IMPACT DES STÉRILES MINIERS SUR L'ENVIRONNEMENT : EXEMPLE DES TRANSFERTS TERRILS/ENVIRONNEMENT DANS LE NORD DE LA FRANCE

IMPACT OF TAILINGS ON ENVIRONMENT:EXAMPLE OF TRANSFERS OF ELEMENTS FROM SPOIL TIPS IN THE NORTH OF FRANCE

• Auteur / Autrice : Balikouzou Bafounga
• Direction : Emily Lloret, Franck Bourdelle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Geo-Environnement (ER 4)

Mots clés

Mots clés libres

Altération

Transferts

Géochimie

Pédogenèse

Stériles miniers

Weatherings

Transfers

Geochemistry

Pedogenesis

Taillings

Résumé

Pour satisfaire ses besoins, l'homme n'a de cesse d'augmenter les capacités d'exploitation minière. Cette exploitation a un fort impact sur l'environnement, notamment lors du stockage des résidus miniers non valorisables. Ces stériles miniers sont généralement accumulés sous forme de dômes modifiant le paysage, et sont soumis à des processus d'altération et de lessivage. Par conséquent, des éléments potentiellement toxiques et/ou polluants peuvent être transférés de ces résidus vers leur environnement proche, et constituer un risque pour la santé humaine et les écosystèmes. Face à ces enjeux sociétaux, économiques et environnementaux, les interactions entre stériles miniers et environnement, ainsi que les processus de transferts associés, doivent être bien compris et leurs impacts quantifiés pour tenter de les minimiser. En France, cette problématique est particulièrement présente dans les anciennes régions minières, notamment dans le Nord et le Pas-de-Calais, où se situait l'une des plus importantes zones d'extraction de charbon du pays. Les terrils - près de 300 dômes formés par les cumulas de résidus et de déchets de l'exploitation houillère - peuvent être l'origine de transferts d'éléments du matériel géologique parent (éléments traces, métaux, soufre, composés organiques, ...) vers les écosystèmes et hydrosystèmes attenants. Or à ce jour, très peu d'études ont quantifié les risques associés à ces transferts. Malgré leur potentiel pouvoir polluant et leur apparente stérilité, les terrils présentent à leur surface un néo-sol et une végétalisation par des espèces pionnières. Ainsi, les terrils deviennent le support d'écosystèmes originaux et uniques dans la région, et doivent à ce titre, être protégés. Ce projet vise à caractériser les interactions et les transferts terril/eau environnement, à établir les flux d'éléments mobiles, et à identifier les risques potentiels de pollution. Pour ce faire, nous prévoyons de suivre trois axes de recherche : (1) un axe géologique, afin de caractériser le matériel parent et les processus d'altération (caractérisation de la source des éléments mobiles), (2) un axe pédologique, pour étudier la formation du néo-sol et son rôle dans les transferts des éléments, et (3) un axe géochimique, pour déterminer et quantifier les transferts d'éléments vers l'environnement de surface. Pour mener à bien ce projet, nous combinerons des approches géologiques, géophysiques, hydrologiques, écologiques et biogéochimiques. Plusieurs protocoles d'échantillonnage, de mesure et d'analyse seront spécialement développés pour ce projet. Ainsi, pour caractériser les processus d'altération du matériel géologique parent, des analyses géochimiques en 'bulk' et aux petites échelles seront menées (DRX, MEB, MET, STXM-XANES, ...). Des prélèvements des eaux de surface à proximité des terrils seront effectuées et analysées (ICP, CHONS, ...). Des tests de lixiviations en laboratoire permettront de simuler les effets du lessivage du matériel géologique parent et des différents compartiments du sol sur les transferts d'éléments vers l'environnement.

The exploitation of the subsoil to satisfy human needs and comfort has strong impacts on the environment notably with the generation of large amounts of waste. These “geological” wastes can represent immense amount of material, piled up to form large hills, significantly modifying the landscape and called tailings. These tailing piles are often stored in direct contact with the atmosphere, meteorological waters and the biosphere, thereby submitted to weathering and leaching of their constituted material. Accordingly, potential pollutant/toxic elements can be transferred from tailings to their direct environment causing a risk for the human health and the ecosystems. So, to face up to these social, economic and environmental issues of tailings/environment interactions, the processes of release and transfer of pollutants must be accurately understood to quantify their impact and to minimize it. In France, this problematic is particularly present in old mining regions and quarries, notably in the North of France which holds one of the largest coal mining area in the country. Although the spoil tips - tailings formed by the residue and wastes of the past coal exploitation - are considered as sterile, we can observe the formation of neo-soil and the colonization by pioneer species at their surface. This makes them original and unique ecosystems in the region which must be protected. But beyond the originality of this kind of systems and the apparent obvious benefit for biodiversity, spoil tips can also be responsible for transfer of potential pollutant/toxic elements originating from the parent geological material (trace metal elements, sulfur, organic compounds, etc.), and transported via surface and subsurface runoff. This project aims to characterize the spoil tips/water/surrounding environment interaction and transfers, to establish the flow balance of mobile elements, and to identify potential risks of pollution. Thus, we plan to explore three research axes: (1) A geological axis, to characterize the parent geological material and the mineral weathering processes (characterization of the source of transfers of elements),(2) a pedological axis, to investigate the soil formation and to define the role of neo-soil in transfers of elements, and (3) a geochemical axis, to determine and quantify transfers of elements to surface environment. To carry out this project, research will include geological, geophysical, hydrological, ecological and biogeochemical approaches, applied on several selected spoil tips. Several sampling, measuring and analytical protocols are specially developed for this project and have never been applied before on this type of geological object which are spoil tips. Thus, to characterize the weathering processes of the geological material, bulk and nanoscale compositional analyses will be conducted (XRD, SEM, TEM-EDX, STXM-XANES ...). Lab leaching tests will be used to establish links between element release from geological material and neo-soil and the in situ composition of surface runoff and percolating waters.