Comptes Rendus Géoscience
Sous presse. Epreuves corrigées par l’auteur. Disponible en ligne depuis le vendredi 1 mai 2015

Doi: 10.1016 / j.crte.2015.02.005

Reçu: 7 octobre 2014;
accepté: 24 février 2015

Suivi de la dispersion des sédiments déversés par dragage au large de la Baie de Seine (nord de la France) par magnétisme environnemental

Jean Nizou une, , François Demory b, Carole Dubrulle-Brunaud une

une Université de Caen, CNRS UMR 6143, Morphodynamique continentale et côtière, 14000 Caen, France

b Aix Marseille Université, CNRS, IRD, CEREGE UM34, 13545 Aix-en-Provence cedex 04, France

Auteur correspondant.

Abstrait

Dans cette étude, nous avons développé une nouvelle approche pour les empreintes digitales des sédiments déversés par dragage en mer en utilisant la susceptibilité magnétique. Plusieurs mesures magnétiques ont été effectuées sur des échantillons sédimentaires discrets provenant des zones de dragage de la Seine et du fond marin de la baie de Seine avant et après déversement. Les sédiments dragués présentaient des valeurs de sensibilité plus élevées que le fond marin non perturbé, ce qui a permis de cartographier la dispersion des sédiments immergés par dragage. Au voisinage de la côte et de l’estuaire, les apports terrestres à haute sensibilité des rivières pourraient également être cartographiés par cette technique, donc la surveillance du déversement par le proxy de sensibilité est limitée aux zones extracôtières. Ce signal de sensibilité est contrôlé par la fraction ferromagnétique du sédiment. De plus, une magnéto-minéralogie à dominance constante de magnétite est observée dans la zone d’étude. En plus de la sensibilité, un paramètre de taille de grain magnétique de la fraction à faible coercition s’est également révélé sensible au dumping. Les deux traceurs ont montré une résilience en cours de l’environnement sédimentaire au cours d’une enquête de 6 mois.

Le texte intégral de cet article est disponible au format PDF.

Mots clés : Magnétisme environnemental, Suivi de la dispersion des sédiments déversés par dragage, Sensibilité magnétique, Empreinte digitale des sédiments, Baie de Seine

introduction

La baie de Seine est un environnement fortement anthropique qui présente, entre autres polluants, des métaux lourds (Chiffoleau et al., 1999

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), les métaux traces (Meybeck et al., 2007

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) et les contaminations par les PCB (Chevreuil et al., 1998

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), ainsi que plusieurs perturbations sédimentaires dues aux constructions (Avoine et al., 1981

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) et la navigation de plaisance (Verney et al., 2007

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). De plus, les sédiments dragués provenant des ports côtiers et des canaux de navigation de la Seine sont immergés en mer pour maintenir la profondeur d’eau nécessaire à la navigation des navires. Les immersions de ces sédiments dragués peuvent affecter les organismes vivants (Boyd et al., 2003

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, Cooper et al., 2007

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, Van der Wal et al., 2011

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), la colonne d’eau (Fettweis et al., 2011

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, Roberts, 2012

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, Yang et al., 2012

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) et les conditions sédimentaires du fond marin (Du Four et Van Lancker, 2008

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, Lepland et al., 2009

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, Li et al., 2009

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). Ainsi, au cours de la dernière décennie, le déversement de dragues en mer a été surveillé par plusieurs approches innovantes utilisant des radionucléides naturels (Venema et de Meijer, 2001

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), techniques acoustiques (Wienberg et Bartholomä, 2005

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) et les distributions granulométriques combinées à des analyses de concentration en métaux (Okada et al., 2009

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). En outre, des techniques de magnétisme environnemental ont été utilisées pour surveiller les métaux lourds (Akinyemi et al., 2012; Franke et al., 2009; Pozza et al., 2004

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, Franke et al., 2009

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, Pozza et al., 2004

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), entrées de sphérules magnétiques anthropiques (Horng et al., 2009

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), la radioactivité alpha artificielle (McCubbin et al., 2000

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), ainsi que les hydrocarbures pétroliers (Venkatachalapathy et al., 2011

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) dans les systèmes sédimentaires d’origine humaine. Cependant, à notre connaissance, aucune surveillance de la dispersion des sédiments de déblais de dragage n’a jamais été développée à l’aide de techniques de magnétisme environnemental. Il a été récemment décidé par le Port de Rouen (Grand Port Maritime de Rouen) d’étudier l’impact de deux nouveaux sites d’immersion expérimentaux sur le système sédimentaire de la Baie de Seine. Cette étude présente une nouvelle application de paramètres proxy magnétiques environnementaux bien établis, calibrés avec une étude de minéralogie magnétique, dans le but d’identifier et de cartographier deux zones expérimentales de dispersion des sédiments déversés par dragage dans la baie de Seine.

matériel et méthodes

Zone d’étude

Le bassin versant de la Seine couvre une superficie de ∼65 000km2 (Meybeck et al., 2007

Cliquez ici pour voir la bibliothèque) et est presque entièrement composé de dépôts sédimentaires (calcaires du Jurassique et sédiments terrigènes, sables et marnes du Crétacé inférieur, craies du Crétacé supérieur, calcaires et marnes du Tertiaire), à ​​l’exception de son affluent sud, la rivière Yonne, qui draine le gneissique hercynien, roches granitiques et rhyolitiques. Le bassin versant est largement recouvert de loess quaternaire et de dépôts fluviaux (Roy et al., 1999

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). La Seine a une longueur de 780km et se termine en Baie de Seine. Les processus sédimentaires à l’intérieur de l’estuaire sont contrôlés par la dynamique des marées, des vagues et des écoulements fluviaux. Le débit annuel moyen de la Seine est ∼497 m3s-1 (1983-2003) à la station Poses en amont de l’estuaire (Meybeck et al., 2007

Cliquez ici pour voir la bibliothèque) et sa masse annuelle moyenne de particules en suspension est ∼6 · 105tonnes (Lesourd et al., 2003

