UPThèses

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.

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.

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.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des travaux de recherche de nouvelles ressources en eau en Egypte orientale. Elle est plus spécifiquement axée sur la région du désert Sud-Oriental de l'Egypte. Le présent travail porte sur les propriétés et les potentialités en eau souterraine du système aquifère précambrien dans la région de Hafafit. Les eaux souterraines représentent la ressource la plus importante pour la boisson et les autres usages (domestiques, industriels, agricoles) dans cette région. La répartition spatiale des roches réservoirs, ainsi que leur structure ont d’abord été déterminées afin de comprendre la distribution des aquifères associés et les écoulements préférentiels des eaux souterraines. La méthodologie utilisée est le couplage du travail de terrain pour identifier les roches à l'affleurement et le traitement des images Landsat en utilisant les techniques de télédétection. Cette approche a permis une cartographie géologique détaillée de la région de Hafafit et aussi de dessiner la carte de densité des linéaments et leur orientation. Les résultats ont permis d’identifier les zones potentiellement aquifères. La deuxième étape a consisté à mener une étude pétrographique afin de déterminer la minéralogie et par conséquent, les éléments chimiques qui peuvent être impliqués dans les interactions eaux-roches. L’objectif est de comprendre les processus physico-chimiques à l’origine de la minéralisation des eaux souterraines dans les rochers précambriennes Enfin, avec toutes les données climatiques, géologiques, hydrologiques, hydrogéologiques et chimiques, nous avons tenté d’élaborer un modèle conceptuel du système aquifère du Précambrien de la zone de Hafafit, expliquant ses propriétés physico-chimiques et ses potentialités. Le désert Sud-Oriental de l'Égypte est limité par les longitudes 33° 50' 00" - 35° 45' 00" E et les latitudes 24° 00' 00"- 25° 15' 00" N et couvre une superficie d'environ 17,290 km². Ainsi, il forme une longue bande d'environ 150-200 km de large, bordée à l'Ouest par le Nil et à l'Est par la Mer Rouge. La zone étudiée est située dans la partie sud de cette bande et peut être définie par un quadrilatère dont les sommets sont, au Nord, les villes de Idfu et El Qusier et ceux d'Assouan et Ras Banas au Sud. Pour la zone étudiée, des histogrammes des variations saisonnières de température et de précipitation ont été établis sur les cinq dernières décennies en utilisant les relevés météorologiques historiques (disponibles sur Tutiempo International DataBase) de deux stations situées respectivement à l'Ouest (Assouan sur le Nil) et au Nord (El Qusier sur la Mer Rouge). Les données d'une nouvelle station implantée à l’Est (Marsa Alam sur la Mer Rouge) ont été utilisées, mais sur 6 ans uniquement. Malheureusement aucune station n’a été implantée dans la partie montagneuse de la région étudiée. Ces histogrammes montrent que, dans la région de Hafafit, la température varie de 22 à 36 °C avec une moyenne de 28 °C. L'effet de la température est renforcé par l’ensoleillement relatif annuel moyen, compris entre 80% et 106% entre les deux saisons. L'humidité relative annuelle varie entre 32% et 60% de l'hiver à l'été. Les précipitations annuelles varient de 0 à 117 mm/an dans l'Ouest (Assouan) et de 0 à 195 mm/an dans le Nord (El Qusier) avec une moyenne générale de 50 mm/an pour toute la région. Cependant de longues périodes de sécheresse peuvent succéder à certains événements pluviométriques intenses (souvent 60 mm.h-1). Un autre critère important du climat local est le vent qui souffle régulièrement avec une vitesse moyenne