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: les périodes de pollution pendant lesquelles on observe le maximum de dégâts se situent dans la matinée, en été, avec des conditions climatiques bien définies correspondant au maximum d'ouverture des stomates. À ce stade, on peut prévoir une réponse en fonction de l'aptitude des stomates à se fermer. Étude de la fermeture des stomates sous l'action d'une atmosphère chargée en SO2, cette fermeture étant caractérisée par des mesures de diffusion d'hydrogène à travers la feuille. Les figures 1, 2 et 3 correspondent à des teneurs décroissantes de 1 à 0,25 ppm. La figure 4 montre la réouverture des stomates après l'arrêt d'un traitement par SO2 limité à 2 heures et demie. Sur chaque graphique le début du traitement est indiqué par une flèche. La courbe en trait plein correspond à l'évolution de la feuille la veille de la pollution; la courbe en pointillé représente l'évolution de cette même feuille lorsqu'elle subit une pollution par SO2. Une plante qui aurait à cet instant la possibilité de fermer complètement ses stomates pendant la période de pollution n'aurait à assimiler que la partie de SO2 absorbée par la cuticule. La diminution de rendement due à cet abaissement de la photosynthèse apparente sera alors insignifiante puisqu'une fois la vague de SO2 passée, comme nous l'avons observé, les stomates s'ouvrent de nouveau. Dans le cas de pollution de l'air permanente ou semi-permanente entraînant une fermeture partielle mais prolongée des stomates, existe-t-il un dépérissement mesurable des végétaux (ce qui correspondrait à l’ « invisible injury » des Anglo-Saxons) consécutif à un ralentissement de l’activité photosynthétique, et dans l'affirmative, ne pourrait-on pas rechercher des espèces végétales pour lesquelles le seuil de concentration de l’atmosphère en SO2 pour obtenir cette fermeture partielle des stomates serait plus élevé donc jamais atteint? Car, en réalité, cette fermeture des stomates se fait à partir d’un certain niveau de pollution par SO2 et il faudra donc définir un seuil pour chaque espèce végétale (voire pour chaque cultivar d’une même espèce) et le relier peut-être aux sensibilités relatives correspondantes. Conclusion Pour les végétaux, le dioxyde de soufre reste, en France du moins,
alors insignifiante puisqu'une fois la vague de SO2 passée, comme nous l'avons observé, les stomates s'ouvrent de nouveau. Dans le cas de pollution de l'air permanente ou semi-permanente entraînant une fermeture partielle mais prolongée des stomates, existe-t-il un dépérissement mesurable des végétaux (ce qui correspondrait à l’ « invisible injury » des Anglo-Saxons) consécutif à un ralentissement de l’activité photosynthétique, et dans l'affirmative, ne pourrait-on pas rechercher des espèces végétales pour lesquelles le seuil de concentration de l’atmosphère en SO2 pour obtenir cette fermeture partielle des stomates serait plus élevé donc jamais atteint? Car, en réalité, cette fermeture des stomates se fait à partir d’un certain niveau de pollution par SO2 et il faudra donc définir un seuil pour chaque espèce végétale (voire pour chaque cultivar d’une même espèce) et le relier peut-être aux sensibilités relatives correspondantes. Conclusion Pour les végétaux, le dioxyde de soufre reste, en France du moins, le polluant de l'atmosphère le plus néfaste car le plus répandu. Beaucoup d’espèces y sont très sensibles et ce caractère ne facilite pas les recherches concernant le développement des espaces verts pour lutter contre la pollution atmosphérique. Si, en effet, les végétaux peuvent jouer un rôle pour améliorer la qualité de l’environnement de l’homme, il ne faut pas exagérer leurs possibilités; les plantes absorbent une partie de la pollution de l'air, c’est certain, mais il ne faut pas trop espérer épurer l’atmosphère uniquement de cette façon-là. En revanche, les végétaux et les massifs boisés ont