Thèse Mobilité de l'Antimoine Sb et du Thallium Tl dans les Bassins Versants Miniers Sulfurés H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : HSM - Hydrosciences Montpellier
Direction de la thèse : Corinne CASIOT ORCID 0000000333185876
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

L'exploitation des gisements de sulfures métalliques génère d'importantes quantités de déchets miniers. Ces résidus libèrent des métaux toxiques, contaminant durablement les eaux de surface et souterraines. Dans les Cévennes, les anciennes mines de plomb-zinc, dont certaines ont été actives jusque dans les années 90, contaminent les cours d'eau en aval, notamment en antimoine (Sb) et thallium (Tl), dont les comportements biogéochimiques restent mal compris.
Le sujet de thèse proposé vise à élucider les sources et processus contrôlant le devenir de Sb et Tl dans un bassin versant minier, en combinant études de terrain et expériences en laboratoire. Les questions de recherche abordées sont : 1) Quelles phases minérales portent Sb et Tl dans les déchets, et quels processus contrôlent leur mobilisation vers l'eau ? 2) Quels processus affectent Sb et Tl lors de leur transfert dans les cours d'eau aval ? 3) Les rapports isotopiques de Sb et Tl peuvent-ils identifier les sources et processus biogéochimiques en jeu ?
Ces questions seront abordées à travers l'étude d'un site modèle dans les Cévennes, ayant exploité une minéralisation à plomb-zinc dans un environnement carbonaté. La mine a laissé 9 millions de tonnes de déchets miniers qui contaminent les cours d'eau aval, avec des teneurs en Tl et Sb jusqu'à 6552 et 43 fois supérieures aux moyennes mondiales des eaux de rivière. L'approche combinera des observations de terrain (caractérisation minéralogique et géochimique des déchets miniers et roches, prélèvements d'eaux et sédiments (hautes/basses eaux) pour analyser les concentrations, spéciations (Sb(III), Sb(V), Tl(I), Tl(III)), et rapports isotopiques (ICP-MS, HPLC-ICP-MS, MC-ICP-MS)), ainsi que des expériences en laboratoire afin d'étudier la dissolution de phases solides porteuses de Sb ou Tl et la sorption des espèces redox de ces éléments sur des phases solides représentatives.
Les résultats attendus sont 1) l'identification des processus contrôlant la mobilité de Sb et Tl dans un environnement minier sulfuré riche en carbonates, 2) une évaluation de la vulnérabilité des ressources en eau face à ces contaminants sur ce bassin versant modèle, 3) un enrichissement des données isotopiques pour exploiter les isotopes de Sb et Tl comme traceurs de sources et de processus biogéochimiques, 4) une amélioration des connaissances pour la gestion post-minière et l'évaluation des impacts environnementaux futurs.

L'exploitation des gisements de sulfures métalliques produit d'importantes quantités de déchets miniers. Sensibles à l'altération, ces résidus libèrent des métaux et métalloïdes toxiques qui contaminent les eaux de surface et souterraines et compromettent leur usage pendant des décennies voire des siècles.
La bordure Cévenole du Massif Central a connu une activité minière intense jusque dans les années quatre-vingt-dix. Certains cours d'eau restent contaminés par l'arsenic, le plomb, l'antimoine ou le thallium, en lien avec les anciennes mines de plomb-zinc ; cette pollution persiste sur plusieurs kilomètres en aval (Elbaz-Poulichet et al., 2017).
Alors que le comportement de l'arsenic et du plomb dans ces environnements est bien documenté, les processus biogéochimiques contrôlant le transfert de l'antimoine et du thallium depuis les roches minéralisées et les résidus miniers vers l'hydrosystème, les mécanismes impliqués dans leur transport en aval, restent mal connus.
L'objectif du projet de thèse est de mieux comprendre les sources et les processus hydrobiogéochimiques qui contrôlent le devenir de l'antimoine et du thallium dans un bassin versant marqué par l'exploitation de sulfures métalliques.
Les questions scientifiques qui se posent sont :
- quelle est la spéciation solide de l'antimoine et du thallium dans les déchets miniers et quels sont les processus qui contrôlent leur mobilisation vers le milieu aquatique ?
- quelle est la dynamique spatio-temporelle de l'antimoine et du thallium dans les cours d'eau contaminés et quels processus affectent les espèces dissoutes lors de leur transfert vers l'aval ?
- dans quelle mesure les rapports isotopiques de l'antimoine et du thallium peuvent-ils contribuer à identifier les sources et les processus biogéochimiques en jeu dans les bassins versants miniers sulfurés ?

Il s'agit :
-de caractériser les sources (déchets miniers, roches minéralisées) et les mécanismes de mobilisation de ces métalloïdes toxiques.
-de documenter leur dynamique spatio-temporelle dans les hydrosystèmes contaminés (transport, transformations rédox).
-d'explorer les potentialités des traceurs isotopiques (rapports isotopiques de Sb et Tl) pour identifier les sources de contamination à l'échelle du district minier et les processus biogéochimiques.

L'approche utilisée combinera des observations sur un bassin versant minier modèle ainsi que des expériences de laboratoire permettant d'étudier certains processus de manière individuelle et en conditions contrôlées.
L'ancienne mine des Malines dans les Cévennes a exploité une minéralisation à plomb-zinc dans un environnement carbonaté. Cette exploitation a laissé un volume de déchets fins de laverie de 9 millions de tonnes. Les eaux qui drainent le site présentent des enrichissements en Tl (jusqu'à 6552), et Sb (43) par rapport à la moyenne mondiale des rivières Européennes.
L'étude de terrain portera sur la caractérisation minéralogique et géochimique des phases porteuses de l'antimoine et du thallium au sein des déchets miniers et des roches minéralisées. Des prélèvements d'eaux de surface et sédiments seront réalisés en hautes eaux et basses eaux en une vingtaine de stations sur la Crenze et ses affluents drainant le site minier, pour une caractérisation hydrochimique. Les concentrations en antimoine et thallium ainsi que leurs formes spécifiques (formes rédox Sb(III), Sb(V), Tl(I), T(III)) seront déterminées dans la phase dissoute. Des extractions séquentielles seront réalisées pour caractériser leur spéciation dans les sédiments. La composition isotopique de l'antimoine et du thallium dans les eaux et sédiments sera déterminée selon les procédures éprouvées (Ferrari et al., 2021 ; Wang et al., 2023). Les analyses seront réalisées par ICP-MS, HPLC-ICP-MS et MC-ICP-MS sur la plateforme AETE-ISO de l'OSU OREME, de l'Université de Montpellier. La caractérisation des phases solides sera réalisée par DRX et XRF sur les plateformes de minéralogie et géochimie de l'Université de Montpellier.
Des expériences de laboratoire en conditions contrôlées seront réalisées afin de mieux comprendre les processus de mobilisation (dissolution de phases porteuses) et immobilisation (sorption sur des phases solides modèles représentatives des principales phases porteuses identifiées dans les sédiments) des différentes espèces rédox de l'antimoine et du thallium dans les eaux minières, selon des protocoles éprouvés (Ferrari et al., 2024).