This PhD project studied the caesium and strontium removal capacities of six nanoporous materials. Indeed, it was linked in with the SIXEP plant present at Sellafield site, UK, which is currently using natural clinoptilolite, originally mined from the Mojave Desert, to remove radioactive caesium and strontium ions from wastewater effluents. At the moment the feeds entering the SIXEP plant correspond to the best working conditions for clinoptilolite. As the feeds are moving toward more acidic pH and complex solutions and as clinoptilolite works at neutral pH, new nanoporous materials are required. This project had been divided into sub-projects, which all had the same purpose of finding the best material for caesium and strontium removal under complex solutions. The first part of the PhD focused on the synthesis of CST, SNT, ETS-4 and ETS-10 materials following literature reviews. The two last materials studied were provided by Fortum Power and Heat Oy for CsTreat material and by Sellafield Ltd for clinoptilolite material. The second part of the PhD consisted in studying the exchange capacities for caesium and strontium ions for each material studied under batch conditions using several water compositions relevant to Sellafield Ltd. Each water composition had different competing ions or pH and were used to classify the materials between them. From that it was found that Clinoptilolite stays the best materials for caesium and strontium removal. The third part of the project was the gamma irradiation of the materials. This irradiation had an aim to check the stability of the structure of the studied materials under gamma irradiation. The materials were exposed to four different gamma doses which were 0.5; 1; 3 and 6 MGy, the last one corresponding to the maximum dose were structural changes could happen. This revealed that all the materials, except ETS-4 material, were stable under gamma irradiation and that no structural changes were observable. The fourth part of the project was an extension of the third part in which the materials were Cs exchanged before being gamma irradiated to a dose of 6 MGy. This showed that the caesium exchange process is not affected by radiation. Finally, the unexchanged materials were alpha irradiated using a 15 MeV He2+ beam at the Dalton Cumbria Facility. Two irradiations were performed on CsTreat, CST, ETS-4, ETS-10 and clinoptilolite material. It was found that all the materials were damaged by alpha irradiation and displayed amorphous framework To resume, it appeared that clinoptilolite still stays one of the best materials for the removal of caesium and strontium ions in a wide range of wastewater composition. Additionally, it was discovered that ETS-10 material could be a good alternative to clinoptilolite material as its structure is stable under gamma irradiation and it displayed good exchange capacities when competing ions were present in the feeds. CST could also be a substitute as it shows good ion exchange properties under a broad range of pH. SNT material was great for strontium removal while CsTreat was working well for caesium removal. Even though ETS- 4 revealed good ion exchange capacities they were lower than clinoptilolite, ETS- 10 or CST materials.

Une bonne compréhension du comportement des radiochronomètres est essentielle pour mener des études de thermochronologie visant à contraindre des processus géodynamiques. Cependant, le comportement des radiochronomètres est complexe car dicté par un grand nombre de facteurs intrinsèques et extrinsèques au système étudié. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à déterminer quels étaient les facteurs critiques lors des processus de rééquilibrage isotopique survenant durant un événement métamorphique de haut grade. Ainsi, nous avons étudié le comportement des systèmes isotopiques Rb/Sr, Ar/Ar et Sm/Nd lors de l'éclogitisation partielle (contrôlée par la déformation et la circulation de fluides) au Calédonien de roches granulitiques grenvilliennes dans l'Arc de Bergen en Norvège. Nous montrons, grâce à une étude géochronologique fine associée à différentes observations (pétrologiques, géochimiques in situ et sur fractions minérales, diffraction X et isotopes de l'oxygène) permettant de contraindre avec précision le flux des éléments d'un site textural vers un autre au cours des réactions d'éclogitisation, que le facteur principal garantissant un rééquilibrage isotopique complet pour les systèmes Rb/Sr et Sm/Nd lors d'un événement métamorphique de haut grade est la redistribution homogène des éléments à l'échelle de l'échantillon. Cependant, la circulation de fluides et la déformation qui peuvent être associées aux processus de recristallisation ne sont pas nécessairement suffisant pour garantir une telle réhomogénéisation. La mise en solution des éléments d'un système ou la fusion partielle apparaissent comme deux mécanismes de réhomogénéisation bien plus efficaces. Pour le système Ar/Ar, le facteur critique est l'évacuation totale de l'argon radiogénique précédemment accumulé dans le système. Cette évacuation est favorisée, mais non garantie, par la circulation de fluides en raison de la plus forte solubilité de l'argon dans les fluides. Cependant un grand nombre de facteurs vont contrôler ce processus : quantité d'argon radiogénique initialement présente (fonction de la composition chimique de la roche et de son âge), composition chimique du fluide, et circulation en système ouvert ou fermé.

