Évolution des résidus miniers et de la qualité des eaux du site Lorraine (Québec) vingt-cinq ans après la mise en place d'une couverture à effets de barrière capillaire

Méité, Mohamed (2026). Évolution des résidus miniers et de la qualité des eaux du site Lorraine (Québec) vingt-cinq ans après la mise en place d'une couverture à effets de barrière capillaire. (Thèse de doctorat). Polytechnique Montréal. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1886

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Résumé

RÉSUMÉ

Cette thèse visait à examiner l’évolution géochimique et minéralogique des résidus miniers ainsi que la qualité des eaux du site Lorraine (Québec), vingt-cinq ans après la mise en place d’une couverture à effets de barrière capillaire (CEBC), dans un contexte de contrôle du drainage minier acide (DMA). L’objectif principal était d’identifier les mécanismes hydrogéochimiques gouvernant le comportement des résidus oxydés afin d’évaluer l’évolution des qualités d’eaux et la performance de la restauration à long terme.

L'approche méthodologique a reposé sur une investigation multi-échelle combinant la caractérisation in situ des profils hydrogéochimiques et de la qualité des eaux interstitielles et souterraines, l'analyse temporelle des tendances post-restauration, les tests de colonne cinétique simulant les conditions de restauration, la modélisation géochimique (Visual MINTEQ) et la caractérisation minéralogique et microbiologique des résidus.

Les résultats obtenus démontrent que la CEBC agit efficacement comme barrière à l’oxygène via le maintien d’un degré de saturation élevé dans la couche de rétention d’humidité, limitant ainsi la diffusion de l’oxygène et réduisant significativement les taux d’oxydation des sulfures. Cette réduction s’est traduite par une atténuation marquée de la production d’acidité et des flux de métaux dissous, confirmant l’efficacité de cette méthode de restauration par CEBC à moyen et long terme.

Cependant, l’étude a mise évidence la persistance d’une oxydation résiduelle localisée, associée à des micro-environnements oxydants hérités de la période pré-restauration. Ces zones sont caractérisées par une oxydation indirecte des sulfures via le Fe³⁺, soutenue par la présence de communautés microbiennes impliquées dans les cycles du fer et du soufre. Cette réactivité résiduelle contribue à maintenir des gradients hydrogéochimiques verticaux et à alimenter localement les eaux interstitielles en sulfates et en métaux.

La présence de phases secondaires ferriques et sulfatées (e.g., oxyhydroxydes de Fe, jarosite) joue un rôle central dans le contrôle des concentrations dissoutes, en favorisant l’adsorption et la coprécipitation des métaux traces tels que le Ni et le Zn. La chimie des eaux souterraines reflète ainsi un équilibre dynamique entre limitation de l’oxydation, contrôle par les phases secondaires et processus de transport des solutés.

Les essais en colonnes ont permis de reproduire presque fidèlement les trajectoires géochimiques observées in situ, validant leur pertinence pour simuler les conditions post-restauration et quantifier les cinétiques de libération et d’atténuation des espèces dissoutes. La modélisation géochimique confirme que le pH, la spéciation des éléments et les états de saturation minérale constituent des facteurs déterminants dans le contrôle des concentrations dissoutes.

Cette étude propose un modèle conceptuel montrant que le comportement hydrogéochimique du site Lorraine résulte d’un compromis entre la réduction des flux d’oxygène induite par la CEBC, l’héritage géochimique des produits d’oxydation préexistants, les processus microbiens, et les mécanismes de neutralisation et de piégeage des métaux. La position de la nappe phréatique apparaît comme un facteur clé contrôlant la variabilité spatiale des conditions redox et des processus réactifs.

En outre, sur le plan opérationnel, les résultats soulignent que la performance de la CEBC dépend fortement du maintien de conditions hydriques optimales et qu’elle doit être évaluée dans une perspective dynamique intégrant les gradients hydrogéochimiques et la variabilité saisonnière. La persistance de processus réactifs localisés indique que la mise en restauration (par CEBC), ne permettent pas d’atteindre une « inertie complète », mais plutôt à une stabilisation progressive contrôlée.

