Speciation and mobility of stable chemical elements associated with uranium mineralization
Spéciation et mobilité des éléments chimiques stables associés aux minéralisations uranifères
Résumé
French uranium (U) deposits were exploited
from 1948 to 2001 to ensure self-sufficiency for the
development of civilian and military nuclear activities.
These U deposits often contain a mixture of primary and
secondary minerals, which also include other trace
chemical elements (TEs), potentially toxic. Although U
mining and ore processing have ceased in France,
environments near mining sites may have been affected,
leading to contamination by radionuclides exceeding
natural background geochemical levels. The aim of this
thesis is to study the mobility of TEs associated with U
mineralization, particularly in two systems impacted by
past uranium mining activities, to improve their
management.
U was studied alongside TEs at two study sites located in
Auvergne-Rhône-Alpes: the first site was the artificial
reservoir of Saint-Clément, , downstream from the former
Bois-Noirs-Limouzat U mine and the former copper-tin
mine of Charrier. The second site was a wetland
downstream from the former U extraction and processing
sites of Rophin.
For the Saint-Clément site, the results reveal a significant
enrichment of copper (Cu), tin (Sn), and bismuth (Bi) in
lake sediments, linked to past extraction activities in
Charrier. Reoxidation and drying of initially anoxic
sediments led to a solid metal speciation dominated by
i) inherited sulfide minerals such as chalcopyrite
(CuFeS2), ii) metals associated with natural organic
matter (NOM), and iii) refractory cassiterite grains
(SnO2). Furthermore, limited remobilization of metals
was observed, confirming the stability of U, Cu, and Bi
associated with NOM. For the Rophin site, the results show anthropogenic
inputs of U, lead (Pb), and Cu in wetland soils. The
highest contamination levels are related to the legacy
deposit from past uranium mining activities. Along a soil
profile, the solid speciation of Pb is partly linked to
stable phosphates (plumbogummite -
PbAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6). In ancient and recent layers
rich in NOM, sorption processes on NOM mainly govern
TE speciation. In the mining deposit, the solid
speciation of U, Cu, and Pb appears to be influenced by
adsorption on particle surfaces and, to a lesser extent,
by the precipitation of authigenic phases and/or the
deposition of inherited phases (e.g., U oxides,
chalcopyrite, plumbogummite, anglesite - PbSO4- and
Pb-baryte (Ba,Pb)SO4). Only a small fraction of these
elements is mobilizable (such as Cu and U). In
conclusion, these results highlight contrasting
reactivities of diverse TE-bearing phases under
oxidizing conditions.
Les gisements d’uranium (U) français ont été
exploités de 1948 à 2001 dans le but d’assurer
l’autosuffisance pour le développement des activités
nucléaires civiles et militaires. Ces gisements d'uranium
présentent souvent un mélange de minéraux primaires et
secondaires qui contiennent également d'autres
éléments chimiques en traces (ET), potentiellement
toxiques. Bien que l'exploitation et le traitement des
minerais d'uranium aient cessé en France, les
environnements à proximité des sites miniers ont pu être
affectés, entraînant une contamination par des
radionucléides dépassant les niveaux naturels de fond
géochimique. L’objectif de la présente thèse est d’étudier
la mobilité des ET associés aux minéralisations uranifères,
en particulier dans deux systèmes impactés par les
anciennes activités minières d’U, afin d’en améliorer leur
gestion.
L’U a été étudié conjointement aux ET sur deux sites
d’études localisés en Auvergne-Rhône-Alpes : le premier
site était le réservoir artificiel de Saint-Clément, situé en
aval de l'ancienne mine d'U des Bois-Noirs-Limouzat et
l'ancienne mine de cuivre-étain de Charrier. Le deuxième
site était une zone humide située en aval des anciens sites
d'extraction et de traitement de minerais d'U de Rophin.
Pour le réservoir de Saint-Clément, les résultats révèlent
un enrichissement significatif en cuivre (Cu), étain (Sn) et
bismuth (Bi) dans les sédiments lacustres, lié aux
anciennes activités d'extraction de la mine de Charrier. La
réoxydation et le séchage des sédiments, initialement
anoxiques, ont conduit à une spéciation métallique solide
dominée par i) des minéraux de Cu
et Bi sulfurés hérités tels que la chalcopyrite (CuFeS2),
ii) des métaux associés à la matière organique (MO)
naturelle et iii) des grains de cassitérite réfractaire
(SnO2). De plus, une remobilisation limitée des métaux
a été observée, confirmant ainsi la stabilité de l'U, du Cu
et du Bi associés à la MO naturelle.
Pour la zone humide de Rophin, les résultats montrent
des apports anthropiques en U, plomb (Pb) et Cu dans
les sols de ce site. Les niveaux de contamination les plus
élevés sont liés à un dépôt hérité des anciennes
activités minières d’U. Le long d’un profil de sol, la
spéciation solide du Pb est en partie liée aux
phosphates stables (plumbogummite -
PbAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6). Dans les couches anciennes
et récentes riches en MO, les processus de sorption sur
celle-ci régissent principalement la spéciation des ET.
Dans le dépôt minier, la spéciation solide de U, Cu et Pb
semble être influencée par l'adsorption à la surface des
particules et, dans une moindre mesure, par la
précipitation de phases authigènes et/ou le dépôt de
phases héritées (e.g., oxydes d’U, chalcopyrite,
plumbogummite, anglésite - PbSO4, et Pb-Barytine
(Ba,Pb)SO4). Seulement une petite partie de ces
éléments est mobilisable (tels que Cu et U). In fine,
l’ensemble de ces résultats souligne des réactivités
contrastées des phases porteuses très variées en ET dans des conditions oxydantes.