Ces travaux de thèse apportent de nouvelles contraintes sur la concentration et le comportement de l’H dans le manteau lithosphérique et reposent sur l’étude pétro-géochimique de trois séries de xénolites de péridotites à spinelle, associant les concentrations en élément majeurs et en traces y compris l’H dans les minéraux dits anhydres (les NAMs, ici, olivine, pyroxènes) et hydratés (amphibole). Les effets de la remontée des xénolites dans du magma hôte sur les concentrations en H des NAMs ont pu être étudiés sur une série de xénolites de péridotite du champ volcanique d’Eifel (Allemagne). Une variation intra cristalline de concentration en H peut être identifiée dans l’olivine et non dans les pyroxènes coexistant. Ces profils de concentration en H peuvent être utilisés pour estimer des vitesses de remontées des magmas. Dans le cas des volcans étudiés, ces vitesses sont estimées entre 3.5 et 12 m.s-1. Ces résultats suggèrent que les pyroxènes sont de meilleurs proxy que l’olivine pour quantifier la concentration mantellique de l’H. Les xénolites de Ray Pic (Massif Central, France) ont permis de discuter dans un contexte de point chaud, l’effet de la fusion partielle et du métasomatisme à grande échelle sur les concentrations en H des NAMs. Les concentrations en H des minéraux ne suggèrent pas de lien avec le métasomatisme subit, qu’il soit modal, cryptique, à rapport liquide/roche élevé ou faible. Cependant, en comparant les concentrations en H avec un marqueur de la fusion partielle (Yb du cpx), l’H semble avoir un comportement similaire à une MREE (e.g., Sm ; D(cpx/liquide)~0.29). Enfin, des xénolites composites associant une péridotite accolée à un agent métasomatique ont permis de cibler l’influence du métasomatisme de petite échelle (pluri-centimétrique). L’interaction magma roche identifiée sur une harzburgite en contact avec du basalte montre dans les cas des olivines, des variations chimiques couplé entre éléments majeurs en fonction de leur proximité au filon et les concentrations en H. Plus l’olivine se rééquilibre avec le liquide moins elle contient d’H. Parallèlement dans cette étude, trois échantillons présentent une lherzolite en contact avec une pyroxénite avec 14% d’amphibole, une clinopyroxénite avec 40 % d’amphibole et une amphibolite (98% d’amphibole). Cette contiguïté avec un filon métasomatique permet l’étude du comportement de l’H en contexte de percolation en bordure de filon. Chaque échantillon présente des concentrations en H homogènes pour chacune des phases minérales. Cependant plus les filons contiennent d’amphibole moins il y a d’H dans les NAMs. D’autre part, une nouvelle fois, la corrélation positive entre les concentrations en H des NAMs et le Sm(cpx) en tant que marqueur de métasomatisme suggère que l’H se comporte comme une MREE.En conclusion, les minéraux des spl-harzburgites contiennent en moyenne un peu plus d’H que ceux des spl-lherzolites. Les concentrations en H des olivines sont sensibles à la dévolatilisation lors de la remontée dans le système magmatique et le rééquilibrage avec le magma. Au contraire, les concentrations en H des pyroxènes, spécialement l’opx, sont très homogènes suggérant des concentrations mantelliques. Le comportement de l’H lors de la fusion partielle et du métasomatisme reste complexe ; nos données suggèrent que l’H suit les MREE tel que le Sm. / This thesis provides new constrains on H concentrations and H behaviour in the lithospheric mantle and is based on a petro-geochemical study on 3 spinel-peridotite xenoliths series with major and traces elements analyses, including H in nominally anhydrous minerals (NAMs, olivine and pyroxenes) as well as hydrous minerals (amphibole).Ascent effects through a magmatic system on H concentration of NAMs are studied for a xenoliths series from the Eifel volcanic field (Germany). Intracrystalline variation in H concentration are observe in olivine but not in the coexisting pyroxenes. Such H concentration profiles are used to calculate the rate of magma ascent. For the studied volcanoes, the calculated rate of magma ascent is between 3.5 and 12 m.s-1. Such H concentration variations imply a devolatilisation affecting only olivine, whereas the pyroxenes are homogeneous and then can be used as a better proxy for mantle H concentrations.Ray Pic xenoliths (French Massif Central) belongs to a mantle plume setting, implying the possibility to assess the effect of partial melting and large scale metasomatism on H concentration of NAMs. The H concentrations determined do not suggest a strong link with the suffered metasomatism whether modal, cryptic, at low or high melt rock ratio. However, using H concentrations and a marker of the partial melting (Yb in cpx), H seems to behave as a MREE (e.g., Sm, D(cpx/melt) ~ 0.29).Finally, the composite xenoliths with a peridotite adjacent to a metasomatic agent allow to target the influence of small scale metasomatism (pluri-centimetric). A magma-rock interaction between a harzburgite and a basaltic patch shows that, for olivines, chemical variations in major element as a function of olivine proximity to the vein, is coupled to H concentrations of NAMs. More the olivines are close to equilibrium with the basalt, more the H concentrations are low. Alongside in this study, three samples consist of a lherzolite adjacent a pyroxenite (14% amphibole), to a clinopyroxenite (40% amphibole) and to an amphibolite (98% amphibole) respectively. This special relationship with a metasomatic vein allows to study the behaviour of H during wall rock percolation. Each sample display homogeneous H concentration within each NAMs. However, H concentration is inversely correlated to modal content in amphiboles in the peridotite. Furthermore, a positive correlation between H in NAMs and Sm(cpx) here as a marker of metasomatism suggests, again, that H behaves as a MREE.To conclude, minerals from harzburgite contain in average a bit more H than the one in lherzolite. The H concentration in olivine are sensitive to degassing during magma ascent toward the surface and reequilibrium with magma. On the contrary, H concentration in pyroxenes, especially opx, are very homogeneous suggesting mantle concentration. The behaviour of H during partial melting and metasomatism is complex. However, our data suggest that H broadly follows MREE.