élevée à près de 20 km/h. Par conséquent, l'évaporation potentielle peut atteindre 10 mm/jour. Toutes ces conditions témoignent du degré élevé de l'aridité de la région de Hafafit et du faible potentiel de recharge des aquifères par les apports pluviométriques. Sur les bords de la chaîne centrale des collines, les affleurements de roches sédimentaires sont réduits. Les alluvions quaternaires du Nil recouvrent une séquence détritique et marine de schiste, de craie et de marne de l’Eocène au Pliocène. Sous cette séquence, se trouvent les formations du Crétacé supérieur (carbonates, phosphates et roches détritiques) et les grès Nubiens du Crétacé moyen qui forment le socle sédimentaire régional. Près de la Mer Rouge, la couverture sédimentaire de la plaine côtière est épaisse, datée du Miocène au Quaternaire, caractérisée par des dépôts marins et des formations coralliennes. Les plus anciennes roches du Précambrien constituent le socle. La séquence commune des roches est la suivante : migmatites - granitoïdes gneissiques - gneiss psammitiques, gneiss à biotite-amphibolites - schistes pélitiques. Selon le degré de métamorphisme, certaines de ces roches développent une schistosité et sont plus ou moins intensivement pliées. Toutes ces roches ont été regroupées dans l'unité dite ‘Infrastructure’. Deux aquifères sont liés à cet ensemble, l’un associé aux méta-sédiments et l'autre aux formations granitiques. Les roches les plus jeunes du Précambrien sont principalement des roches basiques et ultrabasiques. Cette séquence est formée de serpentinites (plus ou moins altérés, comme indiqué par la présence d’antigorite, de carbonates et de talc), de métagabbro, de métavolcanites. Cet ensemble de roches a été regroupés dans l'unité dite ‘Supra-structure’. Deux aquifères ont été identifiés en relation avec les roches métavolcaniques et les roches basiques-ultrabasiques. Enfin, une grande partie de toutes ces roches a été recoupée par les intrusions de granitoïdes et par de nombreux dykes et veines de granite, dolérite, aplite et quartz. Les zones très fracturées sont des zones préférentielles d’écoulement pour les eaux souterraines. La technique de télédétection est l'un des outils les plus importants et les plus puissants pour la cartographie des roches et l'extraction des linéaments. Les données du satellite Landsat-8 ont été utilisées pour l’étude de la zone de Hafafit sur une superficie de 312 km2. Les linéaments permettent de déterminer les zones d’écoulement préférentiel de l'eau souterraine et servent de base pour l'exploration et la prospection des aquifères fracturés. Le traitement des images Landsat-8 a permis d’identifier les zones potentielles d’écoulement des eaux souterraines. Ces zones ont surtout été détectées dans les granitoïdes plus âgés, les méta-sédiments et métavolcanites et doivent être considérées comme des sites appropriés pour l'exploration géophysique et par forages. L'analyse morphométrique est une étude vitale pour comprendre le comportement hydrologique et géomorphologique des bassins versants. La méthode synthétique de l'hydrogramme unitaire de Snyder dans les bassins versants non jaugés a permis de calculer le débit de pointe et le temps de base dans ces bassins versants sur la base des caractéristiques physiques et des coefficients constants. Le temps de pointe est un paramètre important pour déterminer le temps suffisant pour que les résidents quittent les zones à haut risque d'inondation. Selon la méthode de l'hydrogramme unitaire synthétique de Snyder, les bassins tels que W.El-Jimal, W.Mubarak, W.Abu Dubur, W.Umm Gheig, W.Lahmi, W.El-Alam, W.Ghadir, W.ar- Ridah, W.Abu Ghusun sont à faible probabilité de risques d'inondation et d’intensité des crues. Ils sont donc appropriés pour la construction des stations