un rôle très important à jouer du point de vue physique sur la dispersion des polluants en modifiant la rugosité naturelle d’un site. C’est dans cette voie qu’il faudra surtout orienter les recherches et pour obtenir un résultat valable, il sera nécessaire, au préalable, de trouver des végétaux résistants, donc de mieux connaître encore les modes d’action du polluant pour en déduire des critères de sélection possible. De très nombreuses années de recherche seront certainement indispensables pour espérer aboutir à un tel résultat. ANNÉE I SENSIBILITÉ RELATIVE AU DIOXYDE DE SOUFRE DE QUELQUES VÉGÉTAUX PARMI LES PLUS CONNUS Nota : Pour ne pas alourdir cette
de l’environnement de l’homme, il ne faut pas exagérer leurs possibilités; les plantes absorbent une partie de la pollution de l'air, c’est certain, mais il ne faut pas trop espérer épurer l’atmosphère uniquement de cette façon-là. En revanche, les végétaux et les massifs boisés ont un rôle très important à jouer du point de vue physique sur la dispersion des polluants en modifiant la rugosité naturelle d’un site. C’est dans cette voie qu’il faudra surtout orienter les recherches et pour obtenir un résultat valable, il sera nécessaire, au préalable, de trouver des végétaux résistants, donc de mieux connaître encore les modes d’action du polluant pour en déduire des critères de sélection possible. De très nombreuses années de recherche seront certainement indispensables pour espérer aboutir à un tel résultat. ANNÉE I SENSIBILITÉ RELATIVE AU DIOXYDE DE SOUFRE DE QUELQUES VÉGÉTAUX PARMI LES PLUS CONNUS Nota : Pour ne pas alourdir cette liste nous ne donnons que le nom courant sans distinguer les espèces. Très sensibles Sensibles Résistants Avoine Ail Abricotier Betterave Blé Bouleau Carotte Châtaignier Cerisier Cèdre Chou Chêne Endive Épicéa Chèvrefeuille Fougère Épinard Concombre Graminées fourragères Glaïeul Courgette Laitue Haricot Cyprès Légumineuses Iris Érable fourragères Mélèze Glycine Mourron blanc Oignon Hêtre Néflier Orge Hortensia Noisetier Persil Kaki Œillet de poète Peuplier Lilas Pin Pin Maïs Pissenlit Platane Melon Plantain Poireau Pêcher Poirier Pomme de terre Pourpier Pois Pommier Troène Pois de senteur Rose Prunier Tilleul Radis Tomate Saule Vigne Vigne vierge POLLUTION PAR LE SOUFFRE ET PAR SES DÉRIVÉS ET DÉGRADATION DES MATÉRIAUX Contribution de la pétrologie à l'étude de ces phénomènes par J.-P. RAGOT (1) L’auteur rappelle qu’en milieu urbain la dégradation des bâtiments peut être directement liée à la teneur en oxydes de soufre de l’atmosphère, laquelle résulte de l’emploi de charbon ou de fuels chargés en soufre. Le gypse (sulfate de calcium hydraté) est par sa force de cristallisation, responsable d’une part importante de la détérioration des roches en surface. L’auteur explique comment la pétrologie permet de mieux comprendre ces phénomènes et de mieux prévoir le comportement des matériaux dans une atmosphère polluée. L’accélération du processus de
Hêtre Néflier Orge Hortensia Noisetier Persil Kaki Œillet de poète Peuplier Lilas Pin Pin Maïs Pissenlit Platane Melon Plantain Poireau Pêcher Poirier Pomme de terre Pourpier Pois Pommier Troène Pois de senteur Rose Prunier Tilleul Radis Tomate Saule Vigne Vigne vierge POLLUTION PAR LE SOUFFRE ET PAR SES DÉRIVÉS ET DÉGRADATION DES MATÉRIAUX Contribution de la pétrologie à l'étude de ces phénomènes par J.