L'objectif de ce travail de thèse était de réaliser une étude structurale détaillée des minéralisations et des zones d'altération associées, de trois gisements d'or situés au Nord-Ouest du Ghana, sur la marge orientale du Craton Ouest Africain: Kunche et Bepkong, situés dans la ceinture de Wa-Lawra, et Julie situé dans la ceinture de Julie. Ces trois gisements présentent de multiples différences d'ordre géologique, structural, tectonique et géochimique, mais leur caractéristique commune est que leur minéralisation est associée à un métamorphisme de faciès schiste vert. A Julie, la minéralisation aurifère est encaissée dans des granitoïdes de composition tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) alors qu'à Kunche et Bepkong elle est localisée au sein de formations sédimentaires volcanoclastiques et de schistes graphiteux fortement silicifiés. Cette minéralisation est associée à un réseau de veines souvent boudinées de quartz formées en relation avec une zone de cisaillement orientée Est-Ouest à Julie, mais N à NNO à Kunche et Bepkong, constituant un couloir de déformation de 0.5 à 3,5 km de longueur et de 20 à 300 m de puissance suivant les gisements. La paragenèse d'altération dominante de la zone minéralisée est à séricite, quartz, carbonate et sulfures, et suivant la nature de la roche hôte se rajouteront par exemple la tourmaline dans les granitoïdes et la chlorite dans les schistes ou les métavolcanites. A Julie, l'or est étroitement associé à la pyrite alors qu'à Kunche et Bepkong l'or est associé à l'arsénopyrite. Deux générations d'or sont distinguées ; la première correspond à de l'or invisible associé aux zones de croissance primaire des cristaux de pyrite à Julie et d'arsénopyrite à Bepkong, et de l'or visible tardif en inclusion et plus fréquemment en remplissage de fractures. / The objective of this thesis was to perform a detailed structural, mineralization and associated alteration studies of three gold deposits located in northwest Ghana, on the eastern margin of the West African Craton. Thus, the Kunche and Bepkong deposits, located in the Wa-Lawra belt and Julie deposit located in the Julie belt. These three deposits have multiple differences interms of geological, structural, tectonic and geochemical characteristics but gold mineralization in these deposits are all associated with a green schist facies metamorphism. In Julie, the gold mineralization is hosted in granitoids with its composition akin to tonalite-granodiorite-trondhjemite (TTG) where as in the Kunche and Bepkong deposits, the gold mineralization are localized within volcaniclastic sedimentary formations and strongly silicified graphitic schists. The gold mineralization is associated with a network of quartz veins often boudinaged and formed in connection with a shear zones, oriented E-W in the Julie deposit and N to NNW at Kunche and Bepkong deposits. The dominant alteration in the mineralized zone is sericite, quartz, carbonate and sulfides with influences from the host rock. For example, the granitoid is influenced by tourmaline and chlorite in the schists or in themetavolcanic rocks. At Julie, gold is closely associated with pyrite whereas Kunche and Bepkong gold is associated with arsenopyrite. Two generations of gold are distinguished; the first corresponds to the invisible gold associated with primary growth areas in the pyrite crystals in Julie and arsenopyrite in Kunche and Bepkong, and late visible gold inclusions which are frequently found in fracture fillings. In Julie, the mineralizing fluid is rich in CO2, and has low to moderate salinity (NaCl-H2O-CO2 system), trapped in P / T conditions around 220 ° C and <1 kbar; whilst in Bepkong, the mineralizing fluid is associated with quartz are rich in CH4, with a low salinity (CH4-CO2-SO2-H2O system) which indicates that the visible trapping temperatures is around 320°C.

