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Terre solide et enveloppes superficielles

Les thèses se rapportant au secteur de recherche "Terre solide et enveloppes superficielles"

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  • Évolution des environnements sédimentaires du bassin de Podolya (Ukraine) à l'avènement des premiers métazoaires édiacariens    - Soldatenko Yevheniia  -  18 mai 2018

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    Sur la Plate-forme Est Européenne (PEE), des sédiments silicoclastiques néoprotérozoïques ont livré une faune animale édiacarienne type dans le bassin de Podolya. Sa géologie montre un domaine marin littoral et indiquent que cette faune vivait dans la zone euphotique. Situé en bordure du Bouclier Ukrainien, le bassin est resté à l'abri des événements tectoniques et sa subsidence a été faible, ce qui explique l’absence de métamorphisme et de processus liés à la diagenèse d’enfouissement. Ces conditions ont permis la préservation des fossiles d’animaux et des minéraux argileux. Ainsi, quatre couches riches minéraux interstratifiés (IS) ont permis d’identifier des bentonites i.e. des produits pyroclastiques altérés. Les zircons de la bentonite la plus récente, qui coiffe les niveaux fossilifères, ont été datés (238U/206Pb) à 557-555 Ma ; le macrobiota édiacarien de Podolya est donc plus âgé. De plus, les variations de teneurs en kaolinite dans la pile sédimentaire indiquent que le continent Baltica voisin (actuelle PEE), source du détritisme, a connu une succession de climats tempéré-chaud-tempéré. En accord avec les données paléomagnétiques, Baltica a donc migré depuis les hautes vers les basses latitudes avant d’amorcer un mouvement rétrograde. Les strates fossiles pauvres en kaolinite peuvent être corrélées avec une position de Baltica en latitude élevée, près de la bordure nord de Rodinia et du continent Avalon. Nos résultats permettent de situer les fossiles édiacariens de l'Ukraine sur l'échelle biochronostratigraphique mondiale, et de mieux comprendre les relations spatio-temporelles du biote de Podolya par rapport aux autres macrofaunes situées à proximité de Baltica à cette époque. Les nouvelles données et les morphologies primitives des fossiles de Podolya – d’ordinaire uniquement comparées à celles de la Mer Blanche (Russie) pourraient expliquer la ressemblance phylogénique entre le biote édiacarien d’Ukraine et certains macrofossiles d'Avalon.

  • Approche quantitative par spectrométrie Vis-NIR des minéraux argileux et uranifères dans les sables du gisement de Tortkuduk, Kazakhstan    - Hebert Benoit  -  17 mai 2018

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    Les gisements de type roll-front du Kazakhstan représentent près de 13% des réserves mondiales en uranium en 2015. Les minéraux argileux, présents à chaque étape du cycle minier, ont récemment suscité l’intérêt des exploitants. L’étude de la distribution et des proportions de ces minéraux dans les sédiments à l’échelle d’un gisement permettraient d’améliorer à la fois l’exploration, l’exploitation et la réhabilitation de ce type de gisement. Différentes méthodes ont été développées pour identifier et quantifier les minéraux d’intérêt à partir de la spectrométrie infrarouge (IR), une technique instrumentale rapide, adaptée à une utilisation sur le terrain. Ces méthodes ont été calibrées à l’aide d’une large base de données de spectres IR et la préparation de sables artificiels. Il est possible d’obtenir, à partir d’une seule mesure spectrale, la teneur en argiles des sables et particulièrement celle en smectite afin d’identifier les zones les plus riches et adapter l’extraction de l’uranium. L’ensemble de ces méthodes permettent de réaliser des cartographies de la répartition des minéraux argileux à l’échelle du gisement pour comprendre sa géométrie et sa mise en place. La migration des corps minéralisés à l’échelle régionale a été mise en évidence par spectrométrie de résonance paramagnétique, avec l’étude des défauts structuraux engendrés par la proximité des minéraux argileux avec les minéraux uranifères.

