préparation complémentaires – de l'ordre de quelques minutes. Du fait du nombre d'accessoires élevé, les retours d'expérience sur ce matériel tendent à montrer que les manipulations à effectuer sur le terrain sont, nécessairement, nombreuses. L'usage de la microextraction en phase solide (SPME) peut notamment s'avérer délicat.

Plusieurs retours d'expériences et amélioration du process sont référencés ci-après :

* L'équipe du LCE (Laboratoire Chimie Environnement) à Marseille a développé une méthodologie pour analyser les PCB via le Torion sur site. Dans un flacon, du permanganate de potassium couplé à de l'acide sulfurique est mélangé à un échantillon de sol. Le flacon est chauffé (150 °C) puis une seringue SPME vient extraire les gaz émis. Cela leur a permis de mettre en évidence la présence de 7 PCB indicateur dans des sols (Figure 10).

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 10 : Analyse d'un sol limoneux avec le Torion-T9 (Houssein, 2019)</figcaption></figure>

* Le Groupement d'Intérêt Scientifique sur les Friches Industrielles (GISFI) a montré par une utilisation approfondie du dispositif de terrain Torion-T9 dans le cadre du projet MONIC (MONItoring des gaz et des Contaminants organiques de sites pollués en cours de rémédiation) que cet appareillage permettait une identification et séparation satisfaisante des espèces moléculaires. En particulier lorsque deux températures différentes sont utilisées. Si cette « double -analyse » est retenue, la qualité du résultat se trouve donc améliorée, au détriment du temps passé par échantillon. En revanche, malgré un travail d'optimisation des protocoles, le Groupement considère que les analyses ne peuvent être considérées comme quantitatives à ce stade et sont « seulement » semi-quantitatives. Ces informations sont issues d'échanges oraux avec les personnes ayant réalisé l'étude.

* Des essais ont été conduits par des équipes australiennes pour optimiser le processus d'extraction avec la SPME (Wang, et al., 2021). Cette phase de collecte des polluants apparaît comme la plus sensible. La procédure a été modifiée permettant d'abaisser les limites de détection de 1000 µg/m³ de gaz à 100 µg/m³ gaz pour les trichloroéthylènes gazeux. Il s'agit donc d'une optimisation très particulière qui porte sur une seule nature de molécule et un unique type de matrice.

En somme, l'ensemble de ces exemples tend à démontrer la nécessité d'une bonne prise en main de l'appareillage (voire des adaptations de protocole par rapport à ce qui est suggéré par le fournisseur de matériel) pour une utilisation optimale du dispositif, voire adaptée aux polluants recherchés et à la matrice d'étude.

La GC/MS portable Torion T-9 apparaît relativement onéreux. Il coûte, à date, 106 700 euros sans accessoires. Un lot de 12 cartouches d'hélium coûte 3 332 euros. La station de préparation SPS-3
coûte 40 100 euros. Une seringue « Needle Trap » coûte 2 027 euros. Un kit de consommable comprenant notamment deux seringues SPME ainsi qu'un filament de rechange coûte 9 100 euros.

### 4.2.2.3 Tableau récapitulatif

Le tableau récapitulatif ci-dessous liste les appareils innovants, les matrices analysés, les types de polluants analysés, la gamme de mesure de l'appareil ainsi que sa commercialisation et son coût.

<table><caption>Tableau 2 : Tableau récapitulatif des techniques utilisant la GC-MS (RECORD, 2023)</caption><thead><tr><td>Appareil</td><td>Matrice</td><td>Type de polluant</td><td>Gamme de mesure</td><td>Coût / Commercialisation</td></tr></thead><tbody><tr><td>ENISSA</td><td>Sol, gaz du sol, eau souterraine</td><td>COV</td><td>10 – 1000 µg/L<br>Au-delà : dérive</td><td>Société ENISSA<br>4000 – 5000 euros/jour<br>Ou 100 – 200 euros/m²</td></tr><tr><td>Torion</td><td>Selon accessoire : sol, gaz du sol ou eau souterraine</td><td>Selon accessoire : COV uniquement ou COV et BTEX</td><td>Limite de détection, selon l'accessoire : de l'ordre de la dizaine de ppb au ppt</td><td>Perkin – Elmer<br>Sans accessoire : 106 700 euros</td></tr></tbody></table>

### 4.2.2.4 Autres appareils disponibles sur le marché

D'autres appareillages de type GC-MS portable, non étudiés en détails dans le présent rapport peuvent également être cités. C'est le cas notamment des dispositifs suivants :

* **Le Griffin G510 développé par la société Teledyne FLIR :**

Cette GC-MS est décrite comme robuste par le constructeur et présente la particularité de nécessiter des installations d'abri bien moindres que les matériels présenter précédemment. Le matériel se compose d'un unique bloc permettant de (i) faire les prélèvements, (ii) réaliser la mesure au travers de la colonne de chromatographie et du spectromètre de masse et (iii) lire la mesure sur un écran intégré au dispositif. Comparativement au Torion notamment, ce matériel présente la particularité de disposer d'un préleveur de gaz interne au matériel. En d'autres termes, pour analyser les composés organiques contenus dans les gaz, il n'est pas nécessaire de mettre en œuvre des accessoires de type SPME. Les prélèvements d'échantillons sont, de fait, rendues plus rapides avec un niveau de détection pouvant descendre jusqu'au ppt pour l'analyse des composés individuels. Du point de vue de la formation et la certification des opérateurs, il est estimé qu'une dizaine d'heures de cours sont requises pour être en apte à manipuler de manière adéquate le Griffin G510 (Lourenço, et al., 2021).

* **Le HAPSITE développé par la société INFICON Inc. :**

A ses origines, soit dans le courant des années 2000, l'appareillage HAPSITE de INFICON a été développé en ciblant particulièrement les analyses de gaz. En effet, le mot HAPSITE correspond à une contraction des mots Hazardous Air Pollutants on SITE (Leary, et al., 2021). Comme pour le système Griffin G510, le principal avantage du matériel HAPSITE porte principalement sur l'analyse des polluants contenus dans les gaz et vapeurs. Le prélèvement est direct et ne requiert pas d'accessoire complémentaire. Les résultats obtenus sur cet appareil tendent à montrer que les résultats sont particulièrement précis mais que des interférences notables peuvent apparaître en particulier pour des mélanges de polluants multi-espèces, en particulier les HAPs dont le signal peut être confondu avec des molécules de type alcanes ou BTEX (Lourenço, et al., 2021)
### 4.2.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

La technologie de la GC-MS est bien connue en laboratoire (appareillage de paillasse) et l'on présente ici une technologie déportée sur laboratoire mobile, avec des possibilités de dresser des coupes précises de concentrations en polluants, COV en particulier. L'approche semble assez identique à celle classiquement pratiquée par des mesures à la foreuse géoprobe couplée à des détecteurs in situ PID (BTeX), FID (aliphatiques), DELCD (halogénés). Le principal avantage de la GC-MS mobile est de pouvoir faire une distinction fine entre les différents types de molécules contaminantes. Outre l'identification, la semi-quantification des espèces contaminantes (voire la quantification dans une certaine mesure) apparaît possible. La GC-MS, sous réserve d'adopter des procédures d'utilisation adéquates, pourrait donc trouver un emploi de terrain au-delà du « simple » screening et ciblage de zones d'intérêt. Toutefois, les retours d'expérience démontrent le caractère critique des opérations d'extraction des polluants. La totalité de la chaine doit donc être bien maîtrisée pour atteindre des données chiffrées fiables et valorisables.

## 4.3 Direct Sampling Ion Trap Mass Spectroscopy (DSITMS)

### 4.3.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

Le DSITMS (Direct Sampling Ion Trap Mass Spectrometry) est une technique de détection rapide de COV et de semi-volatils SCOV présents dans le sol, l'eau souterraine ou encore dans la phase gazeuse du sol. L'introduction de l'échantillon dans l'appareil peut se faire directement sur site, après purge à l'hélium via par exemple un tube capillaire ou une membrane polymère. Les gaz sont envoyés dans un spectromètre de masse à piège à ions (ITMS). Une source d'ionisation permet tout d'abord le passage des molécules sous forme ionique. Les COV sont ensuite analysés par un quadrupôle puis détectés par un multiplicateur d'électrons.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 11 : Principe d'un DSITMS (U.S. Department of Energy, 1998)</figcaption></figure>

Différents modules d'introduction d'échantillons peuvent être attachés à l'entrée de l'ITMS au moyen d'un système de connexion rapide.
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 12 : Différents modules d'introduction pouvant être connectés au tube capillaire (U.S. Department of Energy, 1998)</figcaption></figure>

Les composés organiques volatils dans l'air peuvent être surveillés en temps réel (approche de type monitoring) ou peuvent être analysés par prélèvement sur des pièges adsorbants solides suivis d'une désorption thermique dans l'Ion Trap – Mass Spectrometer.

Préalablement aux mesures, l'appareil doit être étalonné pour chaque analyte dosé. Cet appareil est utilisé pour des screenings semi-quantitatifs, des analyses semi-quantitatives d'échantillons préalablement caractérisés et pour établir la présence ou absence de COVs. Les limites de détection sont de 0,01 à 0,03 ppm dans les sols, 5 à 10 ppb dans les eaux et 50 à 100 ppb dans les gaz du sol. Les mélanges complexes seront difficiles à interpréter à cause de composés interférents la détermination quantitative de certains composés. Une indication visuelle du genre et de la quantité des polluants est disponible immédiatement.

Tous types de profondeurs peuvent être analysées (depuis les couches superficielles jusqu'à plus de 15 m de profondeur) en combinant le DSITMS avec des techniques de forage alternatives (direct push, in situ sampling).

Pour l'analyse des gaz du sol ou des eaux souterraines, aucune préparation de l'échantillon ne sera nécessaire. Au contraire, pour l'analyse des sols, de l'eau distillée devra être ajoutée. Cette suspension sera ensuite analysée.

### 4.3.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

Cette technologie a été créée en 1998 par la société Triad Environnemental Solutions. Il semble que cette société soit désormais fermée et que les travaux sur cette technologie n'aient pas été poursuivis.
Au tournant des années 2000, cette méthode semblait toutefois présenter un intérêt relatif puisque le Département de l'Energie avait rédigé une note méthodologique dédiée relative à ce dispositif et son caractère innovant.

### 4.3.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

Cette méthode pourrait, en théorie, présenter un certain intérêt puisqu'elle est rapide, sans préparation particulière d'échantillons, quantitative (ou semi-quantitative suivant l'utilisation) et peut être conduite en continue. Elle présente cependant des limites de détection relativement élevées pour les gaz du sol, puisqu'un seuil de 50 ppmv pour le benzène, par exemple, correspond à 162 µg/m³ qui reste largement supérieur aux valeurs R1, R2 et R3 de référence dans l'air ambiant et aux seuils de détection obtenus par d'autres techniques de prélèvement et de mesure. L'analyse dure moins de cinq minutes et est économiquement plus intéressante que d'envoyer des échantillons au laboratoire.

Cette technique apparaît comme une amélioration sur des techniques semi-quantitatives moins performantes, mais ne semble pas avoir trouvé le développement qu'elle attendait. Plusieurs freins à son développement sont envisageables :

* Cette technologie se situe entre les approches semi-quantitatives et les techniques de mesures précises en laboratoires. Passer à une utilisation purement quantitative requiert de calibrer l'appareillage pour chaque molécule, opération relativement fastidieuse. Dès lors, l'usage principal du DSITMS est un screening semi-quantitatif ;

* L'appareillage est inadapté aux mélanges complexes multi-polluants.

De plus, même si la mesure avec le DSITMS était « directe », le dispositif global pouvait sembler relativement lourd. L'étude d'une bibliographie plus large tend à démontrer que la technologie IT-MS est encore d'actualité (plutôt à l'échelle du laboratoire). Il se pourrait qu'elle revienne sous une autre forme, dans le futur, pour l'analyse sur site en contexte SSP.

## 4.4 Imagerie hyperspectrale couplée à l'intelligence artificielle

### 4.4.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

L'imagerie hyperspectrale est une technologie utilisée dans des champs d'application et des industries multiples. Elle est en cours de déploiement dans le domaine des SSP. Sur le principe, une caméra hyperspectrale est en mesure d'acquérir l'intensité lumineuse émise par une surface, par exemple, de sol, à différentes longueurs d'ondes. La plupart du temps, les modèles de caméras hyperspectrales sont capables de récolter les intensités dans les domaines de longueur d'onde du visible et du proche, voire moyen, infrarouge. En d'autres termes, la gamme de longueur d'onde de travail s'étale environ entre 400 et 1000 nm. La résolution, liée à la taille du pixel sur lequel les intensités sont collectées, est généralement élevées (quelques nanomètres à micromètres).

Une imagerie des sols (ou de tout autre objet) peut être obtenue via ces caméras hyperspectrales. Dans les développements actuels au sein des SSP, plusieurs modèles existent :

* Imagerie sur des **coupes longitudinales de carottes de sols**. Dans ce cas, des sondages carottés sont nécessaires et traités sur le chantier ;

* Imagerie à partir de caméras **embarquées**, par exemple sur des drones (voire des satellites). Dans ce cas, ce sont les polluants surfaciques (ou sub surfaciques) qui peuvent être repérés.