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). L’amplitude des marées au Havre varie de 3 à 7,5m (Lesourd et al., 2003

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). Le régime des vagues de l’estuaire de la Seine présente les caractéristiques des côtes abritées de faibles amplitudes (<3m) et de courtes périodes (3–5s). Alors que les houles d’ouest au nord-ouest prédominent, les vagues générées par les vents locaux se produisent également avec une dominance d’ouest (Lesourd et al., 2003

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Deux sites situés à l’intérieur du chenal de navigation (NC) de la Seine sont régulièrement dragués par le Port de Rouen. Ces sites représentent respectivement 47% et 53% du dumping total. Les sédiments dragués sont immergés dans la baie de Seine, au large du Havre, sur deux sites d’expérimentation. Sur le site est, 106 m3 des sédiments allant des limons aux sables moyens ont été immergés en quatre étapes sur une année (c’est-à-dire une par saison) jusqu’en février 2013 sur une zone de parallélogramme, tandis que sur le site ouest 106 m3 des sédiments ont été immergés en continu de mai à décembre 2012 sous la forme d’un cône (figure 1A).

Fig. 1.

(Couleur en ligne.) A. À gauche: histogramme des distributions de la susceptibilité magnétique spécifique à faible champ (χ LF ) saisir des valeurs d’échantillon de la baie de Seine avant de les immerger (t 0 ), affichant le nombre d’échantillons pour un 0,5 · 10-8m3kg-1 la fenêtre. Centre: plan de classe de la zone d’étude montrant les emplacements et χ LF valeurs des échantillons choisis. À droite: focus sur les sites de dispersion (CBS). Les pictogrammes indiquent les emplacements des échantillons choisis et leur χ LF valeurs. La carte couleur résulte d’une interpolation linéaire entre les χ LF saisir des valeurs d’échantillon. Le cercle blanc et le parallélogramme indiquent les zones d’immersion. B. Identique à la figure 1A, immédiatement après le dernier dumping (t 1 ).

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Stratégie d’échantillonnage

Des campagnes d’échantillonnage ont été réalisées autour des deux sites d’immersion pour évaluer la dispersion des sédiments à l’aide de mandataires magnétiques (figure 1A). L’espacement entre les points de données s’élargit loin des deux centres de stockage à at49 ° 27′17 ″ N, 0 ° 05′26 ″ O et ∼49 ° 27′33 ″ N, 0 ° 07′50 ″ O, jusqu’aux zones côtières et estuaires adjacentes au sud et à l’est. L’échantillonnage au large a atteint la latitude d’Octeville au nord et la longitude de Courseulles-sur-Mer à l’ouest. Dans la zone d’étude, la profondeur de l’eau varie entre ∼10 et 20m. Quatre campagnes d’échantillonnage de ∼142 échantillons chacun (le nombre d’échantillons pouvant varier légèrement selon les campagnes de prospection) ont été réalisés: un avant immersion pour déterminer le fond sédimentologique (t 0 , de juin à septembre 2011), et trois après dumping (t 1 , immédiatement après le dernier dumping de mars 2013; t 2 , 3mois après le dernier dumping en juin 2013; t 3 six mois après le dernier dumping de septembre 2013). La discussion se concentre principalement sur la partie offshore de notre zone d’étude, qui est située à l’intérieur et autour des sites d’immersion (CBS; ∼122 échantillons). À titre de comparaison avec les sédiments de la baie de Seine, cinq échantillons de chacun des deux sites de dragage ont été récupérés. L’échantillonnage a été effectué à l’aide d’une benne Shipek avec une pénétration de ∼dixcm. À titre de comparaison, quatre carottes Reyneck avec une perturbation minimale de la surface des sédiments ont été récupérées à différents intervalles de temps pour évaluer si certains sédiments sont susceptibles d’être remis en suspension pendant l’échantillonnage: avant l’immersion en février 2012, pendant l’immersion en novembre 2012, immédiatement après la dernière immersion en mars 2013 et 2mois après le dernier dumping en mai 2013.

Magnétisme des roches (stockage, préparation et mesures)

Après récupération et avant d’autres préparations en laboratoire, les échantillons ont été stockés dans des boîtes en plastique entièrement remplies et conservés à 4° C pour minimiser l’oxydation post-récupération ou la formation minérale post-échantillonnage. Pour établir la méthodologie de préparation des échantillons, une comparaison a été effectuée entre 24 susceptibilités d’échantillons humides et secs pour déterminer dans quelle mesure l’eau diamagnétique participe au signal et pour tester si le processus d’oxydation qui se produit pendant le séchage affecte les mesures (données disponibles sur PANGAEA.830208). Aucun changement significatif n’a été observé. Par conséquent, tous les échantillons ont été séchés à 40° C à l’aide d’une étuve. Par la suite, les échantillons ont été homogénéisés à l’aide d’un mortier d’agate et d’un pilon pour éviter la contamination par les métaux. Par la suite, les échantillons ont été transférés dans 6,8 cm3 cubes en plastique.

Des analyses magnétiques des roches ont été réalisées dans le laboratoire magnétique de l’institut CEREGE (Aix-en-Provence, France; les données sont disponibles sur PANGAEA.830212). Des mesures magnétiques des roches ont été réalisées dans le but de tracer les sédiments dragués du chenal de navigation de la Seine après immersion au large. La sensibilité magnétique à faible champ des échantillons a été mesurée avec un susceptibilimètre MFK1 AGICO. Les mesures ont été normalisées en fonction du poids de l’échantillon pour déterminer la susceptibilité magnétique spécifique à faible champ (χ LF ). La susceptibilité magnétique à faible champ est influencée dans une moindre mesure par la quantité de matériau paramagnétique (par exemple, les minéraux argileux) et diamagnétique (par exemple, les carbonates), et dans une large mesure par le ferromagnétique s.l. matériau (par exemple, magnétite ou hématite dans des environnements oxiques en eau peu profonde; Tarling et Hrouda, 1993

