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Comportement et distribution des terres rares
Lors de cette étude, nous nous focalisons sur un groupe d’éléments chimiques précis appelé les lanthanides (du lanthane au lutétium), ou terres rares (REE – Figure 1.1). Les REE sont classiquement divisés en deux sous-groupes que l’on appelle les terres rares légères (LREE, du lanthane à l’europium) et les terres rares lourdes (HREE). Parmi les LREE, nous portons un intérêt particulier aux lanthane, cérium, néodyme et samarium.
Les REE sont caractérisées par une structure atomique similaire. Les rayons ioniques et les masses des REE sont très proches et elles ont une valence identique (sauf rares exceptions, Ce4+ et Eu2+) due à la configuration de leur couche électronique externe. Elles ne se distinguent que par une couche électronique interne qui est remplie en fonction de l’augmentation du numéro atomique (les couches 4f et 5d).
Les REE sont caractérisées par des températures de condensation très élevées les rendant réfractaires (température de condensation de 50% de l’élément entre 1450 et 1630 K pour les LREE d’après Lodders, 2003; Wood et al., 2019). Il est couramment admis que le noyau terrestre ne contient pas de terres rares à cause de leur comportement hautement lithophile.
Toutefois, certains auteurs ont proposé que le noyau puisse être enrichi en LREE (Andreasen et al., 2008). Pour vérifier cette hypothèse, des expériences de partage métal-silicate à haute pression et haute température sont réalisées (Bouhifd et al., 2015; Faure et al., 2020; Wohlers and Wood, 2017, 2015). Ces études ont permis de démontrer que le noyau ne concentre pas les REE, y compris dans des conditions particulières et relativement riches en soufre.
Les REE sont donc exclusivement concentrées dans la Terre totale silicatée (de l’anglais bulk silicate Earth — BSE). Ce terme générique correspond alors à la Terre, en excluant le noyau, si elle n’avait pas été différenciée. La Terre silicatée que nous mesurons rassemble actuellement le manteau et la croûte.
Les propriétés des REE leur confèrent un comportement très proche lors des processus géologiques. Ces éléments sont incompatibles, c’est-à-dire qu’ils se concentrent préférentiellement dans la phase liquide pendant la fusion partielle. Près de 99 % des REE sont incorporées dans le liquide magmatique pour moins de 10 % de taux de fusion. Ces propriétés font qu’elles sont exclusivement concentrées dans la BSE, et sont plus abondantes dans les produits de fusion (croûte) et que dans les résidus de fusion (manteau appauvri).
Malgré leurs grandes similitudes, les REE présentent également des variabilités dans leur comportement. D’une part, les REE sont peu mobiles lors des processus d’altération et évènements métamorphiques, en comparaison de la plupart des éléments majeurs. Pourtant, les LREE sont plus mobiles que les HREE. D’autre part, l’incompatibilité des LREE tend à diminuer avec le numéro atomique. En particulier, le lanthane est plus incompatible que le cérium, tout comme le néodyme est plus incompatible que le samarium. Lors de la fusion partielle d’une source, leur ordre d’incompatibilité entraine une variation de la concentration relative des REE dans le résidu solide et dans le liquide produit. Le résidu solide de la fusion est plus appauvri en LREE que sa source et le liquide est plus enrichi. Il est par conséquent possible de distinguer des roches issues de la fusion d’un manteau fertile de celles issues d’un manteau déjà appauvri par la fusion, voire d’une roche continentale déjà enrichie en REE. Le spectre des éléments en traces, normalisé au manteau primitif, va apparaître plus ou moins appauvri ou enrichi en LREE suivant la source dont est extrait le liquide silicaté.
