Le complexe anorogénique annulaire du Messum, associé à la province basaltique de l'Etendeka (Namibie), montre la coexistence de roches sous- et sur-saturées en silice. Une étude pétrologique détaillée est nécessaire pour comprendre l'évolution minéralogique de ces deux ensembles de roches. Dans le premier, l'ensemble des observations a permis de proposer une route de cristallisation mettant en jeu des lignes péritectiques et expliquant le développement de la néphéline tardivement aux dépens des phases précoces (olivine, plagioclase, clinopyroxène alumineux) et la signification intermédiaire de la pargasite. Des minéraux significatifs non encore signalés sont décrits : spinelles dans les roches basiques, wohlérite et hiortdahlite dans les syénites les plus évoluées, ainsi que des pyrochlores considérés comme des indices potentiels de la présence de matériaux à affinités carbonatitique. Les syénites à quartz apparaissent comme un ensemble composite avec plusieurs venues différemment évoluées. Les paragenèses sont plus ou moins peralcalines, avec fayalite, hédenbergite acmitique, et développement tardif de riebéckite. La chevkinite, titano-silicate rare, y est décrit en quantité relativement abondante comme un minéral magmatique. Aucun lien minéralogique entre ces deux ensembles ne peut être établi ce qui rend peut crédible l'hypothèse du passage de l'un à l'autre par contamination crustale.

La présente étude traite du comportement de mâchefers d'incinération des ordures ménagères (MIOM) en scénario de valorisation (sous-couche routière), dans l'optique d'évaluer l'impact environnemental. La démarche mise en oeuvre associe des approches de caractérisation physico-chimique et minéralogique, d'expérimentation à différentes échelles (laboratoire et sites réels), et de modélisation hydro-géochimique. L'utilisation conjointe de différentes techniques d'investigation cristallochimique (microscopie optique, DRX, MEB, XRF, SIMS, EXAFS) ont permis d'apporter de nouvelles informations sur les teneurs en éléments traces des verres primaires et sur la spéciation de Pb dans une phase dite scoriacée. Le suivi des percolats issus d'une portion de route construite avec des mâchefers dix ans après la mise en service ainsi que l'observation des MIOM prélevés dans la sous-couche a fourni un retour d'expérience inédit tout en mettant en évidence le rôle prépondérant de l'hydrodynamique sur la stabilité du matériau et l'atténuation du caractère alcalin et chargé des eaux de percolation. Un modèle géochimique de MIOM a été élaboré à partir des données issus de l'étape de caractérisation, des résultats expérimentaux des essais de lixiviation et des informations recueillies lors du suivi de sites réels. Ce modèle a été appliqué pour simuler, via le code de calcul couplé géochimie-transport HYTEC, le comportement des éléments inorganiques et l'évolution minéralogique inhérent aux différents essais en laboratoire, à la portion de route suivie durant cette thèse et à un autre site réel faisant l'objet d'une étude suédoise.

La présence de plusieurs formations argileuses affleurantes ou sub-affleurantes en région parisienne classe cette région parmi les plus vulnérables au phénomène de retrait-gonflement. Deux formations sont plus particulièrement concernées : les Argiles vertes de Romainville et les Marnes bleues d'Argenteuil. Ce mémoire est consacré à l'étude du comportement du retrait-gonflement de ces sols à partir d'une analyse menée au laboratoire, des caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydromécaniques. Les résultats obtenus mettent en évidence une différence de comportement entre les deux sols étudiés et soulignent l'importance de la présence et de la nature des minéraux argileux et de la texture du sol, sur le phénomène de retrait-gonflement et sur les transformations microstructurales qui en découlent. Ils montrent aussi le rôle joué par les carbonates, la cimentation et les conditions initiales sur les sols intacts ou remaniés lors des échanges hydriques. Enfin, l'influence des cycles de séchage/humidification sur le comportement hydromécanique des sols étudiés a été analysée. Les résultats montrent qu'au cours des cycles successifs de sollicitations hydriques, alors que les échantillons de sol présentent une augmentation du taux de gonflement cumulé, une stabilisation des déformations de chacun des cycles est atteinte au bout du troisième ou quatrième cycle. Ces résultats sont en relation avec une réorganisation de la microstructure mise en évidence par l'analyse microstructurale (MEB, porosimétrie).