Ces travaux contribuent ainsi à renforcer la compréhension des mécanismes de contrôle à long terme dans les sites restaurés par CEBC et propose un cadre conceptuel transférable à d’autres contextes miniers. Ils mettent en évidence la nécessité d’approches intégrées combinant suivi à long terme, essais expérimentaux et modélisation couplée pour évaluer de manière robuste la durabilité des stratégies de restauration.

ABSTRACT

This thesis aimed to examine the geochemical and mineralogical evolution of mine tailings and the water quality at the Lorraine site (Quebec), twenty-five years after the installation of a cover with capillary barrier effects (CCBE) in the context of acid mine drainage (AMD) control. The main objective was to identify the hydrogeochemical mechanisms governing the behavior of oxidized tailings in order to assess the evolution of water quality and the long-term performance of the reclamation.

Methodology approach was based on a multi-scale investigation combining in situ characterization of hydrogeochemical profiles and the quality of pore and groundwater, temporal analysis of post-restoration trends, kinetic column tests simulating the restauration conditions, geochemical modeling (Visual MINTEQ), and mineralogical and microbiological characterization of the tailings.

The results obtained demonstrate that CCBE works effectively as an oxygen barrier by maintaining a high degree of saturation in the moisture retention layer, thus limiting oxygen diffusion and significantly reducing sulfide oxidation rates. This reduction resulted in significant decrease of acid generation and dissolved metal fluxes, thereby confirming the effectiveness of CCBE methods as a reclamation strategy over the medium to long term.

However, the study highlights the persistence of localized residual oxidation, associated with oxidizing microenvironments inherited from the pre-restauration period. These zones are characterised by indirect oxidation of sulphides via Fe³⁺, supported by the presence of microbial communities involved in the iron and sulphur cycles. This residual reactivity contributes to the maintenance of vertical hydrogeochemical gradients and to locally supply the pore waters with sulfate and dissolved metals.

The presence of ferric and sulfate secondary phases (e.g., Fe oxyhydroxides, jarosite) plays a central role in controlling dissolved concentrations by promoting the precipitation, adsorption, and co-precipitation of trace metals such as Ni and Zn. Groundwater chemistry thus reflects a dynamic equilibrium between oxidation limitation, control by secondary phases, and solute transport processes.

Column tests have successfully reproduced the geochemical pathways observed in situ, confirming their suitability for simulating post-restoration conditions and quantifying the release and attenuation kinetics of dissolved species. Geochemical modelling confirms that pH, element speciation and mineral saturation states are key factors in controlling dissolved concentrations.

This study proposes a conceptual model showing that the hydrogeochemical behavior of the Lorraine site results from a balance between the reduction in oxygen fluxes induced by the CCBE , the geochemical legacy of pre-existing oxidation products, microbial processes, and mechanisms of metal neutralisation and sequestration.. The position of the water table appears as a key factor controlling the spatial variability of redox conditions and reactive processes.

Furthermore, from an operational perspective, the results highlight that the performance of CCBE depends heavily on maintaining optimal water conditions and that it must be assessed from a dynamic perspective integrating hydrogeochemical gradients and seasonal variability. The persistence of localized reactive processes indicates that restauration (via CCBE) does not lead to “complete inertia”, but rather to a gradual, controlled stabilization.

This research thus contributes to improve our understanding of long-term control mechanisms at sites restored by CEBC and provides a conceptual framework that can be applied to other mining contexts. It highlights the need for integrated approaches combining long-term monitoring, experimental testing, and coupled modeling to robustly assess the sustainability of restauration strategies.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Plante, Benoît
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Demers, Isabelle et Pabst, Thomas
Informations complémentaires:	Institution en extension : Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue.
Mots-clés libres:	Résidus miniers sulfurés; drainage minier acide; couverture à effets de barrière capillaire; hydrogéochimie; performance à long terme de la restauration
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	25 sept. 2026 18:08
Dernière modification:	25 sept. 2026 18:08
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1886

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