L'extraction brute de la caméra, à savoir l'image hyperspectrale d'un sol, ne rend pas compte de la contamination d'un sol par tel ou tel polluant. En revanche, en combinant les données d'intensité par longueur d'onde avec des concentrations en polluants d'intérêt, il est possible d'aller vers une quantification et un mapping des espèces contaminantes. Ce processus passe donc par de l'apprentissage-machine. L'imagerie hyperspectrale appliquée aux sites et sols pollués est donc intimement liée aux développements dans le secteur de l'intelligence artificielle.
D'une manière générale, l'utilisation de l'imagerie hyperspectrale dans le domaine des sites et sols pollués peut être résumée selon le diagramme ci-après :

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Figure 13 : Schéma général de fonctionnement de l'imagerie hyperspectrale (RECORD, 2023)**</figcaption></figure>

Plusieurs développements autour de l'imagerie hyperspectrale dans le domaine des SSP peuvent être cités. Un focus spécifique sera fait par la suite sur la technologie « Hyperspectral lab » développée par la start-up française Tellux. Notons auparavant que d'autres travaux significatifs concernant l'utilisation de l'imagerie hyperspectrale dans le domaine des sites et sols pollués peuvent être mentionnés :

* Wei et al., en 2021, ont montré qu'une caméra hyperspectrale embarquée sur un drone pouvait être utilisée pour la détection et la représentation cartographique de la pollution en arsenic total sur des emprises contaminées en Chine. L'imagerie est combinée à une intelligence artificielle / réseau de neurones. Les coefficients de corrélation R² entre la modélisation fondée sur l'hyperspectre et les méthodologies de dosage de référence sont compris entre 0,87 et 0,90. Dans ce cas d'étude, la méthodologie s'applique sur un sol relativement dépourvu de végétation (Wei, et al., 2021) ;

* Plusieurs auteurs ont montré que la végétation pouvait également faire l'objet d'images aéroportées en hyperspectral et être utilisée pour la détection des polluants. Cela tient à la capacité des plantes à prélever les espèces contaminantes du sol (constat valable principalement pour les éléments-traces). A certaines longueurs d'onde, le spectre du végétal peut être modifié du fait de la présence des contaminants dans les parties aériennes de la plante. La plupart des travaux sont encore à l'état de recherche scientifique. Les réponses spectrales obtenues sur les végétaux sont en effet multifactorielles : dépendance au cycle du végétal, sélection des longueurs d'onde les plus adaptées, etc (Zea, et al., 2022) (Lassalle, et al., 2021) (Maliki, et al., 2012).

## Focus développement innovant : Hyperspectral lab

L'Hyperspectral Lab (solution développée par la société Tellux) repose sur de l'imagerie hyperspectrale et de l'intelligence artificielle afin de spécifier la présence d'espèces polluantes contenues dans les sols, leur répartition ainsi que leur concentration. Du point de vue du principe de fonctionnement, la caméra hyperspectrale (modèle commercial) enregistre l'intensité de la lumière réémise par une coupe de sol, sous forme de sondage carotté, exposée à une lumière blanche aux différentes longueurs d'ondes, dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Le spectre issu de cette lumière réémise est caractéristique des propriétés du sol : granulométrie, humidité, fracturation mais aussi concentrations en certains polluants. Ces données collectées en haute résolution sont ensuite traitées par intelligence artificielle. Les données acquises sur chaque site investigué sont anonymisées et enregistrées dans la base de données pour permettre d'accroître le volume de ressources mobilisables par l'IA, d'où une analyse de plus en plus précise au fur et à mesure des campagnes d'investigation (principe du machine-learning et de l'auto-apprentissage).

Il doit donc être retenu qu'il s'agit d'une analyse non destructive de la matrice sol. L'échantillon testé est donc conservé à l'issue de l'analyse. La carotte de sol peut être analysée sur-site sous réserve que le dispositif complet (caméra hyperspectrale et bâti de mesure) soient transportés sur place, par exemple à l'arrière d'un camion. Cette technique est, dans l'état actuel des développements,
principalement **applicable aux hydrocarbures totaux**. Pour les HAP et les organochlorés seule leur présence peut être signalée au stade actuel des développements. Du point de vue du rendu, une imagerie de la carotte est obtenue avec un différentiel de teinte et d'intensité en fonction de la teneur en polluant, d'où une cartographie de l'échantillon de sol en coupe longitudinale.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 14 : Prise de vue d'une acquisition d'image hyperspectrale de carotte de sol sur bâti dédié (La Tribune, 2022)</figcaption></figure>

* Avant l'intervention, des prélèvements de sols sont réalisés et font l'objet d'analyses en laboratoire selon des méthodes de référence afin de calibrer l'appareil et pouvoir tirer, in fine, des données quantitatives ;

* L'installation du laboratoire mobile sur site comportant la caméra hyperspectrale, son bâti et le banc de mesure associé ;

* Une formation relative à l'utilisation du dispositif, y compris le programme informatique associé ;

* Le forage en mode carottier au droit des zones à investiguer (ou échantillons de sols excavés dans des barquettes en aluminium) ;

* L'acquisition des images hyperspectrales sur coupes longitudinales de carottes ;

* Le traitement des données enregistrées par l'intelligence artificielle ;

* La mise en correspondance du rendu de l'intelligence artificielle et des analyses standard de laboratoire permettant des recalibrations, a posteriori.

Du point de vue des temps à passer pour conduire les analyses avec le dispositif de l'hyperspectral lab, l'obtention des spectres en tant que telle est de l'ordre de quelques minutes par carotte. Toutefois, doivent nécessairement entrer en ligne de compte : le temps d'installation du dispositif sur site, la réalisation des sondages carottés, la durée de traitement des images hyperspectrales ainsi que le délai de retour des analyses de laboratoire.

Sur site, cette méthode est, à ce stade, qualifiée de semi-quantitative (comparaison de points les uns par rapport aux autres, dans une logique de screening par exemple). Pour basculer vers du quantitatif, des calibrations avec des échantillons caractérisés en laboratoire sont nécessaires. Le délai de réponse est alors celui d'une analyse de paillasse.

En ce qui concerne le modèle économique, la start-up Tellux peut intervenir directement auprès des maîtres d'ouvrage gestionnaires de foncier mais œuvre de plus en plus auprès des bureaux d'étude depuis 2021. Un catalogue a été mis en place par Tellux avec différents niveaux de prestation (en fonction du niveau d'implication de Tellux, en particulier sur le terrain :

* Solution « Clé en main » : Les prélèvements et analyses sont réalisés par Tellux ;
* Analyse : Seules les analyses sont réalisées par Tellux

* Mise à disposition sur une longue durée : formation par Tellux et location de l'Hyperspectral Lab.

### 4.4.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

Plusieurs commentaires peuvent être formulés au sujet du développement technique de l'hyperspectral lab de Tellux :

* Comme beaucoup de techniques d'analyses rapides sur site, il est nécessaire d'avoir de gros volumes de terres et/ou une vaste emprise à caractériser afin que la location et la formation des équipes pour utiliser l'Hyperspectral Lab soit rentable à l'échelle d'une affaire. Cette observation découle d'échanges oraux avec la société Tellux. En d'autres termes, pour une surface de taille modeste, avec peu de points, il est préférable du point de vue des coûts de réaliser des prélèvements de matériaux et les transférer dans les locaux de la start-up. Dès lors, la solution perd son caractère « sur site » ;

* En amont de la campagne d'investigation (ou pendant), quelques échantillons doivent être envoyés en laboratoire pour permettre de calibrer et/ou valider a posteriori les résultats obtenus par l'Hyperspectral Lab et son association avec l'intelligence artificielle. Les teneurs précises mesurées pour chaque polluant ne peuvent être connues qu'à l'issue de ces analyses. En revanche, une fois l'appareil calibré pour le site étudié (prise en compte des paramètres de matrice comme la granulométrie et l'humidité), les résultats chiffrés sont obtenus rapidement (quelques secondes après le scan de la carotte). Dans ce cas, il est a minima possible de faire du comparatif entre zones et donc de cibler les prélèvements et investigations traditionnelles. Des échanges avec un industriel ont démontré que, sans calibration, la première estimation de la teneur en hydrocarbures totaux fournie sur site est assez peu fiable. Le réétalonnage, effectué a posteriori, en tenant compte de résultats de laboratoire selon des méthodes standardisées est nécessaire ;

* A noter également que, même si cette technique peut être utilisée pour sectoriser le site et déterminer les aires à enjeu, elle reste fortement dépendant de la capacité des forages à « rencontrer la pollution ». Des retours d'expérience ont montré que, malgré des moyens considérables de forage mis en place sur site, des pollutions aux organochlorés n'avaient pu être recoupées ;

* Cette technique étant fondée sur de l'auto-apprentissage, plus le nombre de sites investigués sera important, plus la base de données comparative sera riche et moins les essais en laboratoire seront nécessaires pour aller vers du quantitatif. A ce stade, elle a été mise en application sur quelques sites pilotes, notamment pétroliers et industriels ;

* Les données obtenues permettent d'obtenir un maillage vertical très fin (une concentration est calculée pour chaque pixel) permettant de localiser très précisément la pollution, sa quantité et sa profondeur. De plus, le rendu est relativement « visuel » avec une forme de cartographie en deux dimensions ;

* Le savoir-faire et le cœur des développements résident non pas dans l'objet caméra hyperspectrale mais dans le traitement de la donnée.

### 4.4.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

A l'étude depuis 3 ans, l'Hyperspectral Lab est une technologie prometteuse en termes d'analyse rapide sur site. Des limites sont toutefois à souligner :

* A ce jour, seul le diagnostic de contaminations en hydrocarbures totaux est à un niveau de développement suffisamment avancé pour une utilisation large. L'utilisation pour les HAP, les COVs et les organochlorés en est encore à ses débuts. Pour chaque contaminant, des développements informatiques sont requis pour traiter la donnée hyperspectral. L'un des principaux enjeux est « éliminer » les effets liés par exemple aux paramètres de matrice ;
* En fonctionnement sur site, le caractère semi-quantitatif peut, pour certaines applications, être limitant. Ainsi seule une approche de type « screening » et ciblage des aires à enjeu semble aujourd'hui envisageable avec l'hyperspectral lab ;

* Pour certains paramètres, notamment le dosage des hydrocarbures volatiles et semi-volatiles, Tellux propose de faire un différentiel entre imagerie sur carotte fraichement découpée et sur carotte laissée à l'air libre pendant une certaine durée. Cette approche semble très empirique, en reposant sur des principes physiques peu maîtrisés ;

* Le dispositif pour une utilisation complète sur site est relativement lourd à déplacer. Ce développement technique doit uniquement s'envisager à grande échelle ;

Malgré les quelques limites listées précédemment, ce développement technologique innovant trouve de réelles applications pour des diagnostics sur un très gros volumes de reconnaissance, qui peuvent permettre d'engager des moyens conséquents de carottage, sur de vastes emprises de plusieurs hectares, pour isoler à la fois en plan les secteurs et les strates impactées.

Lorsqu'un site a fait l'objet d'une bonne préparation avant la campagne d'investigation, il est possible d'obtenir la localisation précise des polluants et leur profondeur. La quantité de terres reconnues impactées sera donc minimisée, tout comme les coûts de gestion de déblais ou de dépollution des terres.

L'hyperspectral lab de Tellux constitue un exemple probant des bénéfices que peuvent apporter l'intelligence artificielle aux SSP.

## 4.5 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

### 4.5.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

La technique de la Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) existe depuis quelques dizaines d'années et consiste à focaliser un laser sur un matériau à analyser. Cela conduit à l'ablation partielle de ce dernier par fusion puis vaporisation au niveau du point focal. En effet, le laser, en entrant en contact avec l'échantillon, va échauffer la matière et créer un plasma. Les atomes et ions présents dans l'échantillon caractérisé passent de l'état fondamental à l'état excité. Le retour à l'état fondamental, lors du refroidissement du plasma, s'accompagne de l'émission de photons spécifiques à une longueur d'onde donnée et donc caractéristiques d'un élément chimique. Les spectres d'émission obtenus – liés aux photons générés et communément qualifiés de « spectres LIBS » – sont analysés à l'aide d'un spectromètre mesurant le domaine de l'UV et du visible, ce qui permet d'analyser qualitativement et quantitativement la composition atomique élémentaire de l'échantillon.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 15 : Schéma représentant le principe du LIBS (Réseau LIBS France, 2023)</figcaption></figure>
Reposant entièrement sur des principes optiques, cette technique permet de réaliser rapidement des analyses chimiques élémentaires sans contact avec l'échantillon. Elle est donc particulièrement adaptée à l'analyse hors du laboratoire. Etant donnée la surface et la profondeur atteintes par le rayonnement laser ainsi que la faible quantité d'échantillon passant en plasma, la méthodologie peut être qualifiée de non-destructive.

Plusieurs modèles de LIBS portable sont actuellement disponibles sur le marché. Certaines des LIBS permettent, selon le fabricant, d'analyser la totalité des éléments du tableau périodique. A l'inverse, pour certains appareils, il est précisé qu'ils sont focalisés sur une fraction particulière de la classification (souvent les éléments métalliques). Les applications de la LIBS sont nombreuses. Ces appareillages se retrouvent particulièrement dans le domaine de la prospection minière ou, en règle générale, des espèces métalliques sont recherchées.