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Certains échantillons représentatifs ont été sélectionnés en fonction de leur χ LF valeurs par rapport à l’ensemble de la distribution et en fonction de leur position géographique pour mesurer la magnétisation rémanente anhystérétique (ARM), la magnétisation rémanente isotherme de saturation (SIRM) et la magnétisation rémanente isotherme (IRM) à l’aide d’un magnétomètre à roche supraconducteur (entreprises 2G, modèle SRM760R). Le dispositif ARM est une aimantation induite en laboratoire obtenue dans un champ magnétique alternatif de 100mT superposé à un champ constant constant de 50μT comparable à la force du champ géomagnétique. L’ARM est ensuite soumis à une démagnétisation à 30mT (c’est-à-dire ARM30 ). Le SIRM a été acquis dans un champ 3-T et l’IRM dans un champ 0,3-T dans la direction opposée, tous deux induits par le magnétiseur d’impulsions MMPM9 (Magnetic Measurements Ltd.). le S -le rapport a été calculé en utilisant la formule 0,5×(1 – IRM / SIRM), qui permet une estimation potentielle de l’abondance relative des minéraux à haute coercivité (Bloemendal et al., 1992

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). le S – le rapport est proche de 1 lorsque des minéraux à faible coercition tels qu’une magnétite dominent le signal, et diminue avec l’augmentation de la quantité de minéraux à haute coercition tels que l’hématite (Bloemendal et al., 1992

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). La magnétisation rémanente isotherme dure (HIRM) a été calculée en utilisant la formule (SIRM-IRM) / 2 et permet une estimation de la concentration absolue de minéraux à haute coercivité (par exemple, l’hématite; Robinson, 1986

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D’autres investigations magnétiques détaillées ont été effectuées sur 13 échantillons sélectionnés. Parmi les sites d’immersion, huit échantillons au total ont été choisis, soit deux à t 0 , t 1 , t 2 et t 3 . Deux échantillons ont été sélectionnés dans la NC pour caractériser les déblais de dragage. À titre de comparaison, deux échantillons ont été prélevés dans l’estuaire de la Seine et un échantillon dans la zone côtière. Les boucles d’hystérésis et les courbes de champ arrière ont été mesurées à l’aide d’un magnétomètre à échantillon vibrant MicroMag 3900 (Lakeshore) pour déterminer les caractéristiques magnétiques des échantillons. Pour estimer la contribution des particules paramagnétiques au signal de susceptibilité spécifique à faible champ, la pente de la composante linéaire des boucles d’hystérésis exprimée en Am2T-1kg-1 a été calculé et multiplié par la perméabilité magnétique de l’espace libre (m 0 ) pour déterminer la sensibilité spécifique aux champs élevés (χ HF ) exprimé en m3kg-1. Démagnétisation thermique pas à pas du SIRM acquis à 3T a été fait en utilisant un four MMTD80 (Magnetic Measurements Ltd.) pour déterminer les températures de déblocage. Les étapes du traitement thermique sont 25, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 580 et 610° C. Afin d’estimer la contribution des particules superparamagnétiques de taille submicronique au signal de susceptibilité et aux boucles d’hystérésis, la dépendance en fréquence a été déterminée à partir des mesures de susceptibilité magnétique à 976 et 15616Hz à l’aide d’un susceptibilimètre MFK1 AGICO (AGICO; données disponibles sur PANGAEA.832049).

Proxy non magnétiques

Évaluer la nature magnétique du matériau qui cause χ LF variations, la teneur en carbonate a été mesurée sur 36 échantillons présentant un faible χ LF valeurs. La teneur en carbonate a été déterminée à l’aide d’un calcimètre Bernard (Black et al., 1965

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). La détermination du CaCO3 est basé sur l’analyse volumétrique du CO2 libéré lors de l’application d’une solution d’HCl (10%) sur 0,2g d’échantillon homogénéisé mis à la terre. Le processus a été répété deux à six fois pour chaque échantillon. La valeur affichée pour chaque échantillon est donc une moyenne des deux à six analyses.

La distribution granulométrique de 248 échantillons de sédiments en vrac a été analysée avec un granulateur laser Beckman Coulter LS230 au laboratoire M2C (Caen, France). La taille des grains a été définie par le pourcentage en volume et la fraction<63μm (c’est-à-dire fraction fine) a été calculé.

Méthode d’interpolation pour la construction de cartes

Une interpolation entre les points de données a été effectuée en utilisant un interpolateur exact dans Surfer, Triangulation with Linear Interpolation soi-disant triangulation Delaunay (tutoriels Surfer et références dans celui-ci; issue71-surfer-gridding-methods-part1). Étant donné que nos données ne sont pas réparties uniformément sur la zone de la grille, les données contenant des zones clairsemées donnent des facettes triangulaires distinctes sur la carte. Pour éviter des interpolations trompeuses entre des points distants, l’interpolation n’a été utilisée que dans un cadre limité s’étendant autour des sites de stockage (CBS).

Résultats

Susceptibilité magnétique spécifique à faible champ (χLF )

Avant l’immersion, la caractérisation magnétique des sédiments du fond marin de la baie de Seine et de la NC a été réalisée à l’aide de la susceptibilité magnétique spécifique à faible champ χ LF . Afin d’évaluer le fond de sensibilité de la Baie de Seine avant déversement, la répartition des 142 χ LF valeurs a été tracée dans un histogramme affichant le nombre d’échantillons pour un 0,5 · 10-8m3kg-1 fenêtre (Fig. 1A). La distribution log-normale variait de 1 à 14 · 10-8m3kg-1, avec une valeur modale d’environ 2 à 2,5 · 10-8m3kg-1. La totalité des échantillons provenant du CBS a montré des valeurs inférieures à 6 · 10-8m3kg-1, avec 98,4% des échantillons CBS allant de 1 à 4,5 · 10-8m3kg-1, alors que les échantillons prélevés à proximité des embouchures des rivières Orne et Dives affichaient des valeurs supérieures à 4,5 · 10-8m3kg-1et supérieur à 6 · 10-8m3g-1 dans l’estuaire de la Seine (Fig. 1A). Ces valeurs de haute sensibilité révèlent un apport terrestre limité aux zones côtières. Il faut noter qu’aucune station d’échantillonnage n’était située suffisamment près des embouchures des fleuves Seulles et Touques pour enregistrer l’influence du rejet de sédiments de ces sources supplémentaires potentielles.