Le gisement nickélifère latéritique de Nouvelle-Calédonie, développé au toit de la Nappe des Péridotites, représente près de 20% des ressources mondiales en nickel. Afin de mieux comprendre la formation de ce gisement, notre étude, portant sur le massif de Koniambo, se singularise par la volonté de ne pas se focaliser uniquement sur la zone minéralisée. L’approche employée a combiné : i) l’analyse de la déformation interne de l’ensemble du massif, ii) la caractérisation isotopique de deux sous-produits supposés de l’altération supergène que ont les veines de quartz et les veines de magnésite, iii) la modélisation 3D du gisement nickélifère, basée sur les données de plus de 6000 forages de subsurface et sur l’étude d’affleurements ponctuels au sein de la zone minéralisée. L’évolution spatiale et temporelle de la déformation associée à la serpentinisation est décrite au travers des ~800 m d’épaisseur structurale du massif de Koniambo. La partie supérieure du massif, très fracturée, préserve la marque d’au moins deux événements précoces de déformation. Le premier est associé au réseau de failles à antigorite et le second au réseau de failles à serpentine polygonale. La semelle serpentineuse, épaisse de ~200 m, est constituée de brèches et mylonites et enregistre un cisaillement tangentiel diffus associé à la serpentine polygonale et à la magnésite. La semelle représente ainsi un niveau de décollement majeur en base de nappe. Entre la semelle et le haut du massif, un niveau intermédiaire est identifié, caractérisé par la présence de zones de cisaillement plurimétriques probablement connectées à la semelle. La caractérisation 3D de la distribution du nickelau sein du niveau saprolitique, à l’échelle du gisement comme à l’échelle de l’affleurement, permetde mettre en évidence l’existence de processus impliquant une redistribution non pas seulement verticale, comme il est classiquement admis, mais aussi latérale, mécanique ou associée à des fluides, à l’origine d’importants enrichissements locaux. L’analyse isotopique des veines de quartz associées au minerai garniéritique met en évidence les conditions d’hydrothermalisme de basse température associées à leur formation. La caractérisation structurale et isotopique (couplage ''isotopes stables'' et ''clumped isotope thermometry'') des veines de magnésite situées dans la semelle serpentineuse permet de documenter leur caractère syn-tectonique et la nature météorique et de basse température du fluide dont elles sont issues. Ceci nous amène à proposer que la tectonique active a pu faciliter l’infiltration de l’eau météorique impliquée dans le processus de latérisation depuis le sommet jusqu’à la base de la nappe. / The New Caledonia nickel laterite ore deposit, developed at the top of the Peridotite Nappe, hosts about 20% of the nickel resources worldwide. In order to better understand the formation of this eposit, our study, focusing on the Koniambo Massif, is not restricted to the ore zone but concerned with the whole peridotite pile. Our approach combined: i) the analysis of the internal deformation of the massif, ii) the isotopic characterization of quartz and magnesite veins which are suspected to represent by-products of the laterization process, iii) the 3D modelling of the lateritenickel ore deposit, based on a dataset of ~6000 subsurface boreholes and the study of some outcrops located into the mineralized area. The spatial and temporal evolution of the deformation associated with serpentinization is described across the ~800 m-thick rock pile of the Koniambo Massif. The upper part of the massif is densely faulted and preserves the record of two early deformation events. The first one is associated with synantigorite faults and the second one with syn-polygonal serpentine faults. The ~200m-thick serpentine sole is composed of breccias and mylonites and records pervasive tangential shearing associated with polygonal serpentine and magnesite. Thus, the serpentine sole represents a major décollement at the base of the nappe. Between the sole and the upper part of the massif, anintermediate structural level is identified, characterized by the presence of plurimetric shear zones that probably merge with the sole.The 3D characterization of the nickel distribution in the saprolite level, at both deposit and outcrop scales, gives evidence for processes implying not only vertical (as commonly assumed) but also lateral nickel redistribution. This lateral transport ismechanical or associated with fluids and leads to significant local enrichments. The isotopic characterization of the quartz veins associated with garnieritic ore shows that they formed under low temperature hydrothermal conditions. The structural and isotopic (coupling “stable isotope” and “clumped isotope thermometry”) characterization of the magnesite veins located at the serpentine sole shows that they are syn-tectonic and derived from low temperature meteoric water. As a result, we propose that active tectonics has enhanced the infiltration of the meteoric waters involved in the laterization process down to the base of the nappe.

Les carbonates microporeux sont caractérisés par une importante hétérogénéité de faciès (texture, composition) qui se traduit généralement par une très grande variation des (1) propriétés physiques (porosité, perméabilité, vitesses acoustiques), et (2) du comportement mécanique. Ces hétérogénéités rendent souvent difficile les prédictions en termes de stockage géologique, de qualité de porosité ou perméabilité des réservoirs d'eau souterraine ou d'hydrocarbures lors de l'exploration ou production. Cette étude intégrée apporte de nouveaux éléments de réflexion quant aux facteurs de contrôles microstructuraux sur les propriétés physiques et mécaniques des roches carbonatées microporeuses.