La région autour de la ville de Galena, sur le fleuve Mississippi, Illinois, a fonctionné au plomb pendant près d'un siècle.

La ville tire son nom de l'abondance locale de la forme minérale naturelle du plomb. Au milieu du XIXe siècle, la région de Galena exploitait et raffinait 80 pour cent du plomb produit aux États-Unis. Le plomb de galène s'est retrouvé dans tout, des vitraux aux balles.

Des preuves de la production de plomb de Galena sont apparues près de 200 ans plus tard et à quelque 800 miles de là dans ce qui peut sembler un endroit improbable :le lac Matoaka sur le campus de William &Mary.

Mais il s'avère que le lac Matoaka est un dépôt géologiquement idéal de particules atmosphériques. Une équipe de géologues William &Mary dirigée par Jim Kaste et Nick Balascio a extrait les sédiments de la capsule temporelle du lac Matoaka pour trouver des preuves qui retracent le développement de la révolution industrielle et de l'ère de l'automobile. Leurs données offrent des informations sur le changement climatique et mettent même en lumière certains espaces vides dans les archives historiques locales.

C'était autrefois le marais de l'espoir d'Archer

"Matoaka est un spécimen intéressant en ce sens qu'il a une date de formation très précoce, que nous pensons être autour de 1700, " dit Balascio. La retenue était à l'origine connue sous le nom de Ludwell's Mill Pond, créé par le barrage d'un complexe de zones humides connu sous le nom de Archer's Hope Swamp. Balascio, professeur adjoint au Département de géologie, ajouté qu'en plus de l'âge, la géologie particulière de la région fait du lac Matoaka une mine d'or géoarchéologique, au sens figuré.

"C'est aussi dans la plaine côtière, ce qui signifie un substrat rocheux facilement érodé. Donc les taux de sédimentation à Matoaka sont vraiment assez élevés, " Balascio a déclaré. " Cela nous permet de résoudre les changements environnementaux passés et l'histoire de la pollution à une très haute résolution. "

Leurs carottages de Matoaka ont enregistré bien plus que les fonderies de plomb de Galena, offrant rien de moins qu'un voyage sédimentaire à travers l'anthropocène de l'est de l'Amérique du Nord. Ils ont publié leurs découvertes géoarchéologiques dans la revue Anthropocène avec une liste de co-auteurs entièrement William &Mary :Randy Chambers, directeur du Keck Lab, Meredith Meyer, un spécialiste de la recherche et du laboratoire au VIMS ; et les étudiants Madison Renshaw '18 et Kassandra Smith '17.

L'article de l'Anthropocène n'est en aucun cas le dernier mot sur le sujet. Le carottage de Matoaka est un projet en cours et a fourni un flux de sujets aux étudiants du département de géologie.

« Nous avons demandé à des élèves de trier les sédiments centimètre par centimètre, " dit Kaste.

"Nous avons fait quatre ou cinq thèses de premier cycle sur les sédiments du lac Matoaka, " Balascio a ajouté. "Chaque étudiant a examiné une mesure individuelle et nous les avons en quelque sorte intégrés au fil des ans."

SPC :une relique des feux de charbon

L'une de ces étudiantes est Kayla Cahoon '18, qui a fait une présentation lors d'un déjeuner-causerie de professeurs et d'étudiants associés au programme de sciences et politiques environnementales de William &Mary. Sa mesure individuelle était de minuscules morceaux connus sous le nom de particules carbonées sphéroïdales, ou SPC.

« Ils proviennent de la combustion du charbon. Lorsque vous brûlez du charbon, il se passe deux choses principales. " Cahoon a expliqué. " Et puis il y a les particules qui montent par le conduit de fumée et dans l'atmosphère. C'est ce qu'on appelle les cendres volantes."

Elle a poursuivi en disant que les SCP représentent cinq à dix pour cent de toutes les cendres volantes de toute source de charbon en combustion. Les cendres volantes à la dérive - et les SCP qu'elles contiennent - peuvent dériver dans l'atmosphère d'un kilomètre à des milliers de kilomètres de la source, dit Cahoon.