Les sédiments NC affichés χLF valeurs allant de 2,3 à 12,3 · 10-8m3kg-1 (données disponibles sur PANGAEA.830269). Les sédiments immergés étaient un mélange provenant des deux sites de dragage, dont la valeur moyenne était ∼6.5 · 10-8m3kg-1 (les contributions des différents sites de dragage de 47 et 53% n’ont pas influencé la valeur moyenne). Cette valeur moyenne NC était supérieure à toutes les valeurs de CBS avant déversement et était comparable à la gamme des échantillons récupérés dans l’estuaire de la Seine (Fig. 1A). Par conséquent, la limite à laquelle les sédiments étaient considérés comme des déblais de dragage a été fixée à 6 · 10.-8m3kg-1. La limite à 4,5 · 10-8m3kg-1 a été utilisé pour tenir compte de la dilution du signal de sensibilité au déversement dans le fond de la baie de Seine. Ces limites ont ensuite été appliquées aux ensembles de données immédiatement après le dernier déversement afin d’établir des cartes de classes pour la zone étudiée (figure 1B).

Immédiatement après le dernier déversement en février 2013, la distribution des 141 échantillons de la baie de Seine a présenté une distribution logarithmique similaire à celle d’avant le déversement, à la différence qu’un plus grand nombre d’échantillons a montré χ LF valeurs supérieures à 6 · 10-8m3kg-1 (Fig. 1B). Parmi ceux-ci, trois échantillons ont été récupérés au voisinage des embouchures de l’Orne, des Plongées et de la Seine, et le haut restant χ LF les valeurs étaient situées sur les zones d’immersion. Alors que les trois valeurs de haute sensibilité situées sur les zones côtières ont été induites par l’apport fluvial naturel, le reste des valeurs de haute sensibilité situées plus au large a permis de surveiller la dispersion des sédiments déversés dans la zone CBS. Avant l’immersion, les sédiments CBS présentaient des valeurs inférieures à 6 · 10-8m3kg-1. En revanche, après immersion, les sédiments CBS des sites de dispersion ont montré des valeurs supérieures à 6 · 10-8m3kg-1 (Fig. 1B).

Minéralogie magnétique

Les courbes de démagnétisation thermique du SIRM affichent un déblocage progressif et constant de la magnétisation qui atteint 0 à 550° C (Fig.2A). Ce schéma de démagnétisation est lié à la prédominance de la titanomagnétite mal substituée. Un seul échantillon récupéré sur t 0 atteint 0 à 580° C, qui correspond à la température de Curie de la magnétite pure. Un échantillon du NC montre une légère inflexion à environ 450° C induit par la déstabilisation d’une petite quantité de maghémite. La magnétite et la titanomagnétite mal substituée dominent le signal SIRM dans les 13 échantillons (figure 2A).

Fig.2.

A. Démagnétisation thermique de l’aimantation rémanente isotherme à saturation pour 13 échantillons sélectionnés. B. Exemple de boucle d’hystérésis, la détermination de la pente paramagnétique est utilisée pour calculer la susceptibilité magnétique aux champs élevés (χ HF ). C. Ratio B cr /B c (champ coercitif de la rémanence sur champ coercitif) versus M r /M s (aimantation rémanente sur aimantation à saturation). Zones de pseudo-domaine unique (PSD) et multi-domaines (MD) (Day et al., 1977

Cliquez ici pour voir la bibliothèque) sont affichés sur le graphique.

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Avec des schémas de démagnétisation assez constants et des susceptibilités magnétiques dépendantes de la fréquence inférieures à 6% montrant la faible influence des particules superparamagnétiques sur le signal magnétique (données disponibles sur PANGAEA.832049), les boucles d’hystérésis peuvent être interprétées en termes de tailles de grains magnétiques. Les paramètres caractéristiques calculés à partir des boucles d’hystérésis après correction paramagnétique (Fig. 2B) et des courbes de champ arrière indiquent que les 13 échantillons sont tous affichés dans une plage de taille de grain très étroite de 1 à 20μm dans la zone de pseudo-domaine unique (PSD; Fig. 2C; Dunlop, 2002

Cliquez ici pour voir la bibliothèque). Avant l’immersion, les échantillons de la Baie de Seine, de la NC, et de la côte et de l’estuaire sont largement distribués. Valeurs pour les échantillons de la Baie de Seine de t 1 à t 3 montrent un changement vers les tailles de grains magnétiques fins avec le temps, par opposition aux valeurs à t 0 qui montrent les grains les plus grossiers (Fig. 2C). Ce modèle n’est pas compatible avec une résilience qui conduirait à un déplacement des données vers t 0 valeurs avec le temps. Par conséquent, les paramètres d’hystérésis qui décrivent l’ensemble du spectre de coercivité des minéraux magnétiques compris dans les échantillons ne sont pas très sensibles au processus de déversement: les paramètres d’hystérésis ont une gamme étroite de variations et ne montrent pas de tendance claire, en particulier en termes de résilience.