La mesure avec un analyseur LIBS portable est in-situ. En théorie, aucune préparation n'est nécessaire pour des analyses d'échantillons en surfacique et la mesure est très rapide. La lecture du résultat se fait donc en quelques secondes. L'appareillage et le mode de prélèvement doivent être adaptés au type d'échantillon (roche dure, boue, etc.). Cependant, les sols étant par nature très hétérogènes, la zone analysée n'est que rarement représentative de l'ensemble de l'échantillon. Il est donc commercialisé des kits de broyage des échantillons à mettre en œuvre sur le terrain afin d'obtenir un échantillon homogène et représentatif d'une zone investiguée. Cette préparation relativement minime du matériau est supposée améliorer la qualité de réponse de l'instrument par rapport à des mesures ponctuelles en surface. Si l'analyse est faîte sur une poudre, il est nécessaire de sécher l'échantillon et de confectionner une pastille. Si l'analyse est faîte sur un échantillon liquide, il est possible d'accumuler les tirs de façon à abaisser les limites de détection (jusqu'à quelques centaines de ppb). Dans l'absolu et dans une approche purement théorique, la LIBS est une technique utilisable dans toutes les conditions (température, pression, etc.) et en direct sur la matrice à analyser. Selon ces considérations, la LIBS est extrêmement flexible, versatile et adaptable (Gandiuso, et al., 2010).

Sur site, cette méthode est quantitative ou semi-quantitative : la quantité d'énergie émise pendant le refroidissement est proportionnelle à sa concentration mais l'appareil nécessite une calibration en fonction de chaque site avec des étalons ou des échantillons représentatifs. Les résultats semi-quantitatifs permettent de repérer les zones à investiguer plus précisément avec des analyses en laboratoire.

D'une manière générale, il peut être retenu que la limite de détection de la LIBS annoncée par les constructeurs se situe autour 10 ppm pour la plupart des modèles portables sur le marché. Cependant, il s'avère que des variations notables dans les limites de détection existent en fonction de l'espèce chimique d'intérêt et en fonction des paramètres de matrice.

### 4.5.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

Au global, les applications les plus fréquentes de la LIBS portable sont dans le domaine des minerais et de la prospection minière. Dans le domaine des SSP, l'utilisation de cette technologie est encore très rare. Des projets de recherche appliquée ont toutefois vu le jour en France dans les 10 à 15 dernières années, portés notamment par le BRGM et l'ADEME : projet Calipso (2010-2013) suivi du projet ESOPOL. Bien que le programme n'ait pas pu être déroulé dans son intégralité pour cause de (i) cessation d'activité du fournisseur de matériel LIBS (société IVEA localisée en Ile-de-France, voir **Figure 21**) et (ii) aléas de la pandémie Covid, des retours d'expérience décrits comme relativement encourageants par le BRGM sont à rapporter :

* Des adaptations ont été nécessaires pour rendre applicable un instrument de mesure commercial et « grand public » au domaine des sites et sols pollués ;

* Le bon fonctionnement du dispositif a été démontré pour les éléments Pb, Fe, Zn et Cu tandis que des travaux étaient en cours sur Cd, Mn, Ni et Cr à l'achèvement du projet de recherche ;
* Le retour d'expérience montre seuils de détection atteints étaient variables suivant les éléments avec un facteur 60 entre la limite de détection la plus faible et la plus élevée (entre 10 et 600 ppm) ;

* La préparation de l'échantillon se résume à un pressage (préparation d'une pastille de sol). Cette opération permet d'une part d'éliminer suffisamment d'eau pour la mesure, ce qui permet de s'affranchir d'un séchage, et d'autre part d'obtenir une surface lisse. Les résultats étaient peu fiables sans une opération de préparation minimale du matériau sol à caractériser ;

* Des développements en collaboration avec la société ESTIMAGES ont permis de combiner le LIBS avec un outil de géolocalisation, offrant des possibilités de représentation cartographique de la distribution des polluants.

Le projet ESOPOL n'ayant pas pu être poussé à son terme, l'étape d'utilisation du dispositif par des bureaux d'études n'a pas été réalisée. Les seuls retours d'expérience proviennent des mesures effectuées dans le cadre du développement de l'outil.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 16 : Matériel portable LIBS produit par la société IVEA – aujourd'hui close (Vors et al., 2016)</figcaption></figure>

A noter que l'achat d'un appareillage portable LIBS demeure actuellement onéreux (en moyenne 25 000 € HT). De plus, le projet ESOPOL a démontré qu'une prise en main détaillée est requise. Dans le cadre de besoins ponctuels la location peut être plus intéressante pour les bureaux d'études (en moyenne 500 € HT/j).

### 4.5.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

La technologie d'une LIBS portable s'applique uniquement aux éléments chimiques et non aux molécules contaminantes organiques (donc polluants de type ETM). Son efficacité et sa précision dépendent éminemment de la nature de l'élément chimique. Il apparaît notamment que XRF et LIBS peuvent avoir des réponses très variables pour un même élément chimique et que, dès lors, ces deux technologies pourraient être complémentaires sur le terrain plutôt que concurrentes. Les coûts engendrés pour balayer l'intégralité du panel des éléments chimiques à investiguer seraient, de fait, conséquents. A titre informatif, au sein de la classification périodique des éléments, il apparaît que la LIBS présente une réponse plus réduite pour les éléments suivants : arsenic, sélénium, fluor et chlore (Travaillé, 2010).

Une des problématiques principales de la LIBS est l'altération du signal lorsque l'échantillon est humide. Il apparaît que des solutions alternatives à la dessication par chauffage (énergivore et potentiellement chronophage) peuvent exister. Le pastillage avec expulsion, par la pression, d'une partie de l'eau est une option retenue par le projet ESOPOL qui assure un compromis assez pertinent
entre temps requis pour préparer le matériau et fiabilité des données. Avec une préparation poussée de l'échantillon (séchage, broyage et pastillage), des résultats analogues à ceux obtenus après mise en solution à l'ICP-MS peuvent être acquis avec la technologie LIBS (Ambushe, et al., 2015). De telles conditions de préparation semblent toutefois peu cohérentes avec les attentes de résultat rapide. Développer des outils de traitement de la donnée LIBS pointus et des modèles peut permettre d'aboutir à un niveau de précision « quantitatif », y compris pour des échantillons de sols humides (Xu, et al., 2021). Le post-traitement du signal LIBS acquis sur le terrain, en particulier dans une optique de détermination des teneurs en éléments-traces métalliques contenus dans les sols, constitue une étape majeure. Tout l'objet est de parvenir à prendre en compte les effets de matrice au sein du spectre (Movahedrad, 2020).

Dans le domaine des SSP, la technologie LIBS reste (encore) très peu utilisée, du fait de cette spécialisation, mais certainement aussi, à cause des seuils de détection, indiqués à 10 ppm, qui restent supérieurs aux valeurs du bruit de fond géochimique génériques sur le mercure, le cadmium par exemple (respectivement à 0,1 ppm et 0,45 ppm pour des sols dits ordinaires) : ces deux composés sortent ainsi de la liste des composés analysés, ce qui restreint le champ d'application de la technologie appliquée aux SSP, pour apprécier des composés aux seuils génériques plus élevés (Cu, Zn,...).

## 4.6 Spectrofluorimétrie UV couplé à une sonde microfluidique

### 4.6.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

Le spectrofluorimètre UV couplée à une sonde microfluidique est composé d'un capteur à immersion permettant la surveillance des concentrations en hydrocarbures (HAP et HCT) dans la matrice eau du sol.

Le principe de la spectrofluorimétrie repose sur l'analyse de la fluorescence (émission d'un photon) d'un échantillon soumis à un faisceau de lumière émettant dans les longueurs d'onde de l'ultraviolet. Le photon incident amène à une excitation des molécules. La relaxation qui fait suite est associée à l'émission d'un nouveau photon. L'analyse de l'énergie / la fréquence des photons émis par fluorescence renseigne sur la nature et la concentration des espèces en présence. La longueur d'onde de la lumière réémise permet de déterminer la molécule à son origine. Cette technologie, couplée à une sonde microfluidique à immersion, permet de récolter des données sur la pollution des eaux souterraines. Ces dispositifs sont à l'œuvre depuis plus longtemps dans le domaine du suivi du traitement de l'eau.
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 17 : Principe de la spectrofluorimétrie (Gregersen, 2014)</figcaption></figure>

Selon les données du fournisseur, cette technique ne nécessite aucune calibration sur site. Une calibration doit être effectuée tous les 24 mois.

La sonde peut fonctionner 24h/24h ou être raccordée à une valise batterie pour pouvoir effectuer des campagnes de mesure sur des intervalles de temps ciblées. Ces détecteurs hydrocarbures peuvent être suspendus dans un regard de collecte, montés sur un système by-pass grâce à une cellule de passage ou fixés sur un flotteur pour un suivi en surface où les huiles décantent rapidement en surface de l'eau (masse volumique moins dense que celle de l'eau). Si les paramètres investigués par cette technologie sont principalement les HAP et les HCT, certaines sondes peuvent, au besoin, être calibrées pour détecter spécifiquement les BTEX.

## 4.6.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

### Focus développement innovant : Sondes TriOS

Deux versions des sondes sont sorties sur le marché (Figure 18) et sont fabriqués par Trios, l'une portant le nom commercial microFlu, l'autre étant nommée enviroFlu. Plusieurs revendeurs sont présents en France : Aquams, Bionef...

Des évolutions ont pu être apportées par le fabricant grâce aux retours d'expériences utilisateurs.

* La sonde microFlu est plus sensible que les méthodes de diffusion ou d'absorption IR classiques et permet donc de mesurer précisément des concentrations plus faibles de polluants.

* La sonde enviroFlu est beaucoup plus sensible que la sonde microflu. Elle permet d'atteindre des niveaux de détection très bas et une très grande précision de mesure notamment pour l'analyse de l'eau potable. Une sonde enviroFlu spécialisée dans l'analyse des BTEX a été développée (enviroFlu BT).
<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 18 : Sondes MicroFlu et EnviroFlu (Aquams, 2023)</figcaption></figure>

La sonde MicroFlu est la nouvelle version sortie en fin d'année 2021. Elle fonctionne avec une LED à la place d'une lampe au xénon ce qui la rend plus robuste mais moins sensible. Les gammes de mesures des différentes sondes sont regroupées dans le **Tableau 3**. La calibration est effectuée avec du phénanthrène.

<table><caption>Tableau 3 : Gamme de mesure des différentes sondes (RECORD, 2023)</caption><thead><tr><th>Type de sonde</th><th>MicroFlu</th><th>EnviroFlu-HC 500</th><th>EnviroFlu-HC 5000</th><th>EnviroFlu-BT</th></tr></thead><tbody><tr><td>Gamme de mesure HAP (ppb)</td><td>0 - 5000</td><td>0 - 50<br>(0 - 500 par rapport au phénanthrène)</td><td>0 - 500<br>(0 - 5000 par rapport au phénanthrène)</td><td>Anisole : 20 - 10 000 µg/l<br>p-Xylène : 60 - 10 000 µg/l<br>Toluène : 0,25 - 130 mg/l<br>Benzène : 2 - 1000 mg/l</td></tr><tr><td>Gamme de mesure Huile (ppm)</td><td>0 - 150</td><td>0 - 1,5</td><td>0 - 15</td><td>-</td></tr><tr><td>Limite de détection HAP (ppb)</td><td>5</td><td>0,3</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>Limite de détection Huile (ppm)</td><td>0,15</td><td>-</td><td>-</td><td>-</td></tr></tbody></table>

Ces sondes pourront être utilisées très facilement jusqu'à 15 m de profondeur. Au-delà, il faudra passer par l'utilisation d'un piézomètre pour analyser les eaux des nappes phréatiques. La sonde MicroFlu mesure 48 mm de diamètre tandis que la sonde Enviroflu mesure 68 mm de diamètre. La longueur de câble est quant à elle modulable. Pour les HAP, la distance maximale entre la matière polluante et la tête de mesure de la sonde ne doit pas excéder 10 cm.

Sur le plan applicatif :

* le positionnement de la sonde se fait « à l'aveugle » au sein des nappes phréatiques. Or, lorsque la nappe est stable, sans mouvement, les hydrocarbures peuvent avoir une répartition très hétérogène en X,Y. Il existe donc un facteur « chance » dans le fait de positionner la sonde « au bon endroit », d'autant plus que les distances de détection demeurent relativement réduites ;

* s'il faut passer par des eaux boueuses pour atteindre la nappe phréatique, la sonde sera régulièrement nettoyée (toutes les minutes si nécessaire) par une injection d'air comprimé sur la lentille. En effet, la lentille est recouverte d'un nanofilm qui diminue sa mouillabilité. De plus, une cage de protection peut éventuellement être utilisée ;

* des interférences entre les HAP et les acides humiques et fulviques présents dans la matrice à caractériser peuvent se produire. Il peut ainsi être nécessaire de corriger la valeur de fluorescence obtenue. Pour cela, un facteur correctif sera utilisé si la concentration en acides est fixe. Si ce n'est pas le cas, un deuxième fluorimètre devra être utilisé et réglé sur les
longueurs d'ondes spécifiques des deux acides pour pouvoir soustraire leur concentration à celle obtenue lors de la mesure des HAP.

A ce jour, l'utilisation de ces instruments dans le domaine des sites et sols pollués apparaît très peu répandue.

### 4.6.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

Cette technique est prometteuse en intégrant bien le fait que la mesure se fait dans une épaisseur d'eau de 10 cm devant la sonde, avec l'intérêt de disposer de mesures en continu dans la tranche d'eau, sur les composés organiques HAP et HCT, voire BTEX, (mais pas COHV à priori), sur une technologie présentée comme plus précise que celle déjà employée avec des capteurs infrarouges.

