Étude de la contamination et de la mobilité de l’arsenic dans un ancien site minier : analyse spatio-temporelle et traçage des sources dans la Vallée de l’Orbiel, France.

Soutenance de thèse de doctorat de Marie Heydon.

Le jury sera composé de :

• Mme Aline DIA, Directrice de recherche CNRS au Laboratoire Géosciences Rennes (Rapporteure)
• M. Jörg SCHÄFER, Professeur des universités à l’Université de Bordeaux – Laboratoire EPOC (Rapporteur)
• M. Gwenaël IMFELD, Directeur de recherche CNRS à l’Institut Terre et Environnement Strasbourg (Examinateur)
• Mme Mary-Lou TERCIER WAEBER, Ingénieure de recherche à l’Université de Genève, Département Inorganique, Analytique et Chimie Appliquée (Examinatrice)
• M. David LABAT, Professeur des universités à l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, Laboratoire Géoscience Environnement Toulouse (Examinateur)
• M. Jérôme VIERS, Professeur des universités à l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, Laboratoire Géoscience Environnement Toulouse (Directeur de thèse)
• Mme Eva SCHRECK, Maîtresse de conférences à l’Université Toulouse III – Paul Sabatier, Laboratoire Géoscience Environnement Toulouse (Co-directrice de thèse)
• M. Philippe Behra, Professeur des universités à l’Institut National Polytechnique de Toulouse, Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Invité)

Résumé

Les mines et les anciens sites miniers sont des sources majeures de contamination environnementale par les métaux et les métalloïdes toxiques. Comprendre la distribution et la mobilité de ces contaminants dans les zones minières est crucial pour protéger la santé humaine et l’environnement. L’ancien site minier de Salsigne, situé dans la vallée de l’Orbiel (Aude, France), était autrefois la plus grande mine d’or d’Europe et la plus grande mine d’arsenic (As) au monde. Depuis sa fermeture en 2004, les 12 millions de tonnes de déchets miniers toujours sur le site constituent une menace potentielle pour l’environnement, posant ainsi un problème de santé publique en raison de sa forte toxicité. Cette thèse, menée dans le cadre du projet DiagnOSE subventionné par la région Occitanie (2021-2024), vise à réaliser un diagnostic de la contamination en As dans les eaux de surface de la vallée de l’Orbiel, en identifiant ses sources et les processus hydrochimiques impliqués dans sa mobilité et sa biodisponibilité. La première partie de cette thèse vise à caractériser la zone d’étude pour mieux comprendre les origines et le devenir de la contamination. Une étude historique et la cartographie détaillée des sols réalisée par spectroscopie à fluorescence X portable (pXRF) mettent en évidence la complexité de cet ancien site minier. Cette méthode montre son efficacité pour cartographier la contamination en As en comparant les résultats avec ceux obtenus par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS). Les cartes révèlent la présence de trois zones où les concentrations moyennes en As varient de 193 à 342 mg·kg^-1, dépassant le bruit de fond pédo-géochimique de la zone, estimé à 44 mg·kg^-1 d’As. La deuxième partie de la thèse est une étude spatio-temporelle des eaux de surface de la vallée de l’Orbiel. De 2018 à 2023, la fraction dissoute (<0,22µm) de la rivière Orbiel et de ses affluents a été analysée pour divers paramètres physico-chimiques. Les résultats montrent un enrichissement médian en As le long du cours d’eau : environ 2 µg·L^-1 en amont, ~ 26 µg·L^-1 en aval et jusqu’à 37 µg·L^-1 après le passage dans l’ancien district minier. L’analyse isotopique du strontium (Sr) dans les eaux et les roches de la vallée permet de distinguer les sources naturelles et anthropiques, influencées par les déchets de la zone La Combe du Saut. Dans cette zone, l’As(III) prédomine (20 à 60 %), tandis que l’As(V) est plus fréquent (> 90 %) ailleurs dans la vallée. L’ultrafiltration montre que l’As est principalement dissous (< 3kDa), facilitant sa mobilité. Les affluents comme le Russec contribuent également significativement à la présence d’As dans la rivière Orbiel.Enfin, cette thèse a exploré la libération potentielle d’As à partir de sédiments contaminés, de dépôts de crues et de déchets miniers lors d’événements météorologiques extrêmes. La lixiviation de ces échantillons a montré la possible libération de 9, 29 et 70 μgAs·g^-1 pour les sédiments provenant respectivement de l’Orbiel, du Russec et du Grésillou ; 39 μgAs·g^-1 d’échantillon de dépôts de crues et 80 μgAs·g^-1 d’échantillon de déchets miniers. La cinétique de relargage varie entre les échantillons, et dépend de la minéralogie et de la spéciation de l’As. Les extractions chimiques successives ont montré que la présence d’As dans les phases carbonatées influence positivement la désorption de l’As. Des tests de bioaccessibilité gastrique et gastro-intestinale ont montré une variabilité de la fraction d’As bioaccessible de 1 à 88 %, avec les valeurs les plus élevées observées dans la zone de la Combe du Saut, également identifiée par l’étude spatio-temporelle. En conclusion, cette thèse a contribué à une meilleure compréhension des mécanismes de distribution de la contamination des eaux de surface par l’arsenic dans la vallée de l’Orbiel, soulignant ainsi l’importance de telles études environnementales approfondies dans les zones impactées par les activités extractives.