Évaluation de l’influence de la variabilité climatique sur le traitement et la gestion des eaux minières du site minier fermé East-Sullivan (Québec, Canada)

Malki, Assem (2025). Évaluation de l’influence de la variabilité climatique sur le traitement et la gestion des eaux minières du site minier fermé East-Sullivan (Québec, Canada). (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1693

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Résumé

RÉSUMÉ

Le site minier abandonné d’East-Sullivan (Québec), exploité entre 1949 et 1966, a généré environ 15 millions de tonnes de rejets miniers riches en sulfures et 200 000 tonnes de roches stériles acides, entraînant un drainage minier acide (DMA) très contaminé et qui a gravement altéré la qualité des eaux pendant plusieurs décennies. En 1990, soit 25 ans après sa fermeture, le site présentait un pH avoisinant 3 et des concentrations métalliques extrêmes, incluant jusqu’à 17 g/L Fe, 37 g/L sulfates, ainsi que 0,1-1 g/L de Cu, Pb et Zn, dépassant ainsi largement les seuils réglementaires. Cette étude vise à analyser l’évolution de la qualité des eaux du site en se basant sur des données de suivi sur une durée de 24 ans (2000-2023), en se concentrant sur les paramètres clés tels que le pH, la conductivité électrique (CE), les matières en suspension (MES) et les concentrations en métaux dissous (Fe, Zn, Mn). Un second objectif est d’évaluer l’impact potentiel de la variabilité climatique sur ces paramètres, en intégrant des données hydroclimatiques (précipitations, température, débit de la rivière Bourlamaque qui est à proximité du site) et en appliquant des analyses statistiques avancées, notamment l’analyse en composantes principales (ACP). La méthodologie adoptée combine l’analyse de données historiques, la télédétection et des méthodes statistiques avancées pour évaluer l’évolution de la qualité des eaux du site East-Sullivan. Les données géochimiques et hydroclimatiques (2000-2023) ont été compilées, nettoyées et analysées. La télédétection a été explorée pour estimer certaines valeurs manquantes, notamment pour le pH, les MES et la CE, mais a montré des limites en raison de la non-similitude entre les indices spectrales utilisés et le site d’étude. Pour compléter ces estimations, la régression linéaire multiple a été utilisée afin d’estimer les paramètres manquants. Enfin, l’ACP a permis d’identifier les relations entre les variations climatiques et la dynamique géochimique du site.

Selon les résultats obtenus, l’évolution des eaux montre trois grandes phases : entre 2000 et 2005, les eaux restent acides (pH ~3,3) avec des concentrations élevées de sulfates et de certains métaux (Fe > 100 mg/L). Dans la deuxième période (2006-2016), qui débute après la mise en place de mesures de restauration, notamment une couverture organique et la recirculation des eaux à travers la couverture organique (1998-2005), le pH augmente progressivement jusqu’à atteindre des valeurs proches de la neutralité, tandis que les concentrations en fer diminuent de plus de 75 % (de ~108 mg/L, en 2000, à ~26 mg/L, en 2005), et celles du zinc restent sous 2 mg/L depuis les années 2010. Enfin, la troisième période, post-2017, marquée par le dépôt de résidus Goldex, montre une stabilisation générale du pH, ainsi qu’une augmentation ponctuelle de la concentration des sulfates (jusqu’à 1600 mg/L) et des MES, dans certains points de suivi (ES-07 et ES-CR4), suggérant des interactions avec ces nouveaux matériaux. L’ACP a révélé que la variabilité climatique influence modérément la dynamique géochimique du site. Les précipitations élevées induisent une dilution temporaire des contaminants, réduisant la CE et les concentrations en métaux dissous (corrélation négative R2= -0,7 à -0,8), tandis que les périodes de sécheresse favorisent leur concentration élevée. Cependant, ces variations climatiques restent secondaires par rapport aux effets des stratégies de gestion appliquées. L’intégration de la télédétection a été explorée pour estimer certains paramètres géochimiques (pH, MES, CE) à partir d’indices spectraux issus des images satellites, mais cette approche s’est avérée limitée en raison de la faible résolution spatiale et du manque d’indices spécifiques au site. Ces résultats confirment que la restauration progressive du site a permis d’améliorer considérablement la qualité des eaux, avec une réduction marquée de l’acidité et des concentrations métalliques. Toutefois, la gestion du site doit rester adaptative face aux épisodes climatiques extrêmes, notamment les fortes précipitations qui peuvent remobiliser certains contaminants. Il est essentiel de garder à l’esprit que les données utilisées dans ce projet proviennent d’un programme de suivi environnemental associé aux travaux de restauration et à l’application des directives réglementaires. Recueillies initialement sans objectif de recherche scientifique, ces données présentent une irrégularité marquée, tant au niveau de la fréquence que de la couverture temporelle. De plus, d’une année à l’autre, les périodes couvertes par les données ne sont pas les mêmes, ce qui entraîne un décalage interannuel important. Cette irrégularité limite donc la pleine exploitation des données dans un cadre de recherche structuré.