La radioactivité en géologie
Certains isotopes sont instables, les menant à produire d’autres isotopes par désintégration radioactive. La radioactivité naturelle est un outil très utile pour les géochimistes puisqu’elle permet d’associer la notion de composition des matériaux et la notion de temps. En effet, les isotopes radioactifs sont divisibles en plusieurs catégories. Il existe des radioactivités de longues vies. Dans ce cas, l’isotope radioactif (ou père) se désintègre doucement sur l’échelle de temps du Système Solaire (exemple : 87Rb 87Sr – Tableau 1.1) et les isotopes radioactif et radiogénique sont tous deux mesurables actuellement. Après sept fois sa demi-vie (T1/2 – période sur laquelle se désintègre la moitié de la quantité de cet isotope), 99 % d’un isotope radioactif est désintégré. Les radioactivités dites éteintes ont une demi-vie suffisamment courte pour que l’isotope père n’existe plus actuellement (exemple 26Al 26Mg – Tableau 1.1). Des chaines de désintégration peuvent prendre en compte la désintégration d’isotopes de longues et courtes demi-vies successives (exemple : les systèmes U-Pb). Les principaux systèmes isotopiques d’intérêt en géologie sont reportés dans le Tableau 1.1.
Le traçage de la source des échantillons de roches disponibles en surface est basé sur la capacité de la fusion à transmettre la composition isotopique entre une source magmatique et son produit de fusion. Les isotopes d’un élément lourd sont supposés non fractionnés par la fusion partielle et la cristallisation fractionnée et les produits de fusion/cristallisation conservent donc les caractéristiques isotopiques de leur source. Il s’agit d’une hypothèse nécessaire aux études sur la genèse des magmas et le lien avec leur source. Elle est fondée sur la possibilité d’une équilibration isotopique rapide entre la roche et le liquide lors de la fusion partielle (Hofmann and Hart, 1978). Dans le détail, les minéraux n’ont pas la même composition isotopique les uns par rapport aux autres et ils ne sont pas dissouts dans le liquide à la même vitesse. Ainsi, cela peut entrainer des variations entre la roche source totale et le magma. La composition du liquide évolue au fur et à mesure de l’avancement des réactions de fusion. De plus, un équilibre se crée entre les minéraux et le liquide par diffusion, accéléré par la présence de liquide (Hammouda et al., 1996 dans le cas des isotopes du strontium). Dès lors, il faut considérer que le temps de résidence du magma dans la source est suffisamment long pour permettre l’équilibre isotopique.
Introduction aux systèmes lanthane-cérium et samarium-néodyme
Deux couples de radionucléides
Le système lanthane-cérium est un couple de radionucléides de longue vie, fondé sur le 138La qui est l’isotope radioactif du lanthane. Au contraire du 139La, le 138La est instable et se désintègre lentement en 138Ce selon la réaction 138La = 138Ce + e-, de type β-. Sa demi-vie T1/2,β = 295.5 Ga est très longue, correspondant à une constante de désintégration λβ = (2.37 ± 0.10) 10-12 an-1 (Shimizu et al., 1984; Tanimizu, 2000). Le 138La se désintègre également en 138Ba, par capture d’électron (T1/2,ec = 156.1 Ga et λec = 4.44 x 10-12 an-1- Sato and Hirose, 1981). Ainsi, la demi-vie totale du 138La est T1/2, total = 107 6 Ga – Bernabei et al., 2005) où la désintégration en 138Ce correspond à 36.2 % du bilan de la désintégration. De ce fait, l’évolution du rapport isotopique 138Ce/142Ce par désintégration du 138La nécessite de prendre en compte les deux types de désintégration et est exprimée sous la forme : ( 138 ) = ( 138 ) + ( 138 ) × ( ( + )×∆ − 1) Eq. 1.1 où l’indice t1 rapporte à une valeur mesurée après une période de désintégration Δt tandis que l’indice t0 renvoie à une valeur initiale du système avant désintégration sur cette période. λβ et λec sont les constantes de désintégration du 138La en 138Ce et 138Ba respectivement. Aujourd’hui, environ 1 % du 138La a été désintégré en 138Ce (Figure 1.2).