Discussion

Facteurs influençant le signal de susceptibilité

Granulométrie en vrac vs susceptibilité magnétique à faible champ spécifique

La corrélation entre la taille des grains au laser et la sensibilité a été étudiée en traçant la proportion de la fraction fine (<63μm) vs χ LF pour les échantillons situés dans le CBS. Les échantillons NC ont montré une large gamme de distributions granulométriques allant de 0 à 66% de la fraction fine, quatre échantillons n’ont montré pratiquement aucune fraction fine, tandis que deux échantillons ont montré ∼60% de la fraction fine (Fig. 3A). Le CBS avant le dumping a montré de faibles proportions de fraction fine avec des valeurs maximales atteignant 20% (figure 3B), tandis qu’après le dumping, le CBS présentait des tailles de grain allant jusqu’à 66% de la fraction fine (figure 3C). Ces résultats montrent un apport de sédiments de fraction fine dans le CBS par immersion. Avant et après le dumping, les graphiques de la proportion de la fraction fine par rapport à χ LF afficher un motif très dispersé et, par conséquent, aucune relation linéaire entre les deux paramètres (Fig. 3B et C). La minéralogie magnétique montre que la magnétite micrométrique domine le signal rémanent. De plus, le signal de susceptibilité magnétique peut être modulé par la concentration en magnétite ferromagnétique, qui est de l’ordre de quelques ppms, mais aussi par des argiles paramagnétiques et des contributions de carbonates et quartz diamagnétiques (voir discussion ci-après). L’analyse granulométrique au laser et la sensibilité magnétique doivent donc être considérées comme des méthodes différentes mais complémentaires pour surveiller les sédiments immergés par dragage en mer.

Fig.3.

A. Graphique de la proportion de la fraction fine à base de laser (<63μm) par rapport à la susceptibilité magnétique spécifique à faible champ (χ LF ) pour les échantillons instantanés récupérés dans le canal de navigation (NC). B. Du centre de la zone d’étude en Baie de Seine (CBS) avant déversement (t 0 ). C. Immédiatement après le dernier dumping (t 1 ). D. Graphique de la teneur en carbonate en fonction χ LF pour les échantillons choisis récupérés dans le CBS à t 0 . E. À t 1 .

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Pour évaluer l’influence du matériau diamagnétique sur la sensibilité, la teneur en carbonate a été tracée χ LF pour 18 échantillons CBS avant et après immersion (Fig. 3D et E). La teneur moyenne en carbonate des 18 échantillons répartis dans la zone étudiée ne montre aucun changement significatif avant et après déversement. Corrections de calcite de première approximation à la calcite pure (−0,48 · 10-8m3kg-1; par exemple., Dunlop et Ozdemir, 1997

Click here to see the Library) would range between −0.06 and −0.20·10−8m3kg−1, which is negligible in comparison to the values displayed in this study. Therefore, there is no need for correction of the susceptibility data with respect to the carbonate content. The mean carbonate content remains around 25% (which is in the range of the values found in the literature for the Bay of the Seine, e.g., Garnaud, 2003

Click here to see the Library), whereas the mean susceptibility rises significantly from 2.3 to 3.2·10−8m3kg−1 (Fig. 3D and E). No correlation was found between susceptibility and carbonate content values. Thus, the observed rise in susceptibility is not controlled by a decrease in diamagnetic material.

The magnetic nature of the material that enhances χ LF values was investigated by plotting two parameters that are the SIRM (i.e. the ferromagnetic portion of the sediment) vs. χ LF on NC and CBS samples. The NC shows SIRM values ranging from 2 to 13·10−4UNEm2kg−1 (Fig. 4A). Pre-dumping SIRM values for the CBS samples were centred between 1 and 5·10−4UNEm2kg−1 (except for a single value reaching 6·10−4UNEm2kg−1; Fig. 4B). Post-dumping SIRM values covered a higher range and reached 7·10−4UNEm2kg−1 à t 1 (Fig. 4C). For the NC as well as for the CBS before and after dumping, the SIRM vs. χ LF plots show positive linear trends with correlation coefficients around 0.98 (Fig. 4A–C). Therefore, the susceptibility signal is dominated by ferromagnetic particles.

Fig. 4.

A. Plot of the Saturation Isothermal Remanent Magnetization vs. specific low-field magnetic susceptibility (χ LF ) for grab samples retrieved in the navigation channel (NC). B. In the centre of the study area in the Bay of the Seine (CBS) before dumping (t 0 ). C. Immediately after the last dumping (t 1 ). D. Plot of the proportion of paramagnetic particles vs. χ LF for the 13 samples selected for magnetic mineralogy. E. Plot of the Anhysteretic Remanent Magnetization (ARM)30 /ARM to χ LF ratio for grab samples retrieved in the NC and in the CBS at t 0 ; 4F: at t 1 .

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To estimate the contribution of paramagnetic particles to the susceptibility signal, the high-field magnetic susceptibility χ HF , carried by paramagnetic particles (when positive) and calculated from the paramagnetic slopes of the hysteresis loops (Fig. 2B), was calculated. The proportion of paramagnetic particles was then plotted against χ LF for the 13 samples used for magnetic mineralogy (Fig. 4D). Whereas the χLF values display the differences described in Section 3.1, the magnetic susceptibility values measured for the paramagnetic particles do not show any particular trend. Paramagnetism contributes to 8–42% of magnetic susceptibility, but no correlation was found between paramagnetism and low-field magnetic susceptibility before and after dumping (Fig. 4D). The observed rise in susceptibility in the CBS is, thus, due to an input of ferromagnetic material by dumping.

Hysteretic and anhysteretic qualitative rock magnetic parameters

Isothermal remanent magnetization measurements show that the majority of S -ratio values approach 1, which indicates a relative high amount of low-coercive minerals (Bloemendal et al., 1992

Click here to see the Library; i.e. magnetite according to the magnetic mineralogy; data available on PANGAEA.830268). However, few S -ratio values approach 0.8, indicating a high proportion of highly coercive minerals (i.e. hematite or goethite). These results are in accordance with a comparison of HIRM to SIRM, which shows that high-coercive minerals contribute up to 18% of the SIRM signal for particular samples. Since the saturation magnetization of hematite is 200 times lower than that of magnetite (i.e. Walden, 1999

Click here to see the Library), those peculiar samples may actually contain a dominant proportion of hematite. However, this high proportion of hematite does not affect their magnetic susceptibility, since magnetic susceptibility for hematite is 1000 times lower than for magnetite (i.e. Dearing, 1994

