La magnésite (MgCO3) est la forme anhydre la plus stable d'une série de carbonates de magnésium qui présentent différents degrés d'hydratation. Malgré sa rareté dans les environnements naturels, elle constitue une phase minérale fondamentale pour le piégeage minéral permanent du CO2. La détermination expérimentale des vitesses de précipitation et de dissolution de la magnésite dans des conditions représentatives de la séquestration géologique est donc fondamentale pour l'estimation du potentiel de séquestration de CO2 par cette phase dans les basaltes et dans les roches ultrabasiques et pour l'optimisation des procédés de stockage du CO2. Nous avons mesuré les vitesses de précipitation de la magnésite en utilisant des réacteurs à circulation et des réacteurs fermés, en fonction de la température (100 ≤ T ≤ 200 °C), de la composition de la solution aqueuse et de la pression partielle de CO2 (de 0 à 30 bar). Les vitesses mésurées sont indépendantes de la force ionique de la solution pour 0.1 M < I < 1.1 M, mais elles diminuent significativement avec l'augmentation de l'activité des ions CO32- pour des pH supérieures à 8. Les vitesses mesurées dans les réacteurs à circulation sont cohérentes avec le modèle de coordination chimique surfacique de Pokrovsky et al. (1999) selon lequel les vitesses de précipitation de la magnésite sont proportionnelles à la concentration des sites surfaciques >MgOH2+. L'étude des vitesses de cristallisation conduite par microscopie à force atomique hydrothermale (HAFM) a montré un bon accord entre les vitesses déduites de mesures microscopiques et les vitesses macroscopiques et a aussi démontré que la précipitation de la magnésite s'effectue selon un mécanisme de croissance spirale. Suivant les observations effectuées par AFM, ce mécanisme contrôle la vitesse de croissance de la magnésite dans un grand intervalle de température et d'indice de saturation (15≤ Ω ≤ 200 pour 80 ≤ T < 120 °C). En raison de l'inhibition de la précipitation de la magnésite par les ions carbonates, il est recommandé d'opérer sous des pressions partielles de CO2 assez élevées, ce qui présente en outre l'avantage d'accélérer la cinétique de dissolution des silicates magnésiens, grâce à l'acidification de la solution par le CO2. La détermination des vitesses de dissolution de la magnésite dans des réacteurs à circulation à 150 et 200 °C et en milieu neutre à alcalin nous a permis d'améliorer le modèle de complexation de surface et d'étendre son application aux températures considérées. La diminution des vitesses de dissolution observée de 150 à 200 °C peut être expliquée par l'augmentation, en fonction de la température, de la carbonatation et de l'hydrolyse des sites >MgOH2+ qui contrôlent la vitesse de dissolution de la magnésite. Des températures supérieures à 100 °C qui entrainent une diminution de la vitesse de dissolution de la magnésite et des autres carbonates sont donc favorables au stockage de CO2 sous forme dissoute dans les aquifères profonds riches en minéraux carbonatés. L'utilisation d'une cellule à électrodes d'hydrogène (HECC) nous a permis de préciser les données cinétiques à proximité de l'équilibre grâce à la détermination précise du produit de solubilité de la magnésite en fonction de la température (50-200 °C). De plus, ces mesures nous ont permis de générer les propriétés thermodynamiques de la magnésite et de les comparer à celles obtenues par mesures calorimétriques et par équilibres de phases. Les résultats de cette étude représentent une importante contribution à la compréhension des cinétiques de réaction des minéraux carbonatés dans les systèmes hydrothermaux et permettent de proposer une base de données essentielle pour la quantification des réactions de dissolution/précipitation des carbonates dans les systèmes complexes. En outre, ce travail fournit des contraintes cinétiques pour la modélisation géochimique des processus de séquestration du CO2 et sera utile à l'évaluation de l'impact et des risques liés au stockage de CO2 à long terme.

