Faits:
A.
Le 13 octobre 2011, le Grand Conseil du canton de Genève a adopté la loi 10702 modifiant la loi du 28 octobre 1999 sur les gravières et exploitations assimilées (LGEA; RS/GE L 3 10), qui a la teneur suivante:
Art. 1Modifications
La loi sur les gravières et exploitations assimilées, du 28 octobre 1999, est modifiée comme suit:
Art. 2, al. 1, lettre b (nouvelle teneur), lettre c (nouvelle, la lettre c ancienne devant la lettre d), lettre d (nouvelle teneur), al. 2, lettre b (nouvelle teneur) et lettre d (nouvelle)
1 La présente loi a pour but:
b) de garantir un approvisionnement du canton en gravier, sable et argile indigènes en quantité et diversité suffisantes, compatible avec le principe du développement durable, en s'assurant, dans la mesure du possible, que l'ensemble des matériaux minéraux exploitables aient été extraits avant toute phase de remblayage;
c) de promouvoir une valorisation optimale des matériaux minéraux avant une mise en décharge de leur part non valorisable;
d) de veiller à un remblayage des gravières par des matériaux inertes dans le respect des dispositions de la législation fédérale et de la législation cantonale en matière de gestion des déchets et de protection de la nature et du paysage;
2 La poursuite de ces objectifs doit, en particulier, tenir compte de la nécessité:
b) de préserver les zones d'habitation, la zone viticole protégée, la zone de bois et forêts, les sites et les paysages dignes d'intérêt et les biotopes d'importance nationale, régionale et locale, de toute exploitation;
d) de protéger les sols des parcelles sur lesquelles sont exploitées des gravières, de leur ouverture à la remise en état des lieux à la fin de l'exploitation.
Art. 3A Surveillance générale (nouveau)
1 Le Conseil d'Etat désigne le département chargé de l'application de la présente loi (ci-après: département).
2 A ce titre, le département exerce la surveillance générale de l'exploitation des gravières, y compris du stockage provisoire et du traitement des matériaux minéraux sur les gravières.
Art. 3B Définitions (nouveau)
1 Par matériaux minéraux, l'on entend les matériaux inertes issus d'un terrassement ou du tri effectué sur un chantier ainsi que les matériaux terreux.
2 Sont des déchets minéraux les matériaux minéraux qui constituent des déchets au sens de la loi fédérale sur la protection de l'environnement, du 7 octobre 1983.
3 Sont des matériaux terreux les matériaux qui proviennent de la couche supérieure du sol - dite horizon A ou terre végétale - ainsi que de la couche inférieure de ce dernier, dite horizon B ou sous-couche arable.
Art. 7, al. 1, phrase introductive (nouvelle teneur), lettres i, j et p (nouvelle teneur) et lettres q et r (nouvelles), al. 2 (nouvelle teneur)
1 Les plans d'extraction doivent permettre d'effectuer une pesée globale de tous les intérêts concernant l'aménagement du territoire, la protection de l'environnement, la gestion des eaux et la protection de la nature et du paysage et contenir, notamment, les éléments suivants:
i) le mode de traitement des matériaux minéraux, le type d'installations nécessaires et leur localisation;
j) le rapport pédologique définissant les différentes couches et précisant les aspects qualitatifs et quantitatifs du sol ainsi que les précautions à prendre en vue de la préservation de la qualité des matériaux terreux lors du décapage, de leur entreposage et de la remise en état des lieux à la fin de l'exploitation;
p) un document mentionnant les travaux de remise en état ainsi que l'état final des terrains, y compris les éventuelles différences de niveau par rapport au terrain initial et l'emplacement des éléments naturels et semi-naturels restitués en compensation de ceux qui ont été détruits par l'exploitation;
q) le cas échéant, les types et volumes de matériaux minéraux de provenance extérieure à la zone de gravières concernée, issus notamment de chantiers ou d'autres gravières, pouvant être traités par les installations sises sur ladite zone;
r) le cas échéant, les volumes de matériaux minéraux de provenance extérieure à la zone de gravières concernée pouvant être stockés provisoirement sur ladite zone et l'emplacement dudit stockage.
2 Les plans d'extraction font l'objet d'une étude d'impact sur l'environnement lorsque la loi fédérale sur la protection de l'environnement, du 7 octobre 1983, le prescrit. Si tel n'est pas le cas, ces plans sont accompagnés d'un rapport visant à démontrer leur compatibilité avec la législation en matière de protection de l'environnement (notice d'impact).
