Les systèmes ultramafiques sont souvent synonymes de fortes teneurs en chrome (Cr) dans des roches, qui est naturellement lixivié vers les eaux de surface et souterraines. En raison de cet enrichissement naturel, les zones ultramafiques font souvent l’objet d’extractions massives. Le processus minier inclut l'exploitation et les activités d'enrichissement, dans lesquelles la grande quantité de résidus produits riches en métaux, tels que les gangues et les terrils, sont stockés à l’air libre. Ces processus peuvent considérablement augmenter les teneurs en Cr trivalent (Cr (III)) et hexavalent (Cr (VI)) disséminé dans l'environnement. Ce dernier (Cr (VI)), est connu pour être fortement soluble dans l'eau, biodisponible et toxique. Ce travail de thèse a porté sur i) la zone d’exploitation minière du nickel de Barro Alto (BA, Etat du Goiás, Brésil); ii) la zone d'exploitation minière historique de chromite de Cromínia (CA, Etat du Goiás, Brésil) et iii) une exploitation minière actuelle dans la vallée de Sukinda (Odisha, l'Inde). Le principal objectif de ces travaux est l'identification de l'impact d'activités minières (extraction du nickel et du chrome) sur la mobilité de Cr et sa disponibilité dans des zones ultramafiques, à l'aide des techniques isotopiques. Les compartiments chimiquement et isotopiquement échangeables de Cr(VI) (ECr (VI)) les plus hauts ont été mesurés dans des échantillons de minerai à BA, où l'enrichissement en isotopes légers de Cr (-0.76 à -0.16 ‰) a été attribué à la perte de Cr isotopiquement lourd et échangeable Cr(VI) pendant l’altération. Des valeurs étonnamment lourdes de δ53Cr ont été aussi trouvées dans des minerais saprolitiques à BA et dans des sols affectés par l’extraction à CA, jusqu’à +3.9 ‰ alors qu’ils étaient fortement enrichis en Cr(III). Les causes principales ont été attribuées à l'existence de chromite hydrothermale à CA et/ou à l’altération naturelle suivie par la réduction de Cr(VI), induisant la reprécipitation de Cr mobile et isotopiquement lourd. Le chrome était présent dans les lixiviats des échantillons de minerais saprolitiques et lateritiques de BA, sous la forme de Cr(VI) isotopiquement lourd (jusqu’à +4.84 ‰), en cohérence avec le Cr échangeable (ECr(VI)) (jusqu’à +4.37 ‰). Ces valeurs étaient dans la même gamme de compositions isotopiques que celles mesurées dans les eaux douces de surface (ruisseaux et réservoirs) situés dans la zone ultramafique. Ces résultats impliquent que Cr est principalement disséminé sous sa forme toxique Cr(VI), dont la disponibilité augmente depuis i) le profil de sol ii) les minerais et iii) les résidus miniers. Lors de tests de bioaltération réalisés sur les terrils avec Acidithiobacillus thiooxidans (pH~2) ou Pseudomonas putida (pH~9), Cr a été initialement extrait sous sa forme Cr(VI) puis réduit en Cr (III). Dans les expériences avec A. thiooxidans, la réduction du chrome est dû à l’important pouvoir réducteur d'une série de composés soufrés, tandis que P. putida utilise probablement pour la réduction des chromates une variété d'accepteurs d’électrons. Ces mécanismes, de même que l’augmentation de la concentration en matière organique et la carbonatation minérale, pourraient expliquer la plus faible concentration en Cr(VI) échangeable dans les terrils âgés par rapport aux terrils récents. Par la technique d’échange isotopique, la contribution des SPM au transport du chrome échangeable, ainsi que l’impact des colloïdes contenant des phases porteuses de Cr sur la mesure de ce compartiment échangeable associé aux SPM (EWCr) a été mise en évidence. Les plus grosses particules (> 0.2 µm) jouent un rôle prépondérant dans la zone impactée par l’activité minière, tandis que le chrome est principalement associé aux colloïdes (1 kDa-500 kDa) dans la zone vierge. La présence de colloïdes organiques et inorganiques contenant du chrome non-échangeable induit une surestimation de la valeur de EWCr, qui peut être corrigée par le biais d’un scénario du pire / Ultramafic systems are often synonym of high chromium (Cr) content in rocks, which is naturally leached to surface and groundwater. Due to this natural enrichment, ultramafic areas are massively mined. The mining process includes exploitation and beneficiation activities, in which large amount of metal-rich residues, such as overburden, waste rock and tailings, stored in open air, are produced. These processes may considerably increase the amount of both trivalent (Cr(III)) and hexavalent chromium (Cr(VI)) released to the environment. The later (Cr(VI)), known to be highly soluble in water, bioavailable and toxic. Within these mining residues, many chemical and biological processes may take place, which will control Cr speciation, mobility and availability. The present work was conducted on i) the nickel exploitation and metallurgic area of Barro Alto (BA, Goiás state, Brazil); ii) the antique chromite exploitation area of Cromínia (CA, Goiás State, Brazil) and iii) the current chromite mine in the Sukinda valley (Odisha, India). The main focus of this research is the identification