Afin de mieux comprendre les processus d’endommagement des roches sollicitées mécaniquement, nous avons mené une étude « micro-macro » de l’endommagement au sens où nous avons réalisé des mesures microscopiques et macroscopiques de son évolution durant un essai mécanique. Cette étude a ainsi comporté : - des mesures de modules élastiques avant la rupture macroscopique ; - des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques et d’atténuation ; - des mesures d’activité acoustique (événements d’EA). De cette étude expérimentale, se dégagent les résultats suivants : - Il existe une remarquable cohérence entre les trois types de mesures effectuées. - L’endommagement de roches aux comportements macroscopiques différents découle de micromécanismes eux aussi différents. Pour des roches dilatantes, on observe des micromécanismes en extension (Mode I). L’endommagement de roches non-dilatantes résulte de micromécanismes en cisaillement. - Une corrélation entre le contenu fréquentiel des événements d’EA et le type de micromécanismes est observée. Les micromécanismes en extension (Mode I) ont le contenu fréquentiel le plus élevé. Les micromécanismes en compression (fermeture de microfissures, de vides inter-granulaires) ont un contenu fréquentiel basse fréquence. Les micromécanismes de cisaillement ont un contenu fréquentiel intermédiaire aux deux précédents. / Our aim is here a better understanding of damage process of stressed rocks. We have therefore conducted a “micro-macro” study of the rock damage in the sense that we have realized microscopic and macroscopic measurements of its evolution during mechanical tests. This study has consisted of : - measurements of elastic modulus before the macroscopic rupture ; - measurements of the velocity of elastic waves and attenuation ; - measurements of acoustic activity (AE events). This study led to the following results : - Results from the three types of measurements are consistent. - Damage of rocks which have different macroscopic behaviours follows from micro-mechanisms which are also different. For dilative rocks, we observe tensile micro-mechanisms (Mode I). For not dilative rocks, damage results from shear microscopic process. - A correlation between micro-mechanisms type (compressive, tensile, shear) and the frequency of AE events is observed. Compressive microscopic process such as microcrack closure ar low frequency. Tensile AE sources are high frequency. Shear micromechanisms are characterized by intermédiate frequency

Le Burkina Faso, comme d'autres pays africains, a connu une métallurgie primaire de fer il y a des millénaires. Dans l'état actuel des recherches, la plus ancienne date se situe autour du VIIIe siècle avant notre ère, dans le Bwamu, à Douroula, dans l'Ouest du Burkina Faso. Dans presque toutes les régions du pays, les vestiges relatifs à la production ancienne du fer sont visibles et constituent aujourd'hui, des témoins tangibles des savoirs et savoir-faire des anciens métallurgistes. La province du Bam, notre zone d'étude, est localisée dans la région du centre-nord du Burkina Faso et couvre une superficie de 3931 km2. Nos prospections archéologiques y ont permis de répertorier plus d'une centaine de vestiges et sites résultant directement de cette production sidérurgique. Les investigations ethno historiques, archéologiques et archéométriques de ces vestiges ont permis d'élucider les origines de la sidérurgie dans cette partie du Burkina Faso et de caractériser les traditions techniques qui furent utilisées par les anciens métallurgistes. Ainsi, cinq tradition techniques ont été identifiées et décrites (Bl , B2, B3, B4, BS). Elles se sont développées à de périodes différentes. En plus des aspects techniques, les implications socioculturelles et économiques engendrées par l'industrie locale du fer, ont été appréhendées afin de mieux cerner la place qu'occupaient le artisans du fer dans la société traditionnelle de la province du Bam. / Burkina Faso, like other African countries, experienced a primary iron metallurgy millennia ago. In the current researches, the earliest date is around the eighth century BC, in the Bwamu at Douroula, in western Burkina Faso. In almost all regions of the country, vestiges relating to the former iron production are visible and are now tangible witnesses of knowledge and the ability of ancient metallurgists. Bam province, our study area is located in the region of north-central Burkina Faso and covers an area of 3931 km2. Our archaeological surveys have enabled to identify more than a hundred sites and remains resulting directly from the steel production. Ethno historical, archaeological and archaeometric investigations of these remains have elucidated the origins of the steel industry in this part of Burkina Faso and permitted to characterize the technical traditions that were used by the ancient metallurgists. Thus, five technical traditions have been identified and described (B1, B2, B3, B4, B5). They have been developed at different times. Besides the technical aspects, socio-cultural and economic implications caused by the local iron industry were apprehended to better understand the place occupied by the iron artisans in the traditional society of Bam province

Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d'origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l'hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L'approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d'expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d'échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l'échelle d'une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l'évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d'un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l'utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l'influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé.

Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d’origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l’hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L’approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d’expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d’échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l’échelle d’une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l’évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d’un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l’utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l’influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé / In an effort to find new ways to drastically reduce the CO2 emissions from the steel industry (ULCOS project), the reduction of iron ore by pure hydrogen in a shaft furnace was investigated. The work consisted of literature, experimental, and modelling studies. The chemical reaction and its kinetics were analysed on the basis of thermogravimetric experiments and physicochemical characterisations of partially reduced samples. A specific kinetic model was designed, which simulates the successive reactions, the different steps of mass transport, and possible iron sintering, at the particle scale. Finally, a 2-dimensional numerical model of a shaft furnace was developed. It depicts the variation of the solid and gas temperatures and compositions throughout the reactor. One original feature of the model is using the law of additive characteristic times for calculating the reaction rates. This allowed us to handle both the particle and the reactor scale, while keeping reasonable calculation time. From the simulation results, the influence of the process parameters was assessed. Optimal operating conditions were concluded, which reveal the efficiency of the hydrogen process

Ce travail a pour but d'enquêter sur les modalités d'exploitation des ressources minérales pendant la Préhistoire récente, dans le bassin de la Méditerranée occidentale. L'étude débute par l'observation des instruments lithiques - outils macrolithiques - produits par les groupes humains préhistoriques, qui les ont utilisés dans les phases d'extraction. Ces outils sont analysés par la méthode morphologique et techno-fonctionnelle, par observation microscopiques, à grossissement faible et élevé. Toutes les étapes de cette activité sont abordées, permettant de traiter de la complexité qui tourne autour de l'extraction des minéraux. Les étapes de la chaîne opératoire sont analysées, depuis l'identification des sources d'approvisionnement - des hydroxydes de fer et de cuivre - à la production d'outils ; la recherche de matières premières lithiques, les techniques d'extraction, jusqu'aux premiers stades de transformation des minéraux. Le problème de l'exploitation du cuivre et des oxydes et hydroxydes de fer durant la Préhistoire, est un problème actuellement très discuté parce que cette activité a eu un effet important sur l'organisation des groupes préhistoriques. Une question posée est importante : comment les collectivités ont répondu à la question croissante de matières premières minérales ? Pouvaient-elles être utilisées par un seul groupe ? Obligeaient-elles à une série d'échanges et de relations sociales complexes ? Étaient-elles exploitées à des fins économiques ou liées au prestige social ? Nous ne négligeons pas pour autant certaines hypothèses en ce qui concerne les mines de cuivre et la première métallurgie qui se développe à la fin du Néolithique. / The purpose of this project is to investigate the modalities of exploitation of mineral resources during the recent Prehistory in the Western Mediterranean area. The study starts to the observation of lithic instruments - macrolithic tools - produced by prehistoric human groups, and used in the extraction and processing phases. Studied through the morphological and techno-functional method, with low and high power microscope approach. I investigated all the stages of this activity and the complexity around mineral extraction. The steps of the "chaîne opératoire", from the identification of the sources of supply - of iron ore and copper - to the production of tools ; the search for lithic raw materials, extraction techniques, up to the early stages of mineral processing. The problem of the exploitation of copper and iron ore in prehistory is a theme currently discussed, because this activity has had a major effect on the organization of the production of prehistoric groups. I ask how communities have responded to the growing request of mineral raw materials, which could be used by a single group, or produce a series of complex social relationships for economic or social prestige purposes. I don’t neglect certain hypotheses regard to the copper mines and the first metallurgy that develops into the late Neolithic.