  • Écologie alimentaire et paléoenvironnements des cervidés européens du Pléistocène inférieur : le message des textures de micro-usure dentaire    - Berlioz Emilie  -  05 décembre 2017

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    Le refroidissement global et les oscillations entre cycles glaciaires et interglaciaires du Pléistocène inférieur ont pour conséquence une alternance entre milieux steppiques et forestiers, favorisant par là-même renouvellements et dispersions fauniques dont celui du genre Homo. Dans les interprétations paléoenvironnementales basées sur les assemblages fauniques, les cervidés, parmi les plus abondants mammifères, sont classiquement considérés comme forestiers, mais ce paradigme ne reflète pas la complexité de la diversité écologique réelle des cervidés. L'analyse texturale de 921 spécimens représentant les 5 cervidés actuels à l'écologie référencée a permis d'établir une robuste base de données et d'attester du lien significatif entre micro-usure dentaire et ressources végétales. L'analyse de 547 cervidés fossiles issus de 15 localités européennes souligne leur grande diversité écologique. Eucladoceros ctenoides et Metacervoceros rhenanus présentent une alimentation plastique. Leur analyse permet l'identification de réponses alimentaires adaptatives aux modifications environnementales liées aux oscillations climatiques. Ces deux cervidés, eurytopiques, constituent des indicateurs écologiques incontournables. La composante forestière supportée par la présence des cervidés est ici remise en cause ; les cervidés étant plus diversifiés écologiquement. L'analyse de la texture de la micro-usure dentaire des cervidés présents dans des sites européens, où la présence du genre Homo a été avancée, vise à identifier le type potentiel d'habitat favorable à sa dispersion en Eurasie.

  • Études multi-proxies et multi-scalaires des roches siliceuses (cherts) du bassin de Franceville (2,1 Ga) : origine et processus de formation    - Lekele Baghekema Stellina Gwenaëlle  -  29 juin 2017

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    Le bassin de Franceville d'âge Paléoprotérozoïque (2,2-2,0 Ga) est connu pour ses réacteurs nucléaires naturels, la richesse de son sous-sol (minéralisations uranifères et manganésifère) et ses formations sédimentaires bien préservées qui ont fourni les plus anciens macro-organismes multicellulaires déplaçant la limite de l’apparition de la vie multicellulaire précédemment fixée à 600 Ma à 2,1 Ga. Ces derniers sont retrouvés dans la formation FB dont la mise en place s'est faite durant et immédiatement après le GOE (Grand Evenement d’Oxydation de l’atmosphère terrestre). Cependant, le bassin de Franceville possède également des roches de type cherts qui appartiennent majoritairement au FC et sont le sujet de ce travail. Les observations de terrains, les études pétrographiques et géochimiques sont utilisées pour déterminer l'environnement de dépôts, le mode de formation, et la source de la silice qui compose ces cherts. L'analyse des différents affleurements met en évidence trois faciès distincts : (1) un faciès chert massif d'apparence homogène, (2) un faciès de chert béchique et (3) un faciès stromatolites. Les dômes plats, relativement peu épais, et les formes concentriques à la surface de ces dômes traduisent un milieu supratidal à intertidal. Les observations microscopiques dépeignent trois microfaciès : (1) un microfaciès homogène composé de microquarz dans lequel sont inclus de carbonates et des calcédoines ; ce microfaciès est caractéristique des affleurements de Sucaf et route de Moyabi ; (2) un microfaciès hétérogène montrant des grains qui peuvent être assimilés à des péloïdes à Bambaye, et à des intraclastes et oncoïdes à Lekouba ; (3) un microfaciès laminé (stromatolites) présent dans tous les affleurements. Ces différents microfaciès peuvent être reliés à une précipitation directe de silice, à l'exception des faciès à intraclastes comprenant des inclusions de carbonates qui résultent de la silicification d'un précurseur carbonaté. La formation FC de Francevillien du Gabon renferme les plus vieux microfossiles de Gunflint (Gunflintia, Huroniospora, Eoastrion) qui sont observés dans des stromatolites. Des observations microscopiques (microscopie optiques, microscope électronique à balayage, microscopie électronique à transmission, microscopie laser confocal à balayage et la microspectroscopie Raman) ont été utilisées pour étudier la morphologie et l'ultrastructure dans le but de mieux caractériser leur préservation, leur biogénicité et leur affinité biologique. Malgré un degré de maturation élevé de la matière organique qui les compose, les gaines et les parois des Gunflintia et Huroniospora sont préservées par une recristallisation de plusieurs générations d'opales de différentes textures. Des filaments larges (> 3 μm) à parois épaisses sont reconnus pour la première fois dans un assemblage stromatolitique de type Gunflint et montrent la préservation d'une ultra-structure de gaine épaisse souvent observée dans les cyanobactéries. Deux types de formes en étoiles (Eoastrion) sont distinguées. L'étude palynologique et ultrastructurale révèle un processus de préservation similaire à celui des Gunflintia et Huroniospora. Toutefois, les branches d'un Eoastrion traversant un cristal de chlorite diagénétique tardif sont compatibles avec la formation de branches par migration. De ce fait, leur biogénicité reste discutable.