et villages touristiques et commerciales, pour l'agriculture et l’industrie en prenant les précautions nécessaires. La diagraphie géophysique a été appliquée pour décrire la lithologie du sous-sol. La corrélation stratigraphique entre les forages, d’après les diagraphies, met en évidence trois couches principales. La première couche correspond à la formation quaternaire de Wadi (épaisseur comprise entre 15 à 60 m) déposée sur la roche précambrienne et aux récifs coralliens dans la zone côtière. La deuxième couche peut être corrélée avec les roches fracturées et altérées, argiles et calcaires (épaisseur comprise entre 20 - 100 m). Les roches massives du sous-sol (épaisseur entre 40 à 250 m) représentent la 3ème couche. Les formations aquifères sont classées comme suit : les aquifères côtiers de la Mer Rouge (aquifères du Miocène au Quaternaire), les aquifères fracturés du Précambrien. Les isopièzes varient entre 0,5 à 590 m. La carte piézométrique met en évidence des zones de recharge en zone montagneuse. L'eau souterraine s’écoule principalement dans deux directions, vers l'Est en direction de la mer Rouge et dans la direction du Nil. La carte piézométrique montre une ligne de partage des eaux souterraines entre ces deux parties. La caractérisation pétrographique des aquifères permet de mieux comprendre la chimie des eaux souterraines. Les roches de l'unité ‘Infrastructure’ sont essentiellement des roches silico-alumineuses provenant d’un métamorphisme régional de contact (migmatites, gneiss granitoïdes, amphibolites, et schiste pélitique). Les roches de cette unité Infrastructure sont principalement composées de quartz, plagioclase, feldspath potassique et micas (biotite et muscovite). Par conséquent, la chimie des eaux souterraines dans ce domaine sera le résultat d'interactions entre les roches alumino-silicatées et l’eau, conduisant à la libération essentiellement de Si, Al, Na, Ca et K. Ceci apparaît dans les aquifères méta-sédimentaires et l'aquifère granitique. En revanche, les roches de l'unité Supra-structure sont principalement des roches basiques et ultrabasiques découlant de la croûte océanique (serpentinites et métavolcanites essentiellement associés aux métagabbros). Par conséquent, ces roches, principalement composées d'olivine, pyroxène et magnétite, ont été modifiées en antigorite, talc et carbonates (calcite et magnésite). Les eaux souterraines de cette unité sont largement enrichies en Si, Mg, Ca, HCO3 et Fe. Comme ces types de roches contiennent une partie importante de minéraux sulfurés, leur altération peut produire la formation de sulfate. Ceci apparaît dans l’aquifère méta-volcanique et l’aquifère basique-ultrabasique. Les propriétés physiques de l'eau souterraine sont représentées par le pH, la conductivité (CE) et la salinité. L'erreur d'équilibre ionique pour tous les échantillons est au minimum de 5%. La valeur de pH est faible dans la partie orientale de l'étude et élevée dans la partie Ouest de la zone d'étude. La valeur de CE augmente vers la côte de la mer Rouge et diminue dans la partie ouest de la zone. La salinité totale des échantillons d'eau souterraine indique que la salinité augmente vers la Mer Rouge et diminue en direction du Nil. Cela est attribué à l'intrusion d'eau de mer dans les aquifères côtiers. Les ions majeurs sont Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, Br, SO42-, PO42-, CO32- et HCO3-, et constituent près de 98% de la minéralisation totale des eaux souterraines. Le TDS et la conductivité électrique (CE) sont fortement corrélés entre eux et ils ont une corrélation positive avec Ca, Mg, Na, K et Cl. Les eaux souterraines peuvent être classées en trois types d'eaux : le type Cl-Na est prédominant dans les aquifères granitiques, méta-volcaniques, basiques-ultrabasiques, méta-sédimentaires