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Section 35 - Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Les thèses se rapportant à la section CNU "Section 35 - Structure et évolution de la terre et des autres planètes"

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  • Preparation of activated kaolin for bleaching rice bran oil and synthetic kaolinites to assess sorption properties of these particles in relation to their morphology    - Aung Lei Lei  -  02 mai 2014

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    Cette étude a fait l'objet de deux parties. L'une porte sur l'effet de différents types d'activation (chimique, thermique, mécanique) de kaolins (géo-matériaux riches en kaolinite) sur leurs propriétés de décoloration vis-à-vis de l'huile de riz. L'autre traite de l'effet de la taille et de la morphologie de kaolinites de synthèse sur leurs propriétés d'adsorption. Cette étude a montré que lorsque le kaolin était chauffé à plus de 100°C avant de subir une activation acide en milieu sulfurique, citrique ou oxalique, la capacité de décoloration vis-à-vis de l'huile de riz était fortement réduite. Cet effet a été directement mis en relation avec la destruction partielle ou totale de la structure de la kaolinite, associée à une forte lixiviation de l'aluminium de l'échantillon et à la précipitation de silice amorphe. Il s'est donc avéré que la préservation des sites aluminols présents sur les surfaces externes des particules de kaolinites semblait être un critère primordial à conserver en vue d'obtenir de bonne capacité de décoloration. Dans ce contexte, les meilleures capacités de décoloration (82% environ) ont été obtenues en utilisant conjointement un traitement thermique modéré (<100°C), un broyage mécanique de l'échantillon avant l'étape d'activation acide, une concentration en acide de l'ordre de 0.3 à 0.5 mol/L et un rapport (argile)/(solution acide) de l'ordre de 1/50. Notons que les plus fortes valeurs de surfaces spécifiques n'ont pas forcément été associées aux échantillons présentant les meilleures capacités de décoloration en raison de la présence de silice amorphe et de la non-préservation des sites aluminols de la kaolinite ; sites responsables de l'adsorption des pigments de molécules de chlorophylle-a. Par ailleurs, aucune étude à notre connaissance ne reliait directement les morphologies de particules de phyllosilicates à leurs propriétés d'adsorption vis-à-vis de deux cations inorganiques. Dans le cas des kaolinites naturelles, une charge permanente souvent significative et attribuable à des impuretés minéralogiques empêche toute tentative de relier directement la forme des particules à un coefficient de sélectivité entre deux cations pour des sites latéraux donnés. Des kaolinites ont donc été synthétisées par voie hydrothermale en considérant différentes conditions physico-chimiques, afin d'obtenir des morphologies variées (hexagones plus ou moins anisotropes). Pour ces échantillons synthétiques pour lesquels aucune impureté minéralogique et charge permanente n'a été détectée, des isothermes expérimentales d'adsorption entre Na+ et H+ ont été mesurées. Ces cations ont été choisis étant donné leur présence ubiquiste dans les eaux naturelles et leur fort pouvoir compétiteur par rapport aux cations traces métalliques. Grâce aux surfaces spécifiques des sites latéraux et des densités de site issues de la cristallographie des différentes faces présentes dans nos échantillons ((010), (110), (1-10)), un coefficient de sélectivité entre Na+ et H+ sur l'ensemble des sites latéraux d'une morphologie donnée a pu être estimé à l'aide d'un modèle de complexation de surface. Les résultats ont montré que le coefficient de sélectivité Na+/H+ dépendait très fortement de la morphologie de la particule, et que par conséquent les propriétés d'adsorption des kaolinites ne pouvaient pas être obtenues avec précision sans une connaissance fine de la morphologie des particules.