  • Évolutions minéralogiques des sols du sud du Brésil : processus d'altération pédogénétique et impact anthropique    - Bertolazi Vanessa Thoma  -  24 février 2017

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    Le Sud du Brésil est une région où l'agriculture est très intensive et la pression sur les sols est beaucoup plus importante que dans la région amazonienne. Ainsi, il est important d'étudier les processus d'altération des roches qui constituent des étapes clés du développement des sols et de leurs fonctions environnementales. Dans ce contexte, ce travail vise à : (i) caractériser la morphologie, les propriétés physiques et chimiques de profils d'altération développés en l'absence ou avec une intervention humaine minimale : (ii) établir les évolutions géochimiques et minéralogiques des sols dans un environnement subtropical ; et (iii) évaluer l'impact des actions anthropiques sur la minéralogie des horizons de surface. Cette étude concerne des sols du Rio Grande do Sul dont le climat subtropical (T ~17°C et P ~1800 mm/an) favorise l'accumulation de matière organique ainsi que la formation de minéraux argileux 2:1 en faible proportion. Les indices d'altération (Weathering Intensity Scale – WIS, Chemical Index of Alteration - CIA) permettent de classer les profils selon leur degré d'altération et de leur composition minéralogique différente (smectite, smectite + kaolinite, kaolinite). Dans la dernière partie les résultats montrent qu'après 12 ans de culture des sols avec un système intégré culture-élevage les surfaces non pâturées présentent une proportion moins importante de minéraux 2:1. Les surfaces sous pâturage intensif et modéré présentent une aluminisation plus élevée de la couche interfoliaire des minéraux 2:1. La fixation d'une partie de l'aluminium dans la phase solide du sol, ce qui pourrait le rendre moins disponible pour les plantes et diminuer sa phytotoxicité.

  • Analyse morpho-fonctionnelle de la topographie dentaire 3d chez les primates actuels et fossiles    - Thiery Ghislain  -  23 novembre 2016

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    Chez les mammifères, les dents sont un outil essentiel à la fragmentation et à la fracture des aliments. En retour, les propriétés mécaniques des aliments exercent une pression de sélection sur la morphologie dentaire. L'objectif de ce mémoire est de déterminer si ce signal adaptatif peut être détecté à partir de la morphologie des molaires chez les primates actuels et fossiles. Dans ce cadre, la topographie dentaire 3D de 31 espèces de primates actuels est étudiée à l'aide d'une combinaison de variables classiques et originales. Un colobe fossile, Mesopithecus pentelicus du Miocène terminal de Pikermi (Grèce), est également analysé. Les résultats sont interprétés à partir du régime alimentaire mais aussi d'un système de catégorisation inédit évaluant le champ mécanique d'aptitude à cisailler, écraser et « craquer » les aliments. Les variables choisies permettent de distinguer de façon significative les catégories alimentaires et les champs d'aptitude au sein de l'échantillon actuel. Elles prédisent également que M. pentelicus avait une morphologie dentaire intermédiaire, et qu'il était apte à « craquer » des aliments durs tout en maintenant une adaptation à cisailler des aliments coriaces. En outre, les nouvelles variables permettent de montrer que les crêtes d'émail sont significativement plus tranchantes chez les espèces consommant des aliments coriaces, ce qui confirme leur utilisation en tant qu'outil de cisaillement. En revanche, la distribution de l'épaisseur de l'émail semble être plus homogène chez les espèces durophages, suggérant que la dent entière constitue l'outil élémentaire de « cracking » chez les primates.

  • Influence de la taille des particules et de la cristallochimie sur les propriétés d'échange cationique des minéraux argileux gonflants    - Dzene Liva  -  28 septembre 2016

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    Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols.