et dans les aquifères quaternaire-miocène; le type Cl-Ca est prédominant dans les aquifères granitiques et basiques-ultrabasiques; les SO4 caractérisent les aquifères méta-volcaniques, granitiques et méta-sédimentaires. Le Na caractérise les aquifère granitiques, méta-volcaniques et méta-sédimentaires. Les indices de saturation des minéraux montrent que la calcite et la dolomite ont atteint l'équilibre dans les aquifères basiques-ultrabasiques et sont dans un état de sursaturation dans d'autres aquifères. Les minéraux évaporitiques montrent des degrés de saturation plus faibles que les minéraux carbonatés. L’halite n’est pas la principale source de Na+ et Cl-. Les processus hydro-chimiques comprennent la salinisation, l'altération, l'évaporation, le mélange et l'échange d'ions, qui influent sur la qualité des eaux souterraines. Selon la salinisation, la plupart des échantillons d'eau souterraine du Précambrien dans la partie ouest de la région sont d’origine pluviométrique (eau douce) et les échantillons dans la partie orientale sont d’origine marine. La plupart des échantillons du Précambrien et de la zone côtière ont subi une altération des silicates. Selon les diagrammes de Gibbs, tous les échantillons d'eau souterraine reflètent le processus d'évaporation. Le Précambrien et les aquifères côtiers révèlent des processus d'échanges d'ions causés par le mélange d'eaux douces et salines. La classification des eaux souterraines en fonction de leur aptitude pour la boisson et les usages domestiques sur la base des critères de l'OMS (2006) montre que tous les échantillons d'eau souterraine ne sont pas aptes. L'aptitude de l'eau souterraine pour l'irrigation, basée sur le TDS montre que seuls 29% des échantillons sont aptes. Perspectives et recommandations. Bien que cette recherche ait apporté une contribution importante à la compréhension des ressources en eau du désert sud-oriental en Egypte, la connaissance est encore insuffisante pour développer une gestion durable de ces ressources. Dans les travaux futurs, les efforts devront se concentrer sur les points suivants: - Meilleure estimation du bilan en eau de la région. Le bilan eau de la région est encore insuffisamment connu. Les études sur les estimations du bilan de l'eau, mettant en œuvre plusieurs méthodes devront être encouragées. - Estimation des paramètres hydrodynamiques. Les données relatives aux paramètres hydrauliques importants tels que la conductivité hydraulique, la transmissivité, l’emmagasinement sont très rares et ne couvrent pas l'ensemble de la région. Ces paramètres ont un grand impact sur la circulation des eaux souterraines. Ainsi, il est fortement recommandé d'augmenter de manière significative les essais hydrauliques. - Mise en place d’un réseau de piézomètres de surveillance des eaux souterraines. À l'heure actuelle il n’existe aucun réseau. Sa mise en œuvre permettrait l'acquisition de données sur les fluctuations piézométriques, d’établir des relations précipitations-piézométrie, et d’estimer la recharge des aquifères. - Les méthodes isotopiques peuvent également être mises en œuvre. Elles permettront de mieux comprendre et quantifier le cycle de l'eau dans le désert oriental. - Une recommandation importante concerne les bases de données. Actuellement, l'accès aux données est très difficile et prend du temps, en raison de la désorganisation de données et d’une mauvaise gestion. Un travail visant à collecter et à centraliser toutes les données liées à l'eau est fortement recommandé. - Basée sur les données disponibles en quantité et en qualité, une modélisation 3D des systèmes aquifères du désert oriental devrait être envisagée dans un proche avenir, en intégrant le contact entre l'eau douce et l'eau salée sur toute la côte de la mer Rouge.

