Ce projet serait sous la direction de : M. Michael DESCOSTES et Mme Sophie BILLON
Unités de recherche : IC2MP – Equipe HydrASA
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Réactivité des schistes alumineux en contexte d’altération météorique et post mine
Reactive behavior of alumshales during meteoric weathering and after mining treatments
Mots clés : Alumshales, Métaux, Altération, Géochimie environnementale, Minéralogie, Géologie, Drainage minier acide
Début de thèse : à partir du 01/10/2026
Résumé :
Les schistes alumineux scandinaves, riches en matière organique et en métaux (U, V, Mo, Ni), constituent à la fois une ressource potentielle et un enjeu environnemental. Leur exposition à l’altération météorique entraine des conditions oxydantes favorisant une forte réactivité (oxydation des sulfures, drainage minier acide, mobilisation des métaux). Ceci est encore plus marqué en contexte d’exploitation minière.
Ce projet de thèse vise à caractériser leur composition minéralogique et géochimique, à étudier leur réactivité à l’altération naturelle et après exploitation, puis à évaluer les risques à long terme afin de proposer des stratégies de gestion adaptées.
Scandinavian alum shales, rich in organic matter and metals (U, V, Mo, Ni), represent both a potential resource and an environmental concern. Their exposure to meteoric weathering leads to oxidizing conditions that promote high reactivity (sulfide oxidation, acid mine drainage, and metal mobilization). These processes are further intensified in mining contexts.
This PhD project aims to characterize their mineralogical and geochemical composition, to investigate their reactivity under natural weathering and post-mining conditions, and to assess long-term risks in order to propose appropriate management strategies.
Contexte et problématique :
Les schistes alumineux scandinaves sont des formations sédimentaires fines riches en matière organique, déposées du Cambrien moyen à l’Ordovicien inférieur. Ils constituent des systèmes géochimiques complexes, caractérisés par des teneurs élevées en éléments traces et en métaux sensibles aux conditions redox (U, V, Mo, Ni). Leur formation en milieu anoxique a favorisé la conservation de la matière organique et la fixation de ces éléments dans différentes phases minérales, notamment les sulfures (pyrite), la matière organique et les argiles.
Ces formations affleurent sur une large bande traversant la Norvège, la Suède et la Finlande. Elles présentent un intérêt à la fois géologique et économique, car elles peuvent contenir des gisements polymétalliques.
Cependant, ces schistes posent des enjeux environnementaux importants. Lorsqu’ils sont exposés aux conditions oxydantes de surface, ils deviennent très réactifs, principalement en raison de l’oxydation des sulfures, ce qui génère de l’acidité et entraîne la mobilisation des métaux associés.
Ces processus d’altération météorique impliquent des réactions couplées de dissolution minérale, d’oxydation et de transformation de phases, influençant fortement la mobilité et la spéciation des éléments traces.
En contexte minier, ces mécanismes sont amplifiés par l’extraction, le broyage et le stockage des déchets, qui augmentent la surface réactive et modifient les conditions physico-chimiques (pH, redox, oxygène, eau), entraînant une intensification du drainage minier acide et la dispersion de contaminants.
Dans ce cadre, il est nécessaire de comprendre la réactivité de ces matériaux dans des contextes d’altération naturelle et post-minière à l’aide d’approches multi-échelles (terrain, minéralogie, géochimie, autoradiographie). L’objectif est de mieux contraindre les mécanismes de libération et de transfert des éléments afin d’améliorer la prédiction des comportements et la gestion environnementale de ces formations.
Scandinavian alum shales are fine-grained sedimentary formations rich in organic matter, deposited from the Middle Cambrian to the Lower Ordovician. They represent complex geochemical systems characterized by high concentrations of trace elements and redox-sensitive metals (U, V, Mo, Ni). Their formation under anoxic conditions favored the preservation of organic matter and the incorporation of these elements into various mineral phases, including sulfides (notably pyrite), organic matter, and clay minerals.
