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Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
UMR 7590 - Sorbonne Université/CNRS/MNHN/IRD

Soutenance de thèse de Pauline Merrot

Pauline Merrot, doctorante dans le 'équipe Minéralogie environnementale soutient sa thèse le lundi 14 octobre 2019 à 10 h.

Sorbonne Université - Campus Pierre et Marie Curie -  Salle de conférence de l'UFR TEB - Tour 46, couloir 46-56, 2e étage.

Géochimie, spéciation et mobilité des éléments traces métalliques (Fe, Ni, Cr et Mn) au sein des sédiments du lagon de Nouvelle-Calédonie

Résumé

Un tiers de la Nouvelle-Calédonie est constituée massifs ultrabasiques dont la couverture latéritique est très enrichie en fer (Fe) et en éléments traces métalliques (ETM), nickel (Ni), chrome (Cr), manganèse (Mn) et cobalt (Co). L’exploitation minière de Ni représente ainsi l’activité principale de l’île. L’érosion naturelle de ces massifs, accentué par leur exploitation, représente une source d’ETM vers le lagon, partiellement inscrit au patrimoine mondial de l’Humanité par l’UNESCO pour sa biodiversité. Certains de ces éléments pouvant être toxiques, la compréhension de leurs cycles géochimiques est essentielle pour évaluer les impacts possibles sur la biodiversité de cet écosystème.

L’objectif de ce travail de thèse est de déterminer la nature des phases porteuses des ETM dans les sédiments du lagon ainsi que leur cinétique de libération pour évaluer leur mobilité et leur biodisponibilité. Grâce à la spectroscopie d’absorption des rayons X (XANES, EXAFS) nous avons montré que Ni et Fe sont essentiellement portés par la goethite et les argiles dans les sédiments du lagon, tandis que la contribution des sulfures est très minoritaire et limitée à la zone proche des mangroves. La microscopie électronique à transmission (MET) nous a permis d’identifier ces minéraux argileux porteurs de Ni et Fe. Il s’agit d’une part, de phases héritées du continent comme le chrysotile, et des smectites de type nontronite, et, d’autre part, de « green clays » néoformées en milieu marin, notamment des serpentines de type greenalite/berthierine et un mica de type glauconite. Ces greens clays dont la présence persiste de la côte à la barrière de corail jouent donc un rôle majeur dans le cycle de Fe et de Ni mais aussi de Mn et dans une moindre mesure dans le cycle de Cr. La spéciation de Mn se partage entre les argiles et les carbonates, seul élément où ces derniers ont une influence sur la spéciation, alors que Cr est essentiellement porté par la goethite et la chromite hérité des massifs et dans une moindre mesure par les argiles. Il est important de noter que Cr se trouve totalement sous sa forme réduite, la moins toxique. L’absence de chromates en phase solide (< 5% Cr(VI)/Cr total, non détecté en XANES) est vraisemblablement lié à l’absence d’oxydes de Mn(III,IV) dans les sédiments. Enfin, les extractions chimiques montrent une biodisponibilité relativement faible des ETM à l’exception de Mn, les proportions de phases labiles s’ordonnant selon Mn (27,5%) > Fe (13,5%) > Co (10%) > Ni (5%) > Cr (0,8%). Ce résultat suggère un piégeage efficace des ETM dans les phases porteuses, même si les concentrations extraites ne sont pas négligeables et nécessiteraient d’être évaluées en terme d’impact éco-toxicologique et de forçage sur la biodiversité.

 

Geochemistry, speciation and mobility of trace metals (Fe, Ni, Cr and Mn) in the lagoon sediments from New Caledonia

Abstract

New Caledonia is covered on 33% of ultramafic rocks and their laterites enriched in trace metals elements such as iron (Fe), nickel (Ni), chromium (Cr), manganese (Mn) and cobalt (Co). The Ni-ores exploitation represents the main activity of the island. The natural erosion of these massifs, increased by their exploitation, represents an important source of these trace metals towards the lagoon, partially registered on the World List Heritage by UNESCO for its biodiversity. Some trace metals would be toxic, understanding their geochemical cycle is essential to evaluate the potential impacts on the biodiversity of this ecosystem.

The objective of this thesis is to determine the nature of the trace metals bearing phases in the lagoon sediments as well as their kinetics of release to evaluate their mobility and their bioavailability. Thanks to X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), we have shown that Ni and Fe are essentially bear by goethite and clays minerals in the lagoon sediment, whereas the contribution of iron sulfide was in minority and limited to the area close to the mangroves. The transmission electronic microscopy (TEM) has permitted to identified these clay minerals bearing Ni and Fe, as on the one hand clay minerals inherited of continent as chrysotile and smectites as nontronite and on the another hand “greens clays” formed in the marine environment, especially serpertines as greenalite/berthierine and mica as glauconite. These green clays, whose contribution persists from the coast to the coral reef, play so a major role in the Fe and Ni cycles but also Mn and in a lesser extent in Cr cycle. The Mn speciation is shared by the clay minerals and the carbonates species, it is the only element in which carbonate have an influence on its speciation, whereas Cr is essentially bearing by goethite and chromite inherited of laterite and in lesser extent by clay minerals. Cr is totally present under the reduced form, the less toxic. This absence of chromates in solid phase (< 5% Cr(VI)/Cr total, no detected by XANES) is potentially linked to the absence of Mn(III,IV) oxides in sediments. Finally, the chemical extractions of these metals show a relatively low bioavailability of trace metals except for Mn, the proportions of labile phases ordering according to Mn (27.5%) > Fe (13.5%) > Co (10%) > Ni (5%) > Cr (0.8%). This result suggests an effective long-term trapping for trace metals in bearing phases, even if the concentrations extracted are not negligible and would need to be evaluated in terms of eco-toxicological impact and forcing on biodiversity.

Jury

  • Alexandra Courtin-Nomade, Professeure (GEOPS, Université Paris-Sud) -- Rapportrice
  • Edouard Metzger, Maitre de conférences (LPG, Université d’Angers) -- Rapporteur
  • Maguy Jaber, Professeure (LAMS, Sorbonne Université) -- Examinatrice
  • Emmanuelle Montarges-Pelletier, DR CNRS (LIEC-Université de Lorraine) -- Examinatrice
  • Farid Juillot, CR IRD (IMPMC, Sorbonne Université) -- Directeur de thèse
  • Guillaume Morin, DR CNRS (IMPMC, Sorbonne Université) – Co-Directeur de thèse
  • Eric Viollier, Maitre de conférence (IPGP, Université Paris Diderot) -- Invité

Cécile Duflot - 23/09/19

Traductions :

    Zoom Science - La glace d’ammoniac est-elle stable à l’intérieur de Neptune ? - Septembre 2019

    La molécule d’ammoniac (NH3) est peu abondante sur Terre à l’état naturel, mais son rôle important dans l’industrie chimique, notamment pour la fabrication d’engrais, explique qu’elle soit produite massivement à plus de 100 Mt par an. Sa synthèse, via le procédé Haber, repose sur la réaction du diazote...

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