(1) Une centaine d'échantillons de carbonates a été prélevée tous les 2m environ le long du forage EST205 au niveau de la plate-forme oxfordienne de Meuse/Haute-Marne. Un objectif appliqué de ce travail, vise à mieux contraindre les variations verticales des propriétés pétrophysiques et pétrographiques qui régissent en grande partie les circulations aquifères actuelles dans cette formation. D'un point de vue fondamental, un résultat majeur est la mise au point d'une nouvelle méthode de rock-typing pour les réservoirs microporeux, et l'établissement d'un lien entre matrice micritique et les propriétés physiques. Les propriétés de transport (perméabilité, conductivité électrique) sont grandement influencées par la réduction ou l'augmentation progressive de la microporosité intercristalline selon le type de matrice micritique considéré. L'augmentation des vitesses d'ondes acoustiques peut être vue comme le reflet d'une cimentation progressive des particules de micrites, qui rend l'ensemble de la matrice plus rigide et cohérente. La dispersion des valeurs de vitesses est expliquée grâce à la théorie de la poroélasticité. Les calculs réalisés avec les équations de Biot-Gassmann [Biot, 1956 ; Gassmann, 1951] mettent en évidence une population de microcracks (crack porosity), qui affecte les vitesses de propagation des ondes. Enfin, une origine possible des niveaux poreux oxfordiens est une dissolution précoce des particules de micrites via la circulation d'eau météorique sous saturée par rapport à la calcite, lors de courtes phases d'émersion de la plate-forme.(2) La vitesse de propagation des ondes P dans la formation de l'Oolithe Blanche (Grainstone Oolithique, Jurassique Moyen, Basin de Paris) est très largement contrôlée par la structure de l'espace poreux (porosité annulaire ou uniforme dans les grains ; Type A) et par la présence ou l'absence d'un ciment isopaque autour des grains (Type B) (Makhloufi et al., 2013 ; Casteleyn et al., 2010, 2011). Plusieurs essais de déformation triaxiale ont été réalisées sur des échantillons de Type A et B afin d'investiguer le rôle de telles microstructures sur la réponse mécanique des roches carbonatées poreuses. Cette étude est essentielle à la compréhension générale de l'Oolithe Blanche, qui présente un fort potentiel géothermique et représente une cible potentielle pour la séquestration de CO2.Les échantillons comparés présentent des textures et faciès équivalent (porportion de ciment de blocage, granulométrie), ainsi que des propriétés pétrophysiques très similaire (porosité, perméabilité) ; afin que le paramètre microstructural soit le seul à varier.Deux comportements distincts sont mis en évidence :Type A: les échantillons avec une microporosité uniforme dans les grains ont un comportement ductile, tandis que les échantillons à porosité annulaire sont caractéristiques du domaine fragile.Type B: les échantillons avec des ciments isopaques autour des grains ont un comportement fragile. En revanche, les échantillons dépourvu de tels ciments présentent un comportement mécanique relevant plus du domaine ductile.Ces résultats montrent que les structures de porosité et les ciments jouent un rôle important sur la réponse mécanique des roches carbonatées microporeuses. / This integrated study provides significant insight into parameters controlling (1) the acoustic and reservoir properties of microporous limestone and (2) the mechanical behavior of such rocks. This work improves the knowledge of the relationships among rock physic and rock mechanic on one hand, and the microstructural content on the other hand.(1) Petrophysical properties measured from laboratory and logging tools (porosity, permeability, electrical conductivity and acoustic properties) have been coupled with thin section and SEM observations on the EST205 borehole from the Oxfordian limestone aquifer of the Eastern part of the Paris Basin. A major achievement is the establishment of the link between micrite microtexture types (particle morphology and nature of inter-crystal contacts) and the physical response. Fluid-flow properties are enhanced by the progressive augmentation of intercrystalline microporosity and associated pore throat diameter, as the coalescence of micrite particle decreases between relatively coarser tight morphologies and microporous morphologies. The slow increase of P-wave velocity can be seen as a reflection of crystal size and growing contact cementation leading to a more cohesive and stiffer micrite microtexture. By applying poroelasticity theory on our samples, we show that velocity dispersion can be a very useful tool for data discrimination in carbonates. Finally, a possible origin of high porous levels in neritic limestones is a mineralogical dissolution of carbonates through freshwater-related diagenesis during subaerial exposure time.(2) Regarding rock mechanic, conventional triaxial experiments were performed on samples from the Oolithe Blanche formation (Middle Jurassic Limestone, Paris basin) to investigate the effect of different microstructural parameter on the mechanical behavior of microporous carbonate rocks. Type A samples display two different microporosity distributions within the grains (uniform versus rimmed microporosity) and type B samples are based on the presence/absence of an isopachous cement around the ooids. This work is of primary importance since the Oolithe Blanche formation, a deep saline aquifer, is a possible target for CO2 sequestration and geothermal production in the center of the Paris Basin. Experiments were performed under saturated state with respectively two sets of experimental conditions: (1) a 5 MPa pore pressure and a 28 MPa confining pressure with a temperature of 55°C for Type A carbonates to mimic in-situ conditions in the Center of the Paris Basin; and (2) a 0.5 MPa pore pressure and a 1.5 MPa confining pressure for Type B samples. Sample types have similar facies and composition (oolithic microporous grainstone with a 500µm average grain size), and porosity ranges from 17% to 20%. Permeability values are also very similar and range from 10-2 mD to 10-1 mD.(1) Type A samples with a rimmed porosity display a typical behavior of the brittle failure regime with stress-strain curves reaching a peak (138 MPa) beyond which strain softening was recorded, and strain localization on a shear fracture. (2) Type A samples with a uniform porosity display a ductile behavior with no localization of the deformation.(2) Type B samples with isopachous cement show a brittle behavior with stress drop (16 MPa to 18 MPa) and localization on a shear fracture. When isopachous cements are absent, a more ductile type of behavior is observed. Our set of data suggests that those two microstructural parameters have a significant control on the mechanical behavior of carbonate rocks.