Les zones de subduction représentent des zones d'évolution clés dans la compréhension des processus géologiques majeurs actifs sur notre planète. En particulier, la caractérisation et l'évolution des magmas générés dans les zones d'arcs océaniques et la relation entre leur genèse et les processus de croissance crustale sont des axes primordiaux. Cette étude est focalisée sur la portion d'arc océanique exhumée du Kohistan (Nord Pakistan) qui constitue un laboratoire exceptionnel pour appréhender cette problématique. Basée sur une approche géochimique multi-méthodes (éléments majeurs et en trace, isotopes), cette étude a permis d'établir : 1/ l'absence de relation génétique directe entre les roches ultrabasiques de la racine de l'arc et la section crustale sus-jacente. La formation de la séquence ultrabasique de Jijal se produit à ~117 Ma via une réaction de type magma-roche entre des liquides de type boninitique (appauvris en terres rares), et le manteau lithosphérique de type MORB-Indien ; 2/ un modèle géodynamique en trois stades majeurs résumant l'évolution de l'arc océanique et de la subduction sur une période d'environ 30 Ma. Ce modèle débute par l'initiation de la subduction et la formation de l'arc volcanique s.s. (1er stade) ; le 2ème stade correspond à un évènement thermique majeur. Il est représenté par un sous-placage important de magmas et une granulitisation intense de la base de l'arc. Le recyclage de la croûte inférieure cumulative et résiduelle, dans le manteau sous-jacent, se produit durant cette étape vraisemblablement suite à des processus d'érosion thermo-mécanique. Le dernier stade, entre 95 Ma et 85 Ma, scelle la fin du fonctionnement de la zone de subduction et correspond à une période amagmatique suivie par une brève reprise du magmatisme avant la collision de l'arc après 85 Ma. Enfin, une modélisation numérique comparative avec la croûte continentale globale met en évidence la composition significativement plus basique de la croûte de l'arc insulaire du Kohistan. De fortes similitudes sont en revanche observées entre la section d'arc étudiée et la croûte continentale inférieure.

Ce manuscrit présente les premiers résultats d'études élémentaires et isotopiques du Zn, du Sr et du Pb, réalisées dans les principaux types d'échantillons liés aux gaz volcaniques (gaz, sublimés, eaux thermales, roches), ainsi que deux nouvelles méthodologies d'échantillonnage des émanations volcaniques. Les variations isotopiques du Zn observées au Merapi suggèrent que les processus de changement de phase (fluides/solides) peuvent provoquer des fractionnements isotopiques significatifs des éléments trace métalliques. L'étude couplée Sr/Pb réalisée à Vulcano indique que les compositions en éléments trace métalliques des fumerolles et des eaux thermales sont influencées par les sources naturelles et anthropiques. Ce travail a aussi permis la mise au point de nouvelles méthodologies d'échantillonnage et d'analyse des gaz et des panaches volcaniques, permettant d'accéder à la composition chimique complète de ces manifestations gazeuses de manière simple et efficace.