Il semble ainsi être possible de mesurer les concentrations en hydrocarbures totaux et HAP selon la profondeur dans un ouvrage de types puits, pour préciser éventuellement des strates plus impactées que d'autres. Toutefois, il faudra pour cela associer la sonde de spectro-fluorimétrie UV avec une sonde de profondeur du niveau d'eau (sonde piézométrique) ou une sonde multi-phase qui détecte, selon la profondeur dans la nappe, les flottants (produit pure d'hydrocarbures qui flotte à la surface de la nappe). Les diamètres des piézomètres utilisés devront également être adaptés de façon à ce que l'ensemble des sondes puissent être installées.

## 4.7 Spectrométrie infrarouge portable

### 4.7.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

Le principe de la spectroscopie infrarouge repose sur la vibration et/ou la rotation des molécules chimiques. En effet, le rayonnement infrarouge apporte une énergie permettant de modifier les énergies de vibration et de rotation des liaisons des molécules et ainsi de changer leurs moments dipolaires (les molécules diatomiques symétriques n'absorberont pas). Cette absorption est caractéristique de la vibration d'une liaison chimique entre deux atomes et donc d'une longueur d'onde spécifique.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Figure 19 : Principe de la spectroscopie infrarouge (Pham, 2014)</figcaption></figure>

Ainsi, l'infrarouge permet d'obtenir l'empreinte de toutes les liaisons présentes dans une molécule et ainsi de remonter à sa structure et donc à sa nature. Cette technique d'analyse permet d'analyser les sols et est applicable aux molécules organiques telles que les HCT, BTEX, HAP, etc...
Le rayonnement infrarouge est décomposé en trois parties : le proche infrarouge (le plus énergétique) qui s'étend de 14 000 à 4000 cm⁻¹, l'infrarouge moyen qui va de 4000 à 400 cm⁻¹ et enfin l'infrarouge lointain, qui couvre le domaine spectral de 400 à 10 cm⁻¹. En général, la gamme mesurée est située dans le domaine du proche infrarouge (occasionnellement dans le moyen ou le proche infrarouge).

Dans le cas des appareils FTIR (Infrarouge à transformées de Fourier), les spectres peuvent être retranscrits sous forme de transformées de Fourier, une technique d'acquisition permettant d'obtenir des résultats rapidement et de manière moins coûteuse, sans préparation de l'échantillon. Plusieurs fournisseurs ont actuellement investi le marché des dispositifs IR portables. Selon l'appareil, la méthode peut ou non nécessiter une extraction des polluants à analyser. Dans le cas d'une extraction, une analyse prend environ 15 min à réaliser. Sans extraction, elle est plus rapide : quelques secondes suffisent pour avoir les résultats.

L'appareil doit être calibré régulièrement avec des étalons d'usine. Cependant l'humidité et la lithologie peuvent faire varier les résultats selon les sites. Il s'agit d'une analyse non destructive, l'échantillon testé est donc conservé à l'issu de l'analyse. Selon l'appareil, l'échantillon peut être analysé de manière in-situ et sur-site. Cette méthode est qualitative et quantitative : la quantité de lumière absorbée est proportionnelle à sa concentration mais l'appareil nécessite une calibration pour tenir compte des propriétés des matrices du site à investiguer. Le spectrométrie IR permet d'obtenir des teneurs pouvant être exprimées en mg/kg (pour le sol). Il est à noter que pour abaisser les limites de détection, l'échantillon peut être broyé et séché. Dès lors que des étapes complexes de préparation sont à prévoir, les délais de réponse de la mesure se trouvent allongés.

## 4.7.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

En 2020, des études à l'université d'Aix-Marseille ont été menées pour appliquer la spectroscopie IR à un site contaminé en hydrocarbures et concluent que cette méthode peut être une bonne alternative aux méthodes classiques en laboratoires autant sur les seuils de quantification que sur la précision des résultats obtenus.

### 4.7.2.1 Spectromètre FTIR portatif 4300

Agilent commercialise le spectromètre FTIR portatif 4300. Grâce à son module ATR diamant, les 2 à 3 µm supérieurs de la surface sont analysés. Un mode de réflexion diffuse permet d'avoir de meilleurs résultats pour les échantillons réfléchissant peu la lumière comme bien souvent pour les sols.

### 4.7.2.2 RemScan

L'appareil Remscan, fabriqué par l'entreprise australienne Ziltek et commercialisé en France principalement par la société Tal Instruments, est un spectrophotomètre infrarouge portable permettant l'analyse rapide de sols pollués (Figure 20). Aucune extraction d'échantillon n'est nécessaire s'il est utilisé in situ. Cependant le spectrophotomètre peut aussi être utilisé sur site en prélevant des échantillons. Les résultats sont obtenus en moins de 20 s. Ainsi, jusqu'à 120 mesures par heure peuvent être atteintes.
<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Figure 20 : Photographie du RemScan (Ziltek, 2023)</figcaption></figure>

Cet appareil mesure les HCT mais aura une limitation dans l'analyse des hydrocarbures comportant moins de 10 carbones. De plus, ce dispositif apparaît en capacité de fournir, en simultané, la classe de texture du sol selon l'Union internationale des sciences du sol (IUSS). L'appareil comporte un GPS ce qui permet d'obtenir une cartographie des résultats. L'analyse est effectuée dans le moyen infrarouge entre 400 et 4000 cm⁻¹.

Deux modes peuvent être utilisés : le mode « intervention en cas de déversement » et le mode « spécifique au site ». Le mode « intervention en cas de déversement » sera utilisé pour des mesures rapides d'un site et donnera des résultats sous forme de couleur (vert, orange ou rouge) pour indiquer si le sol est pollué ou pas (Figure 21). Avant de mesurer une zone polluée, l'opérateur doit mesurer une partie du sol non polluée pour effectuer le zéro de l'étalonnage. Il s'agit d'analyse relativement « grossières » qui permettent de délimiter l'extension d'une pollution.

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>Figure 21 : Résultats obtenus en mode « intervention en cas de déversement » (Tal Instruments, 2019)</figcaption></figure>

Le mode « spécifique au site » sera utilisé pour des mesures très précises où les résultats sont obtenus en mg/kg. Dans ce cas, RemScan doit être calibré pour le site en piquant le sol avec différentes concentrations de TPH et en mesurant la valeur obtenue. La limite de détection est de 50 mg/kg.

Les teneurs en humidité libre des échantillons à analyser ne doivent pas dépasser les 5 %. Si c'est le cas, il faudra sécher l'échantillon de sol avant l'analyse. Une unité de séchage portable est commercialisée pour pouvoir sécher 35 échantillons en 30 minutes. Le matériau est monté en température, avec le risque de départ d'une partie des molécules organiques polluantes. En sus de
l'humidité, d'autres paramètres de matrice sont susceptibles d'interférer avec la mesure au RemScan, selon les retours d'expériences, à savoir :

- La présence de vides / la porosité de l'échantillon : pour résoudre cette problématique, un pastillage permettant la compaction des particules les unes par rapport aux autres est préférable ;

- Des interférences ont été répertoriées avec des molécules organiques non polluantes (ex : acides humiques).

Plusieurs études portant sur la comparaison de résultats obtenus sur site et en laboratoire ont été publiées et montre que les résultats obtenus sont comparables.

Le prix d'achat du RemScan est de 110 000 euros avec assistance et formation sur site. Il est possible de louer l'appareil pour des missions allant 1 à 3 mois.

## ✓ Retour d'expérience, société EDF

2 projets ont été menés par EDF en utilisant le Remscan. Le premier consistait à dépolluer des terres polluées par des hydrocarbures lourds. Leur limite était de 5000 mg/kg. Deux problèmes majeurs ont été soulevés. Le premier est un problème de temps d'analyse. Le fournisseur vend un résultat instantané alors que le temps de préparation et de conduite de l'analyse est plutôt de l'ordre de 20 minutes. Les échantillons analysés n'étaient pourtant pas gorgés d'eau. Le deuxième est un problème de conformité des résultats obtenus avec les résultats obtenus au laboratoire. Le Remscan donne parfois des résultats surdosés. La préparation des échantillons sur site génère une granulométrie très fine. Cette modification de la granulométrie pourrait être l'origine du biais dans la prise de mesure. En conséquence, sur le chantier test, il a in fine été décidé de revenir aux méthodes usuelles de prélèvement et de caractérisation en laboratoire.

Un deuxième chantier au cours duquel le Remscan a été utilisé afin de trier les produits d'excavation a vu le jour chez EDF. Les échantillons étaient de lithologie simple (sable non argileux majoritairement). La comparaison des résultats du Remscan avec ceux obtenus en laboratoire et via l'utilisation d'un PID a donné des résultats très différents. Là où le PID et les analyses labo donnaient des résultats inférieurs à la limite de quantification (< 15 mg/kg), le Remscan donnait parfois des concentrations jusqu'à plus de 500 mg/kg. La cause évoquée par le bureau d'étude était la fraction limoneuse présente dans certains échantillons. Cependant, les résultats n'étaient pas cohérents sur du sable sans limon. Le Remscan a une limite a C36 carbones alors que les fractions lourdes des hydrocarbures vont jusqu'à 40 carbones donc ils ont une perte d'informations.

Ces résultats mettent en exergue deux sources de biais importants : (i) la présence de molécules hydrocarbonées dont le nombre d'atomes de carbone est en dehors de la fourchette d'utilisation du RemScan et (ii) l'influence de la granulométrie.

Toutefois, certaines études contenues dans la littérature démontrent que la méthodologie RemScan peut avoir un très bon niveau de corrélation avec les techniques USEPA classiques. Ainsi, en étudiant 86 échantillons de sols contaminés aux hydrocarbures, Khudur et Ball ont obtenu un R² de 0,998 sur la teneur en HCT. Cela est seulement possible dans des conditions particulièrement contrôlées. En effet l'étude évoquée a été conduite :

- A l'intérieur et non sur le terrain directement ;

- Sur station fixe permettant de maintenir l'appareillage et l'échantillon analysé stables ;

- En incluent des étapes de préparation en amont permettant (séchage à l'air pendant 24 h, broyage au mortier, mélange et homogénéisation) ;

Cela démontre qu'en travaillant sur les conditions d'utilisation du dispositif RemScan, on peut atteindre des résultats analytiques très satisfaisants. Il y a, en conséquence, une balance à définir entre précision des résultats nécessaires et temps préparatoire à prévoir et mobiliser.
### 4.7.2.3 NeoSpectra

La société Si-Ware a récemment développé un appareil infrarouge de terrain, le NeoSpectra, permettant d'analyser des échantillons de sol dans le proche Infrarouge (14 000 – 4000 cm⁻¹) (Figure 22). Le NeoSpectra sera utilisable entre 4000 et 7500 nm.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 22 : Photographie du NeoSpectra (Si-Ware, 2022)</figcaption></figure>

Une auto-calibration a été mise en place dans cet appareil. La limite de détection est comparable à celle obtenue en laboratoire. Une base de données de plus de 999 spectres est fournie. De plus, des modèles de prédiction peuvent être générés. Un logiciel présent dans un cloud (certifié ISO 27001) permet de collecter des données, créer ou transférer des méthodes et des calibrations via différents algorithmes (PLS, ANN...). De plus, des modèles peuvent être achetés sur ce cloud pour effectuer des analyses.

Le NeoSpectra est utilisé directement sur une application sur un téléphone portable. Le prix pour acquérir le NeoSpectra est de 4950 USD. Des licences « développeurs » ou « utilisateurs » sont disponibles à différents tarifs : le premier est à 8950 USD pour un an, le second à 6950 USD. La licence utilisateur ne permet pas de développer des méthodes ou transférer des calibrations du cloud.

Cet appareil peut être utilisé pour mesurer les HCT présents dans le sol. L'utilisation du proche Infrarouge est intéressante car les pics associés aux hydrocarbures ne sont pas interférés par les pics de l'eau. Ainsi, une meilleure réponse sera obtenue avec un échantillon sec mais des échantillons humides pourront être analysés avec une réponse correcte. Les autres appareils utilisant l'Infrarouge tolèrent une teneur en eau libre de seulement 5 %.

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 23 : Modèle vs résultats de laboratoire du NeoSpectra (Si-Ware, 2022)</figcaption></figure>
La calibration du NeoSpectra a été validée en comparant les valeurs obtenues à celles obtenues par analyses en laboratoire pour des teneurs allant de 0 à 100 000 mg/kg (Figure 23). Ces résultats montrent une bonne corrélation entre les 2 techniques. Cependant, pour des teneurs plus faibles (de 0 à 3000 mg/kg), une erreur d'environ 10 % est relevée entre les 2 méthodes.

#### 4.7.2.4 Tableau récapitulatif

Le tableau récapitulatif ci-dessous liste les appareils innovants, les matrices analysées, les types de polluants analysés, la gamme de mesure de l'appareil ainsi que sa commercialisation et son coût.

<table><caption>Tableau 4 : Tableau récapitulatif des techniques utilisant l'infrarouge (RECORD, 2023)</caption><thead><tr><td>Appareil</td><td>Matrice</td><td>Type de polluant</td><td>Gamme de mesure</td><td>Coût / Commercialisation</td></tr></thead><tbody><tr><td>FTIR Portatif 4300</td><td>Sol</td><td>HCT</td><td>-</td><td>Agilent</td></tr><tr><td>RemScan</td><td>Sol</td><td>HCT (> C10 et < C36)</td><td>Limite de détection : 50 mg/kg</td><td>Tal Instruments 110 000 euros</td></tr><tr><td>Neo Spectra</td><td>Sol</td><td>HCT</td><td>0 – 100 000 mg/kg</td><td>Si-Ware 4950 $ + licence</td></tr></tbody></table>

### 4.7.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

La technologie infrarouge est spécifiquement dédiée à des mesures de polluants organiques sur les matrices solides des sols. Les polluants inorganiques (ex : ETM) ne peuvent ni être détectés, ni être quantifiés par cette technologie.

