ACTIVITES DE RECHERCHE


Mes activités de recherche concernent l’étude de la biogéochimie des éléments traces métalliques (ETM) potentiellement toxiques (Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Pb,…) dans les environnements de surface de la Terre. Elles consistent plus particulièrement à améliorer notre compréhension du cyle de ces éléments au sein des surfaces et interfaces continentales (sols, sédiments continentaux et littoraux, eaux de rivière, …) au travers de l’étude de leurs interactions à l’échelle moléculaire (co-précipitation, adsorption, complexation, absorption,…) avec les constituants minéraux, organiques et biologiques de ces écosystèmes.

Ces activités de recherche reposent sur l’étude comparée d‘échantillons naturels (matière en suspension ou colloïdales collectées dans des rivières ou dans des solutions de sols/sédiments, échantillons solides collectés le long de profils d’altération, de sols, ou de colonnes sédimentaires,…) et d’échantillons synthétiques résultant d‘expériences de laboratoire (adsorption sur des surfaces minérales ou organiques, réaction avec des bactéries sous atmosphère contrôlée, extractions chimiques sélectives, …).

Leur originalité est liée à la comparaison des données macroscopiques (chimie, pétrologie, minéralogie,…) obtenues sur ces échantillons naturels ou synthétiques avec des informations obtenues à l’échelle moléculaire, nanoscopique ou microscopique par des outils modernes de physique et chimie du solide (rayonnement synchrotron, spectroscopie optique et infrarouge, Microscopie Electronique à Balayage avec canon à effet de champs et faisceau d’ions focalisés, Microscopie Electronique en Transmission à Haute Résolution, …).

Depuis quelques années, cette approche cristallochimique est couplée à une approche isotopique pour tenter d'améliorer notre compréhension de la biogéochimie et de la dynamique des ETM au sein des surfaces et interfaces continentales. Ce couplage permet notamment de tracer les sources baturelles et anthropiques des ETM dans l'environnement et de quantifier la contribution relative des différents processus (bio)cristallochimiques (adsorption, complexation, précipitation, absorption) qui gouvernent le(s) changement(s) de formes chimiques de ces ETM au cours de leur transfert dans les différents compartiments des surfacas et interfaces continentales.

Un début de carrière sur les environnements tempérés…

J’ai initialement développé cette approche à l’étude de la biogéochimie de certains ETM (plomb, zinc et arsenic) dans les sols et les sédiments des environnements continentaux tempérés. Les sites étudiés correspondaient à des écosystèmes contaminés (sols recevant des retombées atmosphériques d’usines pyrométallurgiques, sédiments de drainages miniers acides ou de stériles miniers, …) ou à des sols/sédiments en contexte d’anomalies géochimiques naturelles. Ces derniers représentent de parfaits analogues des sols/sédiments contaminés du point de vue des concentrations en ETM, tout en intégrant des temps de contact beaucoup plus longs entre ces ETM et les différents compartiments réactifs de ces milieux. Ainsi, l’étude des sols/sédiments contaminés apporte des informations relatives à la compréhension du comportement à court terme (quelques dizaines à une centaine d’années) des ETM dans les environnements continentaux, alors que celle des sols/sédiments en contexte d’anomalies géochimiques naturelles permet de progresser sur la compréhension de leur comportement à plus long terme (plusieurs milliers d’années).

Les résultats obtenus jusqu’à présent ont permis de souligner l’importance, et la récurrence, des mécanismes de co-précipitation et d’adsorption aux interfaces minéraux/solutions dans la dynamique des ETM étudiés (plomb, zinc et arsenic) dans les environnements continentaux, naturels ou anthropisés, tempérés (Morin et al., 1999 ; 2001 ; 2002 ; 2003 ; Juillot et al., 1999 ; 2003 ; 2008; 2011; Casiot et al., 2003 ; Cancès et al., 2005 ; 2008 ; Jouvin et al., 2009; Laveuf et al., 2009 ; Jacquat et al., 2009 ; Miot et al., 2009).



Ils ont également permis de progresser significativement dans la compréhension, à l’échelle nanométrique et moléculaire, de ces mécanismes aux interfaces solides/solutions (Ona-Nguema et al., 2005; 2009; 2010; Morin et al., 2008; 2009; Wang et al., 2008; 2010; 2011). Cette connaissance est particulièrement importante, car elle apporte des informations très pertinentes pour mieux contraindre la modélisation des interactions des ETM avec les surfaces minérales, organiques et biologiques des environnements continentaux tempérés (Ponthieu et al., 2006).




Ces activités de recherche sur les environnements tempérés se poursuivent, grâce à l'étroite collaboration développée avec G. Morin et G. Ona-Nguema depuis mes débuts à l'IMPMC, mais avec une implication plus faible que par le passé en ce qui me concerne du fait du glissement de mes centres d'intérêts vers les environements tropicaux.

Puis, une orientation vers les environnements tropicaux.