Cahoon a étudié un noyau du lac Matoaka qui remonte à l'époque où le barrage a été construit pour la première fois. Elle a préparé sa carotte dans une série de bains caustiques :acide nitrique, peroxyde d'hydrogène, acide fluorhydrique et acide chlorhydrique.

"Je voulais ronger toute la saleté et la boue et tout ça pour ne laisser que ces particules de carbone, " dit-elle. "Ensuite, je les ai montées sur des diapositives et j'ai passé des heures à compter les points. De haut en bas et de haut en bas pour chaque diapositive."

Les SPC sont, en moyenne, entre 20 et 30 microns. Cahoon a examiné ses lames sur un microscope électronique à balayage au William &Mary's Integrated Science Center, mais son instrument de travail était un microscope à réflexion binoculaire.

Comparaison des pics et des déclins avec les records historiques

Cahoon et ses collègues chercheurs en géoarchéologie comptent ces fragments de pollution afin de pouvoir comparer l'abondance relative des particules provenant des carottes avec les enregistrements historiques. Dans le cas de Cahoon, elle a vu un pic dans les SCP qui correspond au début de la guerre de Sécession en 1861. Il y a eu un pic encore plus important d'environ 1914 à 1918, correspondant à la Première Guerre mondiale.

"C'est à ce moment-là que les trains, les avions et les automobiles ont vraiment démarré, et nous avons vu une augmentation vraiment énorme des combustibles fossiles, " dit-elle. Elle a trouvé une autre augmentation, correspondant au début de la Seconde Guerre mondiale - plus de trains, d'avions et d'automobiles.

Et il y a eu des baisses. Cahoon a déclaré que la première législation nationale sur les émissions de carbone est entrée en vigueur en 1973, enregistré dans les sédiments du lac Matoaka comme une baisse des SCP. Une autre baisse de SCP a été enregistrée en 1993, lorsque les particules de carbone des centrales électriques au charbon ont commencé à être capturées dans les épurateurs de fumées et déposées dans des décharges.

Tous ces pics et ces vallées apparaissent dans d'autres études de carottes de sédiments, mais Cahoon a dit qu'elle avait trouvé quelque chose plus près de chez elle. Quelque chose qu'elle n'avait pas vu dans son examen approfondi de la littérature.

"J'ai trouvé un pic à la fin des années 1700, ce qui est cohérent avec la guerre d'indépendance et aussi avec la croissance de Williamsburg, " dit-elle. " Personne d'autre n'avait cela dans la littérature. Personne d'autre n'avait de collection de particules SCP avant 1830 ou à peu près."

"J'ai commencé à vraiment creuser l'aspect historique de cela. J'ai trouvé des choses que nous savons tous, " dit Cahoon. " En 1699, Williamsburg devint la capitale de la Virginie et y resta jusqu'en 1780.

"Mais ce n'était pas seulement la capitale politique, c'était aussi la capitale industrielle, " a-t-elle poursuivi. " Il y avait une grande quantité d'industries qui se déroulaient ici à Williamsburg. Le principal était l'armurerie James Anderson."

L'armurerie James Anderson, ou une version recréée de celui-ci, est en opération à Colonial Williamsburg. Cahoon a interviewé Ken Schwartz, maître forgeron de l'établissement, et a également pris des échantillons de leurs feux de forge et conduits de fumée. L'armurerie Anderson du début du XVIIIe siècle était un lieu d'activité considérable.

« On sait que de 1765 à 1780, il dirigeait huit forges par jour pendant 18 heures par jour, " dit-elle. " Tout le charbon brûlant. Ce que nous avons réalisé, c'est que nous avons une histoire vraiment unique d'utilisation des combustibles fossiles bien avant le début de la révolution industrielle. Avant toutes les usines. Avant que tous les trains n'arrivent."