-P. RAGOT (1) L’auteur rappelle qu’en milieu urbain la dégradation des bâtiments peut être directement liée à la teneur en oxydes de soufre de l’atmosphère, laquelle résulte de l’emploi de charbon ou de fuels chargés en soufre. Le gypse (sulfate de calcium hydraté) est par sa force de cristallisation, responsable d’une part importante de la détérioration des roches en surface. L’auteur explique comment la pétrologie permet de mieux comprendre ces phénomènes et de mieux prévoir le comportement des matériaux dans une atmosphère polluée. L’accélération du processus de dégradation des matériaux de construction depuis l’utilisation de charbon plus ou moins pyriteux dans les foyers domestiques et dans les chaudières industrielles, est un phénomène constaté et décrit voici plusieurs décennies déjà [1, 2]. La combustion de fuels lourds, à teneur en soufre non négligeable, n’a fait qu’aggraver cette situation. Ainsi, la maladie de la pierre calcaire sévit-elle de façon particulièrement intense dans les quartiers situés à l’est de villes comme Paris et Bruxelles, en raison de la direction des vents dominants [3]. Un accroissement brutal des (1) Ingénieur géologue au Département Laboratoires du Service géologique national (B.R.G.M.), Orléans. dégradations de la cathédrale de Strasbourg s’observe depuis le début du siècle, phénomène qui est à rapprocher de l’augmentation de la teneur en ion sulfurique (SO4 ) dans les eaux de pluie [3]. Des recherches effectuées en Union Soviétique [4], ont mis en évidence une corrélation entre la pollution des monuments et la rose des vents dans de nombreuses agglomérations urbaines. Cette situation a contribué à développer l’approvisionnement en gaz naturel, à teneur en soufre très faible, des grandes villes de l’Union Soviétique. Dans les prochaines années, le gaz naturel représentera 95 à 98 % des combustibles employés dans les villes
Ainsi, la maladie de la pierre calcaire sévit-elle de façon particulièrement intense dans les quartiers situés à l’est de villes comme Paris et Bruxelles, en raison de la direction des vents dominants [3]. Un accroissement brutal des (1) Ingénieur géologue au Département Laboratoires du Service géologique national (B.R.G.M.), Orléans. dégradations de la cathédrale de Strasbourg s’observe depuis le début du siècle, phénomène qui est à rapprocher de l’augmentation de la teneur en ion sulfurique (SO4 ) dans les eaux de pluie [3]. Des recherches effectuées en Union Soviétique [4], ont mis en évidence une corrélation entre la pollution des monuments et la rose des vents dans de nombreuses agglomérations urbaines. Cette situation a contribué à développer l’approvisionnement en gaz naturel, à teneur en soufre très faible, des grandes villes de l’Union Soviétique. Dans les prochaines années, le gaz naturel représentera 95 à 98 % des combustibles employés dans les villes de Moscou et de Leningrad. Pollution par le sol Les sols contiennent du soufre, soit sous forme de sulfates, soit lié à la matière organique [9, 10]. Les teneurs peuvent s'élever accidentellement au voisinage de chantiers, d'industries alimentaires, de décharges publiques, de sorties d'égout... De nombreux auteurs ont été amenés à mettre en évidence le rôle important joué par les bactéries dans la production d'acide sulfurique à partir des sulfures provenant de la réduction de sulfates disséminés dans le sol ou de la minéralisation du soufre lié à la matière organique. Cycle biologique du soufre A) Production d'hydrogène sulfuré (H2S) De l'hydrogène sulfuré peut être produit par réduction des sulfates présents dans le sol, en condition d'anaérobiose, par la bactérie Desulfobacterium desulfuricans [5, 11]. D'autre part, divers germes, non spécifiques, libèrent le soufre lié à la matière organique sous forme d'hydrogène sulfuré [5, 10]. B) Production d'acide sulfurique à partir du soufre réduit Cette production, dans le sol, est assurée par des bactéries autotrophes, les thiobacilles, qui puisent dans l'oxydation du soufre réduit l'énergie nécessaire à la synthèse de leur matériel cellulaire [12]. En présence de thiobacilles, l'hydrogène sulfuré, les polythionates, le soufre métalloidique sont oxydés en acide sulfurique. Ainsi,