Parmi les appareillages présentés, certains comme le RemScan, permettent de mesurer des hydrocarbures uniquement à partir de la coupe pétrolière en C10. Les espèces hydrocarbonées les plus légères et volatiles, sous ce seuil en C10, ne sont pas intégrées. Il en est de même pour les hydrocarbures lourds à très lourds. Cela peut représenter un frein pour la détermination de la pollution totale en hydrocarbures. Le dispositif apparaît toutefois utilisable pour isoler certains spots de pollution qui engloberaient, notamment, des hydrocarbures spécifiquement dans la gamme de mesure du RemScan.

La facilité d'emploi des dispositifs IR, leur mise en œuvre facile à main levée, sont de réelles qualités, pour par exemple donner une appréciation de la charge en composés organique de terres mises en stocks avant exportation ou réemploi. La limite de détection à 50 ppm est en soi intéressante puisqu'elle correspond à un seuil souvent utilisé pour caractériser les sols en HAP ou HCT ; quitte à faire des corrélations entre les mesures directes et celles obtenues par le laboratoire sous accréditation. La pratique pourrait être analogue à ce qui est fait avec les mesures PID-Explo, avec un spectre toutefois plus grossier.

La spectrométrie infrarouge est particulièrement sensible aux conditions d'utilisation et de matrice. A l'image de la LIBS par exemple, le post-traitement du signal apparaît comme une étape essentielle et primordiale pour obtenir des résultats d'une fiabilité minimale. Pour ce faire, des modèles doivent être mis au point en amont (Ng, et al., 2017).

## 4.8 Fibre optique

### 4.8.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

Les capteurs fonctionnant sur le principe de la fibre optique sont en fort développement. Des universitaires et des start-ups avancent notamment sur le sujet. Le niveau d'avancement des développements est variable d'un projet à l'autre. La variété se retrouve également dans la nature des polluants à caractériser par ces dispositifs reposant sur la fibre optique. En anglais, tous ces capteurs sont regroupés en une « famille » sous l'acronyme de FOCS, signifiant *Fiber Optic Chemical Sensors*.
Dès lors, il est délicat de généraliser les descriptifs et retours d'expériences, chaque dispositif étant assez individuel. Un point commun peut toutefois être cité : les technologies de fibre optique fonctionnent de manière optimale uniquement sur une plage de température donnée. Par conséquent, des systèmes de compensation de la température doivent dans certains cas être prévus par les concepteurs de systèmes innovants. Cette partie du matériel est généralement assez coûteuse et contribue largement à accroître le coût global des systèmes.

Dans la suite du chapitre, l'accent sera mis sur le seul dispositif actuellement commercialisé et mobilisables sur site en contexte SSP : le capteur PetroSense PHA-100.

Le capteur à fibre optique PetroSense PHA-100, commercialisé par la société Tal Instruments, permet de mesurer les hydrocarbures totaux (HCT) dans les eaux et les vapeurs. Cette technique est basée sur la technologie FOCS (Fiber Optic Chemical Sensor). Une fibre optique contenant un composé chimique ayant une affinité avec les hydrocarbures est contenue dans le capteur. L'indice de réfraction du composé chimique contenu dans la fibre varie en fonction de la concentration en hydrocarbures dans l'air ou dans l'eau. Le changement d'indice de réfraction est déterminé en mesurant la quantité de lumière transmise à travers la fibre optique à partir d'une LED se trouvant en amont de la fibre optique.

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>**Figure 24 :** Principe de fonctionnement d'une fibre optique avec un capteur chimique (Mishra & Soni, 2011)</figcaption></figure>

De plus, le système répond fortement aux BTEX. Il est à noter que, pour être détectés, il faut que les hydrocarbures possèdent au minimum 6 atomes de carbone. A noter que, pour le Petrosense PHA-100, les concentrations mesurées concernent les hydrocarbures dans leur totalité. Si des molécules sont présentes en mélange, il est impossible de faire la distinction entre les différentes espèces.

Les données obtenues sont quantitatives. La calibration est effectuée avec des standards de p-xylène prémélangés certifiés. Les valeurs obtenues seront données en équivalent p-xylène et il faudra les convertir en utilisant un facteur de réponse relative spécifique aux hydrocarbures susceptibles d'être présents.

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>**Figure 25 :** Photographie de l'appareillage PetroSense PHA-100 (Equipcoservices, 2023)</figcaption></figure>
Il est possible de calibrer l'appareil avec des standards spécifiques pour éviter cette conversion. Les données sont obtenues en temps réel. Le seuil de détection est inférieur à 10 ppm et va jusqu'à 20 000 ppm de TPH pour la vapeur d'eau et est de 0,1 ppm et va jusqu'à 2 000 ppm pour l'eau. Le capteur ne peut être plongé à plus de 3 m uniquement pendant quelques minutes. A une profondeur d'environ 60 cm, le capteur peut être utilisé sur une plus longue période.

Eze-Idehen indique par ailleurs dans sa thèse de doctorat (Eze-Idehen, 2021) qu'un phénomène d'atténuation du signal a été observé pour le dispositif PetroSense. Cet effet amène une limitation dans la profondeur de réalisation de la mesure.

Un autre frein existe sur le système, l'opération de « back-washing » et nettoyage du capteur entre les différentes mesures. Dès lors, bien qu'il s'agisse d'un appareil supposément utilisable pour faire du monitoring, l'intervalle entre les mesures n'est pas de l'ordre de la minute mais plutôt de l'heure en raison de cette nécessité de nettoyage entre mesures.

### 4.8.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

Une des principales limites à l'utilisation de la fibre optique pour la caractérisation des hydrocarbures dans le domaine des sites et sols pollués est l'impossibilité de prendre en compte dans la mesure les hydrocarbures présentant moins de 6 ramifications à leur chaîne carbonée. Les molécules contenues dans cette fraction sont celles pouvant le plus aisément se volatiliser et se retrouver dans l'air. Le fait de ne pas pouvoir les détecter sera partiellement limitant, une partie des hydrocarbures pouvant, de fait, être exclue de la détection. Les fractions les plus lourdes (au-delà de C6) seront détectables. La sonde sera ainsi plus efficace sur des mélanges d'hydrocarbures lourds comme le diesel.

Il sera également important de prendre en compte l'évolution des conditions dans lesquelles les mesures sont effectuées. Notamment, l'évolution de la température à laquelle est soumise la fibre optique aura un impact sur l'indice de réfraction du rayon lumineux incident. Cet effet pourra être corrigé en post-traitement des données.

### 4.8.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

L'utilisation de la fibre optique pour la quantification d'une pollution en hydrocarbures dans un fluide (air ou eau) est une approche novatrice permettant de répondre aux aléas apportés par les traditionnels kits colorimétriques. En effet, le capteur à fibre optique, en n'utilisant pas de réactifs pour réaliser la mesure, n'induit pas d'interaction chimique pouvant créer un biais dans l'acquisition des résultats. Le capteur à fibre optique présente l'intérêt d'obtenir une valeur quantitative en sortie de chaîne de mesure. La technologie est spécifique aux milieux eau et gaz du sol (ou air ambiant) et ne concerne donc pas les matrices solides.

Il s'agit, de plus, d'une mesure en continue ce qui permet de justifier de la répétabilité de la mesure. Dans le cas du suivi d'un panache de pollution en hydrocarbures dans une nappe phréatique par exemple, cette continuité de la mesure peut permettre de mettre en évidence le passage du panache avec la fluctuation des concentrations mesurées.

Le seuil de détection à 10 ppm sur les gaz reste encore un peu élevé, et plus élevé que pour le DSITMS présenté précédemment. En revanche, son seuil minimal de coupe pétrolière à partir de C6 reste intéressant puisqu'il couvre la quasi-totalité des volatils (et semi-volatils) recherchées en général de C5 à C16. Seuls les hydrocarbures en C5 sont manquants. Ils sont toutefois souvent associés à d'autres chaines hydrocarbonées plus lourdes dans des cas de pollution classiques en phase liquide.

Il y a aussi une limitation technologique sur la profondeur de mesure, qui doit être de moins de 3 m, mais pour la caractérisation de flottant (phase libre en hydrocarbure qui flotte à la surface de la nappe), la mesure reste intéressante ; au-delà de trois mètres, il faut envisager des prélèvements in situ et mesure avec l'appareillage sur site.

Enfin, la réalisation de mesures en continu (monitoring) présente un fort intérêt dans le suivi d'opération de traitement sur des hydrocarbures flottant ou dissous.
Sous un angle de vue plus large que le seul capteur PetroSense, les capteurs de terrain actuels et futurs fonctionnant sur fibre optique peuvent bénéficier des avantages inhérents à cette technologie : section fine d'où un encombrement réduit, poids faible, peu sensible aux interférences électromagnétiques, peu de perte de signal sur la distance, etc (García, et al., 2014).

## 4.9 Capteurs microbiens

### 4.9.1 Descriptif du dispositif et principe de la technique

Comme pour les dispositifs fonctionnant sur la technologie de la fibre optique et présentés au chapitre **Erreur ! Source du renvoi introuvable.**, les capteurs microbiens doivent être considérés au sens d'une famille de matériels en développement. Leur point commun est de fonctionner sur un élément de mesure appartenant au domaine du vivant. Il peut s'agir :

* Soit de molécules individualisées (typiquement des enzymes, des peptides ou des nucléotides) ;

* Soit de microorganismes complets (Rajkumar, et al., 2017) (Zeng, et al., 2021), sachant que l'utilisation de microorganismes est généralement décrite comme moins onéreuse que les molécules biologiques isolées et, parfois, plus fiable. Le terme employé pour désigner cette typologie de dispositif est « biocapteur à cellule entière ».

Quelle que soit la molécule ou l'espèce microbienne mise en jeu, le principe général demeure identique : les biocapteurs sont immobilisés et associés à une fonction de transducteur. Cela signifie qu'ils sont en mesure de générer un signal mesurable (i.e. une grandeur physique) et proportionnel à la concentration en un analyte donné. Les signaux produits peuvent par exemple provenir de réactions biochimiques ou de l'expression d'un gène. Les signaux physiques peuvent être de diverses natures : différence de potentiel, conductivité, intensité électrique, luminescence, colorimétrie, etc. De même, les développements actuels vont vers un nombre varié de contaminants à détecter et mesurer dont : éléments traces métalliques, PCB, composés azotés, résidus de pesticides, etc (Ahmad & Kumar, 2020).

Depuis la mise au point du premier biocapteur à l'échelle du laboratoire scientifique en 1962, les avantages attribués à ce type de détecteur sont nombreux :

* Prétraitement et préparation réduite, voire absente, des échantillons ;

* Utilisation en mesure individuelles mais aussi en routine (monitoring) ;

* Précision de la mesure et facilité à calibrer les dispositifs.

Les biocapteurs actuellement développés présentent généralement une spécificité vis-à-vis d'un polluant donné. Leurs fonctionnements peuvent néanmoins se trouver altérés lorsque la matrice contenant le polluant est complexe (en particulier en cas de multiplicité des polluants) ou présente des conditions de mesure variables, avec la création d'interférences. Outre les biocapteurs orientés vers la détection d'un unique type de polluant, il existe également des capteurs microbiens (fonctionnant plutôt avec des microorganismes entiers) qui réagissent de manière non-spécifique aux contaminants. Dans ces cas, plusieurs polluants sont en mesure de générer un stress global de l'être vivant et une modification de son métabolisme. La taille du biofilm et de la population de microorganismes peut être modifiée par un changement de concentration en espèce contaminante. Dès lors, l'activité microbienne et, par conséquent, le signal physique généré sont modifiés. C'est notamment sur ce principe que fonctionne le biocapteur NODE, fabriqué par la société HYDREKA. Ce dispositif fait l'objet d'une présentation spécifique dans les paragraphes qui suivent.

Bien que les biocapteurs soient majoritairement au stade de mise au point par des laboratoires de recherche, certains sont déjà commercialisés et fabriqués à échelle industrielle. C'est notamment le cas du capteur NODE, fabriqué par la société HYDREKA. Ce capteur fonctionne selon les principes suivants :
* Colonisation de la sonde par les populations microbiennes du milieu. Il s'agit donc d'un biocapteur à cellules entières, possiblement multi-espèces ;

* Le capteur NODE est uniquement adapté aux matrices eaux ;

* Ce capteur microbien est en mesure de détecter des polluants organiques. Il est toutefois non sélectif d'espèces moléculaires ;

* L'utilisation du biocapteur se fait en monitoring, avec un suivi en continu de la qualité des eaux. Une modification de l'environnement, par exemple une évolution de la concentration en contaminant, influence l'activité microbienne. L'utilisateur en est averti avec un changement du signal électrique (voltamétrie).

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 26 : Principe de fonctionnement du biocapteur NODE (Hydreka, 2019)</figcaption></figure>

### 4.9.2 Etude bibliographique ciblée, retours d'expérience et présentations fournisseurs

Le capteur NODE développé par la société HYDREKA ciblait initialement le marché du traitement de l'eau (typiquement, le suivi en continu de la qualité des eaux en entrée et en sortie d'usine de traitement). Toutefois, il est apparu que ce dispositif pouvait revêtir un certain intérêt dans le domaine des sites et sols pollués, notamment dans le cadre de suivi dans le temps du bon déroulement et de l'efficacité d'un processus de dépollution mis en œuvre.