Art. 8, al. 2, lettre b (nouvelle, les lettres b et c anciennes devenant les lettres c et d)
2 Cette autorisation porte sur:
b) les modalités de traitement et/ou de stockage des matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, l'application de l'article 16A étant réservée;
Art. 10, lettres c, d et e (nouvelle teneur) et lettres f et g (nouvelles, la lettre f ancienne devenant la lettre h)
Avant de délivrer l'autorisation d'exploiter, le département s'assure en particulier :
c) qu'un ingénieur-géomètre et, si nécessaire, un hydrogéologue et/ou un pédologue et/ou un écologue assurent le contrôle des travaux dans leurs spécialités respectives;
d) que l'exploitant a contracté une assurance couvrant les risques découlant de sa responsabilité civile;
e) qu'une garantie bancaire à première demande ou qu'un cautionnement solidaire émis par un établissement bancaire de la place ou par une assurance a été remis par l'exploitant, afin de garantir le respect de ses obligations, en particulier la remise en état des lieux et des voies publiques, ainsi que la réalisation des mesures garantissant la restitution de la fertilité des sols, les mesures préservant les eaux de surface et souterraines et les compensations en milieux naturels et semi-naturels. Le montant de la garantie est déterminé en fonction de la surface des parcelles, du volume du remblai et de l'importance des mesures de remise en état des lieux. Si l'exploitant est habilité à traiter ou à stocker des matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, le montant de la garantie sera augmenté en fonction des volumes de traitement et/ou de stockage autorisés, afin de couvrir les éventuels frais de traitement, d'évacuation ou de mise en décharge de la part non valorisable, l'application de l'article 16A étant réservée;
f) que ne sont autorisés à des fins de traitement et/ou de stockage provisoire sur le site d'une gravière que les matériaux minéraux pouvant être autorisés pour le remblayage de cette dernière au sens de l'article 18;
g) que la requête est conforme au plan d'extraction en vigueur;
Art. 11 (nouvelle teneur)
1 L'autorisation comprend notamment la durée maximale des différentes activités déployées sur la gravière, à savoir l'exploitation, le stockage provisoire et/ou le traitement de matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, étant précisé que ces deux dernières activités ne peuvent en principe pas être autorisées pour une durée supérieure à celle octroyée pour l'exploitation.
2 Elle peut être assortie de conditions et de charges conformes au plan d'extraction et au résultat de l'étude ou de la notice d'impact.
Art. 12, al. 2 (nouvelle teneur) et al. 3 (nouveau)
2 L'autorisation ne peut être prolongée que deux fois.
3 Des circonstances exceptionnelles peuvent cependant justifier une prolongation pour un laps de temps déterminé, notamment si l'exploitant démontre que le maintien des installations de traitement de matériaux minéraux sur le site de la gravière engendre globalement moins de nuisances que son déplacement. Ces cas font l'objet d'une autorisation complémentaire du département, lequel recueille au préalable l'accord du propriétaire de la ou des parcelles concernées et le préavis de la commune du lieu de situation de la gravière.
Art. 15, al. 3 et 4 (nouvelle teneur) et al. 5 (nouveau)
3 Les installations de traitement de matériaux minéraux, d'une provenance extérieure ou non à la gravière, qui se trouvent sur le site de ladite gravière doivent être provisoires.
4 L'exploitant a l'obligation de fournir au département, au début de chaque année civile, une statistique de l'année précédente des volumes de matériaux minéraux:
a) extraits;
b) de provenance extérieure à la gravière et stockés provisoirement sur le site de cette dernière;
c) de provenance extérieure à la gravière et traités sur ledit site;
d) de provenance extérieure à la gravière, traités sur ledit site et qui ont par la suite servi au remblayage de la gravière.
5 La statistique porte également sur les volumes remblayés totaux.
Art. 16, al. 3 (nouvelle teneur), al. 4, lettre a (nouvelle teneur) et lettre d (nouvelle, la lettre d ancienne devenant la lettre e), al. 5 (nouvelle teneur)
3 Ses agents, ainsi que les agents des départements chargés de l'agriculture, des eaux et de la nature et du paysage, ont libre accès, en tout temps, aux gravières et à leurs installations; le maire ou les conseillers administratifs de la commune sur le territoire de laquelle une gravière est ouverte ont le même droit.
