Devenir de contaminants métalliques (Pb, Zn) depuis un dépôt minier ancien : développement d'un modèle de transport réactif

Fate of metal contaminants (Pb, Zn) from an old mine deposit : development of a reactive transport model

• Auteur / Autrice : Samuel Mertz
• Direction : Lydie Le Forestier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tournassat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydie Le Forestier, Christophe Tournassat, Emmanuel Tertre, Sophie Guillon, Alexandra Courtin-Nomade, Nicolas Devau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Tertre, Sophie Guillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement

Résidus (minéralurgie)

Produit de lixiviation -- Épuration

Modèles géochimiques

Sols -- Pollution par les métaux lourds

Biodisponibilité

Polluants inorganiques

Géochimie de l'environnement

Mots clés libres

Modèle de transport réactif

Reactive transport model

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la gestion des anciens sites miniers contaminés en métaux et de leur effet sur l'environnement. L'objectif de cette thèse réside dans la détermination et la hiérarchisation des processus régulant le transfert des métaux au sein de résidus miniers anciens, via le développement d’un modèle de transport réactif (RTM). Premièrement, un modèle biogéochimique a été construit pour définir les processus contrôlant la mobilité de Pb/Zn issus de résidus miniers. Ce modèle a été développé via des données expérimentales de lixiviation en microcosmes acquises d’une précédente étude, impliquant plusieurs traitements : (1) résidu seul, (2) ajout de boue minière, (3) ajout de boue minière et de fumier. Les résultats ont montré que les processus de dissolution des phases porteuses contrôlaient la libération de Pb/Zn. L’ajout de boue minière favorise l’immobilisation des métaux à travers l’apport d’oxydes de fer sur lesquels le Pb/Zn s’adsorbe. L’ajout de fumier, en amplifiant la respiration microbienne et la production de CO2, favorise la baisse du pH et la désorption de Pb/Zn. Deuxièmement, un RTM a été développé comprenant : (1) une description mécaniste des processus biogéochimiques et (2) l’écoulement et le transport des solutés dans un milieu 1D à saturation variable. Il se base sur des données d’expériences de lixiviation sur une colonne métrique instrumentée, avec ou sans amendement. Les résultats ont montré une similarité des processus contrôlant de la mobilité du Pb/Zn entre les microcosmes et la colonne métrique. Le devenir à long-terme des résidus miniers a pu être évalué, sans amendement la libération de Pb/Zn ne s’achèvera pas avant 100 ans. Les résidus amendés présentent néanmoins une immobilisation durable de Pb/Zn.

This thesis is part of the management of old mining sites contaminated by metals and their effect on the environment. The objective of this thesis is to determine and prioritize the processes regulating the transfer of metals within old mine tailings, via the development of a reactive transport model (RTM). Firstly, a biogeochemical model was constructed to define the processes controlling the mobility of Pb/Zn from mine tailings. This model was developed via experimental microcosm leaching data acquired from a previous study, involving several treatments: (1) tailings alone, (2) addition of mine slurry, (3) addition of mine slurry and manure. The results showed that the dissolution processes of the carrier phases controlled the release of Pb/Zn. The addition of mining slurry promotes metal immobilization through the addition of iron oxides on which Pb/Zn adsorb. The addition of manure, by amplifying microbial respiration and CO2 production, promotes the lowering of pH and desorption of Pb/Zn. Secondly, a RTM was developed including: (1) a mechanistic description of biogeochemical processes and (2) solute flow and transport in a 1D medium with variable saturation conditions. It is based on data from leaching experiments on an instrumented metric column, with and without amendment. The results showed a similarity of the processes controlling the mobility of Pb/Zn between the microcosms and the metric column. The long-term fate of the tailings could be evaluated, without amendment the release of Pb/Zn will not be completed for 100 years. Nevertheless, the amended tailings immobilize Pb/Zn on a long-term basis.