Évaluation des processus de mobilisation des lanthanides dans les eaux porales des tourbières en contexte minier

Essifi, Maroua (2024). Évaluation des processus de mobilisation des lanthanides dans les eaux porales des tourbières en contexte minier. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1671

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Résumé

RÉSUMÉ

Ce projet de recherche vise à quantifier les paramètres gouvernant la mobilisation et l’immobilisation des lanthanides dans les eaux porales d’une tourbière afin d’évaluer sa vulnérabilité face aux activités de dénoyage. Le site faisant l’objet de cette recherche consiste en une tourbière adjacente à la mine à ciel ouvert Akasaba Ouest de Mines Agnico Eagle, dans le bassin versant de la rivière Bourlamaque, au sud-est du de la ville de Val-d’Or. Les approches méthodologiques déployées incluent (1) le suivi automatisé des charges hydrauliques dans 18 puits d’observation installés dans la tourbière, (2) l’application d’une procédure d’ultrafiltration séquentielle (0,45 μm, 100 kDa, 30 kDa, 10 kDa, 3 kDa) sur six échantillons d’eau prélevés dans la tourbière et un ruisseau la drainant, (3) l’évaluation de la spéciation des lanthanides par modélisation géochimique, et (4) l’évaluation de l’écoulement et du transport de masse par solution analytique et modélisation numérique.

Les fluctuations qui sont observées dans les charges hydrauliques entre 2019 et 2023 reflètent les effets des conditions hydrologiques et climatiques, avec des étiages vers la fin de l’été et de l’hiver et des hautes eaux au printemps et à l’automne. En 2023, à la suite de l’initiation du dénoyage de la mine, les puits d’observation situés à proximité de la fosse ont montré une diminution des charges hydrauliques. Les analyses réalisées sur les filtrats de la séquence d’ultrafiltration suggèrent que les lanthanides, le fer et l’aluminium sont principalement présents sous forme colloïdale (tailles entre 0,45 μm et 3 kDa), alors que la phase réellement dissoute (< 3 kDa) est significativement moins abondante. Les données suggèrent que les lanthanides seraient principalement associés la matière organique et à des oxyhydroxydes de Fe présents sous forme colloïdale. Les calculs de spéciation réalisés avec le Stockholm Humic Model dans Visual MINTEQ suggèrent que les lanthanides sont fortement liés à la matière organique et que le pH influence significativement leur spéciation dans les eaux riches en matière organique. Les calculs réalisés avec la solution analytique d’Ogata et par simulation numérique dans SEEP/W et CTRAN/W suggèrent qu’en l’absence de colloïdes migrant dans les eaux porales, les lanthanides seraient donc essentiellement immobiles en raison de leur sorption sur la matière organique. Les simulations numériques suggèrent que la présence de macropores dans la tourbe (piping) pourrait significativement augmenter la vitesse de transport des lanthanides dans la tourbe. Les résultats de simulations soulignent aussi l’importance de mieux évaluer les processus de filtration colloïdale au sein de la matrice poreuse afin de documenter les mécanismes de rétention des colloïdes et des substances associées lors de l’écoulement en milieu poreux. Ultimement, les données issues de ce travail de recherche fournissent de nouvelles connaissances sur l’impact du dénoyage minier sur l’hydrogéochimie des tourbières et, plus spécifiquement, sur les mécanismes de transport des lanthanides. La question de l’évaluation du comportement hydrogéochimique des lanthanides en contexte minier revêt un intérêt particulier, notamment dans le contexte de l’intérêt récent et grandissant pour l’exploitation des minéraux stratégiques et critiques.

ABSTRACT

The objective of this research project is to quantify the parameters governing the mobilization and immobilization of lanthanides in the porewaters of a peatland located near an active open pit mine where dewatering occurs. The research site corresponds to a peatland situated near the Akasaba West open-pit mine operated by Agnico Eagle Mines, within the Bourlamaque River watershed to the southeast of Val-d'Or. The methodological approaches deployed include the following: (1) an automated monitoring of hydraulic heads in 18 observation wells installed in the peatland; (2) the application of a sequential ultrafiltration procedure (0.45 μm, 100 kDa, 30 kDa, 10 kDa, 3 kDa) on six water samples obtained from the peatland and a stream that drains it, (3) the assessment of lanthanide speciation through geochemical modeling, and (4) the evaluation of flow and mass transport through analytical solution and numerical modeling.

Fluctuations in hydraulic heads between 2019 and 2023 are indicative of the impact of hydrological and climatic conditions, with low water levels observed during the late summer and winter months and high-water levels in spring and autumn. Following the commencement of mine dewatering in 2023, a decrease in hydraulic heads was observed in observation wells situated in the vicinity of the pit. The analyses conducted on the ultrafiltration sequence's filtrates suggest that the lanthanides, iron, and aluminum are predominantly present in a colloidal state (with sizes between 0.45 μm and 3 kDa), while the truly dissolved phase (with sizes below 3 kDa) is notably less abundant. The data suggest that lanthanides are predominantly associated with organic matter and Fe oxyhydroxides in a colloidal state. Speciation calculations conducted with the Stockholm Humic Model in Visual MINTEQ suggest that lanthanides are strongly bound to organic matter, with pH exhibiting a pronounced influence on their speciation in organic-rich waters. Calculations employing Ogata's analytical solution and numerical simulations in SEEP/W and CTRAN/W suggest that, in the absence of colloids migrating into pore waters, lanthanides would exhibit minimal mobility due to their sorption. The results of numerical simulations suggest that the presence of macropores in peat (piping) could result in a notable increase in the transport rate of lanthanides in peat. Furthermore, the simulations underscore the necessity for more rigorous assessment of colloidal filtration processes within porous matrices. This is essential to document the retention mechanisms of colloids and associated substances during flow in porous media. In conclusion, the data produced by this research provide novel insights into the influence of mine dewatering on peatland hydrogeochemistry, with a particular focus on lanthanide transport mechanisms. The assessment of the hydrogeochemical behaviour of lanthanides in a mining context is of particular interest, particularly considering the recent and growing interest in the exploitation of strategic and critical minerals.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Rosa, Eric
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Cloutier, Vincent et Neculita, Carmen Mihaela
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Ultrafiltration, lanthanides, colloïdes, matière organique, substances humiques, spéciation, transport de masse, dénoyage minier, colloids, organic matter, humic substances, speciation, mass transport, mine dewatering
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	17 avr. 2025 19:12
Dernière modification:	17 avr. 2025 19:12
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1671

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