4 Sont soumis à autorisation préalable du département:
a) le déplacement de matériaux terreux;
d) les modifications des emplacements prévus pour le stockage provisoire de matériaux minéraux;
5 En cas de violation par le propriétaire ou l'exploitant de leurs obligations, le département peut prendre les mesures et infliger les sanctions prévues aux articles 23 à 34 de la présente loi. Concernant les responsabilités du propriétaire et de l'exploitant, il applique les dispositions pertinentes de la loi fédérale sur la protection de l'environnement, du 7 octobre 1983
Art. 16A Coordination des procédures (nouveau)
1 Lorsqu'il est prévu que des déchets minéraux de provenance extérieure à la gravière soient stockés provisoirement et/ou traités sur le site d'une gravière, une seule autorisation d'exploiter est délivrée par le département, laquelle comprend à la fois le volet autorisation d'exploiter une gravière au sens de la présente loi et celui relatif à l'autorisation d'exploiter une installation d'élimination de déchets au sens de la loi sur la gestion des déchets, du 20 mai 1999.
2 L'autorisation d'exploiter conjointe comprend également la durée maximale des activités de stockage provisoire et/ou de traitement de déchets minéraux de provenance extérieure à la gravière.
Art. 17, al. 5 et 6 (nouvelle teneur)
5 Le niveau du terrain remblayé, y compris la terre végétale et la sous-couche arable, est prévu dans le plan d'extraction. Le modelage final ne doit pas créer d'obstacles à l'écoulement des eaux de surface ou être de nature à augmenter les dangers d'inondation.
6 L'article 1, alinéa 1, lettre d, de la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988, n'est pas applicable si le niveau final du terrain correspond à celui du terrain naturel avant l'exploitation. Dans le cas contraire, la coordination des procédures, applicable au moment de la délivrance des autorisations d'exploiter (au sens de la présente loi) et de construire (au sens de la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988), est assurée de la manière suivante:
a) l'autorisation d'exploiter est la procédure directrice;
b) les demandes en autorisation d'exploiter et de construire sont déposées ensemble auprès du département. Ce dernier transmet la requête en autorisation de construire au département chargé de l'application de la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988, lequel l'instruit conformément à la législation applicable en la matière, notamment aux articles 3 et 4 de la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988, le délai de réponse prévu à l'article 4, alinéa 1, de la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988, étant toutefois porté à 90 jours;
c) à l'issue de l'instruction, le département chargé d'appliquer la loi sur les constructions et les installations diverses, du 14 avril 1988, transmet le dossier portant sur la requête en autorisation de construire à l'autorité directrice en lui indiquant si l'autorisation de construire peut être délivrée;
d) l'autorité directrice rend alors une seule décision portant sur les deux autorisations susmentionnées (décision globale).
Art. 18, al. 1 (nouvelle teneur)
1 Seuls peuvent être autorisés pour le remblayage, jusqu'à la couche sous-jacente, les matériaux suivants:
a) en secteur Au de protection des eaux : les matériaux de terrassement en pleine masse et les argiles ou limons de décantation des installations de lavage ou criblage de sable et gravier;
b) hors secteur de protection des eaux : tous les matériaux acceptés en secteur Au et les déchets minéraux provenant du tri des matériaux de démolition et déchets de chantiers, conformément à l'annexe 1, chiffres 11 et 12 de l'ordonnance fédérale sur le traitement des déchets, du 10 décembre 1990. Le département peut cependant refuser, dans certains périmètres, le remblayage d'une gravière par certains déchets minéraux, afin de garantir une protection optimale des eaux souterraines.
Art. 20 Etangs destinés à la pêche et/ou à la protection de la nature (nouvelle teneur avec modification de la note)
Lorsque le terrain s'y prête, le département peut, avec l'accord du propriétaire, de la commune et d'AgriGenève, supprimer l'obligation de remblayage en vue de l'aménagement d'étangs destinés à la pêche et/ou à la protection de la nature, respectivement aux conditions fixées à l'article 7A de la loi sur la pêche, du 20 octobre 1994, et à la législation en vigueur en matière de protection de la nature et du paysage, dans le respect des surfaces d'assolement. Dans tous les cas, l'exploitant de la gravière est informé.
Art. 22, al. 2, lettre a (nouvelle teneur), al. 3 (nouveau, les al. 3 à 5 anciens devenant les al. 4 à 6)
2 A cet effet, l'exploitant:
a) pourvoit à la mise en place des matériaux terreux conformément aux prescriptions du règlement d'application de la présente loi, du 19 avril 2000, et au règlement sur la protection des sols, du 16 janvier 2008;
3 Lors de la remise en état des lieux, le département peut, avec l'accord du propriétaire et après avoir recueilli le préavis de la commune et d'AgriGenève, préconiser des mesures particulières favorisant notamment la protection de la faune et de la flore locales.