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation du procédé de réduction directe du minerai de fer, un procédé alternatif intéressant dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 de la sidérurgie. Le four à cuve, réacteur central du procédé, est divisé en trois zones (réduction, transition et refroidissement). Le modèle mathématique mis au point pour simuler l’ensemble repose sur une description détaillée et fidèle des principaux phénomènes physico-chimiques et thermiques intervenant. C’est un modèle bidimensionnel, en régime permanent et multi-échelle. Le lit mobile est constitué de boulettes, elles-mêmes supposées composées de grains et de cristallites. Huit réactions chimiques hétérogènes et deux réactions chimiques homogènes sont prises en compte. Les équations de conservation locales de la masse, l'énergie et de la quantité de mouvement ont été résolues numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Ce modèle a été appliqué avec succès pour simuler le four à cuve de deux usines de réduction directe de capacités différentes. Les résultats obtenus renseignent sur le fonctionnement interne du four et mettent en évidence des zones aux performances inégales. Le modèle a ensuite été exploité, après l’ajout et le couplage d’un modèle du reformeur, pour des calculs paramétriques, en particulier lorsque les caractéristiques des gaz réducteurs sont modifiées. Enfin des pistes sont présentées pour optimiser une installation de réduction directe en augmentant la capacité de production et le degré de métallisation du produit / This thesis is dedicated to the modelling of the iron ore direct reduction process, an attractive alternative process for making steel in the context of the reduction in CO2 emissions. The shaft furnace, the core reactor of the process, is divided into three sections (reduction, transition and cooling). The mathematical model developed to simulate this reactor is based on a detailed and faithful description of the main physical-chemical and thermal phenomena involved. The model is a two-dimensional, steady state and multi-scale. The moving bed is comprised of pellets of grains and crystallites. Eight heterogeneous chemical reactions and two homogeneous chemical reactions were taken into account. The local mass, energy and momentum balances were solved numerically using the finite volume method. The model was successfully applied to simulate the shaft furnace of two direct reduction plants of different capacities. The results obtained provide new insights on the internal behaviour of the furnace and highlight zones of uneven performance. After the addition and coupling of a reformer model, the shaft furnace model was used for parametric calculations, in particular when considering changes in the composition of the reducing gases. Finally, new possibilities are presented for optimizing the direct reduction process, e.g. for increasing the production capacity and the degree of metallization of the produced iron

Sur les bordures du Bassin parisien et leurs périphéries, plus particulièrement sur lessubstrats jurassiques et crétacés, on trouve des paléokarsts fossilisés par des dépôtsferrugineux.Plus de 60 sites aériens ou souterrains ont été étudiés au Sud de l'Ardenne, de laThiérache ardennaise au Pays-Haut ; sur le contact Jurassique-Crétacé aux confins de laLorraine et de la Champagne (Vallage, Barrois et Haut-Pays) ; au Nord du Massif Central,de la Champagne berrichonne au Montmorillonnais ; sur les plateaux crayeux deNormandie, du Pays d'Ouche et de la Plaine de Saint-André ; à la charnière entre Riftsbressan et rhénan (fossé de la petite Saône, plateaux de Vesoul, Collines préjurassiennes).Les analyses de près de 250 échantillons (macroscopie et microscopie, granulométrie etmorphoscopie, analyses chimiques et minéralogiques), ont montré que ces ferricrètesprésentent des faciès extrêmement variés tant sur le plan de la structure que sur ceux dela forme ou de la taille. Ces faciès peuvent résulter, soit d'un remaniement mécaniquedominant, soit d'un remaniement chimique dominant voire exclusif, ou encore alliant desremaniements à la fois mécaniques et chimiques.Les dépôts ferrugineux issus à l'origine de ferricrètes générées lors de grandes périodesd'altération ferralitiques qui ont affecté l'Europe occidentale entre le Crétacé inférieur et ledébut du Tertiaire ont évolué au gré de l'encaissement des vallées au Plio-Quaternaire.Par conséquent le karst est générateur de faciès spécifiques et contribue à amplifier lesprocessus de remaniement chimique ou mécanique. / That's on the board of the Parisian Basin and its surrounding, and more particularly on theJurassic as well as the cretaceous subterrane, we can find some paleokarsts fossilized.More of 60 underground or aerial sites have been studied in the South of the Ardenne,from the Thiérache ardennaise to the Pays-Haut ; on the contact of the Jurassic-Cretaceous to the limits of the Lorraine and the Champagne (Vallage, Barrois and Haut-Pays) ; to the North of the Massif Central, from the Champagne berrichonne to theMontmorillonnais ; on the chalky trays of Normandy (Pays d?Ouche, Plaine de Saint-André) ; at the hinge between bressan and rhenan Graben (fossé de la petite Saône,Plateaux de Vesoul, Collines pré-jurassiennes).Analyses made on 250 samples (macroscopic and microscopic analysis, granulometryand morphoscopy, mineralogical and chemical analyses), have shown that these ironcementation present facies extremely varied on both structure and size. These facies canresult, either in a dominant mechanical revision, or in a chemical revision dominatingperhaps exclusive, or in allying both chemical or mechanical reworking.The stemming ferruginous deposits coming from the ferricrusts generated during theperiods of ferralitic alteration having affected the Western Europe between the inferiorCretaceous and the beginning of the Tertiary, have evolved according to the collection ofvalleys during the Plio-Quaternary. Consequently the karst is generator of specific faciesand contributes to amplify chemical or mechanical revision processes.

