• Langue : Français, Anglais
• Discipline : Sciences de la terre et de l'univers
• Identifiant : 2025ULILR043
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 28/11/2025

Résumé en langue originale

L'exploitation charbonnière dans le Nord Pas-de-Calais a laissé en héritage près de 200 terrils, constitués de stériles miniers, principalement des schistes noirs du carbonifères. Longtemps considérés comme inertes, ces dépôts subissent en réalité une altération progressive sous l'effet des conditions supergènes, pouvant générer des transferts d'éléments potentiellement toxiques vers les sols et les eaux de surface. Ce travail de thèse vise à caractériser ces processus afin d'évaluer les risques environnementaux associés. Dans un premier temps, la composition minéralogique et texturale des stériles a été étudiée à différentes échelles (macro-, micro- et nanométrique). Les résultats révèlent l'existence de fronts d'altération associés à un drainage minier acide localisé, caractérisé par la précipitation de phases secondaires typiques (oxyhydroxydes de fer, jarosite), un abaissement local du pH (< 3) et une libération d'éléments majeurs et traces (Fe, K, S, As, Sr, Mo, Ge). Dans un second temps, les processus de pédogenèse ont été examinés sur les versants végétalisés des terrils. Il apparaît que l'oxydation des pyrites, couplée à l'incorporation de matière organique issue de la colonisation végétale, conduit à la formation d'anthroposols jeunes mais déjà différenciés, présentant des horizons pédologiques, des gradients d'acidité (pH 3,8-7,5) et une dynamique active d'évolution vers des sols plus matures. Ces anthroposols, jusque-là non décrits dans la région, constituent le support d'écosystèmes pionniers remarquables, mais instables en raison de l'érosion des pentes. Enfin, l'étude des eaux de drainage a permis de mettre en évidence une signature géochimique spécifique des terrils. Les eaux en contact avec les stériles présentent des teneurs élevées en sulfates (520-4209 mg/L) et en cations majeurs, résultant de l'oxydation de la pyrite et de la dissolution des carbonates. Ceci témoigne d'un drainage fortement minéralisé, capable de mobiliser certains éléments traces (Ni, Zn, Cu, As, Ba, Sr) et d'altérer durablement la qualité des hydrosystèmes locaux. Dans l'ensemble, cette thèse met en évidence que les terrils, loin d'être chimiquement inertes, sont le siège de processus d'altération, de pédogenèse et de transfert d'éléments susceptibles de modifier la dynamique des sols et des eaux de surface. Ces résultats offrent un cadre scientifique essentiel pour évaluer les risques environnementaux liés aux terrils et accompagnent la réflexion sur leur valorisation et leur gestion en tant que paysages hérités de l'histoire minière.

Résumé traduit

Coal mining in the Nord Pas-de-Calais region has left behind nearly 200 spoil tips, composed mainly of coal-bearing black shale mine waste. Long regarded as inert, these deposits are in fact subject to progressive weathering under supergene conditions, leading to the release of potentially toxic elements into soils and surface waters. This PhD thesis aims to characterize these processes in order to assess the associated environmental risks. First, the mineralogical and textural composition of the waste was investigated at multiple scales (macro-, micro-, and nanometric). The results reveal the presence of alteration fronts associated with localized acid mine drainage, characterized by the precipitation of secondary phases (iron oxyhydroxides, jarosite), a local decrease in pH (< 3) and the release of major and trace elements (Fe, K, S, As, Sr, Mo, Ge). Second, pedogenetic processes were examined on the vegetated slopes of the spoil tips. The oxidation of pyrite, combined with the incorporation of organic matter from plant colonization, leads to the formation of young but already differentiated anthroposols, displaying soil horizons, acidity gradients (pH 3.8-7.5), and an active dynamic of evolution towards more mature soils. These technosolls, described here for the first time in the region, support remarkable pioneer ecosystems, though they remain fragile due to gully erosion. Finally, the study of drainage waters highlighted a specific geochemical signature of the spoil tips. Waters in contact with the waste exhibit high concentrations of sulfates (520-4209 mg/L) and major cations, resulting from pyrite oxidation and carbonate dissolution. This process generates highly mineralized drainage, capable of mobilizing certain trace elements (Ni, Zn, Cu, As, Ba, Sr) and of durably altering the quality of local hydrosystems. Overall, this thesis demonstrates that spoil tips, far from being chemically inert, are sites of alteration, soil formation, and elemental transfer processes that can significantly influence the dynamics of soils and surface waters. These findings provide an essential scientific framework for evaluating the environmental risks associated with spoil tips, while also contributing to discussions on their management and valorization as landscapes inherited from mining history.