  • Le fer dans les smectites : une approche par synthèses minérales    - Baron Fabien  -  06 septembre 2016

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    Les smectites riches en fer appelées nontronite jouent un rôle majeur dans de nombreux processus biogéochimiques à la surface de la Terre. La compréhension de ces processus requiert une caractérisation cristallochimique détaillée de ces minéraux, avec notamment une connaissance précise du statut du fer. Les signatures spectrales du fer structural des nontronites ont été étudiées par spectroscopie infrarouge (IR), Mössbauer et XPS. La mise en évidence de ces signatures a été possible grâce à la synthèse hydrothermale à 150°C d’une série de nontronites avec une large gamme de teneur en [4]Fe(III). Les caractéristiques spectrales IR permettent d'effectuer une estimation robuste de la quantité de [4]Fe(III) tétraédrique présente dans la structure de la nontronite. Ces synthèses ont également permis de faire le lien entre la cristallochimie des nontronites synthétiques et la spéciation aqueuse du Si, Fe et Na. Les calculs de la spéciation aqueuse du Si montrent que l'augmentation des espèces anioniques H3SiO4-(aq) et H2SiO42-(aq) liée à l'augmentation du pH, favorise l'incorporation du Fe(III) dans les sites tétraédriques de la nontronite. La stabilité de ces nontronites dans les conditions de synthèse a ensuite été étudiée en fonction du temps. Une transformation minéralogique a été mise en évidence, amenant à la dissolution de la nontronite au profit d'un assemblage aegirine et hématite. Ces résultats montrent clairement que les nontronites synthétisées sont transitoires dans le système étudié.

  • Propriétés thermodynamiques des phases cimentaires hydratées : C-S-H, C-A-S-H et M-S-H    - Roosz Cédric  -  07 avril 2016

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    Le béton est l'un des matériaux de construction les plus utilisés au monde. Sa durabilité, ses propriétés mécaniques et chimiques en ont fait un matériau de choix dans les concepts de stockage proposés par l'Agence Nationale pour la gestion des Déchets RadioActifs (Andra), notamment pour la réalisation des ouvrages de soutènement, bouchons d'alvéoles, massifs d'appuis ou encore conditionnement des déchets. L'étude de la stabilité des phases constitutives des matériaux cimentaires est donc nécessaire au vu des quantités envisagées et de la pérennité des ouvrages, et doit considérer (i) des gammes de températures adaptées aux matrices cimentaires de confinement en contact avec des déchets exothermiques (25 à 80°C), et (ii) une échelle de temps représentative de la durée de vie d'un stockage. Le projet ThermoChimie de l'Andra vise donc à développer une base de données (BDD) thermodynamiques cohérente, permettant de modéliser l'évolution chimique des matériaux cimentaires dans l'environnement du stockage de déchets radioactifs. Toutefois, dans l'état actuel, la base de données ne propose que des données thermodynamiques sur les phases cimentaires bien cristallisées, ainsi que sur un jeu de données limité à trois compositions chimiques différentes pour les C-S-H nanocristallins, ne permettant pas de reproduire la dégradation des matériaux cimentaires, ni de modéliser la dégradation des nouvelles formulations telles que les bétons "bas-pH". L'objectif est donc d'acquérir un jeu de données thermodynamiques complémentaire, sur les phases telles que les C-S-H (Silicates de Calcium Hydratés), C-A-S-H (Silicates de Calcium Alumineux Hydratés) et M-S-H (Silicates de Magnésium Hydratés), pour les intégrer à la base de données Thermo-Chimie. Cette étude s'appuie sur un travail expérimental, analytique et numérique dans le but d'obtenir un jeu de données thermodynamiques (ΔfG0, ΔfH0, Cp(T), S0) suffisamment représentatif de la variabilité chimiques de ce type de phases. Enfin, cet ensemble de donnée permet le développement d'un modèle de prédiction de données thermodynamiques dans des espaces de compositions et de températures étendues. Le développement de ce modèle de prédiction requiert (i) l'acquisition de propriétés thermodynamiques sur des phases représentatives du système chimique étudié, et (ii) une connaissance précise de la structure et des formules chimiques de ces phases. Trois types d'hydrates ont donc été synthétisés puis caractérisés : les C-S-H, les C-A-S-H et les M-S-H. Des méthodes analytiques telles que la DRX, l’ATG et la RMN du solide (29Si, 27Al) permettent d'établir des similitudes entre la structure des C-(A-)S-H et celle de la tobermorite d'une part, et entre la structure des M-S-H et celle des phyllosilicates Mg-Si 2:1 d'autre part. Les hydrates présentent toutefois une nanocristallinité ainsi que des défauts tant au niveau de la polymérisation du silicium tétraédrique qu'au niveau de l'empilement de leurs feuillets. Une approche multi-techniques est également utilisée, couplant isothermes d'adsorption (eau et azote) et RMN 1H aux résultats de DRX et ATG, pour discriminer les différents types d'eau plus ou moins liés à la structure des C-(A-)S-H. Cette étude a permis de mettre en évidence et de quantifier les différents types d'eau composant la structure des C-(A-)S-H. L'impact des méthodes de préparation a également été mis en évidence sur la quantification des différents types d'eau et notamment l'eau interfoliaire. L'acquisition des paramètres thermodynamiques sur les phases synthétisées est réalisée à partir de l'analyse des solutions d'équilibre pour le calcul des log K et ΔfG0, alors que des acquisitions calorimétriques permettent l'obtention des capacités calorifiques ainsi que le calcul de S0. Enfin, l'enthalpie de formation de ces phases est calculée à partir des enthalpies libres et des entropies. Le modèle de prédiction des données thermodynamiques est développé sur la base des propriétés acquises. L'enthalpie libre de formation ΔfG0 est prédite via un modèle appliquant un formalisme s'appuyant sur la différence d'électronégativité, alors que Cp et S0 sont prédits à travers un modèle de décomposition polyédral. Enfin, une comparaison des données obtenues avec celles existant dans la littérature, et la réalisation de diagrammes de prédominance généralisés à l'ensemble du système CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O permettent d'évaluer la fiabilité du modèle proposé.