Le métamorphisme est un phénomène majeur affectant la distribution des phases minérales au sein de la croûte continentale et participant à sa stabilisation. L’étude des processus métamorphiques est donc essentielle pour comprendre la formation et l’évolution de la Terre. Ces processus exercent un contrôle sur le potentiel de préservation des roches à sa surface et nous renseignent entre autres sur les conditions de pression–température régnant en profondeur. Ils contrôlent également la production et le stockage de fluides au sein de la croûte ce qui influence les cycles géochimiques au sein de la lithosphère, de l’hydrosphère et de l’atmosphère et a, de fait, des implications importantes sur le climat et l’apparition de la vie sur Terre. La principale source de variabilité au sein de ces systèmes correspond à des changements de composition chimique résultant eux-mêmes de transferts de matière. Les techniques modernes de modélisation quantitative des équilibres de phases permettent de calculer l’assemblage minéralogique stable au sein d’un système à l’équilibre pour lequel les paramètres pression, température et composition chimique sont connus. Ceci étant, les programmes informatiques actuels ne possèdent que de fonctionnalités limitées pour modéliser et appréhender les conséquences de changements de composition chimique du système au cours du métamorphisme. Un nouvel outil informatique (Rcrust) a été développé pour permettre de calculer l’assemblage minéralogique stable dans un système soumis à des variations de composition lors de son évolution dans l’espace multidimensionnel pression–température–composition chimique. / The investigation of metamorphic processes in the Earth’s crust is integral to understanding the formation and evolution of the Earth. These processes control the preservation potential of the geochronological rock record and give us insight into, amongst others, the pressure and temperature conditions of the Earth’s interior. Further, they control fluid generation and consumption within the crust which influences global geochemical cycles within the lithosphere, hydrosphere and atmosphere. This has important implications on the global climate and the creation of conditions conducive to life. The dominant mechanism of change both within and between these systems are compositional changes invoked by processes of mass transfer. Modern quantitative phase equilibrium modelling allows the calculation of the stable phase assemblage of a rock system at equilibrium given its pressure, temperature and bulk chemical composition. However, current software programs have limited functionalities for the sophisticated handling of a changing bulk composition. A new software tool (Rcrust) has been developed that allows the modelling of points in pressure–temperature–bulk composition space in which bulk compositional changes can be passed between points as the system evolves.

Le barrage du Chambon, situé sur la Romanche, dans les Alpes françaises, a été mis en eau en 1935. Depuis cette date, des sédiments s'accumulent dans la retenue. Au bout de 45 ans, ceux-ci ont atteint 18 mètres d'épaisseur au pied de l'ouvrage. La vidange totale, réalisée en 1981, a fourni l'occasion d'étudier ces dépôts, avec les objectifs suivants: - expliquer leur mode de mise en place par l'observation des figures sédimentaires, des analyses granulométriques et minéralogiques; - évaluer les volumes déposés dans la retenue ainsi que le taux d'érosion dans le bassin versant; - étudier l'efficacité des vidanges comme moyen de lutte contre l'envasement de la retenue; - caractériser les propriétés géotechniques des sédi· ments, particulièrement leur aptitude aux tassements.

Le projet de cette thèse concerne l'étude de l'impact de la variabilité initiale des réservoirs géologiques sur le stockage souterrain du CO₂. Nous nous sommes inspirés de réservoirs naturels : le Dogger carbonaté du Bassin de Paris et les réservoirs gréseux de Ravenscar (mer du Nord). Chacun des réservoirs modèles reconstruits a été défini par la liste de ses minéraux (calcite, dolomite, albite, clinochlore, k-feldspath, kaolinite, quartz ... par exemple pour les réservoirs carbonatés) et par ses propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité). La variabilité de ces paramètres a été simulée à l'aide de méthodes géostatistiques multivariables opérant sur leur portée, palier, et seuillage. Nous avons défini des paramètres opérationnels utiles pour résumer les propriétés principales du stockage (à savoir la quantité de carbone stockée dans le réservoir, la quantité de carbone précipité sous forme de dolomie, la quantité de carbone évacuée par l'aquifère mobile, la quantité de carbone contenue dans l'eau du réservoir ainsi que la variation de la porosité dans le réservoir). Des simulations déterministes de transfert réactif ont ensuite été effectuées en suivant différents scénarii de stockage : (Cas de l'injection du CO₂ initial dans le réservoir qui nous a permis de définir l'état initiale du réservoir, cas d'un aquifère mobile se déplaçant dans le réservoir contenant du CO₂ en saturation résiduel et le cas du déplacement d'une eau acide dans un réservoir contenant un aquifère neutre). Nous avons cherché par la suite à étudier l'influence de la variabilité initiale sur les paramètres opérationnels de stockage. Nous avons ainsi mis en évidence que, par rapport au cas homogène, le champ hétérogène favorise le stockage du carbone sous forme de dolomie et diminue la quantité de carbone entrainée par l'aquifère. Les effets des grandes portées de la pétrophysique et de l'aquifère mobile ont a également été étudié. Enfin, nous avons mis en place un modèle de plans d'expériences pour étudier l'effet de la variabilité de toutes les entrées sur les différentes réponses sélectionnées. L'effet de la dispersion numérique a été étudié et nous avons montré leur importance sur certains résultats. Les plans d'expériences ont mis en exergue l'importance des taches de la dolomie (associé ici à la portée du champ de dolomie seuillée) sur le carbone stocké.