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The anhysteretic ratio ARM30 /ARM is more discriminating than the hysteretic parameters, S -ratio and HIRM, since it displays different values for NC and CBS at t 0 (Fig. 4E). The ARM30 /ARM vs. χ LF plot clearly displays two distinct clouds. The CBS values range between 0.4 and 0.6 (with the exception of one single data point), whereas NC values lie below 0.37. À t 1 , the CBS values decrease to 0.25 to 0.5 (with exception to one single data point), which corresponds to the range of the NC values (Fig. 4F). In the Bay of Seine, Sorrel et al., 2009

Click here to see the Library have been using ARM30 /ARM as a downcore coercivity parameter. However, for samples having a constant mineralogy dominated by magnetite, as it is the case for our surface samples, ARM30 /ARM may be used as a magnetic grain size estimator (Johnson et al., 1975

Click here to see the Library) for the low-coercive fraction. The shift of CBS values towards NC values after dumping reveals an input of coarser low-coercive magnetic grains compared to the background signal (Fig. 4F). This magnetic grain size change is the signature of NC sediments input in the Bay of Seine caused by dumping.

Resilience of the Bay of Seine sedimentary environment

Evolution of the magnetic susceptibility

Magnetic susceptibility distributions in the Bay of Seine were examined during a 6-month period after the last dumping (Fig. 5A). The three post-dumping distributions of ∼142 χLF values from the Bay of Seine displayed similar log-normal-shaped distributions with minor differences. The proportions of χ LF values above 6·10−8m3kg−1 remained stable (i.e. ∼11% of the samples) due to the input of high-susceptibility sediments from the continent (data available on PANGAEA.830175). These results outline the natural (i.e. not linked to dumping activities) non-conservative character of the Bay of Seine sedimentary system. Thus, these histograms of distributions are only relevant when combined together with the spatial monitored data.

Fig. 5.

(Colour online.) A. Left: histograms of the distributions of the specific low-field magnetic susceptibility (χ LF ) grab sample values from the Bay of the Seine (CBS) displaying the number of samples for a 0.5·10−8m3kg−1 window. Right: locations and χ LF values of grab samples in the CBS zone (pictograms), and linear interpolation between the χ LF data points (colour map) immediately (t 1 ), 3months (t 2 ) and 6months (t 3 ) after dumping. B. Histograms of the distributions of the Anhysteretic Remanent Magnetization (ARM)30 /ARM values displaying the number of samples for a 0.05 window for samples retrieved in the navigation channel (NC) and in the CBS before (t 0 ), immediately (t 1 ), 3 (t 2 ) and 6months (t 3 ) after the last dumping. C. Downcore χLF fluctuations measured on four cores originating from the centre of the dumping sites (i.e. sampling stations 78 and 51) and located ∼1,9km to the north and south (i.e. sampling stations 24 and 108). Dates of the retrieval are displayed.

Zoom

The monitoring of the χLF values through the defined class maps allows us to record: (1) the terrestrial input; (2) the dispersion of dumped sediments over the CBS (Fig. 5A). Only the map of September 2013 showed high-susceptibility inputs from the Seine River. Low Seine river runoff was recorded (data available on pages.jsp?currentNodeId=150), which is commonly the case in this season (Lesourd et al., 2003

Click here to see the Library). This input might be the result of the sedimentary regime prevailing in the Bay of Seine. During winter, mud accumulation takes place in the proximal outlet part of the estuary, while during low river runoff, the available mud is reworked by waves and tidal currents and scattered away offshore (Lesourd et al., 2003

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After dumping, both sites display χ LF valeurs>6·10−8m3kg−1 (Fig. 5A). Deposits appear in the form of patches, when monitored on the maps immediately after dumping. Three months after the last dumping, dumped sediments remained in the form of patches, with a higher dilution of the susceptibility signal on the eastern dumping site. Six months after dumping, the eastern dumping site showed susceptibility values<6·10−8m3kg−1. However, the decrease did not reach pre-dumping values. The western site still displayed patches of sediments with high-susceptibility values. Such different dilution trends might be due to the different dumping techniques.

Downcore χ LF fluctuations were measured on four 12-cm long Reyneck box cores (Fig. 5B). Downcore variations are low and for each sampling station χ LF values are similar to the ones measured on the samples retrieved with the Shipek grab. Such findings account for a negligible resuspension during sampling. The low-dispersion trend observed with grab samples at t 2 is also supported by the core data. Cores originating from the centre of the dumping sites (i.e. sampling stations 51 and 78) show variations before and after dumping, whereas stations 24 and 108, which are located ∼1,9km north and south of the dumping sites, do not display any remarkable change (Fig. 5B). Samples originating from the centre of dumping areas show variations of susceptibility values that display the following pattern: low values before dumping, an increase during dumping that reaches a maximum immediately after the last dumping, and finally a decrease towards pre-dumping values. This observation accounts for a low remobilization of the sediment up to 2months after dumping.

Evolution of the dumping-sensitive magnetic parameter ARM30 /ARM

The sedimentary evolution of the Bay of the Seine was monitored during a 6-month period using the magnetic grain size parameter ARM30 /ARM (Fig. 5C). The distributions of the ARM30 /ARM values from the CBS were organized in a histogram displaying the number of samples for a window of 0.05. As discussed in Section 4.2, initial NC and CBS values were well constrained with mean values at respectively 0.35 and 0.47 and modal values respectively around 0.35 to 0.40 and 0.45 to 0.50. Immediately after the last dumping, CBS distribution values shifted towards NC values with a mean of 0.42, and modal values around 0.40 to 0.45. Three to 6months after the last dumping whereas mean and modal values remained steady, their distributions showed a partial resilience with an increasing amount of samples reaching values between 0.45 and 0.55.

A modification of the sedimentary environment of the CBS by an input of dredged-dumped sediments is observed using the magnetic grain size parameter ARM30 /ARM and partly persists even 6months after dumping. This interpretation might suffer from two main biases that are: (1) a too low sampling choice among the CBS stations; (2) non-conservative sedimentary system due to terrestrial input. Nevertheless, low-field magnetic susceptibility and anhysteretic magnetic parameters indicate that mineralogical resilience of the CBS seafloor is in progress. A longer survey would allow for a better evaluation of the on-going resilience pattern.