  • Système d'altération et minéralisation en uranium le long du faisceau structural Kiggavik-Andrew Lake (Nunavut, Canada) : modèle génétique et guides d'exploration    - Riegler Thomas  -  10 décembre 2013

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    Ce travail présente une étude multi-échelle des relations entre altération et minéralisation en uranium le long de la bordure Sud Est du bassin Méso-Protérozoïque du Thelon, au Nunavut, Canada. Les altérations associées aux minéralisations sont développées dans une série volcano-sédimentaire Archéenne appartenant à la ceinture de roche verte du Woodburn Lake Group (WLG). Elles s'expriment majoritairement par un assemblage à illite (polytypes 1Mcis & 1Mtrans) ± sudoite ± hématite et phosphates sulfates d'aluminium hydratés (APS). De plus des composés carbonés, cogénétiques des minéralisations, ont été identifiés comme des produits des réactions hydrothermales. La signature de l'altération, fortement guidées par les structures Est-Ouest du corridor de Kiggavik-Andrew Lake, apparaît alors très similaire à celle rencontrée dans les roches de socles des parties profondes des autres gisements d'uranium de type discordance du bassin d'Athabasca (Canada) ou de la Kombolgie (Australie). L'étude des marqueurs minéralogiques tels que les APS ont permis de mettre en évidence les transferts élémentaires au cours des processus métallogéniques et de distinguer les caractéristiques pétrographique et chimiques des processus diagénétiques et hydrothermaux. Enfin la compréhension fine de l'expression de marqueurs cristallographiques issus de l'irradiation naturelle des minéraux argileux donne de nouvelles pistes pour le traçage et la compréhension des circulations des radios-éléments à l'échelle géologique.

  • Développement de modèles prédictifs décrivant le couplage chimie-transport dans les sédiments naturels    - Lu Jun  -  06 novembre 2013

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    La gestion de sols ou sédiments contaminés par des métaux nécessite de pouvoir prédire la migration de ces métaux, dont la mobilité dépend des propriétés de transport du milieu ainsi que de la réactivité chimique de celui-ci (principalement réactions sorption/désorption). Pour étudier l'adsorption des cations métalliques (majeurs et traces) en condition dynamique, des expériences de transport en colonne ont été réalisées avec un sol pauvre en minéraux carbonatés et en matière organique. Considérant que la réactivité de ce sol était due essentiellement à la phase argileuse smectitique, un modèle d'adsorption basé sur les propriétés de rétention de la montmorillonite du Wyoming, utilisant la théorie des échangeurs d'ions multi-sites a été intégré à un code de transport 1D. Les prédictions calculées par ce modèle ont ensuite été comparées aux courbes de percées mesurées dans cette étude et reportées de la littérature. L'étude sur le transport réactif des cations majeurs a mis en évidence le rôle significatif des protons (et ce même à des pH proche de la neutralité), et a permis de valider le modèle pour le transport compétitif des cations majeurs (Na et Ca). Cependant, l'étude de la rétention de Zn(II) a mis en évidence une incohérence entre les résultats issus des expériences batch et ceux obtenus avec les expériences colonne, que l'on pourrait attribuer à la contribution d'une autre phase adsorbante (illite). Néanmoins, le modèle d'adsorption proposé a permis de reproduire avec une bonne satisfaction des données expérimentales de rétention de Zn(II) proposées dans la littérature et obtenues avec des expériences colonne.

  • Conception et mise en place d'expériences de diffusion de l'eau et de solutés dans des milieux poreux modèles d'argiles gonflantes    - Faurel Michaël  -  19 décembre 2012

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    La plupart des données existantes de diffusion d'eau et de solutés sont obtenues pour des roches argileuses extrêmement complexes ou des échantillons en apparence plus simples préparés à base d'argiles gonflantes sodiques de type smectite. Ces dernières pouvant présenter des organisations très variables et encore mal comprises (phase gel-floc-suspension stable) en conditions saturées, il reste très difficile de contraindre les modèles à double milieu (eau porale ou interfoliaire) parfois avancés pour interpréter des expériences de diffusion. Un système modèle d'argiles gonflantes reflétant réellement un double milieu a pu être obtenu à partir de trois fractions granulométriques d'une vermiculite-Na. Celles-ci ne présentent pas de phase gel en conditions saturées mais des particules bien définies dont la morphologie et l'organisation ont pu être caractérisées. Un dispositif de diffusion a été développé afin d'étudier la diffusion de HDO et Br- pour ces différentes fractions en fonction de la porosité. L'avantage majeur de ce dispositif est de pouvoir préparer des échantillons par sédimentation analysables en tomographie de rayons-X afin de valider leur homogénéité organisationnelle ; hypothèse considérée dans les modélisations. Les résultats obtenus démontrent que cette nouvelle voie de préparation conduit à des échantillons plus homogènes par rapport aux méthodes classiques. Les premières perspectives quant à l'utilisation de ces doubles milieux modèles se dégagent à travers les premiers résultats de diffusion obtenus puisque leurs caractéristiques géométriques parfaitement contrôlées peuvent permettre de pondérer l'impact des différents processus de transport potentiels