Les grandes dynamiques des isotopes du lanthane et du cérium rendent leurs mesures délicates (Tableau 1.2). La faible constante de désintégration du 138La implique de faibles variations naturelles des rapports isotopiques du cérium, qui nécessitent une très grande précision analytique.
Le samarium a aujourd’hui sept isotopes dont le 147Sm qui est un isotope radioactif de longue demi-vie, se désintégrant en 143Nd (T1/2 = 106 Ga). Environ 3 % du 147Sm a été désintégré en 143Nd depuis la formation du Système Solaire (Figure 1.2). Le samarium a également possédé le 146Sm, aujourd’hui disparu à cause de sa désintégration très rapide en 142Nd (T1/2 = 103 Ma) qui a eu lieu dans les premiers 500 millions d’années du Système Solaire. Le rapport isotopique 142Nd/144Nd varie extrêmement peu en comparaison du rapport 143Nd/144Nd et son étude nécessite également des mesures très précises.
Les compositions isotopiques sont généralement exprimées par rapport à une référence. La référence est un matériau de composition isotopique homogène, souvent un matériau de composition représentative de la Terre (standard terrestre) ou du Système Solaire (chondrites). Les rapports isotopiques 143Nd/144Nd et 138Ce/142Ce sont généralement exprimées en notation epsilon : 143Nd = ( 143 /144 -1) × 104 Eq. 1.2
Pour le rapport 142Nd/144Nd, les variations étant plus faibles et la précision de mesure de quelques ppm, il est souvent exprimé en notation mu : µ142Nd = ( 142 /144 -1) × 106 Eq. 1.3
Apport du couplage des systèmes lanthane-cérium et samarium-néodyme
Dès qu’une méthode efficace d’analyse des isotopes du cérium a été mise en place, le couplage des systèmes lanthane-cérium et samarium-néodyme a été utilisé pour reconstituer la forme du spectre des LREE de la source des roches (Lee et al., 2010, 2001; Shimizu et al., 1988; 1990). Dans un diagramme εCe-εNd (voir Figure 1.3), les roches terrestres s’alignent entre une composition reflétant une source de type manteau appauvri (quart supérieur gauche) ou réservoir enrichi (quart inférieur droit). Certaines roches peuvent cependant présenter une composition en dehors de cet alignement, dans le quart supérieur droit ou dans le quart inférieur gauche. Cela implique que la source de ces roches à des rapports La/Ce et Sm/Nd élevés ou faibles et donc qu’ils voient l’effet sur le long terme de l’inversement de l’ordre de compatibilité dans la suite La, Ce, Nd et Sm. Ce phénomène est appelé l’« effet tétrade », défini par Peppard et al. (1969). Contrairement au système samarium-néodyme, le système lanthane-cérium a la particularité de fractionner plus largement dans certaines conditions. Le cérium, majoritairement de valence 3+, peut perdre un électron (valence 4+) en conditions oxydantes et alors changer de comportement. C’est le cas dans l’eau de mer qui est un milieu oxydant, dans laquelle le Ce3+ est initialement soluble dans l’eau, de façon similaire aux autres LREE, mais devient Ce4+ qui est insoluble. Il est précipité, s’alliant par exemple avec des oxydes de fer-manganèse (Elderfield et al., 1981, 1988). Dès lors, l’eau de mer des grands fonds océaniques et les sédiments pélagiques ont un déficit en cérium, tandis que les nodules de fer-manganèse ont un excès en cérium.
Le déficit ou excès de cérium peut être quantifié comme une déviation de la concentration relative du cérium par rapport aux autres REE. Une telle déviation est appelée anomalie en cérium. Pour quantifier une anomalie en cérium, une notation a été mise en place, avec des expressions mathématiques adaptées à différents cas (Tableau 1.3) : (1) l’anomalie en cérium est généralement calculée à partir des concentrations en lanthane et praséodyme (cas 1) ; (2) lorsque la concentration du praséodyme n’est pas disponible, l’expression mathématique est modifiée pour faire intervenir la concentration du néodyme (Hole et al., 1984 – cas 2) ; (3) enfin, une anomalie négative en cérium peut parfois cacher une anomalie positive en lanthane, courante dans l’eau de mer. Dans ce cas il est préférable d’extrapoler l’anomalie en cérium à partir du praséodyme et du néodyme (cas 3).
Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
I. PRÉSENTATION DU CONTEXTE ET PÉRIMÈTRE DE LA THÈSE
I. 1. Contexte géographique, politique et sociologique de la thèse
I. 1. a. Les dégâts des glissements de terrain dans le Monde
I. 1. b. Situation en Chine du Sud
I. 1. c. Programmes chinois de lutte contre les glissements de terrain
I. 2. L’éco-ingénierie des glissements de terrain, débat scientifique en vigueur
I. 2. a. Ce que sont et ce que ne sont pas les glissements de terrain
I. 2. b. Qu’est-ce que l’éco-ingénierie, l’éco-ingénierie des pentes ?
I. 2. c. Le rôle des racines à l’interface entre la mécanique, l’architecture et l’hydrologie
II. QUESTIONNEMENT SCIENTIFIQUE, STRUCTURE DE LA THÈSE
II. 1. Objectif de la thèse et questions afférentes
II. 2. Présentation de la démarche scientifique
I. 2. a. Définitions et postulats préalables
I. 2. b. Présentation du plan de la thèse
III. PRÉSENTATION DES SITES D’ÉTUDE
III. 1. Le terrain en Chine du Sud
III. 1. a. Localisation géographique et administrative
III. 1. b. Une géologie complexe engendrant une biodiversité remarquable
III. 2. Les laboratoires
III. 2. a. UMR Amap, Montpellier
III. 2. b. Cemagref du Tholonnet et pépinière de Aix-les Milles
CHAPITRE I PAR QUELS PROCESSUS L’ARCHITECTURE RACINAIRE INFLUENCE-T-ELLE LA STABILITÉ DES PENTES ?
INTRODUCTION AU PREMIER CHAPITRE
I. 1. INFLUENCE DE L’ARCHITECTURE RACINAIRE SUR LA RÉSISTANCE MÉCANIQUE
I. 2. INFLUENCE DE L’ARCHITECTURE RACINAIRE SUR LES FLUX HYDRIQUES
SYNTHESE DU PREMIER CHAPITRE
CHAPITRE II QUELLES SONT LES ESPÈCES-OUTIL32 LES PLUS EFFICACES POUR LA STABILISATION DES POINTS CHAUDS DE DÉGRADATION EN CHINE DU SUD ?
INTRODUCTION AU DEUXIÈME CHAPITRE
II. 1. SÉLECTION DES TRAITS RACINAIRES LES PLUS REPRESENTATIFS
II. 2. IDENTIFICATION DES MEILLEURES ESPECES-OUTILS
SYNTHÈSE DU DEUXIÈME CHAPITRE
DISCUSSION GÉNÉRALE
I. RÉPONSE AU QUESTIONNEMENT SCIENTIFIQUE
II. LIMITES DE LA THÈSE ET PERSPECTIVES DE RECHERCHE
II. 1. L’évaluation de l’efficacité d’une espèce : un exercice ardu
II. 1. a. Choix entre de multiples traits
II. 1. b. L’évolution des propriétés fonctionnelles d’un individu au sein d’une communauté
II. 1. c. La capacité d’une espèce à enclencher la succession des peuplements
II. 2. Intégration de tous les processus entre le sol et les racines
II. 2. a. Estimation des processus mécaniques
II. 2. b. Interactions entre processus mécaniques et hydriques
II. 3. La modélisation numérique pour une quantification intégrée
II. 3. a. Représentation 3D des résistances mécaniques
II. 3. b. Représentation 3D des évolutions de la pression hydrique
II. 3. c. Evolution temporelle des effets des racines sur la stabilité des pentes
CONCLUSION
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES : ARTICLES COMPOSANT LA THÈSE