Les effondrements miniers en Lorraine (France) ont pour origine la rupture des piliers de soutien constitués de minerai de fer. Leur rupture n'est pas seulement due aux seules contraintes mécaniques qu’exerce le recouvrement mais également aux différentes transformations minéralogiques du minerai de fer, compromettant sa cohésion et sa résistance et par conséquent, la stabilité des piliers. On parle alors d’altération/vieillissement minéralogique du minerai de fer. Les mécanismes chimiques qui entrainent ces transformations minéralogiques sont désormais bien connus mais l’influence de l’activité bactérienne n’est pas encore bien comprise. Des travaux préliminaires ayant soulevé le rôle possible des activités microbiennes, ce travail de thèse s'est alors appliqué à identifier les métabolismes bactériens susceptibles de réagir avec le minerai de fer en conditions aérobie et anaérobie, et à en caractériser les effets physico-chimiques, minéralogiques et mécaniques. Les groupes métaboliques bactériens suspectés d’être impliqués dans ces réactions (activités ferri-réductrices, ferro-oxydantes et sulfato-réductrices) ont été identifiés dans les eaux de mine et incubés en présence du minerai de fer, en souche pure ou avec un consortium issu de l’eau de mine. Les bactéries ferri-réductrices (IRB), sulfato-réductrices (BSR) et acidophiles ferro-oxydantes ont été les seules qui, dans les conditions de laboratoire, ont impacté significativement le minerai en modifiant le ratio Fe(II)/Fe(III). Une phase ferro-carbonatée et de la pyrite se sont formées respectivement au cours des incubations avec les IRB et BSR, et ont été caractérisées par analyse du solide (spectroscopies infrarouge en réflexion diffuse (DRIFTS) et Mössbauer et par diffraction aux rayons X). Des bactéries nitrate-réductrices ont aussi été testées et aucune modification significative du ratio Fe(II)/Fe(III) du minerai de fer n’a été observée. Enfin, les propriétés mécaniques du minerai de fer ont été mesurées après les réactions d’oxydo-réduction biologiques et purement chimiques. Des modifications sensibles de ces propriétés mécaniques par rapport à l’état initial ont ainsi pu être mises en évidence. Sur la base de ces résultats, l’hypothèse de l’altération mécanique du minerai de fer par des activités microbiennes est donc tout à fait réaliste. / Mine collapses occurred in Lorraine (France) because of the failure of safety pillars made of iron ore. Their failure is not only due to the mechanic stresses applied by the overburden, but also due to the various mineralogical transformations in iron ore which decrease material cohesion and resistance and thus stability of pillars. This is called mineralogical alteration/ageing of iron ore. Chemical mechanisms inducing these mineralogical transformations are now well known but the influence of microbial activity is not well understood yet. Preliminary works have raised the possible role of microbial activity, then the focus of this work was to identify the various bacterial metabolisms capable of reacting with iron ore and to characterize the physico-chemical, mineralogical and mechanical effects. The bacterial metabolism groups possibly implied in these reactions (iron-reducing (IRB), iron-oxidizing and sulfate-reducing bacteria (SRB)) were identified from the mine water. As pure strain or as consortium, these bacteria were incubated with iron ore. Under laboratory conditions, only iron-reducing, sulfate-reducing and acidophilic iron-oxidizing bacteria impacted iron ore samples by modifying the Fe(II)/Fe(III) ratio. A ferrous-carbonate phase and pyrite were formed during incubations with IRB and SRB, respectively. These minerals were characterized from analysis of the solid phase (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS), Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction). The impact nitrate-reducing bacteria was also tested but the Fe(II)/Fe(III) ratio of iron ore was not modified significantly. Finally, mechanical properties of iron ore were measured after microbial and purely chemical redox reactions. Discernible modifications of these mechanical properties were observed. From these results, the alteration of iron ore mechanical properties by bacterial activities is a realistic assumption.