De manière à répondre à l'accroissement des besoins en uranium, l'exploitation de nouvelles ressources de composition minéralogique variée devient une nécessité. De plus, dans une perspective de développement durable, les procédés d'exploitation et de traitement des minerais d'uranium requièrent une optimisation afin de réduire leur empreinte environnementale. Dans ce but, il est nécessaire d'acquérir des données thermodynamiques fiables relatives aux systèmes d'intérêt, dont en particulier les phosphates et les vanadates d'uranium (VI). Dans ce contexte, une étude multiparamétrique de la dissolution de la méta-torbernite Cu0,8(H3O)0,2(UO2)2(PO4)2,8H2O, de la méta-autunite Ca(UO2)2(PO4)2,6H2O, de la méta-ankoleïte K2(UO2)2(PO4)2,6H2O et de la carnotite K2(UO2)2(VO4)2,3H2O a été entreprise. Dans un premier temps, des analogues à ces quatre phases minérales ont été préparés par différentes méthode, basées sur une voie sèche pour la carnotite et sur des voies humides pour les trois phases phosphatées. Elles ont ensuite été caractérisées d'un point de vue structural, microstructural et chimique. Des structures cristallographiques similaires ont ainsi été mises en évidence au sein desquelles les polyoxoanions (PO43- ou V2O86-) et les groupements uranyle forment des feuillets parallèles entre lesquels s'insèrent les contres cations (Cu2+, Ca2+ ou K+) et les molécules d'eau. Hormis pour la méta-ankoleïte, les analogues synthétiques ont également été comparées à des minerais naturels. Il a ainsi été possible de mettre en évidence des différences d'ordre chimique (présence d'impuretés dans les échantillons naturels) et morphologique (tailles de grains, notamment). La dissolution de ces phases a ensuite été étudiée, tant d'un point de vue cinétique que thermodynamique, à travers des études menées en conditions statiques et dynamiques, dans différents milieux acides (H2SO4, HNO3 et HCl) et à plusieurs températures. Les vitesses de dissolution mesurées sont proches de 1 g.m-2.j-1 pour les quatre phases. Dans les conditions utilisées, la dissolution de la méta-autunite s'est avérée incongruente (précipitation de phosphates d'uranyle), empêchant la détermination des constantes de solubilité. En outre, la dissolution de la méta-ankoleïte a conduit à un échange cationique aboutissant à la formation de solutions solides (H3O)2xK2x-2(UO2)2(PO4)2, 6H2O (0 < x < 2) dont les constantes de solubilité ont pu être calculées. Enfin, les expériences menées sur la méta-torbernite et la carnotite ont conduit à des réactions de dissolution congruentes qui ont permis d'accéder aux données thermodynamiquement d'intérêt telles que leur produit de solubilité et leurs grandeurs standards associées à la dissolution (DrH°, DrG° et DrS°) ou à la formation (DfG° = -6100 ± 5 kJ.mol-1 pour la méta-torbernite et DfG° = -4632 ± 7 kJ.mol-1 pour la carnotite) de chacune de ces phases. Les résultats obtenus montrent que les constantes de solubilité des trois phases phosphatées sont très faibles (10-53 < Ks,0° < 10-45) et ont des valeurs qui diffèrent peu selon la nature du contre cation, en bon accord avec leurs similitudes structurales. D'autre part, la comparaison des grandeurs thermodynamiques déterminées dans ce travail, montre que la carnotite (Ks,0° = 10-63) est plus stable que les phases phosphatées étudiées. La différence observée peut s'expliquer par la structure des feuillets à base de vanadates. Cette étude a ainsi permis d'obtenir des premières valeurs de solubilité pour les phosphates et les vanadates d'uranium(VI) présents dans les gisements d'intérêt économique et d'établir un premier modèle d'estimation de la solubilité pour des phases similaires. Ces données ont également été utilisées lors d'une modélisation en conditions environnementales afin de déterminer la nature des phases susceptibles de se former dans un cas réel (eaux d'un lac proche d'un gisement d'uranium). / In the current context of restart of the nuclear energy, the needs in uranium are expected to increase significantly. Moreover, in a perspective of sustainable development, the exploitation, the treatment and the purification of uranium ores need to be optimized. It is thus necessary to determine reliable thermodynamic data (and especially solubility constants) for the systems of interest, especially uranium(VI) phosphates and vanadates. In this aim, a multiparametric study of the dissolution of meta-torbernite Cu0.8(H3O)0.2(UO2)2(PO4)2.8H2O, meta-autunite Ca(UO2)2(PO4)2.6H2O, meta-ankoleïte K2(UO2)2(PO4)2.6H2O and carnotite K2(UO2)2(VO4)2.3H2O was undertaken.First, analogues of these four minerals were synthesized, based only on dry chemistry process for carnotite or on wet chemistry methods for the phosphate phases. They were then extensively characterized (in terms of structure, microstructure and chemical composition). It particularly highlighted the similar structures of such compounds. The anionic groups (PO43- or V2O86-) and uranyl form parallel layers between which counter cations (Cu2+, Ca2+ or K+) and water molecules are inserted. However, the counter cations present in the interlayer space of the three phosphate phases present different lability. The synthetic phases were also compared to their natural analogues, except for meta-ankoleïte, which allowed us to point out significant differences in the composition (presence of impurities in natural samples) and the morphology (grain size).The dissolution of these phases was then studied from a kinetic and thermodynamic point of view, through leaching tests in static and dynamic conditions, in various acid media (sulfuric, nitric and hydrochloric) and at different temperatures. In these conditions, the dissolution of meta-autunite was found to be uncongruent due to the precipitation of uranyl phosphate then avoidinf the determination of solubility constants. Similarly, the dissolution of meta-ankoleite was preceded by a cation exchange step between K+ and H3O+ leading to the formation of (H3O)2xK2x-2(UO2)2(PO4)2.6H2O (0 < x < 2) solid solutions, whose solubility constant have been evaluated. Finally, meta-torbernite and carnotite presented congruent dissolutions which allowed the determination of thermodynamic data of interest such as solubility products and standard enthalpy, Gibbs free energy and entropy associated with the dissolution reaction (DrH°, DrG° and DrS°) and formation of each phase (DfH°, DfG° and DfS°).The results obtained evidenced very low and similar solubility constants for the three phosphate phases studied (10-53 < Ks,0° < 10-45). Such small variation directly came from the closely related crystal structures previously described. In addition, the difference in composition of the sheets between phosphate and vanadate phases led to greater stability of carnotite (Ks,0° = 10-63) compared to phosphates phases. The solubility values derived from this study for phosphates and vanadates uranium(VI) allowed estimating values for similar phases. These data were also used in a geochemical model for the prediction of neoformed phases in a real case (water of a lake near an uranium deposit).