Le système hydrothermal de Chaillac est situé à la limite du Massif Central et du bassin de Paris. Il se compose d'un gisement stratiforme de barytine (Les Redoutières et La Raillerie), connecté à un gisement filonien de fluorine (Le Rossignol).<br />Le filon du Rossignol recoupe le socle métamorphique hercynien. Ce filon est une structure ouverte remplie à la faveur de deux stades paragénétiques : le premier stade appelé Fv-v est constitué de fluorine verte et violette et de quartz montrant des fabriques sédimentaires intrafiloniennes. Ce stade s'est formé à 135°C à partir d'une solution de faible salinité. Les compositions isotopiques du Sr et Nd évoquent une source liée aux roches acides de la croûte supérieure. Le second stade (Fj-Ba) se compose de fluorine jaune, de sulfures et de barytine ; trois sous-stades ont été définis : (i) fluorine dominante, (ii) barytine dominante et enfin (iii) brèche à ciment de fluorine. Les sous stades (i) et (ii) sont présents en continu de la racine du système jusqu'aux filons horizontaux (plateures) du gisement stratiforme. L'ensemble du stade Fj-Ba s'est formé à partir de saumure (≈20% wt Eq. NaCl) à environ 100°C. Les signatures isotopiques du Sr et Nd évoquent des compositions de roches basiques d'origine profonde.<br />Le gisement stratiforme des Redoutières est encaissé dans des sables hettangiens (205 – 201 Ma) du bassin de Paris. A proximité du filon du Rossignol, le grès est cimenté par de la fluorine qui passe latéralement et verticalement à de la barytine puis à une association barytine-gœthite ; ces variations de la nature du ciment sont corrélées avec les sous-stades (i) et (ii). A l'aplomb du filon du Rossignol, des « filons » verticaux N-S, E-W et horizontaux forment un sinter très original à barytine et gœthite puissant de 5 à 8 m. Les structures de ce dernier démontrent une mise en place synchrone d'une tectonique d'ouverture E-W et N-S. L'âge hettangien de cette minéralisation est attesté par la présence de galets de barytine dans les grés hettangiens, les modifications de la nature du sédiment (gœthite détritique), les textures de type sinter et l'absence de minéralisation dans les calcaires sinémuriens. L'étude de l'anisotropie de susceptibilité magnétique (ASM) des formations filoniennes et stratiformes riches en gœthite, couplée à la géochimie des traces a permis de démontrer et de quantifier une phase de latéritisation tardive supperposée à l'hydrothermalisme à l'Eocène. Par ailleurs, l'étude des fabriques magnétiques permet de tracer les directions des paléoécoulements hydrothermaux.<br />L'ensemble des résultats permet de proposer un modèle génétique. Celui-ci suggère la venue d'un fluide hydrothermal profond à Ba, F, Fe qui entre en ébullition vers 1,6 km de profondeur. La phase vapeur se condense pour donner le fluide formant le stade Fv-v et la saumure résiduelle migre pour déposer tardivement de la fluorine, de la barytine par mélange avec des fluides continentaux de surface et des oxy-hydroxydes de fer.

Les 93 échantillons selectionnés pour cette étude dans 3 massifs de l'ophiolite d'Oman sont représentatifs d'une zone d‘environ 5000km2 d'une paléodorsale rapide. En rapport avec la segmentation, l'échantillonnage comprend à la fois la lithosphère du nouveau segment (0 à 4km sous le moho), ses limites (zones de cisaillement) et la jeune lithosphère (1 à 2Ma) dans laquelle il s'ouvre, entre 0 et 12 km sous le moho.<br />*L'ensemble du manteau exploré est composé de péridotites très réfractaires, comparables à celles des autres ophiolites et aux péridotites abyssales. Néanmoins, il montre un enrichissement en éléments très incompatibles, impliquant une percolation réactive par des fluides, et une refertilisation partielle en clinopyroxène, comme le montre la présence de harzburgites riches en cette phase minérale.<br />*Le nouveau segment possède des caractéristiques chimiques supplémentaires, tel le rapport Cr# élevé (>50) des spinelles, qui n'apparaît pas spécifique des dunites ou d'un environnement géodynamique particulier, et la composition différente des pyroxènes, qui implique des températures de blocage plus élevées en relation avec un processus de percolation magmatique.<br />*La zone de transition à l'axe du nouveau segment s'identifie par l'importance des réactions liquide/roche qui concernent l'ensemble des lithologies : harzburgites, dunites et dunites imprégnées.<br />*Les limites du nouveau segment (zones de cisaillement) et la base de la nappe sont caractérisées par des textures porphyroclastiques BT (<1000°C) et des enrichissements en clinopyroxènes. Ceux-ci sont interprétés comme une cristallisation partielle de magmas associée à un front de percolation aux limites manteau convectif/manteau conductif.<br />*L'ensemble des faciès montre une contamination par l'eau de mer, impliquant des rapports du 87Sr et du 207Pb radiogéniques, largement acquise avant la serpentinisation (T>500°C).<br /><br />Cette étude met l'accent sur l'importance de la segmentation dans le contrôle des processus magmatiques et hydrothermaux aux dorsales rapides, notion qui permettra de progresser dans la compréhension de ces processus.