à mettre en évidence le rôle important joué par les bactéries dans la production d'acide sulfurique à partir des sulfures provenant de la réduction de sulfates disséminés dans le sol ou de la minéralisation du soufre lié à la matière organique. Cycle biologique du soufre A) Production d'hydrogène sulfuré (H2S) De l'hydrogène sulfuré peut être produit par réduction des sulfates présents dans le sol, en condition d'anaérobiose, par la bactérie Desulfobacterium desulfuricans [5, 11]. D'autre part, divers germes, non spécifiques, libèrent le soufre lié à la matière organique sous forme d'hydrogène sulfuré [5, 10]. B) Production d'acide sulfurique à partir du soufre réduit Cette production, dans le sol, est assurée par des bactéries autotrophes, les thiobacilles, qui puisent dans l'oxydation du soufre réduit l'énergie nécessaire à la synthèse de leur matériel cellulaire [12]. En présence de thiobacilles, l'hydrogène sulfuré, les polythionates, le soufre métalloidique sont oxydés en acide sulfurique. Ainsi, l'hydrogène sulfuré produit à la base des fondations peut s'élever dans un mur par remontée d'eau capillaire pour y être oxydé en acide sulfurique en présence de thiobacilles [13, 14]. De même peut-on retenir dans les parties hautes des édifices la production d'acide sulfurique à partir des sulfates des poussières, et à partir du soufre des déjections d'oiseau [5]. 2. Dégradation des matériaux Les phénomènes de dégradation liés à la pollution par le soufre et par ses dérivés intéressent plus particulièrement les matériaux de construction poreux, tels que pierres de taille (calcaires et grès), bétons et mortiers, tuiles et briques... Ce serait l'ion sulfurique (SO4 ), en milieux aqueux, qui serait l'agent principal de la dégradation des matériaux, soit directement, par attaque des carbonates, soit indirectement, par concentration de sulfate de calcium hydraté (gypse) dont la force de cristallisation disjoint les éléments constitutifs des matériaux : grains et cristaux. 2.1. Force de cristallisation du sulfate de calcium hydraté L'action du gypse a été décrite par la plupart des auteurs s'intéressant à la maladie des pierres calcaires. Ce sel est concentré et cristallise au voisinage de la surface d'un matériau, là où les eaux d'imprégnation s'évaporent. La cristallisation du gypse, sulfate
et à partir du soufre des déjections d'oiseau [5]. 2. Dégradation des matériaux Les phénomènes de dégradation liés à la pollution par le soufre et par ses dérivés intéressent plus particulièrement les matériaux de construction poreux, tels que pierres de taille (calcaires et grès), bétons et mortiers, tuiles et briques... Ce serait l'ion sulfurique (SO4 ), en milieux aqueux, qui serait l'agent principal de la dégradation des matériaux, soit directement, par attaque des carbonates, soit indirectement, par concentration de sulfate de calcium hydraté (gypse) dont la force de cristallisation disjoint les éléments constitutifs des matériaux : grains et cristaux. 2.1. Force de cristallisation du sulfate de calcium hydraté L'action du gypse a été décrite par la plupart des auteurs s'intéressant à la maladie des pierres calcaires. Ce sel est concentré et cristallise au voisinage de la surface d'un matériau, là où les eaux d'imprégnation s'évaporent. La cristallisation du gypse, sulfate de calcium contenant deux molécules d'eau, s'effectue avec une augmentation du volume, par rapport à la solution saturante, ce qui entraîne une désorganisation du matériau, avec décohésion des grains constitutifs (friabilité) et avec modification de l'espace poreux (gélivité). En fait, la force de cristallisation du gypse interviendrait plus particulièrement dans certaines dégradations spectaculaires observées à la surface des pierres en œuvre (calcaires et grès carbonatés), telles que desquamation et alvéolisation. De même, ce phénomène de cristallisation « explosif » a pu être retenu pour expliquer la dégradation du béton soumis aux conditions particulièrement agressives qui règnent dans les égouts; le cycle biologique complet du soufre y a été reconstitué, et un sulfate de calcium et d'aluminium à trente deux molécules d'eau, l'ettringite, y a été identifié [15, 16]. 2.2. Dissolution des carbonates par l'acide sulfurique Cependant, dans un travail récent [17], nous avons montré que l'affaiblement des caractéristiques mécaniques d'un massif rocheux, constitué par des calcaires schisteux et pyriteux, resultait d'une très faible dissolution de calcite (à peine 1 % en volume) sous l'action de l'acide sulfurique produit par l'oxydation de la pyrite, en présence de thiobacilles, provenant eux-mêmes de rejets d'eau domestique. Le développement de l'espace poreux qui résulte
