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Université de Limoges Ecole Doctorale Science – Technologie – Santé Faculté des

Université de Limoges Ecole Doctorale Science – Technologie – Santé Faculté des Sciences et Techniques Groupement de Recherche Eau, Sol, Environnement Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Limoges Discipline : Matériaux et Minéraux présentée et soutenue par Bo HU le 18 décembre 2012 Contribution des colloïdes à la mobilité des contaminants (Pb, As et Sb) : Etude spatio-temporelle in situ et test de lixiviation sur un anthroposol développé sur résidus miniers Thèse dirigée par : Geneviève FEUILLADE et Marilyne SOUBRAND JURY : Rapporteurs Mikaël MOTELICA Professeur, Université d’Orléans Bruno LARTIGES Professeur, Université de Toulouse Examinateurs Hélène HOREN Maître de Conférences, Université d’Amiens Laurent CANER Maître de Conférences, HDR, Université de Poitiers Geneviève FEUILLADE Professeure, Université de Limoges Marilyne SOUBRAND Maître de Conférences, Université de Limoges Université de Limoges Ecole Doctorale Science – Technologie – Santé Faculté des Sciences et Techniques Groupement de Recherche Eau, Sol, Environnement Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Limoges Discipline : Matériaux et Minéraux présentée et soutenue par Bo HU le 18 décembre 2012 Contribution des colloïdes à la mobilité des contaminants (Pb, As et Sb) : Etude spatio-temporelle in situ et test de lixiviation sur un anthroposol développé sur résidus miniers Thèse dirigée par : Geneviève FEUILLADE et Marilyne SOUBRAND JURY : Rapporteurs Mikaël MOTELICA Professeur, Université d’Orléans Bruno LARTIGES Professeur, Université de Toulouse Examinateurs Hélène HOREN Maître de Conférences, Université d’Amiens Laurent CANER Maître de Conférences, HDR, Université de Poitiers Geneviève FEUILLADE Professeure, Université de Limoges Marilyne SOUBRAND Maître de Conférences, Université de Limoges À mes Trésors – Mes Parents et Ma Yue Hang "The goal of scientific research is publication. Scientists, starting as graduate students, are measured primarily not by their dexterity in laboratory manipulations, not by their innate knowledge of either broad or narrow scientific subjects, and certainly not by their wit or charm; they are measured and become known (or remain unknown) by their publications" — Day et Gastel, 2006 Extrait de l’article « Trying to write, instead of "Trying not to write" » écrit par King Penny et publié dans la rubrique "A Life in Science" du numéro de Décembre 2011 de la revue « Elements ». Remerciement Je dédie tout d’abord cette thèse à deux grandes Nations : la Chine et la France. La première, ma patrie initiale, m’a élevé, m’a instruit et m’a formé jusqu’à l’âge de 25 ans. La deuxième, devenue maintenant ma deuxième patrie, m’a accepté, m’a perfectionné et m’a guidé dans le chemin de la recherche qui me fascine tant. Ces deux géants constitueront, je l’espère, un « pont » de l’amitié exemplaire traversant le continent eurasien, auquel je participerai dans la construction de ses solides piles. Cette thèse a été réalisée au sein du laboratoire GRESE à l’Université de Limoges grâce à un financement de la Région Limousin, et dirigée par Geneviève Feuillade et Marilyne Soubrand. Je vous remercie sincèrement toutes les deux de m’avoir fait confiance en me proposant ce sujet de thèse passionnant. Pendant les trois ans passés, vous m’avez guidé et conseillé dans toutes les démarches scientifiques qui aident à la réalisation de ce travail. Je salue surtout votre compréhension et votre patience dont j’ai bénéficié, parce que ce n’est pas facile d’encadrer un étudiant issu d’un pays non francophone : vous avez dû souvent lire dans mes pensées au lieu de lire mes écrits, trop mal exprimés. Tous mes remerciements vont aussi à Emmanuel Joussein, devenu finalement le troisième « encadrant » de ma thèse, principalement pour la partie minéralogie qu’il m’a fait découvrir. Je tiens à remercier Bruno Lartiges et Mikaël Motelica d’avoir accepté d’examiner mon travail en tant que rapporteur et je remercie également Hélène Horen et Laurent Caner qui font parties des membres du jury. L’intérêt sincère, qu’ils ont porté à ce travail, m’a permis d’avoir une vision plus approfondie et plus large de mon sujet. Plus particulièrement, j’exprime toute ma gratitude à Monsieur Lartiges qui avait été aussi mon maître de stage en Master pour m’avoir initié à la recherche avec son enthousiasme, sa sympathie et sa rigueur. Au sein de mon laboratoire d’accueil, je voudrais remercier vivement Hubert Bril, Catherine Néel, Alexandra Courtin-Nomade, Malgorzata Grybos, ainsi que les autres personnels permanents du labo qui m’ont suivi et soutenu de près et de loin tout au long de ces trois dernières années. J’adresse mes sincères remerciements à Nedjma Khelifa (Maman expérimentée chez elle, et qui a été aussi notre Maman au laboratoire), Jean-Paul Fourd (notre