Les marais de l'Ouest ont été gagnés sur les sédiments fluvio-marins par poldérisation débutée dès le moyen âge. Les aménagements hydrauliques avaient, initialement, des objectifs sanitaires et d'élevage. A partir des endiguements, ils ont divisé les territoires en marais mouillés et marais desséchés. Depuis les années 1970 le développement des cultures intensives de céréales a nécessité un rabaissement complémentaire de la nappe par drainage en partie pour augmenter la désalinisation de surface et limiter l’engorgement des sols. Néanmoins, ces territoires restent caractérisés par des nappes proches de la surface. En conséquence les profils hydriques vont être gouvernés par les conditions météorologiques y compris l'évapotranspiration, la pluviométrie, mais également par les remontées capillaires issues d'une nappe salée. D'autre par la nature argileuse des sols et ses propriétés de retrait conditionnent énormément le fonctionnement hydrodynamique et les évolutions de structure. La première partie du travail a été de suivre les évolutions des profils hydriques et de salinité en parcelles non drainées (prairies) et en parcelles drainées (Maïs, Blé, Tournesol). Ces suivis ont été complétés par les mesures des niveaux de nappes et par des mesures tensiométriques via des bougies poreuses implantées à différentes profondeurs. L'objectif final a été de calculer et modéliser les profils de réserve utile (RU) et de RU "résiduelle" utilisable par les plantes. Dans ces systèmes alimentés par les remontées capillaires, le réseau racinaire puise l'eau dans la zone non saturée de surface (vadose) puis dans la zone saturée sous-jacente. La teneur en eau caractéristique de l'interface zone non saturée - zone saturée a été déterminée par analogie entre les chemins d'état de la matrice argileuse le long de sa courbe de retrait et du sol le long de sa courbe de compaction. Les profils de RU résiduelle utilisable par les plantes ont été calculés à partir des profils de teneurs en eau puis comparés aux profils de RU obtenus via les données de station météorologique. Ces profils de RU résiduelle ont pu être écrits sous forme d'équation polynomiale du second degré puis modélisés. Dans cet environnement alimenté par les remontées capillaires, ces profils de RU résiduelles peuvent être modélisés à partir d'un paramètre facilement mesurable en surface qui prend en compte la structure du sol et les conditions météorologique : soit la teneur en eau à 10 cm de profondeur. Cette modélisation reste suffisamment réaliste pour être utilisée comme un outil prédictif face à la pédodiversité et/ou les rendements de culture. A ce travail s'ajoute deux études préliminaires : - les mesures des conductivités thermiques effectives de ces sols par la méthode du fil chaud et leurs modélisations dans les systèmes biphasés : eau - argile et air - argile, mais également pour les systèmes triphasés non saturés : eau - air - argile. Les perspectives sont la modélisation des transferts thermiques et hydriques dans le sol à partir de la surface, - et l'élaboration d'un protocole d'imprégnation-polymérisation des sols argileux humides par des résines de type HEMA. Cette imprégnation permet d'envisager la confection de lames minces dans le matériau argileux induré avec conservation de sa structure initiale humide. Les perspectives sont la pétrographie quantitative à l'interface racine - sol le long de profils verticaux dans les environnements argileux à degrés de saturation et structure évolutives.

Les smectites sont présentent dans de nombreux environnements de surface et sub-surface au sein desquels elles jouent un rôle prépondérant dans la mobilité des cations majeurs et traces de part leurs capacités d’adsorption. En contexte de réhabilitation de sites miniers exploités par lixiviation acide, ces smectites jouent un rôle dans la remontée du pH des eaux ainsi que dans l’immobilisation des éléments solubilisés. La nature des argiles présentent dans les sables non consolidés d’un aquifère exploité a donc été étudié. La présence de smectites du type beidellite (charge tétraédrique) a été mise en évidence. Cependant, il existe peu d’études sur les propriétés de la beidellite, la majorité portant sur la montmorillonite (charge octaédrique). Un modèle d’échange pour 5 cations majeurs des eaux naturelles (Na, K, Ca, Mg, H) et un élément trace (226Ra) a donc été réalisé sur une beidellite de référence. Les vitesses de dissolution et les mécanismes à l’interface solide/solution en milieu acide ont ensuite été étudiés, validant l’application du modèle d’échange à bas pH. Des effets dus à l’organisation des particules en suspension (texture/agrégation) ont aussi été mis en évidence sur les propriétés d’échange et de dissolution. Lors de ces travaux, l’accent a été mis sur l’impact de la cristallochimie sur la réactivité des smectites par comparaison entre les propriétés de la beidellite et de la montmorillonite. Les résultats indiquent que la cristallochimie des smectites a un impact significatif sur leur comportement, ce paramètre pourrait ainsi être utilisé afin d’alimenter les modèles de transport réactif prenant en compte les propriétés des smectites.