Le retour d'expérience demeure, à ce stade, assez faible pour l'utilisation dans les SSP. La question de la variabilité des populations microbiennes colonisatrices d'un site à l'autre et son influence sur la qualité des mesures peut se poser. De même, la durée de vie des capteurs dans des conditions moins favorables qu'une usine de traitement de l'eau peut être posée.

### 4.9.3 Apport du développement technique au domaine des SSP

L'étude a permis d'identifier plusieurs enjeux dans le développement des capteurs microbiens pour des applications SSP :

* Rendre les biocpteurs moins sensibles aux conditions de matrice et à la multiplicité des contaminants ;

* La forte interconnexion avec des domaines techniques et scientifiques potentiellement assez éloignés des préoccupations SSP (biologie moléculaire, génomique, etc.)
* La miniaturisation des dispositifs : les biocapteurs étant par nature de taille très réduite (moléculaire ou organisme unicellulaire), ils pourraient être stabilisés et immobilisés sur des nanoparticules et nanomatériaux, ouvrant le champ des possibilités d'utilisation.

En ce qui concerne la technologie NODE d'HYDREKA, elle est basée sur la mesure d'un effet de pile électrolytique. Ce principe est déjà employé dans des mesures de pH-oxydoréduction ; mais l'intérêt de cette technologie est qu'elle s'appuie sur une réponse microbienne. On voit les enjeux sur des chantiers de dépollution in situ où la simple mesure physico-chimique ne traduit que partiellement la réponse du milieux (nappe) à l'intervention par traitement et l'on peut envisager d'utiliser cette technologie sur des points de contrôle, de surveillance en nappe, en amont/aval de l'auréole d'impact, pour maitriser les évolutions de la qualité des milieux, par exemple.

En revanche, la mesure s'applique uniquement à l'oxydation de substances organiques comme les hydrocarbures. La dés-halogénisation de composés halogénés ne pourrait pas être suivie en direct. La consommation de substrat organiques nécessaires à l'activation et l'entretien des réactions de destruction des halogènes pourrait en revanche être suivie, d'où une forme de monitoring indirect.

# 5 Synthèse sur les développements innovants

Dans le tableau ci-après, une synthèse critique des diverses solutions émergentes présentées dans les chapitres qui précèdent est exposée. Elle vise à donner un aperçu complet des conclusions tirées sur chacun des développements étudiés au cours de l'étude.
<table><thead><tr><th>Développement technique considéré</th><th>Principes de fonctionnement</th><th>Modèles existants et commercialisés</th><th>Forces</th><th>Faiblesses</th><th>Opportunités et potentialités de développement dans le secteur des SSP</th></tr></thead><tbody><tr><td>Développements innovants fonctionnant sur chambres à flux<br>Chambre à flux mobile</td><td>Chambre à flux passive déplaçable sur un terrain d'investigation grâce à un montage sur matériel roulant de type « rover » avec une lecture directe des concentrations en COVs sur tablette connectée à la chambre à flux</td><td>Prestation aujourd'hui proposée par le consortium Innovasol</td><td><ul><li>Rapidité et efficacité de mise en œuvre</li><li>Digitalisation (avec une lecture directe des données)</li><li>Nombre de points d'investigation réalisable par unité de temps</li><li>Le dispositif permet la reconnaissance d'une vaste surface et/ou un maillage dense des points de mesure, d'où une bonne représentativité des investigations grâce à ce matériel</li></ul></td><td><ul><li>Faiblesses inhérentes aux chambres à flux non corrigées par le développement innovant Mobiflux (en particulier les problématiques d'étanchéité liées aux aspérités et à l'état de surface de la zone à étudier)</li><li>Besoins de préparation du terrain</li><li>Il existe un unique exemplaire à ce stade en fonctionnement</li></ul></td><td><ul><li>Le matériel Mobiflux offre une certaine facilité de manipulation pour l'opérateur et assure un ratio nombre d'analyses par unité de temps élevé</li><li>Il pourrait en conséquence trouver des opportunités dans le screening de zones riches en COVs sur des emprises foncières de grandes tailles</li><li>Des développements additionnels pourraient être imaginés : rendre le Mobiflux autonome dans ses déplacements par exemple</li></ul></td></tr><tr><td>Chromatographie en phase gazeuse couplée à spectrométrie de masse de terrain (GC-MS portable)</td><td>Le principe technique d'une GC-MS consiste à injecter une matrice dans une colonne de séparation. Les molécules organiques contenues dans l'échantillon à analyser sont séparées les unes des autres grâce à la montée en température et « captées » par les détecteurs. Le traitement du signal permet d'identifier les composés et les quantifier<br>Les dispositifs de chromatographie en phase gazeuse avec spectroscopie de masse existent de longue date à l'échelle de la paillasse de laboratoire → logique de miniaturisation (longueur de la colonne de séparation des composés notamment) et d'adaptation du système (en particulier les technologies mises en œuvre pour la montée en température de l'échantillon dans le four)</td><td>Plusieurs matériels sont d'ores et déjà disponibles sur le marché. Deux sont particulièrement abordés dans le cadre de l'étude car mis en application dans des contextes SSP :<br>(i) La GC-MS portable fabriquée par la société EnISSA (pour Enhanced In Situ Soil Analysis)<br>(ii) La GC-MS Torion T9 de Perkin-Elmer</td><td><ul><li>Séparation des polluants organiques les uns par rapport aux autres (sans doute l'unique dispositif du référencement à même de faire ces distinctions)</li><li>Performances, dans l'absolu et en théorie, quasiment analogues à une GC-MS de laboratoire</li><li>Challenge technologique de miniaturisation des cartouches de gaz, du four, de la taille de la colonne, etc.</li></ul></td><td><ul><li>Besoins a minima d'un abri voire d'un laboratoire mobile</li><li>Problématiques liées aux modes d'extraction des molécules (SPME), avec par exemple des phénomènes de saturation de l'aiguille et de compétition entre molécules pour les sites d'adsorption</li><li>Retours d'expérience démontrant une utilisation « seulement » semi-quantitative à ce stade, quand les fournisseurs mentionnent que leurs dispositifs peuvent atteindre un niveau quantitatif</li><li>Coût encore relativement prohibitif et difficulté à amortir l'investissement pour des mesures qui resteraient à l'état de semi-quantifications</li></ul></td><td><ul><li>En conditions stables et avec un mode d'extraction des molécules réfléchi et adapté au contexte, le dispositif présente un réel intérêt et il est possible de tirer bénéfice du niveau de détail offert par ce système</li><li>Les GC-MS portables sont sans doute à préférer sur des sites vastes où des études en amont pour paramétrer le matériel sont envisageables</li></ul></td></tr><tr><td>Direct Sampling Ion Trap Mass Spectroscopy (DSITMS)</td><td><ul><li>Echantillon à analyser pouvant être introduit directement dans un spectromètre de masse de type ITMS via un tube capillaire ou membrane polymère</li><li>Utilisation de modules d'introduction si besoin (désorbeur thermal, module de purge d'eau...)</li><li>Couplage possible du DSITMS avec un matériel de forage</li></ul></td><td>Dispositif dont la commercialisation débute entre la fin des années 90 et le début des années 2000 par la société Triad Environmental Solution, aujourd'hui fermée</td><td><ul><li>Versatilité : utilisable sur toutes les matrices du sol : matrice solide, liquide et gazeuse</li><li>Méthode qui avait reçu une approbation de la part des autorités américaines (via l'US-EPA), avec un protocole validé d'utilisation du dispositif</li></ul></td><td><ul><li>Uniquement de l'identification de polluants, au maximum de la semi-quantification</li><li>Lourdeur du dispositif à mettre en œuvre sur le terrain</li><li>Limites de détection relativement élevées pour les gaz du sol, le benzène notamment. Ces limites de détection seraient inadéquates pour la qualification de teneurs en polluants par rapport à certains seuils</li></ul></td><td>Malgré l'abandon du dispositif DSITMS de terrain, il est intéressant de noter que les technologies de type IT-MS semblent encore d'actualité avec des développements à l'échelle des paillasses de laboratoire. Par conséquent, il n'est pas à exclure que des dispositifs de type ITMS transportables sur le terrain voient de nouveau le jour dans le futur</td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Développement technique considéré</td><td>Principes de fonctionnement</td><td>Modèles existants et commercialisés</td><td>Forces</td><td>Faiblesses</td><td>Opportunités et potentialités de développement dans le secteur des SSP</td></tr></thead><tbody><tr><td>Imagerie hyperspectrale</td><td><ul><li>Acquisition d'une image hyperspectrale (i.e. spectre à plusieurs longueurs d'ondes rapprochées comprises dans le proche infrarouge et le visible)</li><li>Hyperspectre obtenu sur coupe de sol (carotte) ou embarqué sur un système volant (spectre de la surface de sol)</li><li>Traitement de l'hyperspectre par des systèmes d'intelligence artificielle permettant de mettre en corrélation les spectres obtenus aux différentes longueurs d'ondes et des teneurs en polluants donnés</li></ul></td><td><ul><li>Hyperspectral Lab, développé par la société française Tellux avec capture d'hyperspectre sur coupe longitudinale de sol</li><li>L'hyperspectral Lab (banc d'acquisition et matériel informatique de traitement) peuvent être transportés sur chantier</li></ul>NB : Les caméras hyperspectrales utilisées sont des dispositifs génériques, sans spécificité SSP.</td><td><ul><li>Dans l'absolu, et sous réserve que les développements ad hoc soient conduits, imagerie hyperspectrale applicable à une multitude de polluants</li><li>Représentations cartographiques et d'imagerie particulièrement intéressantes</li><li>Obtention de caractéristiques additionnelles sur les sols (granulométrie, humidité, etc.)</li></ul></td><td><ul><li>Développements informatiques lourds et fastidieux (polluant par polluant). Ainsi, l'Hyperspectral Lab est, à ce jour, uniquement mobilisable sur le paramètre HCT</li><li>Interférences nombreuses des conditions de matrice qu'il convient d'éliminer par un traitement chronophage des hyperspectres</li><li>Dispositifs qui ne sont pas nécessairement aisés à transporter sur le terrain (abri requis)</li><li>Résultats non immédiats tant qu'un étalonnage avec des analyses de laboratoire est nécessaire. Au stade actuel, une combinaison d'analyse hyperspectrale alternative et d'essai en labo normé demeure nécessaire, y compris pour le polluant sur lequel Tellux est le plus au point (hydrocarbures totaux)</li></ul></td><td><ul><li>Modalités d'acquisition des images hyperspectrales très variées : drones, coupes de sondages carottés</li><li>Opportunités offertes par les avancées actuelles dans le domaine de l'intelligence artificielle</li></ul></td></tr></tbody></table>
<table><thead><tr><td>Développement technique considéré</td><td>Principes de fonctionnement</td><td>Modèles existants et commercialisés</td><td>Forces</td><td>Faiblesses</td><td>Opportunités et potentialités de développement dans le secteur des SSP</td></tr></thead><tbody><tr><td>Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) portable</td><td><ul><li>Un laser pulsé permet une ablation partielle de la matière à analyser</li><li>Un plasma est formé avec vaporisation et ionisation des atomes</li><li>Leur retour à l'état fondamental génère des radiations pouvant être analysées en spectroscopie et permettent de remonter aux éléments chimiques en présence et à leurs teneurs</li><li>En conséquence, la LIBS portatif permet, dans l'absolu, une caractérisation des pollutions aux éléments-traces</li></ul></td><td>Plusieurs matériels portables présents sur le marché (non spécifiques du domaine des sites et sols pollués), notamment la gamme Niton Apollo de Thermo Scientific</td><td><ul><li>Les dispositifs de LIBS portables sont légers et aisément manipulables sur le terrain</li><li>Les mesures sont relativement rapides à réaliser, sachant que le temps peut être accru lorsque le choix est fait de préparer l'échantillon (voir Faiblesses)</li><li>Le coût d'acquisition de l'appareillage demeure dans une gamme acceptable</li></ul></td><td><ul><li>Sensibilité de la LIBS aux conditions d'utilisation et aux caractéristiques de la matrice (extrinsèques au sujet des polluants) : limitation de la teneur en eau à 5 ou 8 % maximum</li><li>Une préparation, même sommaire, améliore la qualité de la mesure mais réduit, de facto, le nombre de mesures par unité de temps</li><li>La LIBS apparaît inadapté à l'identification et, a fortiori, la quantification de certains éléments chimiques (notamment certains polluants d'intérêt potentiel comme l'arsenic)</li><li>Idéalement, travaux informatiques annexes permettant un meilleur traitement de la donnée comparativement aux algorithmes d'origine contenus dans l'appareillage</li></ul></td><td><ul><li>Précision de la mesure dès lors que la préparation de l'échantillon est maîtrisée et que les éléments à rechercher sont bien connus</li><li>Unique dispositif référencé ne portant pas sur des polluants organiques, exceptions faites de quelques développements encore inaboutis d'utilisation de l'imagerie hyperspectrale pour des polluants élémentaires</li></ul></td></tr><tr><td>Spectrofluorimétrie UV</td><td><ul><li>Capteur directement plongé en forage piézométrique (« capteur à immersion »)</li><li>L'échantillon d'eau, potentiellement contaminée, est soumis à un rayonnement UV. La longueur d'onde réémise est spécifique des molécules potentiellement présentes (hydrocarbures en l'occurrence)</li></ul></td><td>Capteurs MicroFlu et EnviroFlu fabriqués par la société Trios</td><td><ul><li>Taille réduite des dispositifs</li><li>Coût non prohibitif rendant le matériel assez accessible</li></ul></td><td><ul><li>Positionnement du dispositif par rapport au flottant qui relève de la « chance »</li><li>Uniquement pour des polluants qui sont présents en surfacique</li><li>Interférences avec certaines molécules organiques non polluantes</li><li>Nettoyage des cellules qui demande l'intervention d'un personnel</li><li>Molécules investiguées limitées à HCT, HAP (et BTEX sous certaines conditions)</li></ul></td><td><ul><li>Utilisation possible dans des situations d'accès à des piézomètres assez contraintes</li><li>Possibilité d'une utilisation en monitoring / suivi de flottant</li><li>Question de la robustesse des dispositifs laissés en monitoring qui demeure à confirmer</li></ul></td></tr></tbody></table>
<table><caption>Tableau 5 : Présentation synthétique de l'analyse critique concernant les développements techniques innovants pour analyses rapide en SSP (RECORD, 2023)</caption><thead><tr><th>Développement technique considéré</th><th>Principes de fonctionnement</th><th>Modèles existants et commercialisés</th><th>Forces</th><th>Faiblesses</th><th>Opportunités et potentialités de développement dans le secteur des SSP</th></tr></thead><tbody><tr><td>Spectroscope portable infra-rouge</td><td>Sous l'effet d'un rayonnement infrarouge :<ul><li>Vibration/rotation des liaisons des molécules chimiques et changement du moment dipolaire</li><li>Absorption caractéristique de la vibration d'une liaison spécifique (longueur d'onde spécifique à un type de liaison chimique)</li><li>Empreinte chimique de la molécule organique</li></ul>Dispositifs de spectroscopie infra-rouge existant de longue date à l'échelle de la paillasse de laboratoire → logique de miniaturisation</td><td>Plusieurs fabricants ont déjà mis des dispositifs de spectroscopie IR portables sur le marché. En revanche, seulement 2 modèles semblent bénéficier d'un retour d'expérience terrain en SSP : NeoSpectra et RemScan</td><td><ul><li>Taille réduite des dispositifs, faible encombrement</li><li>Nombre de mesures réalisable par unité de temps théoriquement élevé</li><li>Couplage et lecture directe sur smartphone pour le dispositif NeoSpectra</li></ul></td><td><ul><li>Sensibilité aux conditions d'utilisation (granulométrie des sols en particulier)</li><li>Retours d'expérience démontrant des écarts très importants par rapport aux mesures en HCT réalisées en laboratoire</li><li>REX des bureaux d'études qui tendent à montrer qu'une phase d'apprentissage et de prise en main conséquente est requise pour obtenir une mesure niveau quantitative</li><li>Coût encore prohibitif à date</li></ul></td><td><ul><li>Aujourd'hui mobilisable principalement pour un screening de site de vaste superficie</li><li>Pour une amélioration sensible de la qualité des données quantitatives (notamment le RemScan), il est nécessaire de réaliser une certaine préparation du matériau, donc se rapprocher de conditions expérimentales de laboratoire. Dès lors, les coûts par mesure et la rapidité de chacune des analyses sont dégradés</li><li>Potentialités éventuelles de mise en œuvre dans des régions du globe éloignées des laboratoires analytiques</li></ul></td></tr><tr><td>Capteurs fonctionnant sur fibre optique</td><td>Différents modes de fonctionnement (Structuration de la fibre, capteurs et membranes associés, etc.)<br>Un principe général toutefois : signal optique variant selon la concentration / teneur en un polluant donné</td><td>De nombreux développements sont en cours à des niveaux académiques notamment. Un seul dispositif est à ce jour pleinement commercialisé, à savoir le matériel PetroSense de la société Tal Instruments</td><td><ul><li>Principal avantage de la fibre optique : distance que peut parcourir le signal mesuré en subissant des altérations faibles ou nulles</li></ul></td><td><ul><li>Un unique dispositif commercialisé à ce stade (PetroSense)</li><li>Limitation du PetroSense aux hydrocarbures les plus lourds (au-delà de C6). Pour des nombres de carbone plus faibles à rechercher, le dispositif PetroSense sera inopérant</li></ul></td><td><ul><li>Les recherches et de développements sur la détection et la mesure de concentrations en polluants avec des systèmes fonctionnant sur fibre optique étant très nombreux, des nouveautés et passages à l'échelle pourraient possiblement être à attendre dans les prochaines années</li></ul></td></tr><tr><td>Capteurs microbiens</td><td>Un biocapteur est constitué d'un élément biologique (microorganismes, cellules entières, molécules biologiques individualisées, etc.) qui, soumis à un polluant donné, génère un signal physique proportionnel à la concentration en polluant. Le signal est lu par le matériel de mesure et l'opérateur.</td><td>A l'image des capteurs fonctionnant sur fibre optique, la recherche et les développements sont foisonnants et multiples dans les biocapteurs. Un seul matériel apparaît, à ce jour, pleinement commercialisé et mobilisable dans le domaine des sites et sols pollués : le capteur NODE fourni par la société française HYDREKA</td><td><ul><li>Diversité des micro-organismes et molécules du vivant mobilisables → Dans l'absolu, large spectre de polluants qui pourraient être investigués</li><li>En ce qui concerne le capteur NODE, utilité reconnue dans le domaine du traitement de l'eau</li><li>Dispositifs qui ont, du fait de leur nature microbienne, vocation à être assez miniaturisés</li></ul></td><td><ul><li>Niveau de maturité encore assez faible : un seul dispositif sur le marché (capteur NODE)</li><li>Capteur NODE bien adapté uniquement pour les hydrocarbures à ce stade</li><li>Interrogations possibles quant à la durée de bon fonctionnement des biocapteurs (cf. matériel biologique, donc relative sensibilité a priori)</li></ul></td><td><ul><li>Les recherches et de développements sur les biocapteurs étant très nombreux, des nouveautés et passages à l'échelle pourraient possiblement être à attendre dans les prochaines années</li><li>En ce qui concerne le capteur NODE de la société HYDREKA, il offre la possibilité de réaliser des analyses ponctuelles mais aussi des suivis dans le temps de type monitoring de pollution</li></ul></td></tr></tbody></table>
# 6 Pratiques émergentes pour le diagnostic des SSP