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent des niobates de formulation Ba2LnNb4O15 (Ln = La ou Nd) et de structure "Tetragonal Tungsten Bronze" (TTB). Ces travaux se situent à la charnière de la chimie et de la physique des matériaux diélectriques et visent à mettre en relation structure cristalline et propriétés diélectriques. L'étude a été menée sur des TTB élaborés sous forme céramique et monocristalline. Après détermination de conditions optimales de croissance, par fusion de zone en four à image, des sections monocristallines ont été obtenues et caractérisées. Les résultats obtenus suggèrent des liens étroits entre composition, modulations structurales apériodiques et comportement diélectrique. Dans le même temps, deux nouvelles solutions solides céramiques ont été explorées, avec des schémas de substitution différents menant notamment à une réflexion très large sur les liens cristallochimie-ferroélectricité dans cette famille de TTB. Ces solutions solides présentent un crossover relaxeur-ferroélectrique, un comportement original et déjà observé dans d'autres solutions solides issues de cette famille de TTB. Des caractérisations avancées (mesures pyro- et piézoélectriques, cycles de polarisation) et des études structurales résolues en composition et en température ont permis d'établir des diagrammes de phases diélectriques montrant l'existence d'un état ferroélectrique métastable. Finalement, la présence d’une modulation structurale bidimensionnelle a pu être confirmée, dans les monocristaux et dans les céramiques, et l'ensemble des résultats obtenus pointent son implication dans les comportements cristallochimiques originaux rencontrés dans ces TTB. / The present work deals with Ba2LnNb4O15 (Ln = La ou Nd) niobates crystallizing with the "Tetragonal Tungsten Bronze" (TTB) structure. These researches, at the interface of chemistry and physics of dieletrics, aim at establishing structure / dielectric properties relationships. They were performed on TTB materials elaborated in ceramic and single crystal forms. Following optimization of growth parameters with an image furnace, single crystals were obtained and characterized. The results obtained suggest that composition, aperiodically modulated structure and dielectric behavior are closely tied in TTBs. Meanwhile, two new ceramic solid solutions with different substitutions schemes were investigated, deepening the insight on crystal-chemistry and ferroelectricity of TTBs. These solid solutions exhibit a relaxor-ferroelectric crossover, an original behaviour previously observed in solid solutions derived from the same family of TTB niobates. Advanced physical characterization (ferro-, pyro- and piezoelectric measurements, polarization loops), and composition/temperature resolved structural studies, allowed for the determination of a dielectric phase diagrams showing the presence of a metastable ferroelectric state. Finally, the existence of a two-dimensional structural modulation in single crystals and ceramics has been confirmed, and the whole set of experimental results points towards its implication in the original dielectric behavior observed in these TTBs.