of the impact of mining activities (nickel and chromium mining) on Cr mobility and availability in ultramafic environments, through the use of isotopic techniques. The chemically and isotopically exchangeable pools of Cr(VI) (ECr(VI)) were higher in BA ore samples, where the enrichment in light chromium isotopes (-0.76 to -0.16‰) was attributed to the loose of isotopically heavy and exchangeable Cr(VI) during weathering. Astonishingly, heavy δ53Cr values were also found in saprolitic ores in BA and in mining-affected soils in CA up to +3.9‰, strongly enriched in Cr(III). The main causes have been attributed to the existence of hydrothermal chromite in CA and/or to natural weathering followed by Cr(VI) reduction that induces reprecipitation of mobile and isotopically heavy Cr. In such a mining context, the accelerated weathering would play an important role in this process. Chromium in the leachate, of BA lateritic and saprolitic ores samples, was present as Cr(VI) isotopically enriched in heavy isotopes (up to +4.84‰), consistently with the exchangeable Cr (ECr(VI)) (up to +4.37‰). These values were in the same range as isotopic compositions measured in the fresh waters (streams and ponds) in the ultramafic area. These results imply that Cr is mainly released as the toxic Cr(VI) specie, which availability increases from i) the soil profile to ii) the ores and iii) the mining residues. This also suggests that δ53Cr could be used as a tracer of Cr leaching in environmental studies in the dissolved phase.In bioleaching tests on tailings with Acidithiobacillus thiooxidans (pH ~ 2) or Pseudomonas putida (pH ~ 9), Cr was initially extracted as Cr(VI) and later reduced to Cr(III). In the experiments with A. thiooxidans the Cr reduction is due to the production of a series of sulfur compounds with high reducing power, while for P. putida probably uses a variety of electron acceptor for chromate reduction, enhanced by the presence of extracellular polymeric substances. Those mechanisms together with the increase of natural organic matter (NOM) and mineral carbonation, could explain the lower exchangeable pool of Cr(VI) in stockpiled chromite tailings compared to fresh tailings. Through the use of isotopic exchange, the contribution of SPM to the transport of exchangeable chromium and the impact of colloids containing Cr-bearing phases on the determination of the exchangeable pool of Cr associated to SPM (EWCr) was highlighted. Larger particles (>0.2 μm) were dominant in the impacted area, while chromium was mainly associated with colloids (1 kDa–500 kDa) in the pristine area. The presence of organic and inorganic colloids containing non-exchangeable chromium induces an overestimation of the EWCr values, which can be over-come thanks to a worst-case scenario correction

L'expérience STEREO a été proposé afin de donner une réponse sans ambiguïté àl'idée d'un état de neutrino stérile léger ($Delta m^{2}sim 1eV^{2}$) comme l'origine del'anomalie réacteur des antineutrinos. Le but de l'expérience est de confirmer ou de rejetercette hypothèse en recherchant un patron d'oscillation à courte distance (9-11 m) dans lespectre en énergie des $overline{nu_{e}}$'s émis par le réacteur nucléaire de recherchede l'Institut Laue-Langevin à Grenoble (France). A cet effet, le détecteur estcomposé de 2 tonnes du liquide scintillant dopé au Gd et lu par un réseau detubes photomultiplicateurs, et est segmenté en 6 cellules dans la direction depropagation des antineutrinos. Les $overline{nu_{e}}$'s sont détectés par le processusIBD en observant un signal corrélé dans letemps d'un dépôt d'énergie rapide d'un positron et un signal retardé produitpar la capture d'un neutron. La mesure des petites oscillations deformantle spectre d'énergie des antineutrinos nécessite une bonne résolution en énergieet une excellente connaissance de la réponse du détecteur. Ce manuscrit présenteune étude de simulation détaillée basée sur le logiciel Geant4 STEREO, ce quia permis le développement du système de calibration par sources. Ce système aété conçu pour répondre à toutes les exigences physiques de STEREO: calibrerl'échelle de l'énergie et de l'efficacité de capture de neutrons au niveau de 2%,connaître la réponse en énergie dans le spectre d'énergie réacteur antineutrino(1-8 MeV), étudier et la caractériser la réponse et des non-uniformités dudétecteur. A cet effet, on propose un système de calibration consistant en trois sous-systèmes:un sous-système automatisé pour déplacer des sources radioactives autour dudétecteur pour calibrer l'échelle en énergie dans chaque cellule de manièreindépendante. Un second sous-système pour déplacer une source AmBe sous ledétecteur, dont l'objectif est d'inter-calibrerl'efficacité de capture de neutrons entre les cellules. Enfin, un troisième systèmemanuel qui consistent en trois tubes de calibration placés à l'intérieur du liquidescintillante pour évaluer l'efficacité absolue de la capture des neutrons danstrois cellules différentes. La dernièrepartie de ce manuscrit est consacré à l'étude et la caractérisation du