Art. 23, lettre c (nouvelle, les lettres c à f anciennes devenant les lettres d à g)
Dans les limites des dispositions de l'article 24, le département peut ordonner les mesures suivantes:
c) l'évacuation des matériaux minéraux stockés provisoirement qui ne peuvent pas servir au remblayage de la gravière sur laquelle ils sont entreposés;
Art. 30 Amendes administratives (nouvelle avec modification de la note)
1 Est passible d'une amende administrative de 200 F à 400 000 F tout contrevenant:
a) à la présente loi ou à son règlement d'application;
b) aux ordres donnés par le département dans les limites de la présente loi et des règlements et arrêtés édictés en vertu de celle-ci.
2 Les amendes peuvent être infligées tant à des personnes morales qu'à des personnes physiques.
3 Le délai de prescription est de 7 ans à compter de la fin de l'exploitation de la gravière.
Art. 39 (nouvelle teneur)
1 Les frais de prospection et de surveillance, ainsi que ceux visant à remédier aux impacts liés aux gravières, sont partiellement couverts par un montant, fixé dans le règlement d'application de la présente loi, prélevé en fonction du volume global remblayé.
2 Ces montants sont affectés à raison de 40% aux frais de prospection et de surveillance et de 60% à la commune sur le territoire de laquelle se trouve la gravière.
3 Si une gravière est exploitée sur le territoire de deux ou plusieurs communes, le montant affecté à la commune est réparti entre elles, proportionnellement à la surface de gravière sur chacune d'entre elles.
Art. 43 Dispositions transitoires de la modification du 13 octobre 2011 (nouveau)
1 Les exploitants de gravières autorisées avant l'entrée en vigueur de la modification du 13 octobre 2011, désireux de traiter et/ou de stocker des matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, doivent en faire la requête auprès du département. L'autorisation ne peut être octroyée par ce dernier qu'après obtention de l'accord du ou des propriétaires des parcelles concernées. En cas de requête en autorisation de traitement et/ou de stockage provisoire de déchets minéraux, l'article 16A est applicable.
2 Si le département considère que le traitement de matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière implique des modifications importantes du plan d'extraction précédemment adopté, il peut requérir un complément à l'étude de l'impact sur l'environnement ou à la notice d'impact.
3 Si le département autorise le traitement et/ou le stockage de matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, l'article 10, lettre e, 3e phrase, est applicable.
4 Si l'exploitant d'une gravière autorisée avant l'entrée en vigueur de la modification du 13 octobre 2011 souhaite modifier le niveau du terrain par rapport au niveau initial, un nouveau plan d'extraction doit être adopté et une nouvelle autorisation d'exploiter et de construire (décision globale) délivrée, conformément à l'article 17, alinéa 6.
Art. 44 Evaluation de l'impact de la modification du 13 octobre 2011 (nouveau)
1 Le Conseil d'Etat évalue l'impact de la modification du 13 octobre 2011 deux ans après l'entrée en vigueur de cette dernière, sous forme d'un rapport au Grand Conseil. Ce rapport porte en particulier sur les résultats obtenus en matière de valorisation de matériaux minéraux sur les gravières ainsi que sur les besoins en capacité de stockage définitif desdits matériaux.
2 Par la suite, une évaluation globale de la loi est effectuée tous les 4 ans sous forme d'un rapport remis au Grand Conseil.
Art. 2Modifications à d'autres loi
[...]
Art. 3Entrée en vigueur
Le Conseil d'Etat fixe l'entrée en vigueur de la présente loi.
La loi 10702 a été publiée dans la Feuille d'Avis officielle du canton de Genève du 12 décembre 2011.
B.
Agissant par la voie du recours en matière de droit public, les sociétés A._, B._, C._ et D._ (cause 1C_55/2012) demandent au Tribunal fédéral d'annuler la loi 10702 du 13 octobre 2011, subsidiairement l'art. 7 al. 1 lettres i, q et r LGEA, l'art. 8 al. 2 lettre b LGEA, l'art. 15 al. 3 LGEA ainsi que l'art. 16A al. 1 LGEA modifiés par la loi précitée. Elles se plaignent pour l'essentiel d'une violation de la législation fédérale en matière d'aménagement du territoire et de protection de la nature et du paysage. Elles invoquent également le droit à l'égalité (art. 8 Cst.) et à la liberté économique (art. 27 Cst.).
