Ce projet serait sous la direction de : M. Emmanuel TERTRE et M. Valentin ROBIN
Unités de recherche : IC2MP – Equipe HydrASA (U. Poitiers) et E2lim (U. Limoges)
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Réactivité des résidus miniers et modélisation des transferts solide/solution de métaux et métalloïdes (As–Bi–W) : vers une compréhension des processus d’atténuation naturelle dans les environnements miniers
Reactivity of mining residues and modelling of solid–solution transfer of metals and metalloids (As–Bi–W): towards an understanding of natural attenuation processes in mining environments
Mots clés : résidus miniers, métaux et métalloides (As-Bi-W), réactivité, expérimentation, modélisation
Début de thèse : à partir du 01/11/2026
Résumé :
Depuis le XXe siècle, l’exploitation des ressources minières a généré d’importants volumes de résidus stockés en surface. Ces matériaux, souvent riches en sulfures, subissent des processus d’altération physico-chimique conduisant à la libération d’acidité et d’éléments toxiques, tels que les métaux et métalloïdes, dans les sols et les eaux. Cette offre de thèse s’inscrit dans le cadre de l’ANR REXEL coordonnée par le laboratoire GEOPS de Paris Saclay et dans laquelle les laboratoires E2Lim de l’Université de Limoges et l’IC2MP de l’Université de Poitiers sont partenaires.
Le sujet de thèse visera à comprendre les processus couplés hydrologiques et chimiques contrôlant la mobilité et la rétention de l’arsenic (As), du bismuth (Bi) et du tungstène (W) dans les résidus miniers, afin d’évaluer la résilience environnementale de ces systèmes et leur potentiel de valorisation comme ressources secondaires. Il s’agira notamment d’évaluer et de modéliser la mobilité de As, Bi et W présents dans les résidus sous perturbations chimique (variation de pH, salinité, présence de fer aqueux) et hydrique (saturé vs non saturé en eau). Pour y parvenir des méthodologies de géochimie expérimentale, analyse des solutions, analyse minéralogique des solides, modélisation thermodynamique et cinétique des interactions eau/roches seront employées.
Since the 20th century, the extraction of mineral resources has generated large volumes of tailings stored on the surface. These materials, which are often rich in sulphides, are submitted to physico-chemical weathering processes that lead to the release of acidity and toxic elements, such as metals and metalloids, in soil and water.
This PhD opportunity forms part of the ANR REXEL project coordinated by the GEOPS laboratory at Paris Saclay, in which the E2Lim laboratory at the University of Limoges and the IC2MP laboratory at the University of Poitiers are partners.
The PhD will aim to understand the coupled hydrological and chemical processes controlling the mobility and retention of arsenic (As), bismuth (Bi) and tungsten (W) in mining residues, in order to assess the environmental resilience of these systems and their potential for recovery as secondary resources. In particular, the research will assess and model the mobility of As, Bi and W present in the tailings under chemical (variations in pH, salinity, presence of aqueous iron) and hydrodynamic (saturated vs unsaturated with water) disturbances. To achieve this, experimental geochemistry methodologies, solution analysis, mineralogical solid analysis, and thermodynamic and kinetic modelling of water/rock interactions will be used
Contexte et problématique :
Depuis le XXe siècle, l’exploitation des ressources minières a généré d’importants volumes de résidus stockés en surface. Ces matériaux, souvent riches en sulfures, subissent des processus d’altération physico-chimique conduisant à la libération d’acidité et d’éléments toxiques, tels que les métaux et métalloïdes, dans les sols et les eaux. Dans certains contextes, des processus naturels d’atténuation peuvent néanmoins limiter cette mobilité, notamment via la formation de phases secondaires très peu perméables (ex : hardpans ferrugineux).
Cette offre de thèse s’inscrit dans le cadre de l’ANR REXEL (ANR -25-CE01-0743-01 : Atténuation naturelle etrésilience des systèmes : comment concilier exploitation des ressources minérales et protection de l’environnement), coordonnée par le laboratoire GEOPS de Paris Saclay et dans laquelle les laboratoires E2Lim de l’Université de Limoges et l’IC2MP de l’Université de Poitiers sont partenaires. Le projet visera à comprendre les processus couplés hydrologiques et chimiques contrôlant la mobilité et la rétention de l’arsenic (As), du bismuth (Bi) et du tungstène (W) dans les résidus miniers, afin d’évaluer la résilience environnementale de ces systèmes et leur potentiel de valorisation comme ressources secondaires
Since the 20th century, the extraction of mineral resources has generated large volumes of tailings stored on the surface. These materials, which are often rich in sulphides, are submitted to physico-chemical weathering processes that lead to the release of acidity and toxic elements, such as metals and metalloids, into the soil and water. In certain contexts, however, natural mitigation processes can limit this mobility, notably through the formation of highly impermeable secondary phases (e.g. ferruginous hardpans).
This PhD opportunity forms part of the ANR REXEL project (ANR -25-CE01-0743-01: Natural Mitigation and Resilience of Systems: how to reconcile mineral resource exploitation and environmental protection), coordinated by the GEOPS laboratory at Paris Saclay and in which the E2Lim laboratory at the University of Limoges and the IC2MP laboratory at the University of Poitiers are partners. The project will aim to understand the coupled hydrological and chemical processes controlling the mobility and retention of arsenic (As), bismuth (Bi) and tungsten (W) in mine tailings, in order to assess the environmental resilience of these systems and their potential for recovery as secondary resources
Description du sujet :
L’objectif de la thèse sera d’évaluer et de modéliser la mobilité de As, Bi et W présents dans les résidus sous perturbations chimique (variation de pH, salinité, présence de fer aqueux) et hydrique (saturé vs non saturé en eau).