Ce travail de thèse porte sur la valorisation de granulats recyclés dans la fabrication de nouveaux liants hydrauliques. Il s’inscrit dans une problématique actuelle de gestion des déchets du BTP, de sauvegarde des ressources naturelles et de réduction des gaz à effets de serre liés à la production de matériaux cimentaires. En quelques chiffres, sur les 260 millions de tonnes de déchets inertes produits annuellement par le secteur du BTP en France, 90 millions sont encore déposés en installations de stockage. C’est ce gisement qu’il convient de réduire pour accentuer la fabrication de granulats recyclés estimée aujourd’hui à 15 millions de tonnes/an. Dans cette perspective, ce travail de recherche a pour double objectif de valoriser des granulats recyclés sous forme de fines (Dmax < 80 µm) comme addition minérale en substitution du ciment pour les mortiers et bétons ou bien comme constituant principal de Liants Hydrauliques Routiers (LHR) pour le traitement des sols en place. Deux matériaux source sont utilisés, à savoir : un béton aux propriétés connues et maitrisées et un granulat issu d’une plateforme de recyclage représentatif d’une filière de production. De ces deux matériaux, des fines sont fabriquées par un protocole couplé de concassage et criblage avec ou sans traitement thermique à haute température puis caractérisées (caractérisation physico-chimique, minéralogique et réactivité hydraulique résiduelle) en vue d’établir une cartographie complète de leur potentiel de valorisation en fonction de leur origine. Le premier objectif intitulé « fabrication d’une addition minérale à base de fines » traite de l’effet de cette addition sur le comportement rhéologique, mécanique et sur les propriétés de durabilité de mortiers. Malgré un verrou normatif lié à l’utilisation de matières non référencées dans les normes des matériaux cimentaires, les résultats de ce travail démontrent la faisabilité d’introduire des fines en substitut d’additions classiques tel que le filler calcaire dans des proportions largement supérieures à celles imposées. Le second objectif intitulé « fabrication de liants hydrauliques routiers à base de fines » traite de la conception de LHR à base de fines pour le traitement des sols en place. C’est à partir d’un sol témoin reconstitué en laboratoire que deux familles de LHR à base de fines traitées et non traitées sont conçues, testées et comparées à des liants hydrauliques routiers commercialisés et enfin optimisées. / This thesis work focuses on the valorization of recycled aggregates as main component for hydraulic binders. This is included in a current issue of waste management, protection of natural resources and environment, reduction of greenhouse gases emissions in cement production. In France, on 260 millions tons of inert wastes produced per year, 90 millions tons are still stored in non-hazardous landfill. This waste deposit has to be reduced to increase the production of recycled aggregates currently estimated at 15 million tons per year. In view of this, this research is aimed to enhance the valorization of recycled aggregates into powder form (Dmax < 80 microns) as a mineral addition in substitution of cement for mortar and concrete or as main constituent of Hydraulic Road Binders (HRB). Two sources of materials are used : a five years old concrete and a recycled aggregates come from a recycling plant. Powders are prepared by crushing and sieving with or without high-temperature heat treatment and characterized (physical, chemical and mineralogical characterizations : residual hydraulic reactivity) to evaluate their potential valorization based on their origin.The first objective, entitled “Conception of mineral addition using powder of recycled aggregates”, deals with of the influence of this new materials on rheological, mechanical and durability properties of mortars. The results of this study allow us to evaluate the benefits of incorporating powder obtained by crushing/sieving of recycled aggregates as cement or limestone substitute used in the composition of a mortar. The second objective, entitled "conception of the Hydraulic Road Binders using powders of recycled aggregates", deals with the design of HRB by a comparative approach with HRB manufactured. The characteristics of binders are tested on mortars and on samples of treated soil and the results show that it's possible to produce an HRB rich in powders of recycled aggregates with or without cement which can efficiently stabilize clayey soils.