Les communes d'Avusy, de Cartigny, de Chancy, de Laconnex et de Soral (cause 1C_56/2012) ont également formé un recours en matière de droit public. Les recourantes concluent à l'annulation de l'art. 7 al. 1 lettres q et r, de l'art. 8 al. 2 lettre b, de l'art. 10 lettre e dernière phrase, de l'art. 11 al. 1, deuxième partie de la phrase, de l'art. 15 al. 4 lettres b à d ainsi que de l'art. 16A de la loi 10702 modifiant la LGEA. Elles estiment que les dispositions attaquées sont incompatibles avec la législation fédérale en matière d'aménagement du territoire.
L'Association intercommunale du Grain de sable de la Champagne, les consorts E._ et F._ (cause 1C_57/2012) concluent à leur tour à l'annulation de l'art. 7 al. 1 lettres q et r, de l'art. 8 al. 2 lettre b, de l'art. 10 lettre e dernière phrase, de l'art. 11 al. 1, deuxième partie de la phrase, de l'art. 15 al. 4 lettres b à d ainsi que de l'art. 16A de la loi 10702 modifiant la LGEA. Les recourants estiment que les dispositions attaquées ne respectent pas la législation fédérale en matière d'aménagement du territoire.
Le Grand Conseil conteste la qualité pour recourir de A._, B._, C._ et D._ et, au fond, conclut au rejet des trois recours. Invité à se déterminer, l'Office fédéral du développement territorial a renoncé à prendre position. Toutes les parties ont présenté des observations complémentaires et persisté dans leurs conclusions.
Par ordonnance du 22 février 2012, le Président de la Ire Cour de droit public a refusé la requête d'effet suspensif et de mesures provisionnelles contenue dans le recours de A._, B._, C._ et D._ (cause 1C_55/2012).
Considérant en droit:
1.
1.1. Compte tenu de leur connexité, il se justifie de joindre les trois recours, dirigés contre un même acte normatif, afin de statuer en un seul arrêt.
1.2. La loi attaquée constitue un acte normatif cantonal et ne peut faire l'objet d'aucun recours dans le canton de Genève. Elle est par conséquent directement attaquable par un recours en matière de droit public (art. 82 let. b et 87 al. 1 LTF). Les trois recours, déposés en temps utile (art. 101 LTF en relation avec l'art. 46 al. 1 let. c LTF) et dans les formes requises (art. 42 LTF), sont en principe recevables.
1.3. En vertu de l'art. 89 al. 1 LTF, peut former un recours en matière de droit public quiconque est particulièrement atteint par l'acte normatif attaqué (let. b) et a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification (let. c). Lorsque le recours est dirigé, comme en l'espèce, contre un acte normatif cantonal, la qualité pour recourir appartient à toute personne dont les intérêts sont effectivement touchés par l'acte attaqué ou pourront l'être un jour; une simple atteinte virtuelle suffit, à condition toutefois qu'il existe un minimum de vraisemblance que le recourant puisse un jour se voir appliquer les dispositions contestées (ATF 136 I 17 consid. 2.1 p. 21; 135 II 243 consid. 1.2 p. 246 s. et les arrêts cités). Quant à l'intérêt digne de protection, il n'est pas nécessaire qu'il soit de nature juridique, un intérêt de fait étant suffisant (ATF 133 I 286 consid. 2.2 p. 290).
1.3.1. Les sociétés A._, C._ et D._ sont propriétaires de sites de recyclage de matériaux minéraux situés en zone industrielle et au bénéfice d'une autorisation délivrée après une étude d'impact sur l'environnement. B._ est également implantée en zone industrielle et son but social est l'exploitation de gravières, le commerce et la fabrication de matériaux de construction. Au vu de leurs activités, les recourantes sont susceptibles d'être touchées par la réglementation attaquée et la qualité pour recourir doit ainsi leur être reconnue.
1.3.2. Les communes d'Avusy, de Cartigny, de Chancy, de Laconnex et de Soral sont propriétaires de parcelles partiellement comprises dans le périmètre d'exploitation délimité par le plan directeur des gravières, voire de parcelles voisines de ce périmètre. Elles sont par conséquent susceptibles d'être touchées par la réglementation attaquée et ont qualité pour recourir.
1.3.3. Les consorts E._ et F._ sont tous propriétaires de parcelles sises entre 50 et 150 m du périmètre de la zone d'exploitation délimitée par le plan directeur des gravières. Susceptibles d'être touchés par les effets de l'acte attaqué, ils sont également légitimés à recourir. La question de la qualité pour agir de l'Association intercommunale du Grain de sable de la Champagne peut dès lors rester indécise.
2.