Deux grandes tendances sont par la suite explicitées : celle de l'utilisation du laboratoire et mobile et celle de l'aide de l'intelligence artificielle. Il ne s'agit pas de développements au sens matériel du terme comme ceux qui ont pu être cités précédemment, mais plutôt de nouvelles façons de faire dans le domaine des SSP qui pourraient éventuellement prendre de l'ampleur dans le futur.

## 6.1 Apport du laboratoire mobile

Un laboratoire mobile est un ouvrage temporaire permettant le déplacement, le stockage, ainsi que la mise en œuvre de procédés analytiques complexes sur site. Son installation permet d'allier le confort technique d'un laboratoire d'analyse proprement dit et un temps de transport des prélèvements nul. Le transport des prélèvements (eau, gaz, air, sol) est souvent pointé du doigt comme un facteur d'incertitudes et d'erreurs sur la mesure finale. Durant le laps de temps séparant le prélèvement ainsi que l'analyse, le comportement de l'échantillon va dépendre de nombreux facteurs : nature et type de flaconnage, ensoleillement, température de conservation, nature des composés, humidité, temps, etc. Ce sont autant d'éléments que le laboratoire mobile permet de négliger ou de contrôler. Le résultat de l'analyse chimique réalisée sur un milieu sera ainsi le reflet de sa composition à l'instant t de prélèvement (aux incertitudes de mesure près).

Comme entrevu précédemment, l'installation d'un laboratoire mobile peut-être motivée par des investigations sur tous les milieux identifiés dans le domaine des sites et sols pollués : eau, sol, air ambiant, gaz du sol. Les milieux investigués ainsi que les composés cibles feront varier les outillages de mesures présents au sein du laboratoire mobile.

Le principe du laboratoire mobile est particulièrement adapté lors de la réalisation de suivi qui permettent rapidement de rentabiliser son installation et son déploiement.

L'avancée technique que présente ces laboratoires se situe dans deux de ses propriétés :

* La partie technique (hardware) pour l'analyse en temps réel ;

* La partie logiciel (software) pour gérer l'ensemble des instruments en temps réel.

Avant toute mise en œuvre, le laboratoire mobile (ou station mobile) doit être pensé de manière à cibler le plus précisément possible l'objectif de la mesure. Les outils et les technologies à déployer pourront ainsi être sélectionnés en fonction. La mise en œuvre est assez simple dans la mesure où peu d'entretien est nécessaire. La clé de la pérennité d'une station mobile réside en une mise en place réussie, i.e. un choix optimal d'implantation sur site et une bonne fixation au terrain naturel dans le cas d'une station en dur (pas de risque d'effondrement de sol, de déformation du support, etc). Les actions à réaliser par la suite seront inhérentes aux techniques analytiques et aux outils sélectionnés.

Les laboratoires mobiles sont des moyens de caractérisation sur site pouvant être mis en place lors de toutes les étapes d'intervention d'un projet en sites et sols pollués :

* En phase de caractérisation préliminaire pré-diagnostic ;

* Lors de la phase diagnostic permettant l'acquisition de données (ou de données complémentaires) ;

* Pour le suivi de travaux de dépollution ou d'excavation.

C'est un concept intéressant qui tend à se multiplier et à se diversifier au fur et à mesure des années. Il permet après investissement d'obtenir des données qualitatives et quantitatives en se détachant de la dépendance aux laboratoires d'analyses extérieurs. De plus, il a été noté au chapitre 4 qu'un certain nombre de développements techniques pouvaient nécessiter une préparation minimale des échantillons voire un abri nécessaire pour une utilisation satisfaisante des outils. Le laboratoire mobile peut certainement répondre à ces problématiques.

Le développement des laboratoires mobiles va de pair avec celui des méthodes analytiques sur site (hardware). L'apport de l'innovation réside également dans le perfectionnement des logiciels de
gestion des résultats en temps réel et de la digitalisation de la chaîne de mesure (software). De ce fait, il s'agit à l'heure actuelle d'une technique innovante de regroupement sur site de procédés analytiques se voulant aussi précis et fiables que ceux réalisables en laboratoire proprement dit.

Le questionnement principal qui réside autour des laboratoires mobiles est leur capacité à acquérir une certification, dont dispose un laboratoire central. L'investissement nécessaire pour la démarche peut être un frein éventuel. Il y a donc une réflexion préliminaire à avoir sur le rôle du laboratoire déporté : doit-il se substituer au laboratoire central en réalisant tout ou partie des analyses qui devraient en théorie être effectuées selon le process standard de prélèvement et envoi d'échantillons ou bien s'agit-il de rendre l'utilisation de techniques de site plus confortable.

## 6.2 Apport du traitement des données par l'intelligence artificielle

Dans de nombreux domaines économiques et industriels, l'intelligence artificielle tend à modifier en profondeur les pratiques et ouvre un champ de perspectives relativement large. Le secteur des sites et sols pollués n'échappe pas à ces évolutions des pratiques. Ainsi, Le traitement de la donnée de masse ou encore l'anticipation de résultats sur la base d'imagerie font partie des grands axes de développement identifiés. La société Tellux dont le raisonnement consiste à évaluer des teneurs en polluants sur la base d'images hyperspectrales est un excellent exemple de l'émergence du big data dans le domaine des sites et sols pollués. Sur une thématique connexe (évaluation de substances contaminantes dans des déblais de grands chantiers), l'Entreprise de travaux NGE Guintoli accompagnée de la start-up BuilData a mis au point un outil s'appuyant sur l'auto-apprentissage machine, dispositif dénommé Diagnosol.

Il est très probable qu'un mouvement global aille vers une massification de l'utilisation de l'intelligence artificielle, deep-learning et réseaux de neurones.

# 7 Cas spécifiques des solutions issues de la géophysique

La géophysique n'est pas à proprement parlé une innovation technique. Il s'agit, en effet, de méthodes historiquement reliées à l'acquisition de données dans le domaine des géosciences. Son application aux sites et sols pollués n'en reste pas moins novatrice et répond à de multiples problématiques d'acquisition de données in situ pour des projets variées. Ces éléments motivent la présente sous-partie, centrée uniquement sur les possibilités d'applications des méthodes géophysiques aux sites et sols pollués.

## 7.1 Historique et principes généraux des méthodes géophysiques

La géophysique est le domaine regroupant l'ensemble des méthodes permettant la mesure des propriétés physiques des matériaux du sous-sol. Les données sont acquises directement sur le site d'étude. Ces mesures peuvent se faire depuis la surface du sol, dans des forages ou bien dans les airs. La diversité des projets accessibles à la géophysique a permis de décupler aussi bien le nombre de méthodes que le nombre de dispositifs de mesures utilisables. Comme souvent, l'innovation symbolisée par la découverte de ces méthodes émerge de nécessités à forts enjeux. Pour la géophysique, ce seront l'industrie minière et la guerre.

Conrad SCHLUMBERGER (1878 – 1936), physicien ayant une appétence particulière pour le Sciences de la Terre, proposera l'idée de l'influence d'un gisement de minerai dans le sous-sol sur les courbes équipotentielles d'un champ électrique émis à la surface. Cette idée sera vérifiée en 1912 lors de l'enregistrement de la première carte d'équipotentielles dans sa résidence près de Caen : la géophysique électro-magnétique.

Un peu plus tard, Ludger MINTROP (1880 – 1956) localisera des canons ennemis en 1915 grâce à l'enregistrement des ondes sismiques produites par leur recul : la géophysique sismique.