Ce travail a pour but d’étudier les paramètres physico-chimiques qui contrôlent les transferts de matière ainsi que la formation et l’évolution des argiles dans des failles chevauchantes en environnement sédimentaire. Deux failles chevauchantes pyrénéennes de faible grade métamorphique ont été étudiées : la faille de Millaris (cf. Mont Perdu) et le chevauchement du Pic-de-Port-Vieux (cf. Gavarnie). Dans la faille de Millaris, la déformation s’accompagne principalement d’une dissolution de la calcite matricielle par pression-solution induisant un changement de volume de la roche de 20 à 40%. Le chevauchement du Pic-de-Port-Vieux enregistre des modifications importantes au coeur de la faille mais aussi dans la zone d’endommagement. Dans les calcaires du mur du chevauchement, une mylonitisation est associée à une dissolution partielle des dolomites en présence de fluides ne dépassant pas 320-340°C. Dans les pélites du toit du chevauchement, la dissolution de l’hématite par un fluide réducteur entraine un changement de l’état redox de la roche (confirmé par spectroscopie Mössbauer) et la précipitation de chlorite dans des veines syncinématiques. Des chlorites à zonations chimiques oscillatoires présentes dans certaines veines révèlent, en combinant cartographie chimique à la microsonde, mesures de l’état redox par μXANES et thermométrie, des variations cycliques de température d’au moins 50°C au cours de la cristallisation. Un processus de valves sismiques pourrait donc être associé à la mise en place du chevauchement du Pic de Port Vieux. / This work aims to study the physical and chemical parameters that control the mass-transfer and the clays formation and evolution in sedimentary environment thrust faults. Two Pyrenean thrust faults in low metamorphic grade were studied: the Millaris fault (related to Mont Perdu) and the Pic-de-Port-Vieux thrust (related to Gavarnie). In the Millaris fault, the deformation is accompanied mainly by dissolution of the matrix calcite by pressure-solution which induces a volume change of the rock from 20 to 40%. The Pic-de-Port-Vieux thrust records significant changes in the fault core-zone, but in the damaged zone also. In the footwall limestone, a mylonitisation is associated with a partial dissolution of dolomite in the presence of not exceeding 320-340°C fluids. In the hanging-wall pelites, the hematite dissolution by a reducing fluid causes a redox state change of the rock (confirmed by Mössbauer spectroscopy) and chlorite precipitation in synkinematic veins. Oscillatory zoning pattern chlorites located in some shearing veins revealed, by combining chemical mapping microprobe, redox state measurements with μ-XANES and thermometry, cyclic temperature variations of at least 50°C during the crystallization. A seismic valves process could be associated to Pic-de-Port-Vieux thrusting.

Résumé Les rejets des Usines à Zinc de Kolwezi contiennent majoritairement du zinc sous forme réfractaire (ferrite) au traitement hydrométallurgique conventionnel. Ils contiennent d’autres métaux « lourds » qui les rendent dangereux vis-à-vis de l’environnement dans lequel ils sont actuellement entreposés. Ces métaux, dont la plupart peuvent être valorisés, font de ces rejets un véritable gisement secondaire. Il est donc impératif de mettre au point un procédé adéquat de valorisation ; d’où le thème de la présente thèse : « Etude de valorisation des rejets des Usines à Zinc de Kolwezi, RDC ». A l’aide des techniques modernes de caractérisation (physico–chimique, minéralogique et morphologique), nous sommes arrivés à cibler, à adapter et à justifier l’utilisation d’une technique de valorisation des matières minérales existantes. Les minéraux utiles contenus dans les rejets UZK ont été sulfatés par digestion et sélectivement mis en solution après un grillage. La sulfatation s’est avérée l’étape déterminante du procédé et un intérêt particulier a été focalisé sur cette étape en réalisant une étude cinétique approfondie. Les données et informations récoltées tout le long de cette recherche nous ont permis de réaliser une simulation du procédé par le logiciel ASPEN PLUS. Ce qui a permis de faire une ébauche d’un schéma de traitement industriel. Ce dernier s’est avéré souple vis-à-vis de l’utilisation d’autres matières comme les calcines des concentrés sulfurés cuivre-zinc. Residues from the Kolwezi Zinc Plant (Usines à Zinc de Kolwezi UZK) essentially contain zinc in a refractory (ferrite) form, which is difficult to recover by conventional hydrometallurgical methods. « Heavy» metals are also present that make them hazardous towards the environment in which they are currently stored. Most of these metals are valuable; thus, the UZK residues are a real secondary deposit. It is therefore imperative to develop an appropriate method of treatment, hence the theme of the present thesis: « Recovery study of values metals from Kolwezi Zinc Plant residues, DRC ». Using modern techniques of characterization (physical and chemical, mineralogical and morphological), we focused, adapted and justified the use of a technique for efficient recovery of the existing valuable minerals. The minerals contained in UZK residues have been sulphated by digestion and thereafter selectively dissolved after roasting. Sulphatation proved to be the decisive step of the process and a particular attention has been given to this step by performing a detailed kinetic study. The data and information collected throughout this research allowed a simulation of the developed method by using the « Aspen Plus » software. This allowed us to propose a draft scheme of industrial processing. The latter proved flexible towards the use of other materials such as calcines of copper-zinc sulphide concentrates.