Conclusions

Our rock magnetism study shows that discrete magnetic susceptibility measurements are a fast and efficient tool for mapping the dispersion of dredged-dumped sediments at the seafloor and evaluate the subsequent resilience of the sedimentary environment. Dredged sediments originating from the navigation channel of the Seine River exhibit higher susceptibilities than the natural sedimentary background of the Bay of the Seine. Therefore, fingerprinting and monitoring the dispersion of the dumped sediments was possible over a 6-month survey. Besides, the influence of terrestrial input was also detected in our susceptibility maps but restricted to coastal areas.

Grain size trend analysis is a commonly used method to study sediment transport at a disposal site (e.g. Friend et al., 2006

Click here to see the Library, Okada et al., 2009

Click here to see the Library). Grain size trend analysis methods assume that distributions tend to approximate statistical normality or log-normality, but our navigation channel and Bay of the Seine natural sediment samples show polymodal particle-size distributions, introducing thus an inevitable loss of information (Forrest and Clark, 1989

Click here to see the Library). Therefore, magnetic susceptibility must be considered as a complementary method to grain size analysis for monitoring dredged-dumped spoils at sea.

To comprehend the nature of the magnetic susceptibility signal, an analysis of the magnetic mineralogy of the sediment was performed. The susceptibility signal was found to be controlled by ferromagnetic particles. This investigation also revealed a constant magnetic mineralogy carried by pseudo-single domain magnetite particles before and after dumping. Among all the remanent magnetic parameters, the anhysteretic magnetic parameter ARM30 /ARM was the most discriminating. In a frame of constant magnetic mineralogy, this parameter can be used as grain size indicator for the low-coercive magnetic fraction. It allowed us to decipher the dredged-dumped sediments from the sedimentary background and to estimate its dilution during the resilience.

Magnetic parameters show that a 6-month survey was not sufficient to observe a complete resilience of the sedimentary system of the Bay of the Seine. A longer survey, combining magnetism and chemistry would be needed to determine the origin and the long-term evolution of the magnetic signal in the Bay of Seine for future dumping activities.

This study was funded by the “Grand Port Maritime de Rouen”. It is an outcome of the CNRS and the University of Caen Basse-Normandie. We would like to acknowledge Jean-Claude Dauvin for providing laboratory facilities. We thank Pierre Rochette, Patrick Lesueur, Patrice Tournier, and Albert Gallicher for their support and useful discussions. Coralie Thouroude is acknowledged for her participation in the grain size measurements. The authors are grateful to the two reviewers, Christine Franke and Christian Crouzet, for their very useful comments and suggestions.