  • Altération et minéralisation d'uranium à Shea Creek (Ouest Athabasca, Saskatchewan, Canada) : vers un nouveau modèle génétique de gisement    - Uri Freddy  -  13 décembre 2012

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    Shea Creek est un gisement d'uranium liée à la discordance entre un socle métamorphique et des roches sédimentaires d'origine fluviatile, d'âge Paléo-protérozoïque et situé dans la partie ouest du bassin d'Athabasca. Ce gisement majeur est le plus profond connu actuellement dans le bassin (entre 680 m et 1000 m de profondeur). Il rassemble en un même lieu tous les types de minéralisation associés à une discordance connus de par le monde. Cette étude s'appuie sur l'analyse de plus de 1200 échantillons du halo d'altération qui entoure le gisement et sur l'utilisation des données d'exploration minière. L'objectif est double. Il s'agit d'une part de déterminer des guides sédimentologiques, pétrographiques, minéralogiques et géochimiques pour la prospection des corps minéralisés en zone profonde et d'autre part d'utiliser ces critères pour construire une représentation tridimensionnelle simplifiée (minéralisation et halo d'altération) permettant de préciser le modèle génétique de ce gisement profond. La localisation des différentes zones minéralisées dépend non seulement des phénomènes d'altération liés aux circulations hydrothermales contrôlées par la tectonique, mais aussi de la nature du remplissage sédimentaire et de son évolution diagénétique. L'architecture de la zone minéralisée de Shea Creek montre que les corps minéralisés sont localisés dans des structures en grabben remplies par des alternances de grès propres et de grès argileux souvent préservés de la compaction et de l'altération. La signature minéralogique et géochimique de ces grès suggère un apport provenant de l'érosion de paléo-altérites continentales (régolithe). La très forte concentration en défauts d'ir

  • Interactions argilite de Tournemire / fer métal en contexte in situ : résultats à 10 ans de contact    - Maillet Anaïs  -  12 décembre 2012

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    Dans le cadre du concept de stockage de déchets radioactifs à vie longue en couche géologique profonde développé par l'Andra, l’IRSN mène une étude in situ sur la Station Expérimentale de Tournemire, en collaboration avec EDF afin de déterminer les interactions acier/argilite dans un contexte naturel. Au terme de 10 ans d’interaction, deux forages ont été sur-carottés afin de caractériser les transformations de l’argilite de Tournemire au contact d’aciers carbone et inoxydables et de comparer les phénomènes réactifs mis en évidence et ceux induits par des simulations numériques par des codes de calcul géochimique et couplant chimie-transport. Les échantillons argilite/acier carbone montrent une importante corrosion du disque d’acier. Le fer libéré sous la forme d’auréoles et dans les fissures de la roche perturbe l’argilite au contact entraînant des modifications minéralogiques et structurales. La précipitation d’oxydes de fer ainsi qu’une dissolution de la calcite et des feuillets smectitiques des interstratifiés I/S sont identifiés. Une zonation métal/métal corrodé/argilite perturbée/argilite saine est mise en évidence et des variations de porosité sont observées marquant les interfaces entre deux zones. Les simulations géochimiques montrent que l’essentiel des modifications est rapidement initié lors de la mise en place du système et que l’oxygène piégé à la fermeture du système est consommé par la corrosion des aciers mais surtout qu’il diffuse dans le matériau encaissant par gradient de concentration. Les échantillons argilite/acier inoxydable présentent une très faible corrosion par piqûration de l’acier. La minéralogie de l’argilite ne semble pas perturbée au cont