Les gisements uranifères nigériens sont localisés dans les formations carbonifères et jurassiques du bassin de Tim Mersoï. AREVA est actionnaire de 3 sites miniers de cette région: la SOMAÏR et la COMINAK dans le district d'Arlit, en exploitation depuis 50ans, et IMOURAREN, 80km plus au Sud, dont l'exploitation est programmée pour 2015. La minéralisation du gisement d'Imouraren est comprise dans la formation fluviatile du Tchirézrine 2 (Jurassique), formée de chenaux et de plaines d'inondation. Les faciès de remplissage de chenaux vont des grès grossiers aux grès très fins (cortège détritique : quartz et feldspaths), tandis que les faciès de débordement sont constitués d'analcimolites. La minéralogie secondaire est acquise lors de 2 évènements : 1- la diagenèse, avec formation de minéraux argileux, d'analcime, de quartz et d'albite secondaires, et 2- un épisode de circulations de fluides, qui induit une altération des minéraux détritiques et diagénétiques, la formation de nouvelles phases et le dépôt de l'uranium. Cette altération dessine une zonation minéralogique à l'échelle du gisement.L'hétérogénéité du Tchirézrine 2, tant au niveau des faciès que de la minéralogie, se perçoit lors du traitement du minerai, puisqu'il réagit différemment selon sa provenance, avec parfois des problèmes de récupération de l'U. Des essais de traitement de minerais, ont montré que analcimes et chlorites étaient les deux pénalisants, pour 3 raisons : 1- les piégeages des phases U au sein des analcimes, 2- la dissolution de ces 2 minéraux a tendance à faire sortir des conditions de solubilisation de l'U (pH et Eh) et à former de nombreux sulfates, 3- problèmes de percolation. Une méthode de détection des minerais riches en analcimes, basée sur la spectroscopie infrarouge, a été développée afin d'optimiser les mélanges de minerais et ainsi de réduire les effets néfastes des pénalisants lors du traitement. / Nigerian uraniferous deposits are located in carboniferous and jurassic formations of Tim Mersoï basin. AREVA is shareholder of 3 mine sites in this area: SOMAÏR and COMINAK, both in exploitation since 1960’s and IMOURAREN, 80km further South, whose exploitation is planned for 2015. Mineralization of Imouraren deposit is included in the fluvial formation of Tchirezrine 2 (Jurassic), composed of channels and flood plains. Facies of channel infillings range from coarse sandstones to siltstones, while overflow facies are composed of analcimolites.Secondary mineralogy was acquired during 2 stages: 1- diagenesis, with formation of clay minerals, analcime, secondary quartz and albites, and 2- stage of fluids circulations, which induced alteration of detrital and diagenetic minerals, formation of new phases and uranium deposition. A mineralogical zoning, at the scale of deposit resulted from this alteration. The heterogeneity of Tchirezrine 2, at the level of both facies and mineralogy, is also evidenced during ore treatment, as ore reacts differently depending on its source, with sometimes problems of U recovery. Ore treatment tests showed that analcimes and chlorites were both penalizing minerals, because of 1- the sequestration of U-bearing minerals into analcimes, 2- their dissolution which trends to move away from U solubilization conditions (pH and Eh) and to form numerous sulfates, and 3- problems of percolation. A detection method of analcime-rich ores, based on infrared spectroscopy, was developed in order to optimize ore blending and so to reduce negative effects during ore treatment process.