  • Études des paléomilieux paléoprotérozoïques (2,1-2,0 Ga) : la formation fb du bassin de Franceville au Gabon    - Onanga Mavotchy Nathaelle  -  31 mars 2016

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    Le bassin paléoprotérozoïque (2,1 à 2,0 Ga) de Franceville, situé au Sud-est du Gabon, est étudié depuis des décennies pour son fort potentiel métallifère (uranium et manganèse), depuis 2010, pour avoir livré les plus anciens macro-organismes multicellulaires connus à ce jour, repoussant la limite de l'apparition de la vie multicellulaire complexe à 2,1 Ga. Cette période, est synchrone de grands bouleversements ayant affectés à l'échelle du Globe la chimie de l'atmosphère et des océans et correspond à la mise en place de la formation FB de la série sédimentaire du Francevillien. C'est dans la région de Mvengué, au centre du bassin, que le stratotype de la formation FB a été initialement défini. L'objectif de cette étude est de pouvoir apporter de nouvelles informations sur les conditions de sédimentation et de diagenèse précoce de ces sédiments, et de mieux comprendre la mise en place de la sédimentation carbonatée essentiellement au sein de niveaux de black shales et d'intercalations silto-gréseuses.
    Dans la zone de Mvengué, les dépôts de la formation FB sont composés d'unités déposées dans un environnement marin avec des profondeurs variables en dessous de la limite d'action des vagues de tempête. On distingue les unités (1) FB1b comprenant des pélites noires, des grès intercalaires et des pélites rubanées ou dolomites litées, (2) FB1c formée par l'alternance de black shales et de grès noirs et enfin (3) FB2a caractérisée par les grès massifs ou grès de Poubara. La variabilité verticale est identique dans les différents sondages. Les analyses pétrographiques, minéralogiques et chimiques montrent que ces sédiments ont subi une diagenèse modérée. Toutefois, les effets de cette diagenèse est variable selon les faciès.
    Les carbonates sont associés aux black shales, de manière souvent diffuse, ils peuvent s'exprimer en lits et bancs individualisés à Mvengué, mais également en concrétions sur le site de Moanda, où elles apparaissent sur une épaisseur de 12 m intercalées dans les niveaux de black shale de l'unité FB1c. Ces concrétions, ovoïdes à lenticulaires, de taille centimétrique à décamétrique, forment des alignements au sein de 8 niveaux successifs. Quelle que soit leurs formes, leurs relations géométriques avec les lamines de l'encaissant black shale argue en faveur d'une mise en place dans un sédiment encore meuble, bien avant le début de la compaction. En se développant les concrétions ont incorporé une fraction argileuse semblable à celle de l'encaissant et dont la composition est relativement homogène depuis leur bordure externe jusqu'à leur centre. Les analyses isotopiques du carbone et de l'oxygène de la phase carbonatée et du carbone de la phase organique ainsi que les relations morphologiques et texturales indiquent que la dolomitisation ayant générée ces concrétions s'est effectuée durant les premiers stades de la diagenèse et a été favorisée par l'oxydation bactérienne de la matière organique conduisant à l'augmentation de l'alcalinité des eaux interstitielles des sédiments.

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