  • Caractérisation d'un système aquifère volcanique par approche couplée hydrogéochimique et modélisation numérique. Exemple de l'aquifère des basaltes de Dalha, sud-ouest de la République de Djibouti    - Aboubakar Mohamed  -  15 novembre 2012

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    L'aquifère des basaltes du Dalha de la région de Dikhil, au Sud de la République de Djibouti, a fait l'objet d'une étude basée sur une approche pluridisciplinaire (hydrochimique, isotopique, hydrodynamique, modélisation 2D des écoulements) afin de comprendre le fonctionnement de ce système aquifère dans le cadre d'une gestion de ressources en eaux. L'étude hydrochimique a permis de mettre en évidence, d'une part, les processus d'acquisition de la minéralisation des eaux suivant les principales directions d'écoulement, et d'autre part, des faciès hydrochimiques complexes sur la base de la dominance respective des cations et anions. Trois faciès hydrochimiques sont prédominants, à savoir : Na-SO4-HCO3 représentant les eaux à minéralisation modérée, Na-HCO3-SO4 caractéristique des eaux à faible minéralisation et Na-Mg-Cl-SO4 qui correspond aux eaux à forte minéralisation et circulant principalement dans les aquifères des basaltes du Dalha et stratoïdes. Les résultats de l'analyse des isotopes stables de l'environnement (d18O et d2H) sont en parfait accord avec ceux issus de l'hydrochimie, et indiquent que les eaux souterraines de la zone d'étude sont d'origine météorique. D'un point de vue hydrogéologique, les résultats des pompages d'essais exécutés sur les forages captant l'aquifère du Dalha et l'aquifère stratoïde, ont révélé le fort degré d'hétérogénéité des ces aquifères. Le modèle numérique d'écoulement bidimensionnel de l'aquifère des basaltes de Dalha, en régime permanent, a confirmé l'hétérogénéité de l'aquifère mis en évidence par les pompages d'essais et a permis d'établir un bilan de flux qui indique que l'exploitation de l'aquifère a atteint une limite critique

  • Étude du fonctionnement hydrogéochimique du système aquifère du Chari Baguirmi (République du Tchad)    - Abderamane Hamit  -  15 novembre 2012

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    L'étude du système aquifère du Chari Baguirmi vise à améliorer sa connaissance en vue d'une gestion durable et prudente de la ressource en eaux souterraines. Dans la zone d'étude qui couvre 70000 Km2, des campagnes de mesures et d'échantillonnages des eaux et de sédiments ont été réalisés. Les eaux échantillonnées ont fait l'objet d'analyses chimiques et isotopiques (O18 et 2H) afin de comprendre le comportement hydrogéochimique du système aquifère. La synthèse des données géologiques existantes et la mise en évidence de l'hétérogénéité litho-stratigraphique par l'étude granulométrique ont confirmé la complexité hydrogéologique de la zone d'étude. La minéralogie des argiles a montré que le dépôt des différents sédiments se fait de la périphérie vers le centre de la dépression. Ce mode de sédimentation permet d'avancer l'hypothèse de l'existence d'une dépression vers laquelle les sédiments seraient entrainés par l'agent de transport. Cette hypothèse de “ dépression structurale ” réfute l'hypothèse admise jusqu'à présent d'une origine hydrogéologique (forte évaporation) de cette dépression piézométrique. L'étude basée sur la piézométrie et les données chimiques et isotopiques (O18 et 2H) des eaux a permis de comprendre les processus hydrogéochimiques qui gouvernent la minéralisation des eaux. En plus des isotopes (O18 et 2H), l'utilisation des ratios Br/Cl, Sr/Ca et l'indice d'échanges de bases a permis de mettre en évidence d'une part, l'origine de la salinité des eaux de la dépression piézométrique et d'autre part, les phénomènes d'échanges de bases liés au long temps de séjour des eaux au contact des roches encaissantes et les zones de recharge potentielles de la nappe.