certaines dégradations spectaculaires observées à la surface des pierres en œuvre (calcaires et grès carbonatés), telles que desquamation et alvéolisation. De même, ce phénomène de cristallisation « explosif » a pu être retenu pour expliquer la dégradation du béton soumis aux conditions particulièrement agressives qui règnent dans les égouts; le cycle biologique complet du soufre y a été reconstitué, et un sulfate de calcium et d'aluminium à trente deux molécules d'eau, l'ettringite, y a été identifié [15, 16]. 2.2. Dissolution des carbonates par l'acide sulfurique Cependant, dans un travail récent [17], nous avons montré que l'affaiblement des caractéristiques mécaniques d'un massif rocheux, constitué par des calcaires schisteux et pyriteux, resultait d'une très faible dissolution de calcite (à peine 1 % en volume) sous l'action de l'acide sulfurique produit par l'oxydation de la pyrite, en présence de thiobacilles, provenant eux-mêmes de rejets d'eau domestique. Le développement de l'espace poreux qui résulte de cette dissolution entraîne une décohésion du matériau dans toute sa masse, par dissolution sélective au niveau des joints de grain et des plans de clivage des minéraux, décohésion à la faveur de laquelle s'amorcent des fissures de rupture (voir fig. 1, 2, 3). Cette démonstration a été obtenue par une démarche d'étude et en utilisant des moyens qui appartiennent à la pétrologie. L'altération des roches en condition atmosphérique (weathering des auteurs anglo-saxons) a fait l'objet, en effet, de nombreuses études pétrologiques. Les altérations étudiées intéressent généralement des modifications profondes du matériau, correspondant à la transformation des minéraux constitutifs (feldspaths altérés en kaolin, par exemple). Toutefois, des méthodes d'étude pétrologique fines ont été mises en œuvre ces dernières années, dans divers laboratoires géologiques, en vue d'une meilleure compréhension des problèmes qui ont retenu notre attention dans cet article. Nous voudrions, dans les lignes qui suivent, apporter quelques précisions sur ces acquisitions récentes. Contributions de la pétrologie La pétrologie est la science des roches. Le terme de pétrologie s'applique plutôt à la démarche interprétative de cette science, celui de pétrographie étant réservé à sa démarche descriptive. 3.1. Pétrographie qualitative et pétrographie quantitative Dans le cadre d'une étude visant à fixer, à
une démarche d'étude et en utilisant des moyens qui appartiennent à la pétrologie. L'altération des roches en condition atmosphérique (weathering des auteurs anglo-saxons) a fait l'objet, en effet, de nombreuses études pétrologiques. Les altérations étudiées intéressent généralement des modifications profondes du matériau, correspondant à la transformation des minéraux constitutifs (feldspaths altérés en kaolin, par exemple). Toutefois, des méthodes d'étude pétrologique fines ont été mises en œuvre ces dernières années, dans divers laboratoires géologiques, en vue d'une meilleure compréhension des problèmes qui ont retenu notre attention dans cet article. Nous voudrions, dans les lignes qui suivent, apporter quelques précisions sur ces acquisitions récentes. Contributions de la pétrologie La pétrologie est la science des roches. Le terme de pétrologie s'applique plutôt à la démarche interprétative de cette science, celui de pétrographie étant réservé à sa démarche descriptive. 