Le segment Nord-Ouest himalayen (Kohistan-Ladakh et Karakorum, NE Pakistan et NO Inde) est une zone appropriée pour étudier les étapes de la convergence de deux continents (Inde et Asie), en contexte océanique puis continental sur 110 Ma. Une approche pluridisciplinaire (géologie structurale, pétro-géochimie, thermo-barométrie, géochronologie Ar-Ar) a été utilisée. Les étapes intra-océaniques de la convergence sont étudiées via les séries d'arc du Nord-Ladakh. Cette étude permet de raccorder l'arc océanique du Kohistan à l'W, à la marge active tibétaine à l'Est. L'étude des isotopes du Sr, Nd et Pb des laves d'arc fournit des rapports isotopiques élevés rappelant l'anomalie " DUPAL ". Des laves adakitiques et riches en Nb-Ta et Ti sont également présentes. Ces données suggèrent l'interaction entre liquides issus de la fusion de la croûte subduite et le manteau, à la suite de la subduction de la ride néo-téthysienne, comme déjà proposé pour l'initiation de l'obduction de l'ophiolite d'Oman, en réponse à une inversion tectonique: la remontée de l'Inde vers le Nord. Les étapes de la convergence post-collisionnelle, après une phase de raccourcissement NE-SW entre 60 et 40 Ma, sont marquées par une partition de la déformation: Une bande E-W de dômes recoupe les structures précoces, dans un contexte de raccourcissement N-S et d'extrusion verticale, associée à un métamorphisme HT dans le faciès des granulites et à un magmatisme à affinité mantellique (25 - 5 Ma). Cette granulitisation de la croûte asiatique pourrait être liée à un apport de chaleur mantellique lié au détachement du slab indien. La faille décrochante du Karakorum sert de limite entre Karakorum et Tibet et accommode l'extrusion latérale de celui-ci. Des granulites sont exhumées dans la zone de faille probablement d'ampleur lithosphérique. Le déplacement le long de la faille semble hétérogène, avec un rejet total de 300 km basé sur la corrélation des blocs de Lhasa et du Karakorum.

Le Massif composite du Tichka a été étudié dans le but de préciser les mécanismes de sa formation, pour les raisons suivantes : il offre une coupe verticale de 2500m avec une qualité exceptionnelle d'affleurements qui permet de faire des observations et des échantillonnages en continu ; il montre une gamme de composition allant des gabbros aux leucogranites avec des relations spectaculaires entre les diorites et les granitoïdes contemporains. Les études de terrain, pétrographiques, minéralogiques, géochimiques, isotopiques (Sr et Nd) ont été utilisées pour mieux cerner sa genèse. De plus, l'étude des structures magmatiques et des propriétés rhéologiques des magmas a permis de mieux comprendre le mode d'ascension et de mise place du pluton. Le modèle génétique ainsi proposé peut être appliqué à d'autres associations plutoniques comparables, d'âges et d'environnements géotectoniques variés. Le Massif du Tichka s'est mis en place il y a 291 ± 5 Ma (isochrone Rb-Sr sur roches totales) dans des séries cambriennes au Nord de l'accident du Tizi n'Test (N70), branche de la faille Sud-Atlasique. La profondeur de cette mise en place a été estimée, par barométrie sur les amphiboles des plutonites, à 7 km environ, en accord (1) avec les estimations des épaisseurs de la pile sédimentaire encaissante et (2) avec les conditions thermobarométriques de développement des minéraux, par métamorphisme de contact, à proximité immédiate du pluton. Sur l'ensemble du massif, cinq groupes de roches ont été identifiés sur la base de critères de terrain, pétrographiques et géochimiques : gabbros, diorites (subdivisées en méladiorites, diorites communes et diorites hétérogènes), granodiorites-tonalites, monzogranites, leucogranites (subdivisés en leucogranites à biotite ± amphibole et leucogranites à deux micas). Toutes ces roches, mis à part les leucogranites à deux micas plus jeunes, sont contemporaines. L'étude des structures acquises' à l'état magmatique montre que: (1) le complexe est constitué de trois intrusions composites, à géométrie bien définie, sub - contemporaines, limitées au Sud par des écrans d'encaissant méta-volcanosédimentaire, et d'une intrusion de leucogranites à deux micas, localisée dans le Nord-Est, légèrement