Le processus d'aluminisation dans les sols acides, conduit à la formation de minéraux argileux hydroxy-alumineux (HIMs). La fixation d'aluminium dans l'espace interfoliaire diminue la réactivité des feuillets expansibles (feuillets HI). La caractérisation des HIMs issus d'un Alocrisol a été réalisée par modélisation des diffractogrammes de rayons X (raies 00l) de la fraction <2 µm et de ses sous-fractions (<0.05, 0.05-0.1, 0.1-0.2 et 0.2-2 µm). Cette étude a montré que les HIMs sont des minéraux interstratifiés à deux ou trois types de feuillets (HI, illites et/ou expansibles). La proportion relative de feuillets HI par rapport à celle des feuillets expansibles diminue avec la taille des particules. La persistance de feuillets illitiques a été observée dans la fraction fine (<0.05 µm). Afin de tester l’effet de la taille des particules sur l'aluminisation, des expériences d'auto-aluminisation de vermiculites saturées K ou Ca séparées en trois fractions (0.1-0.2, 1 2 et 10-20 µm) ont été tentées. Toutes montrent l'importance du couple taille-cation interfoliaire sur le contrôle de l'échange et de la dissolution qui sont les processus de premier ordre pour l'aluminisation. C'est dans les expériences mettant en jeu les K vermiculites que la compétition entre ces deux processus conduit à la formation de minéraux interstratifiés aluminisés à trois composantes similaires à ceux identifiés dans les sols. L'effet de la taille des particules se marque par la persistance de feuillets illitiques comme cela avait été observé dans les fractions infra-micrométriques des sols. La compétition entre échange et dissolution sont donc très probablement le moteur des évolutions minérales dans les sols.

La connaissance des principales sources diffuses de sédiments permettrait d'améliorer l'utilisation des ressources publiques investies dans les stratégies de gestion des sols. Les méthodes de traçage (fingerprinting) conventionnelles basées sur la composition géochimique sont laborieuses et nécessitent une préparation importante des échantillons. Cette étude visait à rechercher les sources de sédiments dans des bassins versants agricoles du Rio Grande do Sul (sud du Brésil) et d'évaluer l'utilisation des outils spectroscopiques comme technique alternative. La superficie des bassins versants étudiés est comprise entre 0,80 et 2027 km². Les sources de sédiments correspondent aux terres cultivées, aux prairies, aux chemins agricoles et aux berges des cours d'eau. L'échantillonnage des sédiments est basé sur des préleveurs automatiques pour un suivi temporel, des prélèvements de sédiments fins du lit de la rivière, et lors d'événements de pluvieux. La concentration totale des traceurs géochimiques a été mesurée dans les échantillons de sédiments et de sols. Les mesures spectrales ont été faites dans la gamme ultraviolet-visible, proche infrarouge et infrarouge moyen pour le bassin versant d'Arvorezinha. Les deux méthodes, classiques et spectroscopiques, permettent de discriminer et de fournir la contribution des sources de sédiments. L'information spectrale peut être aussi précise que les traceurs géochimiques. En outre, la combinaison de paramètres de couleur dérivés du spectre dans le visible avec traceurs géochimiques était une façon rapide et peu coûteuse pour améliorer la discrimination entre les sources et la précision des prédictions. La contribution des sources de sédiments démontrent que d'autres facteurs que proportion de l'utilisation des terres, comme la distribution de terres agricoles, les forêts et les chemins agricoles dans le paysage, jouent un rôle important dans la production de sédiments. Forêt riparienne semble être un facteur clé de l'érosion des berges des cours d'eau. L'érosion due aux chemins agricoles semble être fortement liée échelle d'observation et dépend du nombre de points ou les routes traversent le réseau hydrographique. Les terres cultivées, même lorsque cultivées sans labour (semis direct), sont encore la principale source de sédiments dans les bassins versants agricoles dans le sud du Brésil. La quantité de sédiment produite par les terres cultivées et par unité de surface qui atteint efficacement le réseau de drainage variait de 0,06 à 3,95 tonnes ha-1 an-1. Ces variations sont partiellement liées au relief et à la pente, mais elles sont essentiellement influencées par l'utilisation des terres et la gestion des sols. La quantité de sédiments provenant des terres cultivées est encore trop élevée pour des zones de faible érosivité et cultivées sans labour du sol, comme le bassin versant de Conceição (1, tonnes ha-1 an-1). Ceci, indique que des efforts supplémentaires sont encore nécessaires pour réduire l'érosion du sol. Par conséquent, il est urgent de mieux planifier l'utilisation et l'occupation des terres dans ces bassins versants, dans la mesure où les systèmes de gestion des sols utilisés par les agriculteurs sont encore inefficaces pour réduire le ruissellement et l'érosion dans les zones cultivées dans le sud du Brésil.