La formation de carbonates de magnésium et/ou calcium à l’aide du CO₂ atmosphérique (carbonatation minérale) permet la séquestration permanente du CO₂. Puisque la réaction se produit naturellement dans certains résidus miniers, il est possible d’utiliser ces derniers dans un esprit de développement durable. Le but de cette recherche est d’optimiser la carbonatation minérale de résidus miniers par des manipulations physico-chimiques et par l’ajout de sels organiques neutres. Cet ajout devrait permettre de faciliter la mise en solution des ions magnésium contenus dans le résidu minier et ainsi faciliter la précipitation de carbonates de magnésium. Des tests en eudiomètre ont été réalisés en variant différents paramètres tels que la concentration de CO₂ dans la phase gazeuse, la teneur en eau des résidus, le type de résidus utilisé et en ajoutant divers sels organiques tels que citrate, oxalate et EDTA de sodium en différentes concentrations afin de favoriser la carbonatation minérale. Les essais ont été réalisés sur différents résidus miniers riches en silicates/oxydes/hydroxydes de magnésium provenant des mines de Black Lake, Asbestos, Dumont, Raglan et Renard. Les résultats indiquent que le résidu plus réactif est de loin Dumont, suivi par Asbestos et Black Lake. Raglan et Renard sont très peu réactifs. La teneur en eau des résidus pour obtenir une réaction optimale varie de 20% à 60%. L’eau interstitielle est un solvant nécessaire pour la mise en solution des ions Mg, mais trop d’eau nuit à la diffusion du CO₂. Une relation linéaire entre la concentration en CO₂ dans la phase gazeuse et le taux d’absorption a été observée. En remplaçant l’eau par des solutions de chélates, l’absorption de CO₂ a pu être augmentée de 24% avec une solution d’EDTA d’un pH de 8,35 concentrée à 0,19M. Cependant, la meilleure solution varie en nature autant qu'en concentration d'un résidu minier à l'autre. Ces données montrent qu’il est possible de favoriser la séquestration naturelle de CO₂ de manière significative.

Lorsqu'ils sont exposés à l'eau de pluie et au dioxyde de carbone, les résidus miniers de l'exploitation du chrysotile capturent le CO2 grâce à une réaction de minéralisation du carbone. Ce phénomène a largement été étudié en laboratoire mais demeure mal compris à l'échelle d'une halde de stériles. Deux forages ont été réalisés au centre d'une halde à résidus miniers de Thetford Mines (Qc, Canada) dans le but de documenter la distribution spatiale de la réaction de carbonatation et d'identier sa signature pétrophysique. Les propriétés physiques des résidus miniers ont été évaluées à partir d'échantillons de la carotte de forage. An d'identier la signature pétrophysique des zones favorables à la carbonatation minérale, des diagraphies de géoradar, résistivité électrique et susceptibilité magnétique ont été réalisées. L'altération liée à la minéralisation du carbone n'est pas uniforme dans la halde, étant donné les variations de perméabilité à l'air et à l'eau. Des chemins d'écoulement préférentiels à l'air facilitent la carbonatation en profondeur en augmentant la quantité de CO2 qui entre dans la halde. Une hausse de résistivité électrique accompagnée d'une baisse de susceptibilité magnétique peuvent servir d'indicateur des zones aux conditions favorables pour la réaction de minéralisation du carbone. En effet, les carbonates qui sont résistifs précipitent entre les résidus de manière à les cimenter. La croissance des carbonates limite également la présence d'eau dans l'espace poreux ce qui contribue à l'augmentation de la résistivité électrique. La baisse de la susceptibilité magnétique, quant à elle, est attribuable à la destruction partielle de la magnétite pendant le processus de carbonatation et de météorisation. Le fer libéré lors de l'altération de la magnétite et de la serpentine est accumulé à la surface des grains et alimente la formation de goethite. Le degré d'altération de la magnétite est un indicateur du niveau de météorisation in-situ des résidus. Ces résultats sont la première étape pour suivre le progrès de la réaction de carbonatation dans le temps et pour quantier le volume de CO2 séquestré dans une pile de résidus miniers. / When exposed to rainwater and carbon dioxide, magnesium rich mining wastes spontaneuously capture CO2 through carbon mineralization. Extensively studied in the laboratory, this reaction is still ill-understood at the scale of industrial mining waste pile. In order to document the spatial distribution of carbon mineralization and identify its petrophysical signature, two holes were drilled at the center of a tailings pile in Thetford Mines, Qc, Canada. The physical properties of the mining residues were evaluated from drill core samples. The petrophysical signature of zones favorable for carbon mineralization was investigated using electrical resistivity, magnetic susceptibility and borehole radar data. These data showed that the variations of air and water permeability cause alterations that are related to carbon mineralization not being uniform throughout mining wastes. Preferential air-ow can enhance carbonation at depth by increasing the amount of CO2 that reaches the interior of the waste pile. The growth of carbonates which are resistive isolate the grains and restrict water ingress and contributes to the observed increases in electrical resistivity. The decrease in magnetic susceptibility during carbonation is attributed to the partial destruction of magnetite. The iron released during the alteration of magnetite and serpentine is accumulated on the grain surface and feeds the formation of goethite. The level of destruction of the magnetite provides insights into the level of alteration caused by in-situ weathering of the mining wastes. Therefore, an increase in electrical resistivity accompanied by a decrease in magnetic susceptibility can serve as an indicator for zones with favorable conditions for the carbon mineralization reactions. These results represent the rst step towards quantifying the volume of CO2 captured in these mining residues and track the progress of the reaction with time.

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.