plus tardive et à géométrie mal définie; (2) la source magmatique a migré au cours du temps du Sud-Ouest vers le Nord-Est; (3) le mouvement de la composante décrochante dextre de l'accident du Tizi n'Test était -relativement faible par rapport à la composante inverse au moment de la mise en place; (4) les parties internes du massif montaient plus vite que, les parties externes lors de l'ascension des intrusions; (5) l'intrusion de leucogranites à deux micas, la plus récente, est constituée de petits corps diapiriques rassemblés autour du diapir kilométrique du Tasghimout; elle s'est mise en place alors que les autres intrusions étaient déjà cristallisées mais pas entièrement refroidies. Les études pétrographiques, minéralogiques, géochimiques, isotopiques (Sr et Nd) ont permis de proposer le type de genèse suivant: deux magmas basiques issus du manteau sous-continental par des taux de fusion différents, se mettent en place successivement en base de croûte. Le premier cristallise rapidement en évoluant peu et pratiquement sans contamination; il donnera le groupe des gabbros. Le second est soumis à un processus complexe qui allie cristallisation fractionnée et contamination (AFC) par la croûte. Il formera le groupe des diorites. La montée de ces magmas et de l'anomalie thermique qui les accompagne induit la fusion de la base de la croûte de nature hétérogène et litée. Cette croûte a été injectée de magmas basiques à intermédiaires peu de temps avant sa fusion. Son anatexie génère des magmas de composition granodioritique et monzogranitique. Le magma monzogranitique évolue par cristallisation fractionnée jusqu'à des leucogranites à biotite ± amphibole. Les magmas dioritique et granodioritique sont rassemblés à la profondeur de 15 à 20 km dans une chambre magmatique où une stratification est obtenue par convection et instabilité gravitaire et où des échanges entre les magmas, qui commencent à cristalliser, ont probablement eu lieu mais de façon limitée. Les leucogranites à deux micas qui forment l'essentiel de l'intrusion Nord-Est sont des granites de type S formés par anatexie de la croûte supérieure. Ils se mettent en place tardivement alors que le bâti avait un comportement cassant. La fin de l'activité magmatique est marquée par une activité hydrothermale localisée et par la mise en place de filons doléritiques. Le Massif du Tichka est de type calédonien post collision; les roches basiques qui le composent ont des caractères de basaltes intraplaques continentales plus précisément transitionnels et les granitoïdes ont des traits de granites post-collision. L'association du Tichka est de, type cafémique métalumineuse, transitionnelle à tendance suba1caline sodique. Les leucogranites à deux micas appartiennent au domaine alumino-potassique. Les calculs des densités et des viscosités des magmas montrent que (1) leur montée a pu se faire sous forme diapirique, (2) le magma dioritique a une viscosité plus faible (104 poises) que le magma granodioritique (106 poises) et (3) les viscosités peuvent s'inverser au cours de la cristallisation vers des températures de 850°C. L'évolution des viscosités au cours du refroidissement et l'inversion de leur courbe, permettent d'expliquer toutes les figures observées aux interfaces entre les diorites et les granodiorites synchrones. L'accident du Tizi n'Test (de direction N70) et, dans une moindre mesure, la zone faillée ouest-atlasique (subméridienne), à proximité desquels le Massif du Tichka s'est mis en place, ont joué un rôle important dans la genèse du pluton. Le premier a permis, en effet, par décompression adiabatique et introduction d'eau, la fusion du manteau et a facilité la montée des magmas basiques. Cette genèse est intracontinentale dans un bloc émergé (ou presque) depuis le Tournaisien ; elle se déroulerait dans cette période charnière entre la collision (épaississement) continentale carbonifère et la distension permienne. Par son histoire complexe impliquant des intrusions emboîtées multiples, des sources magmatiques nombreuses, des processus de genèse variés, le Massif du Tichka présente des affinités avec d'autres massifs hercyniens au Maroc ou ailleurs dans la chaîne varisque ouest européenne.