Pollution d'hier =points de données d'aujourd'hui

Les polluants du passé sont les points de données du présent. Les sédiments d'archives du lac Matoaka ont enregistré plus de SCP. Kaste est professeur agrégé au département de géologie et est actuellement directeur du programme de sciences et politiques environnementales de William &Mary. Il a expliqué que le plomb et le mercure sont des sous-produits supplémentaires de la combustion du charbon.

« Donc, là où vous avez des SCP, vous pouvez vous attendre à avoir ces contaminants de métaux lourds - c'est incroyable à quel point ces données correspondent aux données SCP, " il a dit.

Mais, le mercure pénètre dans l'environnement à partir d'autres sources que la combustion du charbon. Un projet étudiant s'est penché sur le mercure et Kaste a déclaré avoir trouvé un pic de mercure juste avant 1900. C'était une relique de la monnaie de l'époque.

"Il y avait beaucoup d'extraction d'argent aux États-Unis de 1880 à 1890, il a dit. "Quand vous extrayez de l'argent ou du plomb, vous extrayez du mercure accidentellement, car ils sont associés au même type de roche. Donc, quand vous faites de l'extraction d'argent, vous finissez par émettre beaucoup de mercure dans l'atmosphère."

La signature chimique révélatrice du plomb

Comme le mercure, le plomb pénètre dans l'environnement à partir d'un certain nombre de sources autres que les feux de charbon. Les particules de plomb sont également produites par fusion du plomb, bien sûr. Kaste a déclaré que les carottes de sédiments ont révélé une augmentation constante de la concentration de plomb de 1700 à 1750, compatible avec la croissance industrielle de Williamsburg à l'époque coloniale.

"Ce qui est intéressant, c'est que vous voyez une chute juste après la Révolution américaine, ", a-t-il déclaré. "Ceci est cohérent avec les documents historiques qui suggèrent que Williamsburg est en quelque sorte tombé après que la capitale a été déplacée à Richmond."

Un autre pic est apparu vers 1860, compatible avec l'apogée de l'industrie du plomb Galena. Kaste a expliqué qu'ils peuvent faire la différence entre le plomb d'une fonderie et le plomb d'un feu de charbon ou d'autres sources. (Le mercure a des signatures chimiques de diagnostic similaires.)

"Le plomb a des signatures isotopiques différentes, " dit-il. " Il y a du plomb 206, 207, 208. Charbon, par exemple, est enrichi en plomb 207, alors que l'altération des sédiments s'enrichit d'un autre isotope."

Leur analyse chimique sophistiquée peut également révéler la source du minerai de plomb fondu. Kaste a déclaré que le minerai de plomb de la région de Galena a une signature chimique très distinctive. Le corps minéralisé supérieur du Midwest qui alimentait les fonderies de Galena a finalement été extrait, et Kasté, Balascio et leurs étudiants ont pu retracer le déclin du plomb de galène dans leurs carottages de Matoaka. Mais le plomb est revenu.

« Nous voyons la Seconde Guerre mondiale, un grand saut vers 1942, " a déclaré Kaste. "Cela va provenir de l'extraction de plomb associée à la fabrication de toutes les balles pour l'effort de guerre. L'exploitation minière là-bas était principalement située dans l'Idaho. »

Après la guerre, Kaste a dit qu'il y avait eu une légère baisse, et puis l'Amérique est entrée dans une ère qu'il a appelée "le plomb de pointe".

"Dans les années 1960, nous utilisons du plomb dans l'essence. Chaque fois que vous remplissez votre réservoir, tu mets du plomb tétraéthyle dans ton réservoir d'essence, " dit Kaste. " Et puis quand vous avez appuyé sur l'accélérateur et brûlé du gaz, the lead went out your tailpipe and it went up and moved around a couple hundred miles and then came back down whenever it rained."

And the 1977 enacting of clean air legislation and the advent of unleaded gasoline were duly noted by a rather sudden disappearance of certain lead isotopes in Lake Matoaka sediment.

"When I teach introductory environmental science and policy, I like to use this as an example of legislation that worked, " Kaste said. "You can see this in ice cores, you can see this in lake sediments. Once we made the lead illegal to put in gasoline, the atmosphere got cleaned up pretty quickly."