Références

Akinyemi F., Hutchinson M., Mîndrescu M., Rothwell J. Lake sediment records of atmospheric pollution in the Romanian Carpathians Quat. Int. 2012 ;  293 : 1040-6182
Avoine J., Allen G.P., Nichols M., Salomon J.C., Larsonneur C. Suspended-sediment transport in the Seine estuary, France: effect of man-made modifications on estuary-shelf sedimentology Mar. Geol. 1981 ;  40 : 119-137
Black C.A., Evans D.D., Dinauer R.C. Methods of Soil Analysis, Part 1, Physical and Mineralogical Properties, Including Statistics of Measurement and Sampling, Monograph No. 9 Madison, Wisconsin, USA: American Society of Agronomy (1965). (770 p.).
Bloemendal J., King J.W., Hall F.R., Doh S.J. Rockmagnetism of Late Neogene and Pleistocene deep-sea sediments relationship to sediment source, diagenetic processes, and sediment lithology J. Geophys. Res. 1992 ;  97 : 4361-4375
Boyd S.E., Limpenny D.S., Rees H.L., Cooper K.M., Campbell S. Preliminary observations of the effects of dredging intensity on the re-colonisation of dredged sediments off the southeast coast of England (Area 222) Estuarine, Coastal Shelf Sci. 2003 ;  57 : 209-223
Chevreuil M., Blanchard M., Teil M.J., Chesterikoff A. Polychlorobiphenyl behaviour in the water/sediment system of the Seine river, France Water Res. 1998 ;  32 : 1204-1212
Chiffoleau J.-F., Auger D., Chartier E. Fluxes of selected trace metals from the Seine estuary to the eastern English Channel during the period August 1994 to July 1995 Cont. Shelf Res. 1999 ;  19 : 2063-2082
Cooper K., Boyd S., Eggleton J., Limpenny D., Rees H., Vanstaen K. Recovery of the seabed following marine aggregate dredging on the Hastings Shingle Bank off the southeast coast of England Estuarine, Coastal Shelf Sci. 2007 ;  75 : 547-558
Day R., Fuller M., Schmidt V.A. Hysteresis properties of titanomagnetites grain size and compositional dependence Phys. Earth Planet. Inter. 1977 ;  13 : 260-267
Dearing J.A. Environmental Magnetic Susceptibility: Using the Bartington MS2 System Kenilworth, UK: Chi Publishing (1994). 104
Du Four I., Van Lancker V. Changes of sedimentological patterns and morphological features due to the disposal of dredge spoil and the regeneration after cessation of the disposal activities Mar. Geol. 2008 ;  255 : 15-29
Dunlop D.J. Theory and application of the Day plot (Mrs/Ms versus Hcr/Hc). 1. Theoretical curves and tests using titanomagnetite data J. Geophys. Res. 2002 ;  107 : 10.1029/2001JB000487
Dunlop D.J., Ozdemir O. Rock Magnetism: Fundamentals and Frontiers New York, London and Cambridge: Cambridge University Press (1997). (573 p.).
Fettweis M., Baeye M., Francken F., Lauwaert B., Van den Eynde D., Van Lancker V., Martens C., Michielsen T. Monitoring the effects of disposal of fine sediments from maintenance dredging on suspended particulate matter concentration in the Belgian nearshore area (southern North Sea) Mar. Pollut. Taureau. 2011 ;  62 : 258-269
Forrest J., Clark N.R. Characterizing grain size distribution: evaluation of a new approach using a multivariate extension of entropy analysis Sedimentology 1989 ;  36 : 711-722
Franke C., Kissel C., Robin E., Bonté P., Lagroix F. Magnetic particle characterization in the Seine river system: implications for the determination of natural versus anthropogenic input Geochem. Geophys. Geosyst. 2009 ;  10 : 10.1029/2009GC002544
Friend P.L., Velegrakis A.F., Weatherston P.D., Collins M.B. Sediment transport pathways in a dredged ria system, Southwest England Estuarine, Coastal Shelf Sci. 2006 ;  67 : 491-502
Garnaud S. La sédimentation fine sur une plate-forme interne actuelle macrotidale : la baie de Seine sud-orientale (France)(Ph.D. Thesis).
:  (2003). (308 p.).
Horng C.S., Huh C.A., Chen K.H., Huang P.R., Hsiung K.H., Lin H.L. Air pollution history elucidated from anthropogenic spherules and their magnetic signatures in marine sediments offshore of southwestern Taiwan J. Mar. Syst. 2009 ;  76 : 468-478
Johnson H.P., Lowrie W., Kent D.V. Stability of anhysteretic remanent magnetization in fine and coarse magnetite and maghemite particles Geophys. J. R. Ask. Soc. 1975 ;  41 : 1-10
Lepland A., Bøe R., Lepland A., Totland O. Monitoring the volume and lateral spread of disposed sediments by acoustic methods, Oslo Harbor, Norway J. Environ. Manage. 2009 ;  90 : 3589-3598
Lesourd S., Lesueur P., Brun-Cottan J.C., Garnaud S., Poupinet N. Seasonal variations in the characteristics of superficial sediments in a macrotidal estuary (the Seine inlet, France) Estuarine, Coastal Shelf Sci. 2003 ;  58 : 3-16
Li M., Parrott Z., Russell D., Zongyan Y. Sediment stability and dispersion at the Black Point offshore disposal site, Saint John Harbour, New Brunswick, Canada J. Coastal Res. 2009 ;  25 : 1025-1040
McCubbin D., Leonard K.S., Maher B.A., Hamilton E.I. Association of 210Po(210Pb), 239+240Pu and 241Am with different mineral fractions of a beach sand at Seascale, Cumbria, UK Sci. Total Environ. 2000 ;  254 : 1-15
Meybeck M., Lestel L., Bonté P., Moilleron R., Colin J.L., Rousselot O., Hervé D., de Pontevès C., Grosbois C., Thévenot D.R. Historical perspective of heavy metals contamination (Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn) in the Seine River basin (France) following a DPSIR approach (1950–2005) Sci. Total Environ. 2007 ;  375 : 204-231
Okada T., Larcombe P., Mason C. Estimating the spatial distribution of dredged material disposed of at sea using particle-size distributions and metal concentrations Mar. Pollut. Taureau. 2009 ;  58 : 1164-1177
Pozza M.R., Boyce J.I., Morris W.A. Lake-based magnetic mapping of contaminated sediment distribution, Hamilton Harbour, Lake Ontario, Canada J. Appl. Geophys. 2004 ;  57 : 23-41
Roberts D.A. Causes and ecological effects of resuspended contaminated sediments (RCS) in marine environments Environ. Int. 2012 ;  40 : 230-243
Robinson S.G. The Late Pleistocene palaeoclimatic record of North Atlantic deep-sea sediments revealed by mineral-magnetic measurements Phys. Earth Planet. Inter. 1986 ;  42 : 22-47
Roy S., Gaillardet J., Allègre C.J. Geochemistry of dissolved and suspended loads of the Seine river, France: anthropogenic impact, carbonate and silicate weathering Geochim. Cosmochim. Acta 1999 ;  63 : 1277-1292
Sorrel P., Tessier B., Demory F., Delsinne N., Mouazé D. Evidence for millennial-scale climatic events in the sedimentary infilling of a macrotidal estuarine system, the Seine estuary (NW France) Quat. Sci. Tour. 2009 ;  28 : 499-516
Tarling D.H., Hrouda F. The Magnetic Anisotropy of Rocks London: Chapman and Hall (1993). (217 p.).
Van der Wal D., Forster R.M., Rossi F., Hummel H., Ysebaert T., Roose F., Herman P.M.J. Ecological evaluation of an experimental beneficial use scheme for dredged sediment disposal in shallow tidal waters Mar. Pollut. Taureau. 2011 ;  62 : 99-108
Venema L.B., de Meijer R.J. Natural radionuclides as tracers of the dispersal of dredge spoil dumped at sea J. Environ. Radioact. 2001 ;  55 : 221-239
Venkatachalapathy R., Veerasingam S., Basavaiah N., Ramkuma T., Deenadayalan K. Environmental magnetic and petroleum hydrocarbons records in sediment cores from the North-East coast of Tamilnadu, Bay of Bengal, India Mar. Pollut. Taureau. 2011 ;  62 : 681-690
Verney R., Deloffre J., Brun-Cottan J.C., Lafite R. The effect of wave-induced turbulence on intertidal mudflats: impact of boat traffic and wind Cont. Shelf Res. 2007 ;  27 : 594-612
Walden J. Remanence measurements Environmental Magnetism: A Practical Guide, Technical Guide No. 6 London: Quaternary Research Association (1999). 
63-88
Wienberg C., Bartholomä A. Acoustic seabed classification in a coastal environment (outer Weser Estuary, German Bight) a new approach to monitor dredging and dredge spoil disposal Cont. Shelf Res. 2005 ;  25 : 1143-1156
Yang D., Zheng L., Song W., Chen S., Zhang Y. Evaluation indexes and methods for water quality in ocean dumping areas Proc. Environ. Sci. 2012 ;  16 : 112-117

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