L'implication des émissions de dioxyde de carbone (CO2) anthropiques dans les changements climatiques est aujourd'hui admise et des solutions émergent pour lutter contre l'accumulation de CO2. La minéralisation du carbone, qui permet de séquestrer le CO2 sous forme de carbonates, stables à l'échelle géologique, est une des options envisagées. Parmi les voies de minéralisation du carbone envisagées, la minéralisation passive des résidus miniers ultramafiques permettrait de compenser les émissions en CO2 d'une exploitation minière. Toutefois, les impacts sur la qualité des eaux de lixiviation et l'évolution de la capacité de séquestration en conditions naturelles, à moyenne et grande échelle, sont peu documentés. La compagnie RNC Minerals a pour objectif d'exploiter un gisement de nickel situé dans le Nord-Ouest de la province du Québec. L'exploitation du Projet Dumont Nickel (PDN) aboutirait à la production d'environ 1,7 Gt de résidus miniers ultramafiques. Les différents facteurs qui influencent la capacité de séquestration des résidus du PDN ont été étudiés en laboratoire, à des teneurs en CO2 variables. Dans cette étude, les processus de la minéralisation passive dans les résidus du PDN, sont décrits et la capacité de séquestration en CO2 atmosphérique est estimée à moyenne échelle, en conditions naturelles. Pour étudier les impacts de l'altération météorique des résidus miniers du PDN, deux cellules expérimentales ont été construites et instrumentées. La première EC-1, contient les résidus ultramafiques, qualifiés de stériles (Waste-rock) et la seconde EC-2 a été remplie avec les résidus d'usinage (Tailings). Les propriétés hydrogéologiques et la surface spécifique des résidus des deux cellules sont différentes alors que la minéralogie est similaire. Les résidus sont composés principalement d'antigorite, de lizardite, de chrysotile, de brucite, de magnetite et de chlorite. Entre 2011 et 2015, l'évolution de la concentration en CO2, de la minéralogie, et de la composition chimique des lixiviats ont été enregistrées. Le suivi des concentrations en CO2 permet d'observer une diminution de la concentration en CO2 de la surface (~390 ppmv) vers le fond des parcelles (~100 ppmv). Dans le même temps, la teneur en carbone dans les résidus altérés a augmenté et les analyses minéralogiques révèlent la présence de plusieurs carbonates de magnésium comme l'hydromagnésite. Ces données suggèrent que les résidus séquestrent du CO2 passivement. Dans les cellules expérimentales le CO2 peut provenir de 3 sources : (1) l'atmosphère, (2) la dégradation de la matière organique, et (3) la dissolution des carbonates. Les compositions isotopiques du CO2(g), et des carbonates néoformés ont été mesurées. Ces analyses ont permis de mettre en évidence que la dissolution du CO2(g) dans l'eau interstitielle limite la capacité de séquestration et que le CO2 atmosphérique est la source du CO2 séquestré. Malgré les différences entre les deux cellules expérimentales les même processus contrôlent la séquestration du CO2. Un modèle conceptuel de la réaction de minéralisation du carbone, comprenant l'évolution de la composition isotopique, est proposé. Les lixiviats, récoltés aux bas des cellules expérimentales entre mai et novembre depuis 2011 sont caractérisés par un pH alcalin (~9,5), une alcalinité élevée (~90 à ~750 mg/L) et une forte concentration en magnésium (~50 à ~750 mg/L). Cette composition est en accord avec l'altération des résidus ultramafiques en milieu ouvert au CO2. Depuis 2012, la composition chimique des lixiviats évolue en fonction des saisons. Ces variations saisonnières sont expliquées par : (1) les variations climatiques au cours d'une année et (2) l'augmentation de la précipitation de carbonate entre mai et juillet. La diminution saisonnière de l'alcalinité et de la concentration en magnésium, provoqué par l'augmentation de la précipitation de carbonates, induit une sous-saturation des minéraux carbonatés ce qui limite la capacité de séquestration en CO2. Un taux de séquestration en CO2 atmosphérique de 1,4 (+/- 0.3) kg CO2/tonne/an a été mesuré dans les résidus de concentrateur (EC-2). À l'échelle de l'exploitation minière, les résidus de concentrateur permettraient la séquestration de 21 kt de CO2 atmosphérique par an ce qui correspond à un quart des émissions annuelles de la future mine. Le modèle MIN3P, qui permet de simuler le transport réactif multi composants et multiphasiques dans un milieu poreux insaturé, a été utilisé pour simuler en 1D la réaction de minéralisation au centre de la cellule EC-2. L'ensemble des données récoltées a été utilisé pour calibrer le modèle. Toutefois, aucune des simulations n’a permis de reproduire l'évolution de la géochimie des lixiviats et la concentration en CO2 observés. Plusieurs simplifications du modèle conceptuel pourraient expliquer les différences avec les données observées. / The implication of anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions in climate change is now widely accepted and solutions are emerging in order to limit the accumulation of CO2. Carbon mineralization, which allows the sequestration of CO2 through carbonate precipitation, stable minerals over geological time scales, is one of the options considered. Among the proposed carbon mineralization pathways, passive carbon mineralization in ultramafic mining residues can potentially lead to developing carbon-neutral mines. However, the impacts on leachate water quality and evolution of sequestration capacity in natural conditions, on medium and large scales, are still poorly documented. RNC Minerals plans to mine a nickel deposit located in the northwestern part of Quebec. The operation at the Dumont Nickel Project (DNP) would produce approximately 1.7 Gt of ultramafic mining residues. Several factors which influence the carbon sequestration capacity of the DNP residues have been studied