Les komatiites ont souvent été considérées comme reflétant directement les compositions chimiques et isotopiques de leurs sources mantelliques. Cependant, l'utilisation de ces roches pour reconstituer la composition du manteau archéen apparaît abusive du fait que les komatiites montrent toutes des recristallisations métamorphiques, ce qui laisse subsister un doute profond quant à la préservation de leurs caractéristiques primaires. La possibilité d'une modification profonde des signatures isotopiques ainsi que des autres caractéristiques chimiques (incluant des éléments réputés immobiles, tels que les Terres Rares) a été démontrée à partir des coulées komatiitiques à textures spinifex de la ceinture de roches vertes de Kuhmo-Tipasjarvi (Finlande) dont l'âge est de 2.66 Ga. Ces coulées ont subi un métamorphisme dans le faciès amphibolite de bas degré, parfois accompagné de phénomènes de carbonatation et d'albitisation. Un tel métamorphisme est responsable de nombreuses anomalies dans la distribution des éléments majeurs et en traces (en particulier des Terres Rares). Les échantillons analysés définissent une "isochrone" Sm-Nd donnant un âge beaucoup plus jeune que l'âge réel de mise en place, et qui représente plutôt l'âge des recristallisations métamorphiques. Les rapports Sm-Nd des roches, la géochimie des éléments majeurs et en traces, ainsi que les rapports isotopiques de l'oxygène sont directement corrélés avec les proportions modales de minéraux secondaires. Comme l'âge du métamorphisme (Svécokarélien) est beaucoup plus récent que celui d'emplacement des coulées (900 Ma), la recristallisation a eu des conséquences profondes sur la détermination de eNd et eSr. En conclusion c'est avec énormément de prudence et de suspicion qu'il faut utiliser les méta-komatiites comme des indicateurs "fiables" des caractéristiques isotopiques du manteau archéen.

Dans le but de tester la capacité des komatiites à préserver leur composition géochimique et isotopique (Sr,Nd, 0) primaire, caractéristique du manteau archéen, les coulées basaltiques et komatiitiques des ceintures de roches vertes de l'Abitibi et de Barberton ont été étudiées. . Les komatiites peu altérées ont des compositions géochimiques compatibles avec le fractionnement de l'olivine; seuls les éléments alcalins sont mobilisés. Dans les komatiites plus altérées, les concentrations en High Field Strength Element (HFSE) par rapport aux Terres Rares (REE) produisent des anomalies variables à l'intérieur des coulées. Ces anomalies sont produites par le fractionnement des phases mantelliques de haute pression eVou la mobilité de ces éléments par les fluides hydrothermaux. ' Les mobilités géochimiques et les perturbations tardives des systèmes isotopiques (Sr, Nd, 0) à l'échelle de la roche totale sont expliquées par des processus d'échange isotopique et par le fractionnement tardif des éléments en traces. Afin de déterminer la composition isotopique initiale de ces coulées * komatiitiques, les compositions isotopiques en Néodyme et Oxygène ont été * mesurées sur des minéraux primaires. A partir de ces données, il apparait que la source des komatiites d'Alexo (Abitibi) à une valeur ENd(T) supérieure à celle obtenue sur les basaltes. Ces différences isotopiques en neodyme s'intègrent dans un modèle de plume mantellique pour la genèse des komatiites. De même, les pyroxènes de Barberton de la formation de Weltevreden ont une valeur ENd (T) systématiquement supérieure ou égale aux valeurs obtenues sur roche totale dans les autres formations. Les principaux facteurs qui contrôlent les mobilités géochimiques dans les komatiites altérées sont (1) la* composition du fluide, (2) leurs faibles concentrations initiales en éléments en traces, (3) la nature des phases secondaires qui concentrent les éléments en traces et (4) leur texture.