  • Argiles, traceurs de paléoconditions diagénétiques et hydrothermales    - Ploquin Florian  -  09 décembre 2011

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    Dans le cadre du programme TAPPS2000 - GNR FORPRO, mené sur le site de Bures (Meuse, France), l'ANDRA a réalisé un forage profond (EST 433) de reconnaissance du Trias local ; les terrains triasiques constituant le soubassement rocheux du niveau d'argilites amené à servir d'encaissant géologique pour le stockage des déchets radioactifs. Le forage a recoupé le Trias sur une épaisseur totale de 700 m en rencontrant successivement de bas en haut : (1) le Buntsandstein restreint à un grès à passées conglomératiques (120 m) ; (2) le Muschelkalk (150m) essentiellement composé d'argiles gréseuses coiffées par des dépôts dolomitiques ; (3) le Keuper constitué de dépôts (450 m) argileux gréso-silteux à intercalations de niveaux salifères ; (4) un ensemble Rhétien-Hettangien caractérisé par des faciès argilo-marneux (80 m). Cette succession lithostratigraphiqie permet de retracer l'évolution des paléoenvironnements sédimentaires depuis des milieux fluviatiles (Buntsandstein) puis lagunaires (Muschelkalk supérieur), à des systèmes de grandes plaines d'inondations temporairement envahies par la mer (Keuper) et, enfin, à un contexte de mer épicontinentale (Rhétien-Hettangien) annonçant la transgression généralisée qui gagnera le centre du Bassin de Paris. La proximité des aires continentales est enregistrée dans la fraction détritique des sédiments tout au long du Trias. La géochimie de ces matériaux signe nettement leur caractère de croûte continentale et leurs valeurs isotopiques Nd-Sm associées en donnent une origine liée aux méta-sédiments et aux granites hercyniens " contaminés " par des roches juvéniles. La minéralogie des phases argileuses authigènes (fraction < 0,2 µm)...

  • Approche par synthèse minérale du système Al-Fe dans les smectites    - Andrieux Pauline  -  30 novembre 2010

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    L'approche par synthèses minérales permet de mieux cerner les conditions de formation des minéraux argileux. Cette approche permet aussi de contraindre la cristallochimie de ces minéraux et ainsi de mieux interpréter leurs signatures spectroscopiques. Il est important pour cela de pouvoir connaître et maîtriser les conditions de synthèse des minéraux argileux que l'on veut étudier. Le but de cette thèse était dans un premier temps de déterminer les conditions de synthèse favorables à la formation de smectites alumino-ferrifères. De nombreux paramètres ont été testés (coprécipitation du gel de départ, état d'oxydation du gel de départ, pH, température). Le pH est un critère très important pour la réussite de la synthèse. En effet, il varie en fonction des teneurs respectives en Al et en Fe3+. La température doit également être ajustée tout au long de la série. Ainsi, en ajustant le pH et la température, des smectites alumino-ferrifères dans une large gamme de compositions chimiques ont été synthétisées tout au long de la série chimique. Elles ont été obtenues par traitement hydrothermal, à des températures entre 150 et 240°C, des pressions de vapeur d'eau saturante, de gels de compositions variables, pour des durées de synthèse variant de 13 jours à 2 mois et demi. Dans un second temps, les smectites synthétisées ont été étudiées par DRX, MET, IR (NIR et MIR), EXAFS au seuil K et au seuil L du Fe, et 27Al MAS RMN. La confrontation des données issues de ces différentes techniques montre que la solution solide Al-Fe3+ dans les smectites entre les deux pôles beidellite et nontronite est complète sans nécessairement la présence de Mg2+ dans le système comme il était suggéré jusqu'alors dans la littérature.Les smectites synthétisées à compositions Al-Fe3+ variables constituent donc une bonne série de référence pour les études spectroscopiques et pour les applications en tant que géomatériaux et nanomatériaux.

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