Pour cela, il s’agira notamment :
– D’étudier la réactivité des phases porteuses de As, Bi et W déjà identifiées dans de précédentes études, notamment en quantifiant les cinétiques de dissolution en fonction des conditions physico-chimiques (e.g., pH, Eh, composition ionique, présence de Fe dissous, hydrodynamisme).
– De déterminer les constantes cinétiques et données thermodynamiques en conditions supergènes expliquant les mobilités de As et/ou Bi et/ou W au sein des phases d’intérêt qui les contrôlent.
– D’identifier l’importance du rôle des paramètres physiques dans les interactions solide/solution (e.g., porosité, perméabilité, surface spécifique) et la rétention efficace de As, Bi et W.
– De contribuer à comprendre les mécanismes de formation et la réactivité des hardpans et phases secondaires associées.
– De développer des modèles géochimiques et de transport réactif capables de reproduire les mesures expérimentales voire in-situ.
– De contribuer à proposer un modèle conceptuel global des interactions solide/solution entre résidus miniers – hardpans et solutions naturelles.
The aim of the thesis will be to assess and model the mobility of As, Bi and W present in the residues under chemical (variations in pH, salinity, presence of aqueous iron) and hydrodynamic (saturated vs unsaturated) conditions.
To reach this objective, the work will involve, in particular :
– Study the reactivity of the phases containing As, Bi and W already identified in previous studies, notably by quantifying dissolution kinetics as a function of physico-chemical conditions (e.g., pH, Eh, ionic composition, presence of dissolved Fe, hydrodynamics).
– Determine the kinetic constants and thermodynamic data under supergene conditions that explain the mobility of As and/or Bi and/or W within the phases of interest that control them.
– Identify the significance of physical parameters in solid–solution interactions (e.g., porosity, permeability, specific surface area) and the effective retention of As, Bi and W.
– Contribute to understanding the formation mechanisms and reactivity of hardpans and associated secondary phases.
– Develop geochemical and reactive transport models capable of reproducing experimental and even in-situ measurements.
– Contribute to propose a comprehensive conceptual model of solid–solution interactions between mine tailings –hardpans – and natural solutions.
Méthodologie et mise en œuvre :
Pour atteindre les objectifs visés, il s’agira de :
• Réaliser des expériences de dissolution de résidus miniers et de phases minérales à faible rapport solide/solution en conditions batch (mode statique) et en flux (mode dynamique), avec suivi chimique des compositions des solutions (ICP optique, ICP-MS, Absorption Atomique, Chromatographie Ionique).
• Réaliser des expériences en colonnes (fort rapport solide/solution) pour simuler les transferts réactifs en milieux poreux (en contrôlant la porosité et la teneur en eau des milieux).
• Réaliser la caractérisation minéralogique des solides après expériences (diffraction de rayons X, microscopie Electronique, tomographie de rayons X, distribution et spéciation des éléments majeurs et traces sur Très Grand Instrument de Recherche avec source Synchrotron).
• Proposer des modèles géochimiques et de transport réactif (type PHREEQC) capable d’interpréter l’ensemble des mesurables (eau et solide) obtenus.
To achieve the objectives, PhD work will consist in:
• Conducting dissolution experiments on mining residues and mineral phases with a low solid-to-solution ratio under batch (static) and flow (dynamic) conditions, with chemical monitoring of solution compositions (optical ICP, ICP-MS, atomic absorption, ion chromatography).
• Conducting column experiments (high solid-to-solution ratio) to simulate reactive mass transfer in porous media (by controlling the porosity and water content of the media).
• Carry out mineralogical characterisation of solids after alteration experiments (X-ray diffraction, electron microscopy, X-ray tomography, distribution and speciation of major and trace elements using a very large research instrument with synchrotron source).
• Proposing geochemical and reactive transport models (such as PHREEQC) capable of interpreting the experimental measurements (water and solid).
Profil recherché :
Le/la candidate devra posséder un master 2 ou un diplôme d’ingénieur en géosciences, géochimie, hydrogéologie, matériaux ou chimie environnementale.
Elle/il devra avoir un intérêt pour le travail expérimental, des bases en géochimie, un goût pour la modélisation numérique en hydrogéochimie, une capacité à travailler en équipe et à communiquer (rédiger et lire) en anglais scientifique.
Il/elle devra avoir un réel intérêt à mener un travail expérimental et de caractérisation (eau et solide), pour mieux comprendre la réactivité d’échantillons naturels complexes anthropisés.
The candidate will have a Master2 or an engineering degree in geosciences, geochemistry, hydrogeology, materials science or environmental chemistry.
Candidate will have an interest in experimental work, basis in geochemistry, an aptitude for numerical modelling in hydrogeochemistry, the ability to work in a team and to communicate (write and read) in scientific English.
Candidate will have a real interest in conducting experimental and characterisation work (water and solids) to better understand the reactivity of complex anthropogenic natural samples.
Contacts pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 15/06/26 :
Emmanuel TERTRE : emmanuel.tertre@univ-poitiers.fr
Valentin ROBIN : valentin.robin@unilim.fr