La connaissance des coefficients de partage des éléments traces à haute pression et haute température est aujourd'hui requise afin de tester les différents modèles géochimiques d'évolution du manteau terrestre. Etant données les difficultés inhérentes à l'évaluation de ces coefficients de partage lors d'expériences d'équilibre dans différentes conditions (pression, température, composition chimique, ... ), la modélisation de la distribution de ces éléments traces est nécessaire. Cependant, celle-ci passe par la compréhension des phénomènes microscopiques qui contrôlent l'incorporation de l'élément. Ce travail a porté sur la détermination des différents sites d'accueil du chrome trivalent dans des minéraux du manteau à partir de l'étude de sa luminescence. Cette spectroscopie de luminescence, mise en oeuvre à haute pression en cellule à enclumes de diamant, permet de suivre l'évolution des niveaux d'énergie du cr3+ en fonction de la pression. Nous avons ainsi acquis des données de luminescence sur plusieurs phases cristallines de basse pression (spinelles, pyroxènes, forstérite), de haute pression (grenats, ilménite, pérovskites), et sur des verres silicatés de composition chimique simple. Les résultats obtenus sur les minéraux montrent que le Cr3+ s'incorporent majoritairement dans les sites octaédriques, ,nécessitant, dans certains cas, une compensation locale des charges. Les mécanismes de substitution", mais aussi l'énergie de stabilisation de l'élément trace dans la structure, dépendent alors fortement de la nature des cations disponibles pour assurer l'équilibre électrostatique. Dans les verres, nous mettons en évidence des variations importantes de la distribution de sites d'accueil en fonction de la composition chimique. La modélisation des paramètres thermodynamiques qui participent au partage du chrome à partir de nos données de haute pression est alors discutée.

Cette thèse concerne l'étude structurale d'oxydes cristallins à stœchiométrie en oxygène variable. La méthode de synthèse de gros monocristaux est présentée en détail. Ces matériaux présentent une structure atomique en couche entre lesquelles des ions oxygènes peuvent être intercalés de manière topotactique par différentes méthodes, aussi bien par électrochimie à l'ambiante que par traitement thermique sous atmosphère et pression contrôlée. L'insertion d'oxygène entre les couches ne se fait pas aléatoirement mais ces atomes excédentaires restent ordonnés à longue distance et provoquent des distorsions du réseau cristallin par effet stérique. La structure atomique devient modulée par l'occupation des sites interstitiels et par les déplacements des atomes environnants. La structure réelle des composés riches en oxygène a été étudiée par diffraction des neutrons et des rayons-X synchrotron. La reconstruction des plans du réseau réciproque a permis de mesurer précisément la position et l'intensité de chaque réflexion satellite. L'application de la méthode de maximum d'entropie a permis la reconstruction des densités nucléaires avec une haute précision, ce qui favorise la visualisation des déplacements atomiques courts, et donne alors une meilleure connaissance de la structure cristalline réelle. Les transitions de phase en température ont également été étudiées par diffraction et par thermogravimétrie, montrant que la quantité d'oxygène intercalés varie spontanément avec la température, et, contre toute attente, que les phases restent modulées jusqu'à des hautes températures. La diffusion des ions oxygènes dans le réseau hôte aux températures modérées pourrait être amplifiée par l'occurrence de phonons spécifiques impliquant le tilt rigide des octaèdres composant le cristal.