ABSTRACT

The abandoned East Sullivan mine site (Québec), operated between 1949 and 1966, generated approximately 15 million tonnes of sulfide-rich mine tailings and 200,000 tonnes of acid-generating waste rock, resulting in highly contaminated acid mine drainage (AMD) that severely impacted water quality for several decades. In 1990, 25 years after mine closure, the site still exhibited a pH close to 3 and extreme metal concentrations, including up to 17 g/L of Fe, 37 g/L of sulfates, and between 0.1 and 1 g/L of Cu, Pb, and Zn, significantly exceeding regulatory thresholds.

This study aims to assess the evolution of water quality at the site using 24 years of monitoring data (2000–2023), focusing on key parameters such as pH, electrical conductivity (EC), total suspended solids (TSS), and concentrations of dissolved metals (Fe, Zn, Mn). A secondary objective is to evaluate the potential impact of climate variability on these parameters by integrating hydroclimatic data (precipitation, temperature, and streamflow from the nearby Bourlamaque River) and applying advanced statistical analyses, notably principal component analysis (PCA).

The methodology combines historical data analysis, remote sensing, and advanced statistical methods to evaluate the water quality evolution at the East Sullivan site. Geochemical and hydroclimatic datasets (2000-2023) were compiled, cleaned, and analyzed. Remote sensing was explored to estimate missing values, particularly for pH, TSS, and EC; however, this approach was limited by the lack of similarity between spectral indices used and the study area. To supplement these estimations, multiple linear regression was employed to estimate missing parameters. Finally, PCA was used to identify relationships between climatic variations and geochemical dynamics at the site.

The results highlight three major phases in water quality evolution. Between 2000 and 2005, water remained highly acidic (pH ~3.3), with elevated concentrations of sulfates and metals (Fe > 100 mg/L). In the second period (2006-2016), following the implementation of restoration measures, specifically the application of an organic cover and the recirculation of water through this cover (1998–2005), pH levels progressively increased toward near-neutral values. During this period, iron concentrations decreased by over 75% (from ~108 mg/L in 2000 to ~26 mg/L in 2005), and zinc concentrations have remained below 2 mg/L since the 2010s.

The third period, post-2017, marked by the disposal of Goldex tailings, shows a general stabilization of pH but a temporary increase in sulfate concentrations (up to 800 mg/L) and TSS, in some sampling points (ES-07 et ES-CR4), suggesting interactions with the newly introduced materials. PCA revealed that climate variability moderately influences the site’s geochemical dynamics. High precipitation events tend to induce temporary dilution of contaminants, lowering EC and dissolved metal concentrations (negative correlation R2= -0.7 to -0.8), whereas drought periods promote their concentration increase. Nonetheless, these climatic effects remain secondary to the influence of implemented site management strategies.

The integration of remote sensing to estimate geochemical parameters (pH, TSS, EC) using spectral indices from satellite imagery was also explored, though this approach proved limited due to low spatial resolution and the lack of site-specific spectral indicators. Overall, the results confirm that progressive site restoration significantly improved water quality, with a marked reduction in acidity and metal concentrations. However, site management must remain adaptive to extreme climatic events, particularly heavy rainfall, which may remobilize certain contaminants. It is essential to keep in mind that the data used in this project comes from an environmental monitoring program associated with restoration work and the application of regulatory directives. Initially collected without a scientific research objective, these data exhibit significant irregularity in terms of both frequency and temporal coverage. Additionally, from one year to another, the periods covered by the data are not consistent, leading to a significant interannual gap. This irregularity therefore limits the full use of the data in a structured research framework.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Neculita, Carmen Mihaela
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Rosa, Éric et Cloutier, Vincent
Informations complémentaires:	Institution en extension : Polytechnique Montréal.
Mots-clés libres:	Variabilité climatique, traitement des eaux, gestion des eaux, site minier fermé
Divisions:	Génie > Maîtrise en génie minéral
Date de dépôt:	23 juin 2025 17:40
Dernière modification:	23 juin 2025 17:40
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1693

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