These formations crop out along a broad belt extending across Norway, Sweden, and Finland. They are of both geological and economic interest, as they may host polymetallic ore deposits.
However, these shales also raise significant environmental concerns. When exposed to oxidizing surface conditions, they become highly reactive, mainly due to sulfide oxidation, which generates acidity and promotes the mobilization of associated metals.
These meteoric weathering processes involve coupled mechanisms of mineral dissolution, oxidation, and phase transformation, strongly influencing the speciation and mobility of trace elements.
In mining contexts, these processes are further intensified by extraction, crushing, and waste storage, which increase reactive surface area and modify physicochemical conditions (pH, redox potential, oxygen and water availability). This leads to enhanced acid mine drainage and the dispersion of contaminants into surrounding environmental compartments.
In this framework, understanding the reactivity of these materials under both natural weathering and post-mining conditions requires a multiscale approach combining field observations, mineralogical and geochemical analyses, and techniques such as alpha autoradiography. The aim is to better constrain the mechanisms controlling element release and transport, in order to improve predictive models and environmental management strategies.
Description du sujet :
Lorsqu’exposés à des conditions oxydantes de surface, les schistes alumineux subissent une forte déstabilisation géochimique principalement contrôlée par les réactions d’oxydation des sulfures. Cela entraîne la génération d’acide et la mobilisation subséquente des éléments traces associés. Ces processus d’altération météorique impliquent des réseaux de réactions étroitement couplés comprenant dissolution minérale, transformations redox, précipitation de minéraux secondaires et processus de sorption, contrôlant collectivement la spéciation et la mobilité des éléments.
Dans les systèmes perturbés par les activités anthropiques, tels que les environnements miniers, ces processus sont fortement amplifiés. La désagrégation mécanique, l’augmentation de la surface réactive et la perturbation des paramètres physico-chimiques (pH, Eh, circulation des fluides, disponibilité en O2) accélèrent significativement les cinétiques réactionnelles. Cela conduit souvent à une intensification du drainage minier acide et à une dispersion des contaminants dans les différents compartiments environnementaux (sols, eaux de surface et systèmes
souterrains).
Malgré leur importance, la compréhension mécanistique de la réactivité des schistes alumineux demeure incomplète, en particulier concernant le rôle, la stabilité et les voies de transformation des phases porteuses d’uranium sous l’effet combiné de l’altération naturelle et des perturbations liées à l’exploitation minière. Combler cette lacune nécessite une approche intégrée et multiscalaire reliant la variabilité géologique à l’échelle du terrain aux processus minéralogiques et moléculaires.
Cette thèse vise à établir un cadre prédictif de la réactivité des schistes alumineux scandinaves soumis à des perturbations naturelles et anthropiques. Les objectifs sont de :
1) résoudre les contrôles minéralogiques et géochimiques gouvernant la distribution et la réactivité des éléments traces et métaux dans des contextes géologiques contrastés ;
2) quantifier les voies réactionnelles et leur cinétique en conditions d’altération météorique, en mettant l’accent sur les transformations redox et le potentiel de génération d’acide ;
3) évaluer l’impact des traitements mécaniques et chimiques liés à l’exploitation minière sur la réactivité du système et la mobilité des contaminants ;
4) évaluer les risques environnementaux à long terme par l’intégration des processus dans un cadre géologique et environnemental plus large.
Le projet repose sur une stratégie méthodologique multiscalaire combinant échantillonnage sur le terrain, caractérisations minéralogiques et géochimiques avancées, ainsi que l’identification ciblée des phases porteuses d’U. À terme, ce travail vise à améliorer les capacités de prédiction de libération et de transport des éléments, et à soutenir des stratégies de gestion environnementale et de valorisation des ressources fondées sur des bases scientifiques robustes dans les régions à schistes alumineux.