La diversification des applications a permis l'appropriation de nouvelles méthodes mesurant des propriétés des matériaux différentes, elles sont généralement classées en 5 types :
* **Propagation des ondes mécaniques** : vitesses des ondes sismiques de compression et/ou de cisaillement (m/s) ;

* **Propagation des ondes électromagnétiques à hautes fréquences** : permittivité diélectrique (F/m) + conductivité électrique (S/m) ;

* **Propagation des ondes électromagnétiques à basses fréquences** : résistivité (Ω.m) et conductivité électrique (S/m) + permittivités magnétique et électrique (F/m) ;

* **Champ de pesanteur** : masse volumique (kg/m³) ;

* **Magnétisme** : perméabilité magnétique (H/m).

## 7.2 Types d'applications et apports au domaine des SSP

### 7.2.1 Géophysique exploratoire pour la pré-caractérisation d'un site

Les diagnostics environnementaux s'appuient généralement sur une étude historique, bibliographique et mémorielle permettant, en prenant connaissance des informations relatives au site, d'adapter un programme prévisionnel des investigations.

Une étude de vulnérabilité des milieux est également dressée. Cette dernière vise à caractériser les différents contextes dans lequel se trouve le site. L'objectif final est d'estimer si les différents milieux (sol, nappe, air ambiant, gaz du sol ...) sont vulnérables ou non vis-à-vis d'une pollution sur site. Pour cela des bases de données sont consultées notamment pour établir les contextes géologiques et hydrogéologiques du site. Il est cependant bien rare, sauf dans le cas de sites historiques où des investigations ont déjà été menées, d'obtenir des informations précises à l'emplacement exact de l'étude. En pratique les données disponibles à proximité seront extrapolées pour estimer les conditions au droit du site, pouvant engendrer des incertitudes.

A ce stade, les méthodes géophysiques de subsurfaces permettent de réaliser une pré-caractérisation du site en prévision de l'établissement du programme prévisionnel des investigations. Elles pourront permettre, par exemple, de :

* Déterminer les profondeurs des interfaces lithologiques (variation du paramètre physique mesuré), déterminer les lithologies des matériaux (par comparaison avec des valeurs de référence) afin d'estimer les caractéristiques du milieu (porosité, saturation, perméabilité à une pollution, etc.) ;

* Déterminer les structures enfouies, fondations, anciens réseaux, susceptibles d'être reliées à un impact sur les sols, la nappe ou à l'origine d'un mode de déversement et de transfert dans ces milieux,

* En prenant connaissance de la géologie du site, estimer d'un point de vue pratique le matériel qui devra être prévu pour réaliser les investigations e.g. type d'outillage pour une foreuse en fonction de la présence de matériaux indurés ou non, etc. ;

* Déterminer, avec une technique adaptée (tomographie de résistivité électrique par exemple), la profondeur d'une nappe phrénatique. Evaluer cette profondeur pourra permettre de dimensionner un éventuel piézomètre (profondeur, hauteurs crépinées, etc.).

D'autres techniques cherchent à caractériser l'emprise, l'amplitude des anomalies sur les sols, nappe, en mesurant des paramètres spécifiques (conductivité, polarisation spontanée...), pour les corréler avec des mesures plus ponctuelles obtenues par échantillonnage et analyse sur les sols traversés par sondages, par exemple.

Bien que sortant du cadre de la présente étude, ce type d'investigation géophysique permet également d'obtenir des informations sur les éventuels éléments enfouis sur site tels que des réseaux, des cuves, des objets pyrotechniques, de la ferraille, etc.
### 7.2.2 Compléments à la mission DIAG ou pour un plan de gestion

Usuellement, les diagnostics sont réalisés à partir d'analyses d'échantillons de sols, d'eaux ou d'air, prélevés en surface ou en profondeur. Le diagnostic d'un site doit permettre de connaître la répartition des teneurs en polluants dans les différents milieux et qui pourront ensuite être comparées aux valeurs règlementaires vis-à-vis des usages du site. Pour cela, l'acquisition de données en quantité (densité) et en qualité suffisante est nécessaire à l'obtention d'un diagnostic fiable. Cependant, des erreurs sur le diagnostic existent : elles proviennent entre autres de la localisation des points de mesure, des types d'ouvrage et des modes de prélèvements. Ces erreurs découlent de plusieurs points fragiles :

* la stratégie d'échantillonnage : positionnement et profondeur des points d'échantillonnage par rapport à la position suspectée de la pollution ;

* la technique d'échantillonnage : aération du sol et dégazage des volatils, dilution du polluant, répartition erronée entre fraction fine et grossière. Le choix du support d'échantillonnage (piézomètre, piézair, prélèvement de sol...) ainsi que sa mise en œuvre sont donc des paramètres importants pour réduire l'erreur d'échantillonnage.

Les méthodes géophysiques permettent de répondre à ces deux incertitudes introduites par les méthodes de caractérisation usuelles des pollutions. D'une part, les méthodes géophysiques sont rapides et aisées de mise en œuvre, elles permettent un cadrillage avec un maillage potentiellement très fin de la zone d'étude considérée. De ce fait, elles permettent l'acquisition de données pseudo-continues et à moindre coût sur un site donné. La stratégie d'échantillonnage au jugé, souvent préférée dans les différents diagnostics en SSP en ciblant les investigations autour des zones de pollutions suspectées afin d'en minimiser le nombre, sera ici mise de côté au profit d'une acquisition systématique permettant une meilleure estimation d'une éventuelle pollution sur site. D'autre part, les méthodes géophysiques sont principalement non destructives et sont des mesures in situ. Aucun remaniement des matériaux n'est réalisé et une mesure à un instant t correspond à l'état physique du terrain sondé à ce même instant.

Afin d'optimiser l'échantillonnage, il est important d'avoir une pré-connaissance à la fois de la position du polluant sur le site (extension latérale et profondeur) et de connaître la position du polluant par rapport à la matrice (dissous dans la phase aqueuse, adsorbé sur la fraction fine...). Cette pré-connaissance est généralement acquise grâce à l'étude historique du site qui permet de connaître la source de pollution (type, quantité, localisation à l'origine), et au contexte géologique et hydrogéologique qui donne une idée de la répartition actuelle de la pollution. Les connaissances a priori restent cependant souvent lacunaires. Les points d'échantillonnage ne sont pas toujours idéalement placés et des erreurs de diagnostic peuvent en découler. La géophysique de subsurface, qui s'intéresse aux premiers mètres du sol, s'intègre pleinement dans la phase de diagnostic de l'état des milieux. Elle peut fournir des résultats sous formes de coupes, de cartes, utiles notamment pour (i) aider à la compréhension de la géologie, de l'hydrogéologie de la subsurface (Rubin et Hubbard, 2005), et (ii) améliorer la stratégie d'échantillonnage en localisant des zones anomaliques, liées à la présence de contaminants (Vogelsan, 1995).

Dans le cas où des analyses chimiques ont été réalisées sur site, les valeurs de conductivités (dans le cas de l'utilisation de méthodes électriques) pourront également être combinées pour l'obtention d'estimations pseudo-quantitatives de concentrations de polluant.

### 7.2.3 Dimensionnement et/ou suivi de travaux de dépollution

Dans le cadre de dimensionnements de travaux de pollutions, l'estimation des volumes contaminés par cartographie des valeurs de résistivité (ou de conductivité) peut être envisagée. L'interpolation des données ponctuelles obtenues peut être envisagée par couplage avec des méthodes géostatistiques.

Les méthodes électriques sont également tout indiquées dans un objectif de suivis temporel de l'évolution d'une pollution. Ce suivi temporel peut avoir lieu pour l'observation de l'atténuation naturel
de la pollution, dans un objectif d'observation de la diffusion de la pollution, ou pour l'évaluation de l'efficacité d'éventuels travaux de dépollution. Cette méthodologie présentera l'intérêt de permettre l'obtention de nombreuses données régulières (temporellement et spatialement) et à moindre coût.

## 7.3 Retours d'expériences de l'utilisation des méthodes géophysiques en SSP

Les méthodes géophysiques sont aujourd'hui ponctuellement utilisées dans les différents projets en SSP. Elles présentent néanmoins des investissements importants bien qu'assez vite rentabilisés étant donné le faible coût et le fort rendement des mesures. Elles sont également régulièrement utilisées préalablement aux travaux d'échantillonnage pour la détection d'éléments enfouis et s'avèrent rentables pour de vastes surfaces à examiner.

Les paramètres limitant leur application seront le contexte urbain pouvant compromettant normalement l'utilisation des méthodes électriques du fait de la présence de nombreuses interférences et artefacts (réseaux électriques, rail de chemin de fer. Les nombreuses hypothèses d'application et d'interprétation seront également un frein. Enfin, ces méthodes ne permettront qu'une estimation pseudo-quantitative des résultats en termes de concentrations, mais peuvent donner cependant un aperçu engageant de nouvelles investigations plus directes (pas sondages) et ciblées.
# 8 Conclusion

En conclusion à cette étude, il apparaît assez nettement que les pratiques du diagnostic SSP sont en cours de mutation avec un nouveau panel de solutions émergentes destinées à une évaluation rapide et in situ des espèces contaminantes dans les divers compartiments. Ces développements innovants visent, dans leur ensemble, à accroître l'efficacité sur site en limitant les transports et les délais de réalisation des essais en laboratoire. Il a été montré dans ce rapport que les principes physico-chimiques sur lesquels s'appuient ces nouvelles méthodes sont relativement variés : fluorescence UV, spectrométrie infrarouge, fibre optique, etc. Lors de cette étude, aucun axe préférentiel de développement technique n'a été identifié comme significativement plus dynamique que les autres.
Le fait d'être sur site / in situ implique, pour plusieurs développements techniques innovants, une dépendance aux conditions d'utilisation des matériels (météorologie, paramètres de matrice, interférences avec d'autres substances, etc.). Or, dans plusieurs cas, il est constaté que la fiabilité des données est largement améliorée par un emploi du matériel dans des conditions plus contrôlées, avec une préparation – même mineure – des échantillons. L'enjeu sera donc sans doute de trouver le bon équilibre entre précision de la donnée et temps à passer par mesure. Pour mettre au point le protocole le plus opportun, une phase d'appropriation des dispositifs est requise. Il s'agit également de bien définir la nature de résultat que la solution technique innovante doit apporter :

- « Simple » délimitation d'un panache de pollution. Auquel cas, un appareillage fournissant des données semi-quantitatives et comparatives peut être tout à fait suffisant ;

- **Substitution aux analyses de laboratoire.** Dans le cas où l'analyse alternative est employée en substitution aux mesures standards et usuelles de laboratoire, la corrélation entre les données obtenues par les deux méthodes doit être vérifiée. Etant donné que les protocoles in situ et sur site échappent encore, pour l'instant, à des cadres normatifs et réglementaires, ce remplacement technique peut être délicat ;

- **Monitoring de pollution.** Certains dispositifs peuvent être employés pour un suivi dans le temps de la pollution (bien souvent pour le compartiment eaux souterraines). Les dispositifs sur site peuvent notamment faire l'objet d'un déploiement lorsqu'une opération de traitement de pollution est en cours de réalisation.

En conséquence, pour une utilisation appropriée des dispositifs de terrain qui voient le jour, un questionnement préalable sur l'usage et le rôle que l'on souhaite donner à ces matériels alternatifs prometteurs sera nécessaire. Il conviendra, à la suite des mesures, de conserver un esprit critique sur les résultats obtenus en ayant à l'esprit les limites de l'appareillage utilisé, ses conditions d'utilisation supposément optimales (et l'écart avec l'usage qui en est fait).

Il apparaît nettement que certaines de ces techniques apporte un gain réel dans l'établissement des diagnostics mais les retours d'acteurs du domaine mettent en évidence deux freins majeurs à leur mise en œuvre :

- Le caractère non opposable des mesures car non encadrées par des normes et techniques non évoquées dans le corpus réglementaire. La réalisation d'analyses standard de laboratoire est généralement demandée ;

- Le coût d'investissement ou de location des dispositifs en regard des montants des marchés de diagnostic SSP (cf. coût d'achat des chromatographies phase gaz portables par exemple). Ces développements techniques innovants ont probablement un plus fort potentiel sur des sites à fort enjeu où des moyens importants sont déployés ;

- Les besoins en formation avancée des techniciens manipulant les outils sur site : pour certaines techniques, les appareillages peuvent être sensibles et requérir une durée d'apprentissage importante.

L'étude fait également émerger un autre axe de mutation : celui du traitement des données de pollution d'un site donné. De réels changements de paradigmes sont attendus puisque le domaine des SSP est sans doute amené à utiliser de façon plus massive le traitement de la data par intelligence artificielle et tous les principes que cela comporte (auto-apprentissage, réseaux de
neurones, etc). On note donc que les développements innovants pour les analyses sur site et in situ
dans les SSP concernent tout autant le hardware que le software.

A titre d'ouverture, il peut être noté que certaines voies de développement, aujourd'hui encore très peu matures et exploratoires, n'ont pas été étudiées en détails dans ce document mais méritent sans doute d'être citées :

- Les technologies fonctionnant sur le principe des ondes de surface ;

- Les dispositifs faisant appel aux polymères conducteurs (polymer-based sensors).

De plus des mélanges de technologies innovantes sont susceptibles de voir le jour. La solution DNAzyme peut notamment être évoquée. Elle présente comme caractéristiques de combiner à la fois un aspect biocapteur (enzyme/ADN), les principes de la spectrofluorométrie et ceux du transport par fibre optique. Le tout doit permettre de déterminer la présence d'éléments métalliques tels que le plomb, le cadmium, le cuivre, le mercure ou le zinc dans des matrices aqueuses.
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