L'ancien site minier St. Lawrence Columbium abandonné en 1976 a exploité durant ses 15 années d'activité, la seule intrusion de nature carbonatique des Collines Montérégiennes pour sa richesse en minéraux carbonatés porteurs de niobium, d'éléments radioactifs et du groupe des terres rares. L'objectif principal de cette étude est de développer un modèle conceptuel de transport réactif du site qui vise à quantifier la mobilité et le devenir de ces éléments chimiques critiques pour l'environnement en utilisant dans un premier temps, le modèle numérique d'écoulement et de transport par éléments finis Flonet/TR2 afin de modéliser le système d'écoulement saturé en 2D. Par la suite, le modèle par volumes finis MIN3P simule le transport réactif en 1D et en 2D entre le parc à résidus et une des fosses du site. Également, une étude de sensibilité des paramètres d'écoulement et de transport par la méthode de Morris, est menée afin d'identifier les variables d'entrée les plus critiques. Les résultats de la simulation avec Flonet/TR2 permettent d'identifier tout d'abord un chemin préférentiel pour l'écoulement et le transport induit par un roc altéré en surface avec notamment des temps de résidences passant d'une dizaine d'années à plusieurs centaines d'année après 20 m sous le niveau de la nappe. Les simulations de transport réactif ont, quant à elles, révélée des concentrations en oxyde d'uranium qui demeurent en deçà des critères d'eau de résurgence contrairement au fluor et au sulfure d'hydrogène qui ont des concentrations maximales naturelles respectives de 5,0 mg/L et de 1,20x10⁻² mg/L. La capacité du socle rocheux à tamponner la variation de pH engendrée par la dissolution de minéraux soufrés tel que la sphalérite et la molybdénite, a également été constaté, variant entre 8,0 et 6,7 dans le temps. Les analyses de sensibilités montrent que d'une part, le système d'écoulement est significativement impacté par la variation saisonnière de la recharge au top du modèle ainsi que par l'hétérogénéité de la perméabilité du roc induisant des variations du temps de résidence de plusieurs dizaines d'années. D'autre part, la variation du taux de lixiviation des résidus, simulé par la modification des concentrations d'entrées, est la principale source de variation des concentrations de sortie pour le modèle numérique de transport réactif. / During its 15 years of operation, the former St. Lawrence Columbium mining site, abandoned in 1976, exploited the only carbonate intrusion in the Monteregian Hills for its wealth of carbonate minerals containing niobium, radioactive elements and rare earth elements. The main objective of this study is to develop a conceptual model of reactive transport that aims to quantify the mobility and fate of the chemical elements of highest environmental concern by first using the Flonet/TR2 finite element flow and transport model to simulate the saturated 2D flow domain. Subsequently, the MIN3P finite volume model is used to simulate reactive transport in 1D and 2D between the tailings facility and one of the pits on the site. A sensitivity study of the flow and transport parameters using the Morris method identifies the most critical input variables. The results of the Flonet/TR2 simulation showed a preferential pathway identified for flow and transport induced by uppermost layer of weathered rock with residence times ranging from around ten years to several hundred years down to 20 m below groundwater level. Reactive transport simulations showed uranium oxide concentrations below the criteria for resurgent water, in contrast to fluoride and hydrogen sulphide, which have maximum natural concentrations of 5,0 mg/L and 1.20x10⁻² mg/L, respectively. The simulations showed that bedrock was able to moderate the pH variation caused by the dissolution of sulphur minerals such as sphalerite and molybdenite was also observed, with a simulated pH between 8.0 and 6.7 over time. Sensitivity analyses show that the flow system is significantly influenced by the seasonal variation of recharge at the top of the model and by the heterogeneity of rock permeability, leading to variations in residence time of several decades. In addition, the variation in the residual leaching rate, simulated by the change in input concentrations, is the main source of variation in the output concentrations for the reactive transport numerical model.

L’origine de la croissance très rapide des émissions des gaz à effet de serre est attribuée, pour plus des ¾, au seul dioxyde de carbone (CO₂). Ce dernier engendre d’importants impacts sur l’équilibre thermique de la Terre, sur l’environnement et sur la biodiversité. Il est donc nécessaire de mettre en oeuvre des actions d’envergure pour réduire ces émissions. La carbonatation minérale est l’une des méthodes de la séquestration du CO₂, qui participe significativement à l’effort global de réduction des émissions d’origine anthropique dans l’atmosphère. Plusieurs auteurs ont montré que le processus de carbonatation minérale se produit naturellement en surface de la halde à résidus miniers de la mine LAB Chrysotile à Thetford Mines, Québec (Canada). L’objectif de ce projet est de trouver les évidences de la carbonatation minérale en soussurface de la halde à résidus miniers en caractérisant les phases minérales carbonatées des échantillons d’un forage de 90 m de profondeur et en identifiant les horizons présentant un fort potentiel de carbonatation minérale. Un total de 42 échantillons de forage a été prélevé à différentes profondeurs puis tamisés, broyés et analysés par les méthodes suivantes : analyseur élémentaire carbone-soufre, appareil infrarouge à transformée de Fourier-ATR, microfluorescence des rayons X et le microscope électronique à balayage. Les résultats ont montré la présence de l’artinite, la nésquehonite, la dypingite et l’hydromagnésite dans tous les échantillons analysés cela prouve que les minéraux carbonatés sont stable à l’intérieure de la pile de résidu. Cependant les minéraux ont peutêtre précipité à la surface puis avoir été subséquemment enfouis par d’autres résidus. La corrélation entre les absorbances, la teneur en carbone, les mesures de la résistivité et de la susceptibilité magnétique montre que la carbonatation minérale s'est produite d’une manière très hétérogène tout au long du forage, mais que les horizons aux profondeurs entre 15-20 m, 24-29 m, 37-42 m, 57 m, 65-69 m, 80-84 m et à 89 m ont une concentration significative en carbonates de magnésium hydratés.