Upon exposure to oxidizing surface conditions, alum shales undergo strong geochemical destabilization driven primarily by sulfide oxidation reactions. This triggers acid generation and the subsequent mobilization of associated trace elements. These meteoric weathering processes involve tightly coupled reaction networks encompassing mineral dissolution, redox transformations, secondary mineral precipitation, and sorption processes, collectively controlling element speciation and mobility.
In anthropogenically disturbed systems, particularly mining environments, these processes are markedly amplified. Mechanical disaggregation, increased reactive surface area, and perturbation of physicochemical parameters (pH, Eh, fluid circulation, oxygen availability) significantly enhance reaction kinetics. This often results in intensified acid mine drainage and long-range dispersal of contaminants across environmental compartments (soils, surface waters, and groundwater systems).
Despite their significance, the mechanistic understanding of alum shale reactivity remains incomplete, particularly regarding the role, stability, and transformation pathways of uranium-bearing phases under coupled weathering and mining-induced perturbations. Addressing this gap requires an integrated, multiscale approach bridging field- scale geological variability with mineralogical and molecular-scale processes.
This PhD aims to establish a predictive framework for the reactivity of Scandinavian alum shales under natural and anthropogenic perturbations. The objectives are to :
1) resolve the mineralogical and geochemical controls governing metal(loid) distribution and reactivity across contrasting geological settings ;
2) quantify reaction pathways and kinetics under meteoric weathering conditions, with emphasis on redox-driven transformations and acid generation potential ;
3) evaluate the impact of mining-related mechanical and chemical processing on system reactivity and contaminant mobility ;
4) assess long-term environmental risks through the integration of process-based understanding into broader geological and environmental contexts.
The project will rely on a multiscale methodological strategy combining field-based sampling, advanced mineralogical and geochemical characterization, and targeted identification of U-bearing phases (e.g., alpha autoradiography). Ultimately, this work aims to improve predictive capabilities for element release and transport, and to support evidence-based environmental management and resource evaluation strategies in alum shale-bearing regions.
Méthodologie et mise en œuvre :
Afin de répondre à ces questions, les travaux de thèse consisteront à obtenir :
(1) une caractérisation minéralogique et pétrologique des schistes alumineux provenant de différentes régions de Scandinavie, en fonction de leur nature et de leur contexte géologique;
(2) une caractérisation géochimique axée sur leur réactivité à l’altération, en étudiant les transformations minérales, le potentiel de drainage minier acide ainsi que la mobilité des métaux et d’autres éléments traces et ultratraces ;
(3) une comparaison de cette même réactivité dans des échantillons provenant d’exploitation minière après avoir subi des traitements physico-chimiques ;
(4) une évaluation des risques liés à la réactivité à long terme des schistes alumineux, en replaçant ces résultats dans un contexte géologique plus large, permettant ainsi d’identifier la stratégie de gestion optimale.
Des campagnes d’échantillonnage sur le terrain feront partie de l’étude.
To answer these questions, the work of the PhD position will consists to obtain :
(1) a mineralogical and petrological characterization of alumshales inhereted from different areas of Scandinavia according to their nature and geological context ;
(2) a geochemical characterization focusing on the reactivity to weathering, by investigating the mineral transformations, the potential for acid mine drainage and the mobility of metals and other trace and ultratrace elements ;
(3) a comparison of this same reactivity in post-mining samples after they have undergone physicochemical treatment ;
(4) a risk assessment of the long-term reactivity of alumshales, after placing these results within a broader geological context, thereby enabling the identification of the optimal management strategy.
Field sampling campaigns will be part of the study.
Profil recherché :
M2 ou Ingénieur Sciences de la Terre
Master’s degree (MSc) or Engineering degree in Earth Sciences
Contacts pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 15/05/26 :
Michael DESCOSTES : michael.descostes@orano.group
Sophie BILLON : sophie.billon@univ-poitiers.fr