3.1. Pétrographie qualitative et pétrographie quantitative Dans le cadre d'une étude visant à fixer, à haute température, sur des roches carbonatées broyées et sous forme de sulfate de calcium anhydre (anhydrite), l'anhydride sulfureux (SO2) produit par combustion des fuels et des charbons [18], il importait de déterminer les caractéristiques pétrographiques des matériaux utilisés, caractéristiques qui influencent la capacité d'adsorption en 802 et la fixation de ce polluant, sous forme d'anhydrite. C'est ainsi que le rendement de l'opération est doublé avec un calcaire impur courant, par rapport à la calcite spathique d'Islande. Compte tenu de l'extrême finesse des minéraux constitutifs, dans la plupart des matériaux testés, une bonne description n'a pu en être faite qu'en utilisant un microscope électronique à balayage, avec des grossissements linéaires de 1 000 à 10 000. La distribution en taille des minéraux (grains et cristaux) a été obtenue par comptage de 500 à 700 grains en s'aidant d'un compteur de point. Enfin, la détermination quantitative de l'espace poreux, volume total et distribution, a nécessité l'emploi d'un microscope téléviseur quantitatif (analyse d'image par un procédé opto-électronique [19]). Notons que l'emploi systématique sur matériaux naturels des appareils modernes utilisés pour l'étude et le contrôle de fabrication des matériaux artificiels, nécessite la mise en œuvre de techniques de préparation particulière auxquelles nous avons apporté
ce polluant, sous forme d'anhydrite. C'est ainsi que le rendement de l'opération est doublé avec un calcaire impur courant, par rapport à la calcite spathique d'Islande. Compte tenu de l'extrême finesse des minéraux constitutifs, dans la plupart des matériaux testés, une bonne description n'a pu en être faite qu'en utilisant un microscope électronique à balayage, avec des grossissements linéaires de 1 000 à 10 000. La distribution en taille des minéraux (grains et cristaux) a été obtenue par comptage de 500 à 700 grains en s'aidant d'un compteur de point. Enfin, la détermination quantitative de l'espace poreux, volume total et distribution, a nécessité l'emploi d'un microscope téléviseur quantitatif (analyse d'image par un procédé opto-électronique [19]). Notons que l'emploi systématique sur matériaux naturels des appareils modernes utilisés pour l'étude et le contrôle de fabrication des matériaux artificiels, nécessite la mise en œuvre de techniques de préparation particulière auxquelles nous avons apporté une importante contribution [20, 21, 22, 23]. 3.2. Pétrologie des milieux poreux L'interprétation pétrographique de l'histogramme de répartition du volume des pores, en fonction de leur rayon d'entrée (spectre de porosité) que nous donnons dans la légende de la figure 1, a pu être faite grâce à l'emploi d'une résine fluorescente, dont on sature l'échantillon avant la confection d'une lame mince pétrographique (voir fig. 2 et 3). La grande fluidité du monomère employé [20, 21] évite tout désordre accidentel dans la texture originelle des échantillons ; ainsi, pour des matériaux à très faible perméabilité, la saturation peut être conduite en phase vapeur [23]. D'autre part, en substituant l'alcool employé comme déshydratant par le monomère liquide, il est possible de maintenir intacts dans l'échantillon les organismes déprédateurs et d'étudier leur action en place au microscope. [24]. Enfin, une visualisation sélective de l'espace poreux d'un matériau peut être réalisée par désorption contrôlée d'un échantillon préalablement saturé par le monomère liquide; après la prise du monomère résiduel, une autre résine inactive vis-à-vis de la précédente, à pigmentation fluorescente différente, peut être injectée dans l'échantillon [20], (méthode dite « à double résine » [25]), visualisant ainsi l'espace poreux désorbé. 3.3. Pétrologie expérimentale L'observation et