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29/09/2015 - RATIE Gildas

« Cycle du nickel dans le continuum roche-sol-eau : plante : intérêt du couplage rapports isotopiques et spéciation solide »

  • Directrice : Cécile Quantin (GEOPS) & Jérémie Garnier (Université de Brasilia, Brésil)
  • Financement : contrat doctoral MESR
  • début de thèse : octobre 2012

Thèse soutenue le 29/09/2015 dans l’Amphi Blandin (Bât 510) à Orsay devant le jury composé de :
- Jeroen Sonke, Professeur d’université (GET, Toulouse), rapporteur
- Thierry Becquer, Directeur de recherche (IRD, Madagascar), rapporteur
- Christophe Cloquet, Ingénieur de recherche (CRPG, Nancy), examinateur
- François Martin, Professeur d’université (GET, Toulouse), examinateur
- Geraldo Resende Boaventura, Chercheur associé (IG, Brasilia), examinateur
- Adriana Horbe Coimbra, Professeure d’université (IG, Brasilia), examinateur
- Cécile Quantin, Professeure d’université (GEOPS, Orsay), directrice de thèse
- Jérémie Garnier, Maître de conférences (IG, Brasilia), co-directeur de thèse

Résumé :

La région Centre Ouest du Brésil possède des massifs ultrabasiques (UB) avec des manteaux latéritiques représentants des réserves et ainsi des ressources économiques importantes de Ni. Ces massifs nickélifères permettent d’étudier le cycle du Ni sous contraintes anthropiques par une approche pluridisciplinaire, associant caractérisations chimiques, mesures physiques de sa spéciation solide, et traçage isotopique des sources et des processus affectant le nickel. Cette thèse focalisée sur l’utilisation des isotopes du Ni comme traceur a eu pour but d’identifier la signature isotopique au sein de plusieurs compartiments en interactions les uns avec les autres (roche mère, saprolite, latérite, sol et plantes) et d’associer les fractionnements observés aux processus biogéochimiques. De plus, du fait de leurs ressources économiques, les massifs étudiés, Barro Alto et Niquelândia, subissent une pression anthropique importante, minière et métallurgique. Ainsi, ils offrent une opportunité unique d’étudier le fractionnement isotopique du nickel associé à son cycle anthropique, et voir s’il est possible d’identifier la contribution anthropique dans le cycle naturel du Ni par sa signature isotopique.

Les résultats ont montré que l’altération de roches UB conduit à un fractionnement isotopique du Ni, se traduisant par une perte en isotopes lourds de la phase solide, soit un Δ60Ni de - 0,47 ‰ entre la roche mère et le top-sol. Ce fractionnement semble associé au moins en partie à l’incorporation et à la sorption des isotopes légers du Ni sur les oxydes de Fe lors de la remobilisation du Ni au cours de l’altération. Cet enrichissement en isotopes légers du Ni dans la partie solide conduit à une composition isotopique en Ni plus lourde dans la phase dissoute (eaux du massifs : 0.50 ‰ < δ60Ni < 0,70 ‰). La zone saprolitique présente une variation importante de signature isotopique allant pour δ60Ni de -0,04 ‰ à 1,41 ‰. Pour les échantillons présentant une signature isotopique lourde, le Ni se trouve principalement au sein de la serpentine fortement substitué, quand les signatures plus légères sont en lien avec une proportion de Ni plus importante au sein de la goethite. Dans un système comme celui-ci avec un nombre important de phases porteuses de Ni, il est cependant très difficile d’établir un lien entre la spéciation solide et l’isotopie du Ni.

Le rôle des plantes dans le cycle du Ni a été abordé en étudiant le fractionnement isotopique du Ni dans trois espèces de plantes hyperaccumulatrices de Ni et deux espèces de plantes tolérantes. Il existe un fractionnement isotopique lors du transfert de Ni de la tige vers la feuille, qui est systématiquement enrichie en isotopes lourds du Ni. Les feuilles sont les compartiments des plantes où les teneurs en Ni sont les plus importantes. L’enrichissement en isotopes lourds du Ni des feuilles par rapport aux sols (- 1,05 ± 0,03 ‰ < Δ60Nisol-feuilles < - 0,06 ± 0,12 ‰) semble indiquer que la restitution et la décomposition de cette matière organique au niveau du sol s’accompagnera d’un apport en isotopes lourds du Ni dans le sol.

L’activité pyrométallurgique entraîne un fractionnement isotopique lors du processus de fusion en conditions réductrices qui conduit à la formation des scories de réduction. Ces résidus présentent un enrichissement en isotopes lourds (δ60Ni = 0,18 ± 0,05 ‰) par rapport au matériel entrant (δ60Ni = 0,08 ± 0,08 ‰) et au produit final, le FeNi (δ60Ni = 0,06 ± 0,02 ‰). Enfin, cette étude montre que l’utilisation des isotopes du Ni pour tracer le Ni « anthropique » et le distinguer du Ni naturel possède certaines limites en raison du faible fractionnement induit par les processus pyrométallurgiques aux regards de la grande variabilité des échantillons naturels au sein de la littérature (-1.03 ‰ < δ60Ni < 2.50 ‰).