Ce travail de thèse s’est inséré dans la problématique du stockage de déchets radioactifs en formation argileuse profonde. Il porte en particulier sur l’étude de la fissuration hydrique induite par la désaturation et resaturation de la roche en paroi des galeries de la station expérimentale de Tournemire (Averyon, France). Cette étude a visé à identifier les déterminismes microstructuraux et minéralogiques de la fissuration hydrique des argilites de Tournemire, en couplant au laboratoire la Corrélation d’Images Numériques (CIN) et la Microscopie Electronique à Balayage (MEB). Deux échantillons d’argilite de Tournemire ont été soumis à des variations d’humidités différentes par chocs et par paliers progressifs. La CIN a permis de mettre en évidence l’influence de l’humidité et de la teneur en eau sur l’amplitude de l’ouverture des fissures et des déformations à différentes échelles. Cette étude a également permis de mettre en lumière l’influence du chargement hydrique sur l’organisation des réseaux de fractures. Une cartographie minéralogique sur un champ plurimillimétrique en haute résolution a été également mise en œuvre au MEB sur ces deux échantillons d’argilites. Cette cartographie a permis d’apporter des données qualitatives et quantitatives sur l’anisotropie microstructurale et minéralogique de la roche argileuse et de proposer une estimation de la surface élémentaire représentative du système grain/matrice pour des zones à tendance argileuse. Le couplage de la CIN avec le MEB a révélé l’importance des hétérogénéités microstructurales relatives à la proportion, taille, élongation et orientation moyennes des inclusions rigides présentes dans la matrice argileuse de la roche, sur la localisation des fissures hydriques.

La problématique environnementale du sélénium est principalement liée à son domaine de concentration très étroit entre toxicité et carence, et à sa présence diffuse au-delà des limites de potabilité dans de nombreux aquifères. Ainsi, des teneurs en sélénium supérieures à la norme européenne (10 ppb) ont été détectées dans les eaux souterraines du Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers, dont le comportement hydrodynamique est particulièrement bien caractérisé. Le couplage d'études géochimiques, minéralogiques et pétrographiques a mis en évidence que les matériaux de remplissage (« argiles noires ») des structures karstiques subhorizontales présentes dans l'aquifère du Dogger au niveau du SEH, riches en sélénium et considérés comme la source potentielle du sélénium dissous dans ce réservoir, étaient issus de dépôts continentaux ayant subi des phases réductrices. Des fractionnements granulométriques et chimiques d'échantillons d'« argiles noires » ont montré que la fraction séléniée était principalement sous forme de sélénites dans la matrice et "associée" à la fraction organique soluble en milieu alcalin de nature majoritairement aliphatique. Des tests de lixiviation ont mis en évidence l'impact très important des conditions acido-basiques sur la quantité de sélénium dissous et sur la nature des espèces séléniées libérées dans les eaux. Les cinétiques de libération du sélénium tendent à montrer l'existence de trois processus principaux et les suivis de dissolution d'espèces majoritaires suggèrent que les mécanismes de libération du sélénium mis en jeu dans le contexte de l'étude sont principalement régis par des processus d'échange ou de complexation de surface.