Dans le cadre d' une recherche sur les détecteurs de neutrinos solaires de basse énergie, une étude cristallochimique et optique sur des oxydes et fluorures d'indium a été effectuée. Les cristaux des phases étudiées ont été préparés par des méthodes appropriées telles que la méthode du flux, la méthode de transport en phase gazeuse et la méthode de Bridgman. Les études structurales et de la luminescence ont été réalisées sur les poudres ou/et sur les monocristaux. Des propriétés luminescentes ont été mises en évidence pour plusieurs oxydes d'indium. Elles ont été attribuées a des transitions ayant un caractère de transfert de charge entre l' indium et l' oxygène dans le cas de In2TiO5, In2Si2O7 et In2Ge2O7, entre le tungstene et l'oxygène dans celui de In6WO12. Les durées de vie des états excites sont de l'ordre quelques microsecondes a très basse température. La luminescence de Ce3+ au sein de différents réseaux-hôtes, borate d'indium et de scandium, fluoroindates de type elpasolite A2A'InF6 (A=Rb, K A=K, Na) a été caractérisée. Une hypothèse basée sur le couple oxydo-réducteur In(III)-Ce(III) a été proposée pour expliquer l'extinction progressive de la luminescence bleu-vert du Ce(III) au site de l' In(III) dans les fluorures sous l' effet d' une irradiation dans les bandes 4f->5d avec apparition simultanée d'une émission rouge, phenomène optiquement et thermiquement réversible. La structure inedite du fluoroindate de lithium, LiInF4, a été resolue.

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. / This work presents a multi-scale study of the relationships between alteration and uranium mineralization along the South Eastern margin of the Meso-Proterozoic Thelon Basin, Nunavut, Canada. The ore associated alterations are hosted in an Archean volcano-sedimentary sequence belonging to the Woodburn Lake Group (WLG). Their main expression is a mineral assemblage composed of dominant illite (1Mcis & 1Mtrans polytypes) together with sudoite ± hematite and aluminum phosphate sulfate minerals. Moreover carbonaceous materials cogenetic with the uranium mineralization have been identified as potential indicators of the hydrothermal conditions. At a regional scale, alteration is strongly controlled via East-West faults forming the main frame of the Kiggavik-Andrew Lake structural trend. Then from the regional to the mineral scale, alterations signatures at Kiggavik are similar to the ones described in deep basement rocks of unconformity type uranium deposits in both Athabasca (Canada) and Kombolgie (Australia) Paleoproterozoic basins. In addition mineralogical markers studies (APS minerals) lead to the distinction between hydrothermal and diagenetic processes as well as elemental transfers during fluid rock interaction. Finally, detailed studies on radiation induced defects on illite revealed new ways to tracing and better understanding the radio elements mobility in such deep seated natural systems.

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. / Iron-rich smectites named nontronite are playing a great role in lot of biogeochemical processes at the Earth's surface. To better understand these processes a characterization of iron status in nontronites is required. Spectral iron features in the nontronite structure were studied by infrared (IR), Mössbauer, and XPS spectroscopies. IR characteristic fingerprints of Fe(III) allowed to obtain a detailed overview of the crystal-chemistry of this minerals, notably a robust estimation of the tetrahedral [4]Fe(III) content of the nontronite. This study was possible thanks to an experimental approach using hydrothermal synthesis (150°C) of a series of nontronites with a wide range of [4]Fe(III) content. These syntheses allowed to assess the link between the crystal-chemistry of synthetic nontronites and the aqueous speciation of Si, Fe, and Na. The aqueous speciation calculations indicated that the increase in anionic species H3SiO4-(aq) and H2SiO42-(aq) linked to the increase in pH, favored the incorporation of Fe(III) in the tetrahedral sites of nontronites. The stability of nontronites versus time was also studied. A mineral transformation was evidenced with the formation of the aegirine and hematite through the dissolution of nontronite. These results revealed that the synthetic nontronite are transitional in this experimental syntheses.

Dans la perspective de prédire les transformations chimico-minéralogiques possibles d'une bentonite placée en conditions de stockage profond de déchets radioactifs, plusieurs séries d'expériences ont été réalisées utilisant la bentonite MX80 en présence d'une solution chlorurée sodi-calcique, en absence ou en présence de fer (magnétite + hématite ou fer métal + magnétite), à 80 et 300 °C et pour des durées de 1 jour à 9 mois. Les produits de réactions ont fait l'objet de caractérisations multi-échelles et multi-techniques : diffraction des rayons X, microscope électronique à balayage et en transmission (imagerie haute résolution, EDS et EELS), microsonde électronique, spectroscopie Mössbauer et analyse ICP AES et ICP MS des solutions. Le code de calcul EQ3/6 a été utilisé pour simuler les expériences réalisées. Une nouvelle méthode ponctuelle de détermination de la valence du fer dans les argiles au MET par spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) a été développée.