bruite de fond gammaet les signaux neutrino attendus. / The STEREO experiment has been proposed to give an unambiguous responseto the hypothesis of a light sterile neutrino state ($Delta m^{2}sim 1 eV^{2}$)as the origin of the reactor antineutrino anomaly. Its goal is to confirm or reject thishypothesis by searching at short distance (9-11 m) for a neutrino oscillation patternin the energy spectrum of the $overline{nu_{e}}$’s emitted by the research nuclear reactorof the Laue-Langevin Institute in Grenoble (France). To this end, the detector iscomposed of 2 tons of Gd-loaded liquid scintillator read out by an array of PMTs, andis segmented in 6 cells in the direction of the $overline{nu_{e}}$’s propagation. Antineutrinosare detected via the IBD process by observing a time correlatedsignal composed of a prompt energy deposit from a positron and a delayed signal produced bythe neutron capture. Measuring small oscillations superimposed on the reactor antineutrinoenergy spectrum requires a good energy resolution and an excellent knowledge ofthe detector response. This manuscript presents a dedicated Geant4 simulation studyof a calibration system based on radioactive sources.This system has been conceived to fulfill all the STEREO physics requirements:calibrating the energy scale and the neutron capture efficiency at the 2 % level,knowing the energy response in the reactor antineutrino energy spectrum (0-8 MeV),and characterizing the detector response in a broader sense (non-uniformities, non-linearity,particle identification, etc). To this end, we proposethree calibration subsystems: one automated subsystem to moveradioactive sources around the detector, whose main role is to calibrate the energy scale in each cellindependently; a second subsystem to inter-calibrate the neutron captureefficiency between cells by moving an AmBe source under the detector; and finally,a third subsystem consisting in three manualcalibration tubes inside the liquid scintillator, necessary to assess the absolute neutron captureefficiency inside three different cells. The final part of this manuscript is devoted tothe study of the selection criteria, and the proposal of methods to reject the expected gammabackground.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En l’espace de cinquante ans l’exploitation minière d’uranium en France a généré 163 millions de tonnes de stériles miniers à l’échelle du territoire. Ces stériles, stockés sous forme de verses sont sujets à une altération météorique accrue par rapport à un massif granitique naturel. Dans le cadre du plan de gestion des matériaux et déchets radioactifs (PNGMDR) les stériles miniers sont l’objet d’une attention particulière visant à caractériser leur impact environnemental. Cette étude précise la géostructure des verses à stériles avec le développement d’un modèle structural typique pour aboutir à une caractérisation géochimique et minéralogique de ces stériles et permettre d’évaluer la stabilité de l’uranium. De cette étude, il apparaît très clairement que l’uranium est principalement associé aux phosphates, dans des phases héritées telles que les monazites ou sous formes d’uranyle-phosphates secondaires. Lorsque l’U est associé à des oxyhydroxydes de fer amorphes, le phosphore est également présent. Cette étude illustre le rôle majeur que peuvent jouer les oxyhydroxydes de fer et le phosphore dans le piégeage de l’uranium. Ces phases constituent un piège efficace et relativement stable, permettant de limiter les concentrations en uranium en solution à condition que les conditions environnementales restent stables. Quand bien même des changements d’équilibre auraient lieu, la présence de smectite dans les échantillons de la verse à stériles présente une barrière supplémentaire à la diffusion de l’uranium dans l’environnement. / In a time span of 50 years uranium mining in France generated 163 Mt of waste rocks. These form waste rocks piles which are subjected to enhanced weathering compared to natural granitic outcrops. Therefore, as part of the French radioactive waste and material management plan (PNGMDR), waste rocks are studied in order to assess their potential environmental impact. This study specifically focuses on the internal structure of waste rock piles complemented by geochemistry and mineralogical data, in order to develop a model that assesses the waste rock pile’s weathering state and uranium’s stability. Results show uranium (U) is mainly associated to phosphates, either in primary accessory minerals, such as monazites, or crystallized in secondary uranyl-phosphates. When U is associated to amorphous iron oxyhydroxides, phosphorous is also associated. The importance of iron oxyhydroxides and phosphorous in uranium trapping is clearly demonstrated. Both iron oxyhydroxides as well as uranyl-phosphates form efficient and stable U traps, limiting U dissolution as long as pH, redox and temperature parameters remain stable. In case of variable conditions, smectite identified in the waste rock pile might also play a role in preventing further uranium diffusion.