Dans leur réplique du 5 juillet 2012, les recourantes A._, B._, C._ et D._ requièrent une inspection locale.
Cette réquisition, formulée après l'échéance du délai de recours et par conséquent en principe irrecevable (art. 42 al. 1 LTF; cf. ATF 132 I 42 consid. 3.3.4 p. 47; cf. FLORENCE AUBRY GIRARDIN, Commentaire LTF, n. 19 ad art. 42), ne peut qu'être rejetée. Le Tribunal fédéral s'estime en effet suffisamment renseigné pour statuer en l'état du dossier et la question à résoudre est purement juridique.
3.
Les recourants contestent les nouvelles dispositions de la LGEA introduites par la loi litigieuse, en tant qu'elles permettent dorénavant qu'une gravière en cours d'exploitation soit utilisée pour déposer des matériaux étrangers à cette gravière et que le site d'exploitation d'une gravière abrite des installations utilisées pour le traitement de matériaux de provenance extérieure à la gravière. Ils estiment que ces activités et installations ne sont pas conformes à l'affectation de la zone gravière, ni imposées par leur destination hors de la zone à bâtir, mais doivent rester implantées en zone industrielle. Les modifications litigieuses seraient dès lors incompatibles avec la loi fédérale du 22 juin 1979 sur l'aménagement du territoire (LAT; RS 700).
Dans le cadre d'un contrôle abstrait, le Tribunal fédéral s'impose une certaine retenue eu égard notamment aux principes découlant du fédéralisme et de la proportionnalité. Dans ce contexte, ce qui est décisif, c'est que la norme mise en cause puisse, d'après les principes d'interprétation reconnus, se voir attribuer un sens compatible avec les dispositions du droit supérieur. Pour en juger, il faut notamment tenir compte de la portée de l'atteinte aux droits en cause, de la possibilité d'obtenir ultérieurement, par un contrôle concret de la norme, une protection juridique suffisante, et des circonstances concrètes dans lesquelles ladite norme sera appliquée (arrêt 2C_506/2008 du 2 février 2009, consid. 2; ATF 129 I 12 consid. 3.2 p. 15; 128 I 327 consid. 3.1 p. 334 s. et les arrêts cités). Le Tribunal fédéral n'annule les dispositions attaquées que si elles ne se prêtent à aucune interprétation conforme au droit constitutionnel ou si, en raison des circonstances, leur teneur fait craindre avec une certaine vraisemblance qu'elles soient interprétées de façon contraire à la Constitution (ATF 134 I 293 consid. 2 p. 295; 130 I 82 consid. 2.1 p. 86; 119 Ia 321 consid. 4 p. 325 s.). Le Tribunal fédéral fait aussi preuve de retenue lorsqu'il s'agit de tenir compte de circonstances locales ou de trancher de pures questions d'appréciation (ATF 121 I 279 consid. 3d p. 284; 120 Ia 74 consid. 5 p. 79).
Selon l'art. 49 al. 1 Cst., le droit fédéral prime le droit cantonal qui lui est contraire. Ce principe constitutionnel de la primauté du droit fédéral fait obstacle à l'adoption ou à l'application de règles cantonales qui éludent des prescriptions de droit fédéral ou qui en contredisent le sens ou l'esprit, notamment par leur but ou par les moyens qu'elles mettent en oeuvre, ou qui empiètent sur des matières que le législateur fédéral a réglementées de façon exhaustive (ATF 137 I 167 consid. 3.4 p. 174; 135 I 106 consid. 2.1 p. 108; 131 I 333 consid. 2.1 p. 335 et les arrêts cités).
4.
Les zones de gravière sont des autres zones d'affectation au sens de l'art. 18 LAT. Le régime des autorisations de construire à l'intérieur de ces zones varie selon que la zone est ou non constructible (art. 22 à 24 LAT). Dans le canton de Genève, les zones de gravière sont, en règle générale, délimitées dans la zone agricole (art. 21A de la loi cantonale d'application de la LAT du 4 juin 1987 (LaLAT; RS/GE L 1 30). Les constructions qui respectent la destination de cette zone sont alors autorisées selon l'art. 22 LAT, mais l'art. 24 LAT reste applicable pour les constructions et les installations non conformes à la destination de telles zones.
Aux termes de l'art. 24 LAT, des autorisations peuvent être délivrées en dérogation à l'art. 22, al. 2, let. a, pour de nouvelles constructions ou installations ou pour tout changement d'affectation si l'implantation de ces constructions ou installations hors de la zone à bâtir est imposée par leur destination (let. a) et si aucun intérêt prépondérant ne s'y oppose (let. b).