The one of the most important Eras of the Earth history, i.e. Neoproterozoic (1000-542 Ma),<p>was an enigmatic period characterized by the development of the first stable long-lived ~1.1-<p>0.9 Ga Rodinia and 550-500 Ma Gondwana supercontinents, global-scale orogenic belts,<p>extreme climatic changes (cf. Snowball Earth Hypothesis), the development of microbial<p>organisms facilitating the oxidizing atmosphere and explosion of eukaryotic forms toward the<p>first animals in the terminal Proterozoic. This thesis presents a multidisciplinary study of two<p>Neoproterozoic basins, i.e. Bas-Congo and Sankuru-Mbuji-Mayi-Lomami-Lovoy, in and around the Congo Craton including sedimentology, geochemistry, diagenesis, chemostratigraphy and radiometric dating of carbonate deposits themselves.<p><p>The Mbuji-Mayi Supergroup sequence deposited in a SE-NW trending 1500 m-thick siliciclastic-carbonate intracratonic failed-rift basin, extends from the northern Katanga Province towards the centre of the Congo River Basin. The 1000 m-thick carbonate succession is related to the evolution of a marine ramp submitted to evaporation, with ‘deep’ shaly basinal and low-energy carbonate outer-ramp environments, marine biohermal midramp (MF6) and ‘very shallow’ restricted tide-dominated lagoonal inner-ramp (MF7-MF9) settings overlain by lacustrine (MF10) and sabkha (MF11) environments, periodically<p>submitted to a river water source with a possible freshwater-influence. The sequence stratigraphy shows that the sedimentation is cyclic in the inner ramp with plurimetric ‘thin’ peritidal cycles (± 4 m on average) recording a relative sea level of a maximum of 4 m, with fluctuations in the range of 1-4 m. The outer/mid ramp subtidal facies are also cyclic with ‘thick’ subtidal cycles characterized by an average thickness of ± 17 m, with a probable sealevel<p>fluctuations around 10 to 20 m. The geochemistry approach, including isotopic and major/trace and REE+Y data, allows to infer the nature of the dolomitization processes operating in each carbonate subgroup, i.e dolomitization may be attributed to evaporative reflux of groundwater or to mixing zones of freshwater lenses. The latest alteration processes occured during the uplift of the SMLL Basin. New ages, including LA-ICP-MS U-Pb laser ablation data on detrital zircon grains retrieved in the lower arenaceous-pelitic sequence (BI group), combined with carbon and strontium isotopic analyses, yielded a new depositional time frame of the Mbuji-Mayi Supergroup between 1176 and 800 Ma reinforcing the formerly suggested correlation with the Roan Group in the Katanga Province.<p><p>In the Democratic Republic of Congo, the Sturtian-Marinoan interglacial period was previously related to pre-glacial carbonate-dominated shallow marine sedimentation of the Haut-Shiloango Subgroup with stromatolitic reefs at the transition between greenhouse (warm) and icehouse (cold) climate periods, commonly marked by worldwide glacigenic diamictites and cap carbonates. This thesis highlights that these deposists record as a deepening-upward evolution from storm-influenced facies in mid- and outer-ramps to deepwater environments, with emplacement of mass flow deposits in toe-of-slope settings controlled by synsedimentary faults. In absence of diagnostic glacial features, the marinoan Upper Diamictite Formation is interpreted as a continuous sediment gravity flow deposition along carbonate platform-margin slopes, which occurred along tectonically active continental margins locally influenced by altitude glaciers, developed after a rift–drift transition. The maximum depth of the deepening-upward facies is observed in the C2a member. The<p>shallowing-upward facies exibit a return of distally calcareous tempestites and semi-restricted to restricted peritidal carbonates associated with shallow lagoonal subtidal and intertidal zones submitted to detrital fluxes in the upper C2b to C3b members.<p>The geochemistry highlights (i) the existence of a δ13C-depth gradient of shallow-water and deep-water carbonates; (ii) the carbonate systems were deposited in oxic to suboxic conditions; and (iii) all samples have uniform flat non-marine shale-normalized REE+Y distributions reflecting<p>continental detrital inputs in nearshore environments, or that the nearshore sediments were<p>reworked from ’shallow’ inner to mid-ramp settings in deep-water slope and outer-ramp<p>environments, during the rift-drift transition in the basin. The pre-, syn- and post-glacial<p>carbonate systems could record a distally short-lived regional synrift freshwater-influenced<p>submarine fan derived from nearshore sediments, including gravity flow structures, which are<p>attributed to regional tectonic processes due to a sudden deepening of the basin caused by<p>differential tilting and uplifting of blocks, related to the 750-670 Ma oceanic spreading of the<p>central-southern Macaúbas Basin.<p><p>Combining sedimentology, isotopes and trace elemental geochemistry, the thesis highlights<p>that the δ13C variations in the Neoproterozoic carbonates are complex to interpret, and can be<p>related to: (i) the existence of a δ13C-depth gradient; (ii) the exchange between isotopically<p>light carbon in meteoric waters and carbonate during lithification and early diagenesis; and<p>(iii) isotopic perturbations due to regional metamorphism. Considering the possible englaciation of the Earth (Snowball Earth hypothesis), the Mbuji-Mayi Supergroup and West<p>Congolian Group seem reflected the intimate relationship between glaciations and tectonic<p>activity during the break-up of the Rodinia supercontinent, followed by the rift–drift<p>transition, and finally the pre-orogenic period on the passive continental margin. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished