Trace elements and major species in precipitation at African stations: concentrations and sources

• Autores: Rémi Freydier, Bernard Dupré, Jean-Louis Dandurand, Jean-Pol Fortune, Luc Sigha-Nkamdjou
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 173, Nº. 2, 2002, págs. 129-146
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Elements traces et espèces majeures dans les précipitations d'Afrique: concentrations et sources
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• Resumen
  • English

    The chemical composition of rainwaters is important in obtaining information on the aerosols and gaseous species present in the atmosphere. Original data on the concentrations of trace elements and major species in the dissolved and particulate fractions of rainwater samples collected in intertropical Africa were used to determine the potential sources of chemical species. The photographic and mineralogical characterization of rainwater particles using scanning electron microscopy allow to identify the various origins of aerosols and the associated chemical elements: (i) the crustal source characterized by clay minerals, kaolinite (Al, Si), illite (Al, Si and K) and Fe, Ti, and Mn oxides, (ii) vegetation relicts: Mg, Si, Cl, Mn and Zn have been identified in these biogenic particles and (iii) carbonaceous particles (mainly Si) emitted during vegetation fires. Ionic charge balance calculation for the stations located in the rain forest and wet savanna zones (Cameroon, Centrafrican Republic and Ivory Coast) exhibit an anion deficit from 20 to 50 % (between 7 and 9 [nu]eq.l-1). Measured total organic carbon concentrations (between 0.5 and 3.3 mg.l-1), are much higher than acetic and formic acid. The presence of mimic and/or fulvic substances emitted from the vegetation can explain this anion deficit. The results obtained in this study confirm the existence of three important sources of atmospheric compounds in intertropical Africa: (i) the silicate upper crust source: Sc, Ti, Fe, Y, Zr, Nb, Cs, La, Ce, Nd, Yb, Th and U exhibit enrichment factors very close to 1, (ii) the biogenic and biomass burning source characterized by the following elements: Mg, Cl, K, Ca, Mn, Zn, Rb, Sr, and (iii) two minor sources; marine (Mg, Na, Cl) and anthropogenic (Cr, Co, Zn, Ba and Pb). For the stations located in the rain forest zone, all these sources appear strongly linked. High correlations are observed between elements of various origins. This suggest a strong interaction between terrigenous, biogenic, marine and anthropogenic aerosols. The deposition of aerosols onto vegetation and the re-mobilization of the chemical species through natural emissions or biomass burning could explain these correlations and the observed chemical fractionation of marine origin elements such as Cl and Na.

  • français

    La composition chimique des eaux de pluies, par le caractère intégrateur de celles-ci, permet d'obtenir des données sur les aérosols et les gaz hydrosolubles présents dans l'atmosphère. Des mesures de concentrations en éléments traces et en espèces majeures contenus dans les phases dissoute et particulaire d'échantillons d'eaux de pluies collectés en Afrique équatoriale sont utilisées afin de déterminer les sources potentielles des différentes espèces chimiques. La caractérisation photographique et minéralogique des particules contenues dans les échantillons de pluies, par microscopic électronique à balayage nous a permis d'identifier trois types d'aérosols ainsi que les éléments chimiques associés: (i) la source terrigène caractériséé par des minéraux argileux: kaolinite (Al, Si), illite (Al, Si and K), des oxydes de fer, de titane et de manganese, (ii) des débris végétaux divers: la présence d'éléments tels que Mg, Si, Cl, Ca, Mn, Zn a clairement été mise en évidence dans ces particules et (iii) des particules carbonées provenant des combustions de biomasse qui présentent des réseaux siliceux. Les calculs de balance ionique pour les stations situées en zone de forêts et de savane humide (Cameroun, République Centrafricaine, Côte d'Ivoire) présentent des déficits en charge anionique de 20 à 50 % (entre 7 et 9 [nu]eq.l-1). Les concentrations de carbone organique total mesurées (entre 0.5 et 3.3 mg.1-1) sont nettement supérieures aux contributions des acides acétique et formique et permettent de mettre en évidence l'existence de composés organiques plus lourds tels que les acides humiques ou fulviques. Les résultats obtenus confirment l'existence de trois sources importantes des composés atmosphériques en Afrique intertropicale: (i) la source crustale silicatée: Sc, Ti, Fe, Y, Zr, Nb, Cs, La, Ce, Nd, Yb, Th et U présentent des facteurs d'enrichissement par rapport à la croute silicatée très proche de 1 et ont done une origine crustale unique, (ii) la source biogénique (émissions naturelles et combustion de biomasse) caractérisée par les éléments suivants: Mg, Cl, K, Ca, Mn, Zn, Rb, Sr et de deux sources annexes: la source marine (Mg, Na, Cl) et la source anthropique (Cr, Co, Zn, Ba and Pb). Pour les stations situées en forêt équatoriale, toutes les sources semblent étroitement liées. On observe des corrélations fortes entre des éléments d'origines diverses (marine, biogénique, terrigène et anthropique). Ceci suggère l'existence d'une forte interaction entre les aérosols terrigènes, marins, anthropiques et la biosphère. Le processus d'interaction pourrait êire le suivant: dans un premier temps, des aérosols se déposent sur la végétation, puis, les espèces chimiques sont re-mobilisées soil par émissions naturelles (gutation), soil lors des combustions de biomasse; ces processus sont à l'origine de fractionnements observés entre des éléments d'origine marine tels que Cl et Na.