Une construction ou installation est imposée par sa destination hors de la zone à bâtir si, pour des motifs objectifs, elle ne peut remplir ses fonctions que si elle est réalisée à un endroit déterminé (aspect positif de l'exigence; positive Standortgebundenheit ). Tel est le cas des carrières, gravières et glaisières, qui doivent être implantées là où gisent les matériaux recherchés et où leur extraction est réalisable d'un point de vue technique et économique, mais non pas d'un dépôt de matériaux de récupération (ATF 112 Ib 277 consid. 6a). La démonstration des raisons objectives doit aussi comprendre un exposé de la durée du besoin: les constructions et installations qui ne sont plus utilisées après une brève période d'exploitation peuvent tout au plus être autorisées - si le besoin ne peut être satisfait à l'intérieur de la zone à bâtir - pour une durée limitée, après quoi elles devront être supprimées (Rudolf Muggli, Commentaire LAT, n. 10 ad art. 24 LAT).
Un ouvrage est également imposé par sa destination hors de la zone à bâtir s'il est exclu de l'implanter en zone à bâtir en raison des immissions qu'il produit (aspect négatif de l'exigence; negative Standortgebundenheit ); cette question ne doit pas être traitée de manière abstraite mais en fonction du cas d'espèce et de la situation régionale. La raison invoquée doit également être objective.
L'implantation hors de la zone à bâtir d'une nouvelle construction ou installation, appartenant à la même exploitation déjà autorisée, n'est pas automatiquement imposée par sa destination. On peut toutefois l'admettre si l'entreprise principale justifie d'un besoin particulier, économique ou technique, d'implanter l'installation complémentaire au lieu prévu et selon les dimensions envisagées ( PIERMARCO ZEN-RUFFINEN/ CHRISTINE GUY-ECABERT, Aménagement du territoire, construction, expropriation, 2001, ch. 577; Muggli, op. cit., n. 13 ad art. 24 LAT; arrêt 1A.115/2003 du 23 février 2004 consid. 2.6; ATF 124 II 252 consid. 4).
5.
5.1. En l'espèce, la LGEA a pour but de planifier l'extraction des matériaux en vue d'une utilisation rationnelle du territoire, de garantir un approvisionnement du canton en gravier, sable et argile indigènes en quantité et diversité suffisantes, de promouvoir une valorisation optimale des matériaux minéraux et de veiller à un remblayage des gravières dans le respect des législations fédérale et cantonale en matière de gestion des déchets et de protection de la nature et du paysage (art. 2 al. 1 LGEA). Afin de garantir le respect des buts énoncés ci-avant, l'exploitation des gravières est subordonnée à l'élaboration d'un plan directeur des gravières, à l'adoption d'un plan d'affectation, dit "plan d'extraction", et à l'octroi d'une autorisation d'exploiter (art. 3 LGEA).
Le canton de Genève pose ainsi les bases légales de la planification des gravières et exploitations assimilées. Cette étape législative est, en soi, conforme aux exigences du droit fédéral.
Les plans d'extraction, élaborés par le département compétent ou présentés par les propriétaires, doivent permettre d'effectuer une pesée globale de tous les intérêts concernant l'aménagement du territoire, la protection de l'environnement, la gestion des eaux et la protection de la nature et du paysage (art. 7 LGEA). Le département devra en outre se conformer au principe de coordination au sens de l'art. 25a LAT. En vertu de l'art. 6 al. 1 LGEA, ces plans sont adoptés par le Conseil d'Etat, conformément à l'art. 15 al. 2 de la loi cantonale d'application de la LAT du 4 juin 1987 (LaLAT; RS/GE L 1 30) et selon la procédure prévue à l'art. 5 de la loi cantonale du 9 mars 1929 sur l'extension des voies de communication et l'aménagement des quartiers ou localités (LExt; RS/GE L 1 40). Ils sont ainsi notamment soumis à une enquête publique et peuvent faire l'objet d'opposition avant d'être adoptés par le Conseil d'Etat.
Dès que le plan d'extraction a été adopté par le Conseil d'Etat, les autorisations d'exploiter sont délivrées par le service cantonal compétent après avoir examiné les différents préavis sectoriels et effectué une pesée des intérêts (cf. art. 8 ss LGEA).
5.2. Les modifications litigieuses de la LGEA prévoient la possibilité d'entreposer et/ou de traiter dans une gravière des matériaux minéraux de provenance extérieure à la gravière, au moyen d'installations de recyclage et d'élimination des déchets temporaires. Cette possibilité n'est pas a priori contraire au droit fédéral puisque, en vertu de l'art. 24 LAT, une construction ou installation peut être autorisée en zone gravière, en dérogation à l'art. 22 al. 2 LAT, si elle est imposée par sa destination hors de la zone à bâtir, s'il est exclu de l'implanter en zone à bâtir ou si l'entreprise principale justifie d'un besoin particulier d'implanter l'installation complémentaire à l'endroit prévu (cf. consid. 4 ci-dessus).
La question de savoir si, dans un cas particulier, une gravière peut obtenir l'autorisation de stocker provisoirement et/ou traiter sur son site des déchets minéraux de provenance extérieure, doit être examinée dans le cadre de la procédure d'adoption du plan d'extraction ou, au plus tard, lors de la délivrance de l'autorisation d'exploiter. Il appartiendra en effet à l'autorité compétente de contrôler, à ces stades, la conformité de ces activités et installations aux exigences du droit fédéral - en particulier de l'art. 24 LAT ainsi que des lois sur la protection de l'environnement et sur la protection des eaux - et du droit cantonal topique.
Le plan d'extraction et l'autorisation d'exploiter peuvent au demeurant faire l'objet d'un contrôle judiciaire et les participants à la procédure pourront alors faire vérifier si les dispositions litigieuses sont effectivement interprétées de façon conforme au droit fédéral.
Sur le vu de ce qui précède, les modifications contestées de la LGEA ne consacrent pas une violation de la LAT. Le recours doit être rejeté sur ce point.
6.
Les recourantes A._, B._, C._ et D._ se plaignent encore d'une violation des principes de l'égalité (art. 8 Cst.) et de la liberté économique (art. 27 Cst.). Elles font valoir qu'une restriction à la liberté économique implique, conformément à l'art. 36 Cst., l'obligation pour l'Etat de respecter l'égalité entre concurrents directs. Or, avec les modifications litigieuses, une activité de recyclage pourra dorénavant être autorisée en zone agricole, où le prix du terrain est de 10 fr. le m2 (contre 150 fr. en zone industrielle). Il sera ainsi très problématique pour les recourantes de rester concurrentielles avec leurs installations situées en zone industrielle.
Il s'avère effectivement que les dispositions modifiées de la LGEA peuvent avoir pour conséquence de favoriser certaines installations de recyclage, sises en zone de gravière, où le prix du terrain est moins élevé qu'en zone industrielle. Il ne faut toutefois pas perdre de vue que les installations de traitement de matériaux minéraux autorisées sur les sites des gravières n'auront qu'un caractère provisoire (cf. art. 15 al. 3 LGEA). Elles ne peuvent dès lors pas être comparées à des installations sises en zone industrielle. Au surplus, une éventuelle restriction à la liberté économique est justifiée par des intérêts publics prépondérants et est proportionnée au but visé. Il ressort en effet de l'exposé des motifs du Conseil d'Etat que l'interdiction de traiter des matériaux étrangers à la gravière entraverait fortement les opportunités de recyclage, en particulier pour les matériaux d'excavation dont une part pourrait être valorisée. Le traitement de matériaux minéraux sur le site d'une gravière ne remettrait par ailleurs pas en question le retour de la zone de gravière, une fois remblayée, à son affectation d'origine.
Il s'ensuit que l'éventuelle inégalité de traitement entre concurrents induite par les modifications litigieuses est compatible avec l'art. 36 Cst.
7.
Les considérants qui précèdent conduisent au rejet des recours. Les recourants, qui succombent, doivent supporter les frais judiciaires (art. 65 et 66 al. 1 TF). Conformément à l'art. 66 al. 4 LTF, les communes d'Avusy, de Cartigny, de Chancy, de Laconnex et de Soral ne sont pas assujetties aux frais judiciaires.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1.
Les causes 1C_55/2012, 1C_56/2012 et 1C_57/2012 sont jointes.
2.
Les recours sont rejetés.
3.
3.1. Des frais judiciaires, fixés à 4'000 fr., sont mis à la charge des recourantes A._ et consorts, solidairement entre elles (1C_55/2012).
3.2. Des frais judiciaires, fixés à 4'000 fr., sont mis à la charge des recourants Association intercommunale du Grain de sable de la Champagne et consorts, solidairement entre eux (1C_57/2012).
4.
Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des recourants, au Grand Conseil du canton de Genève et à l'Office fédéral du développement territorial.
Lausanne, le 27 juin 2013
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Mabillard