in the laboratory, at variable CO2 concentrations. In this study, the processes of passive carbon mineralization in the DNP mining residues are described and the atmospheric CO2 sequestration capacity is estimated, at the experimental cell scale, under natural conditions. In order to study the impacts of meteoric weathering of the DNP residues, two experimental cells were built and instrumented. The first cell EC-1, contains the ultramafic waste rock, and the second EC-2, was filled with milling residues (Tailings). The hydrogeological properties and surface area of the residues contained in the two cells are different whereas the mineralogy is similar. The main minerals in the residues are chrysotile, lizardite, brucite, chlorite and magnetite. Between 2011 and 2015, changes in CO2 concentrations, mineralogy, and chemical composition of leachate waters were recorded. Monitoring of CO2 concentrations showed a decrease in CO2 concentration from the surface (~ 390 ppmv) to the bottom of the cells (~ 100 ppmv). At the same time, the carbon content in the weathered residues increased and the mineralogical analyses revealed precipitation of several magnesium carbonates such as hydromagnesite. These observations indicate that passive mineral carbonation of the mining residues is occurring within the experimental cells, for which three potential sources of CO2 can be identified : (1) the atmosphere, (2) the CO2(g) produced from organic matter oxydation, and (3) CO2(g) produced from carbonate dissolution. The isotopic compositions of CO2(g) and newly formed carbonates were measured. Using these isotopic compositions it was possible to demonstrate that dissolution of CO2(g) in interstitial water limits the sequestration capacity and that atmospheric CO2 is the main source of the CO2 sequestered. Despite the differences between the two experimental cells the same processes control CO2 sequestration. A conceptual model of the carbon mineralization reactions, including evolution of the isotopic compositions, is proposed. The leachate water sampled at the bottom of the experimental cells, between May and November since 2011, is characterized by an alkaline pH (~9.5), a high alkalinity (~90 to ~750 mg/L CaCO3) and a high concentration of magnesium (~50 at ~750 mg/L). This composition is consistent with weathering of ultramafic rocks in a system open to CO2. Since 2012, the chemical composition of the leachate water was evolved seasonnaly. These seasonal variations are explained by: (1) recharge and temeprature variations over the year and (2) increased carbonate precipitation between May and July. The seasonal decrease of alkalinity and magnesium concentrations, caused by increased carbonate precipitation, induces undersaturation of carbonate minerals. Therefore carbonate precipitation self-limits carbon sequestration through a negative feed-back loop. Since 2011, an estimated 13 kg of atmospheric CO2 was sequestered in the milling residues from EC-2, which corresponds to a mean rate of 1,4 (+/- 0.3) kgCO2/tonne/year. Using this mean rate, during the mining operation the milling residues will sequester about 21 kt of atmospheric CO2 each year, which will represents one quarter of the 127,700 tonnes of CO2 emitted. Using MIN3P, a numerical model which allow to simulate multi-component and multiphase reactive transport in unsaturated porous media, the carbon mineralization reactions were simulated in 1D at the center of cell EC-2. The data collected during the 4 years of monitoring were used to calibrate the numerical model. However, none of the simulations allowed to reproduce the evolution of the leachate water geochemistry and the CO2 concentrations observed in the experimental cell. Several simplifications of the conceptual model could explain the differences with the observed data.

Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle méthodologie qui quantifie les chances de succès d’un tir confiné à grande échelle de relâchement des contraintes dans un pilier de mine souterraine, pour une masse rocheuse et un régime de contraintes donnés. L’approche est basée sur huit paramètres qui sont considérés comme contrôlant ultimement le processus, et dont l’influence et les interactions ont été quantifiées dans un premier temps avec la méthode des Systèmes d’ingénierie du roc (“Rock Engineering Systems”). Ces interactions et degrés d’influence ont ensuite été utilisés pour élaborer la nouvelle méthodologie, qui est basée sur un nouveau paramètre appelé l’Indice de relâchement, qui peut être ‘Faible’, ‘Moyen’, ‘Bon’ ou ‘Excellent’. Il est conclu que cette méthodologie a une valeur pratique élevée de par sa capacité à concevoir adéquatement un tir confiné à grande échelle de relâchement des contraintes dans un pilier de mine, en prenant simplement des mesures qui résultent en une augmentation de l’Indice de relâchement et, donc, des chances de succès du tir

Les énormes quantités de résidus miniers ultramafiques (ultrabasiques), RMU, produites par les activités minières à travers le monde et accumulées sous forme d’amas plurikilométriques suscitent un vif intérêt quant à leur possible virtuosité à séquestrer de manière stable et durable le CO2. Accessibles à coût quasi nul et très souvent sous forme concassés et/ou broyés, les RMU facilitent leur propre mise en œuvre dans diverses technologies et procédés de séquestration minérale du CO2. Conséquemment, les RMU se sont retrouvés au cœur de plusieurs procédés de capture du CO2 de post/précombustion, jumelés à divers actifs accélérateurs tels que les réactifs chimiques, les hautes températures et/ou les hautes pressions. La vitesse de la réaction de carbonatation des RMU étant relativement plus faible que la vitesse d’émission du CO2 des échappements des usines, beaucoup d’études autour de cette alternative de capture du CO2 ont été progressivement abandonnées. La