complicité et le soutien fidèle que tu m’as témoigné m’ont donné beaucoup de forces à surmonter les obstacles lors des moments les plus difficiles de la rédaction) et Isabelle Bourven (ma super gentille voisine du bureau sur qui je peux toujours compter). Notre amitié coulera, comme des milliers de petits ruisseaux, sans cesse. En ce moment de boucler mes trois ans de thèse, je pense aux doctorants que j’ai côtoyés lors de mes années passées au GRESE. Angélique, Nastasia, Paul, Majdi et Patrick, avec qui j’ai beaucoup appris et passé des moments très agréables. Alexandru, Sonda et Grégoire, à qui je souhaite bon courage pour poursuivre la thèse. Une pensée spéciale à Ony et Marieta, à qui j’adresse bonne chance dans la vie, comme pour la thèse. Je tiens à exprimer toute ma gratitude à la communauté chinoise à Limoges. On s’échange, on s’aide, on fait la fête et on rit comme en famille. Maintenant, chacun s’en va pour chercher son avenir, cependant, notre amitié grâce à une expérience commune à Limoges se prolongera encore pour longtemps. J’aimerais rendre hommage encore une fois à mes chers parents à qui j’aimerai, d’une part, raconter tellement de choses sur mes 6 années passées en France, et j’exprime d’autre part beaucoup de regrets de n’être pas resté à leurs côtés pendant ces 6 longues années. Votre amour, votre soutien et votre confiance étaient, sont et seront toujours la source de mes forces, qui me propulsent à avancer dans la vie. A la fin, une pensée toute particulière à ma très chère femme Yue Hang que j’ai eu la chance de rencontrer à Limoges. Tu m’as accompagné et soutenu durant des moments difficiles comme des moments heureux. Au-delà d’une profonde gratitude, je t’offre un proverbe chinois : « Je tiens ta main et je t’accompagne pour la vie ». Sommaire Liste des tableauxi Liste des figuresiii Introduction Générale 1 Chapitre 1. Synthèse Bibliographique I. Sol et anthroposol 5 I.1. Un peu d’histoire concernant la Science du Sol et Anthroposol5 I.2. Définition et description d’un sol 9 I.2.1. Définition du sol et de la couverture pédologique 9 I.2.2. Description d’un sol 10 I.3. Sites et sols pollués 11 I.3.1. Quelques notions de base11 I.3.2. Inventaire des sites et sols pollués en Europe13 I.3.3. Inventaire des sites et sols pollués en France16 I.4. Anthroposols sous contexte minier : anthroposols artificiels 18 I.4.1. Définition d’Anthroposols18 I.4.2. Sites miniers en France20 I.4.3. Mines d’or en France23 I.4.4. Sols miniers : Anthroposols artificiels25 Conclusion partielle28 II. Les colloïdes dans le Sol29 II.1. Définition des colloïdes 29 II.2. Origine et composition des colloïdes32 II.3. Caractéristiques des colloïdes37 II.3.1. Grande surface spécifique due à la taille38 II.3.2. Charge de surface39 II.3.3. Stabilité des colloïdes41 Conclusion partielle47 III. Les éléments en traces dans le sol (Pb, As, Sb) 48 III.1. Le Plomb (Pb) 52 III.2. L’Arsenic (As) 58 III.3. L’Antimoine (Sb) 67 Conclusion partielle76 IV. Piégeage des éléments en traces par les colloïdes et leur mobilité dans le sol76 IV.1. Le piégeage des éléments en traces par les colloïdes 77 IV.1.1. Piégeage structural77 IV.1.2. Piégeage par sorption77 IV.2. Le transport facilité par des colloïdes des éléments en traces dans la zone vadose: la théorie et la modélisation80 IV.2.1. Théorie classique de la filtration de colloïde et ses limites81 IV.2.2. Modélisation du transport de colloïdes83 IV.3. Étude expérimentale du transport facilité par des colloïdes des éléments en traces au sein de l’anthroposol à différentes échelles85 IV.3.1. Essais de lixiviation à l’échelle du laboratoire (batch et colonne) 85 IV.3.2. Mise en œuvre d’une colonne de sol et conditions opératoires88 IV.4. Étude à l’échelle du terrain (in situ)91 IV.4.1. Spécificité de l’anthroposol91 IV.4.2. Suivi spatio-temporel92 IV.4.3. Préleveur de la solution de sol adapté à l’anthroposol92 Conclusion partielle94 Conclusion générale de la synthèse bibliographique95 Chapitre II. Matériels et Méthodes I. Présentation du site d’étude97 I.1. Historique et condition d’exploitation97 I.2. Description du site d’étude98 I.3. Dispositif expérimental in situ104 II. Échantillonnage in situ 105 II.1. Échantillonnage des solutions de sol : suivi spatio-temporel105 II.2. Échantillonnage de l’eau du ruisseau Peyroux 107 II.3. Échantillonnage des sols107 III. Description des conditions d’étude du sol au laboratoire108 III.1. Test de lixiviation en batch109 III.2. Test de lixiviation en colonne110 IV. Méthodes analytiques113 Chapitre III. Suivi spatio-temporel in situ des solutions de sol (I) Caractérisation du sol I. Observation morphologie du profil123 II. Caractéristiques physico-chimiques et composition chimiques du sol124 III. Caractéristiques minéralogiques 125 (II) Suivi spatio-temporel in situ des solutions de sol I. Paramètre physico-chimiques et chimiques des solutions de sol127 I.1. uploads/Litterature/ 2012-limo-4029.pdf