En effet, il y a quelques années, j’ai eu l’opportunité d’élargir le champ de mes activités de recherche aux environnements tropicaux en m'intéressant à la cristallochimie des ETM au sein des couvertures d'altération latéritique sur péridotites en Nouvelle-Calédonie. Les résultats obtenus dans le cadre de ces études ont permis de mieux cerner le comportement cristallochimique du chrome, du nickel, du manganèse et du cobalt au cours de la différentiation de ces formations. Ils ont notamment permis de mettre en évidence des changements du degré d'oydation du chrome en lien avec des réactions d'oxydo-réduction avec les oxydes de manganèse  (Fandeur et al., 2009a; Fandeur et al., 2009b), d’identifier les processus cristallochimiques qui expliquent la distribution du nickel au sein de ces couvertures d’altération (Dublet et al., 2012; 2013; 2015; Fritsch et al., 2016) et de souligner l'évolution parallèle de la spéciation du cobalt et du manganèse (Dublet et al., soumis), tout en révélant la cristallochimie complexe des différentes familles d’oxydes de manganèse porteurs du cobalt présents dans ces formations et en suggèrant certaines filiations entre ces familles (Ploquin et al., en préparation).






Parallèlement à ces activités de recherche sur la cristallochimie des ETM au sein des couvertures d’altération latéritique sur péridotites en Nouvelle-Calédonie, je me suis également intéressé à la biogéochimie de ces éléments au sein des sédiments de mangrove qui représentent le réceptacle naturel des matériaux arrachés à ces couvertures d'altération par l’érosion (qu’elle soit naturelle ou due à l’exploitation minière). Cet intérêt est motivé par la volonté de compléter nos connaissances sur les processus cristallochimiques et biogéochimiques qui contrôlent la dynamique des ETM à l’échelle du continuum massifs – rivières – écosystèmes littoraux (mangrove et lagon) car seule cette approche permet d'espérer pouvoir acquérir une vision globale des cycles des ETM au sein des différents écosystèmes des surfaces et interfaces continentales de la Géosphère intertropicale. Cette connaissance des cycles naturels des ETM est un préalable indispensable à l'évaluation des impacts potentiels des différents forçages anthropiques (changement climatique, activités industrielles, urbanisation, agriculture,...) qui s'exercent sur les différents comparatiments de ces écosystèmes particulièrement fragiles et qui sont susceptibles de modifier leur fonctionnement de manière plus ou moins marquée et plus ou moins durable.

Dans le cas de la Nouvelle-Calédonie, cette question concerne plus particulièrement l'évaluation des impacts de l'activité minière sur les différents compartiments du continuum massifs – rivières – écosystèmes littoraux (mangrove et lagon) et mes activités de recherche dans ce domaine se sont initialement focalisées sur l'identification des mécanismes qui contrôlent la cristallochimie du fer et du nickel au sein des sédiments des mangroves localisées à l’aval des massifs latéritiques exploités par l'activité minière. L'objectif principal de ces études est de préciser le rôle de la mangrove vis-à-vis du lagon calédonien, et notamment de savoir si cet écosystème particulier protège ce lagon des impacts potentiels de l’activité minière en se comportant comme un puits d’ETM ou si, au contraire, sa biogéochimie particulière augmente le transfert des ETM vers le lagon (rôle source). Les résultats obtenus jusqu'à présent ont permis de souligner la biogéochimie couplée du fer et du nickel au sein des sédiments de mangroves localisées à l'aval de massifs latéritiques exploités par l'activité minière, en soulignant notament l'influence des fronts rédox et des activités bactériennes caractéristiques des niveaux suboxiques/anoxiques de ces sédiments sur la cristallochimie de ces éléments (Noel et al., 2014 ; 2015). Ces résultats ont été confirmés par des études récentes en laboratoire qui ont permis de progresser dans notre compréhension de l'influence de l'activité des bactéries sulfato-réductrices (SRB) sur la biogéochimie couplée du fer et du nickel dans les environnements anoxiques sulfatés caractéristiques des sédiments de mangrove (Ikogou et al., in press).





Perspectives de recherche à court terme.

Pour ce qui concerne les profils latéritiques sur péridotites, mes activités de recherche à venir concerneront l'évaluation de l'influence des différentes transformations cristallochimiques mises en évidence sur les bilans de masse (pertes/gains) des ETM étudiés (Ni, Cr, Fe), dans le but d'accéder à la dimension dynamique du comportement de ces éléments au cours de la différentiation des couvertures d'altération latéritique sur péridotites en Nouvelle-Calédonie.

Pour ce qui concerne les écosystèmes littoraux, il s'agira (1) de mieux comprendre l’influence des conditions environnementales sur la biogéochimie du fer et du nickel au sein des sédiments de mangrove, (2) d'élargir ces connaissances aux autres ETM caractéristiques de l'environnement calédonien (Co, Mn et Cr) et (3) d'intégrer les sédiments du lagon de Nouvelle-Calédonie dans ces études dans le but d'obtenir une vision la plus fidèle possible des cycles complets de ces ETM le long du continuum massifs – rivières – écosystèmes littoraux (mangrove et lagon).

Ces études à venir s'appuieront plus particulièrement sur l'utilisation des isotopes non traditionnels de certains ETM (Cr, Fe, Ni) pour tenter de tracer les sources et voies de dispersion de ces éléments et de quantifier la contribution relative des différents processus bio-cristallochimiques sur leurs cycles naturels.

Les résultats de ces études viendront compléter le corpus de connaissances en cours d'acquisition depuis de nombreuses années sur le comportement des différents types de couvertures géologiques vis-à-vis des mécanismes d'altération et sur leurs contributions respectives aux transferts d'éléments au sein des surfaces et interfaces continentales et à l'interface continent-océan.