nécessité d’une recherche plus approfondie et plus systématique de la réactivité des RMU s’est donc imposée afin de déceler et de décoder les divers intervenants de la réaction et éventuellement proposer des conditions optimales pour améliorer leur réactivité dans des conditions moins contraignantes. Le présent travail de thèse explore par conséquent le potentiel des RMU disponibles dans la province de Québec (Thetford Mines, Asbestos, Nunavik, Amos, Mont Otish) dans les conditions ambiantes, en tant qu’alternative économiquement rentable pour soutirer directement le CO2 de l’atmosphère et atténuer les conséquences associées à sa hausse, notamment le réchauffement planétaire et les problèmes qui en découlent. Toutes les expériences ont été réalisées à l’échelle laboratoire sur des lits fixes de RMU de plusieurs grammes (3-200 g) avec pour objectif de reproduire, le plus fidèlement possible, les tas de résidus naturellement entreposés sur les sites miniers. Les caractéristiques du volume gazeux (teneur en CO2, teneur en oxygène, humidité relative et température) et des lits fixes de RMU (saturation liquide, conductivité ionique, perte de charge et température) sont continuellement examinées afin de déchiffrer les mécanismes sous-jacents de la réaction. Afin de mener à bien nos études, plusieurs réacteurs ont été spécifiquement construits pour simuler les divers aléas climatiques. L’impact des conditions environnementales auxquelles sont assujetties les résidus dans leur lieu de stockage telles que les fluctuations de température, la précipitation liquide, la submersion, l’assèchement, le gradient d’oxygène et la diffusion du CO2 a été minutieusement étudié. Les périodes sèches et les périodes de fortes pluies ont été catégorisées comme étant non propices à la séquestration du CO2. Une faible saturation liquide des pores des RMU est par contre adéquate à la carbonatation car combinant la dissémination rapide des espèces dissoutes du CO2 et la création dans tout le tas de résidus de zones super-réactives. Les périodes chaudes accélèrent substantiellement la capture du CO2 comparativement aux périodes froides. Ces dernières sont toutefois caractérisées par une génération perceptible de chaleur potentiellement récupérable par des systèmes géothermiques fonctionnant à de basses températures. Le pouvoir oxydant de l’oxygène de l’air génère une passivation précoce des particules de RMU, inhibant la réaction par la précipitation des hydroxydes de fer (III). La mise en œuvre de techniques de chélation, de drainage et d’aération a également été étudiée et proposée dans le but d’améliorer et de faire perdurer la réaction de carbonatation dans les conditions ambiantes. / The huge amounts of ultramafic (ultrabasic) mining residues (UMR) produced by mining activities around the world, which accumulate as multi-square kilometer stockpiles, are leading to a growing interest regarding their possible use as stable and permanent sinks for atmospheric CO2. Virtually costless and often found crushed and / or ground, UMR can be exploited in various technologies and methods for CO2 mineral sequestration. Consequently, UMR is ubiquitous at the heart of several post / pre-combustion CO2 capture processes, often paired with various enhancers/accelerators such as chemical reagents, high temperatures and / or high pressures. The carbonation reaction rate using UMR is relatively lower than the rate of CO2 emission from plant exhaust and therefore, many studies revolving around this CO2 capture alternative were gradually abandoned. The necessity of more thorough and systematic investigation of the reactivity of UMR obliges us to identify and decode the various bottlenecks of the carbonation reaction and eventually provide the best possible conditions to improve their reactivity under less constraining conditions. This thesis, therefore, explores the potential of UMR sources available in Quebec (Thetford Mines, Asbestos, Nunavik, Amos, Otish Mountain), under ambient conditions, as a cost-effective alternative to remove CO2 from the atmosphere and mitigate the consequences directly associated to its increase, such as global warming and its associated problems. All experiments were performed on a laboratory scale fixed bed using a small samples (3-200 g) of UMR with the goal to mimic as closely as possible, mining residue piles existing or abandoned on mine sites. The gas volume characteristics (CO2 and oxygen contents, relative humidity and temperature) and UMR fixed-bed characteristics (liquid saturation, ionic conductivity, pressure drop and temperature) were continually monitored in order to unveil the underlying mechanisms of the reaction. In order to carry out our studies, several reactors were built specifically to simulate various modes of climatic change. The impact of various environmental conditions to which the residues are subjected in their storage location, such as temperature fluctuations, precipitation, flooding, drought, oxygen gradients and CO2 diffusion has been thoroughly studied. Dry and heavy rain periods were categorized as unsuitable for CO2 sequestration. Conversely, low liquid saturation within the UMR pores is suitable for carbonation by combining a fast dissemination of CO2 dissolved species and creation of highly reactive sites throughout the mining residue pile. Warm periods substantially accelerate the rate of CO2 uptake as compared to cold periods, which in contrast, are characterized by a substantial heat generation possibly retrievable by low temperature geothermal systems. The presence of oxygen in the reaction medium induces rapid UMR particle passivation by iron (III) hydroxide, promptly inhibiting the reaction. The implementation of techniques such as chelation, draining and venting was also investigated with the aim of improving and sustaining the carbonation reaction under ambient conditions.