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Drainage minier acide

Un drainage minier acide (DMA) ou encore " drainage rocheux acide " (DRA) est une solution minérale acide qui s'écoule régulièrement en conséquence d'une mine.

Le phénomène en cause est spontané sur les affleurements de minéraux sulfurés, naturellement sujets à une oxydation par contact avec l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) et l'eau : de manière lente (La Lente est une rivière de la Toscane.), il y a production d'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire,...) sulfurique et solubilisation des métaux présents.

Lors des travaux miniers (excavations et pompages), l'équilibre chimique de ces affleurements et des gisements profonds de sulfures métalliques est perturbé par des conditions oxydantes soudaines ; cette réaction prend une ampleur suffisante pour entraîner des écoulements importants.

Mécanismes de formation

Origine du phénomène

Les minéralisations du sous-sol sont dues à des circulations de fluides qui transportent des cations métalliques qui vont être piégés dans les horizons réducteurs. Or l’exploitation minière va brusquement modifier les conditions d'oxydo-réduction à l’origine du gisement en dénoyant les roches et en les exposant (Exposant peut signifier:) à l’air. Une mine exploitée représente en effet plusieurs kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la...) de galeries (quelques centaines de km parfois plusieurs milliers comme à El Teniente au Chili). Ce sont autant de conduits susceptibles d'apporter de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) au contact du minerai. Quant aux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) des mines à ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) ouvert et des carrières, ils sont par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) soumis aux conditions atmosphériques. Les DMA se forment alors, soit dans les galeries ennoyées, soit par percolation (À partir d'une certaine quantité critique de fluide sur une cloison, un pont s'établit permettant au fluide de la traverser) d’eau sur les tas de solides excavés contenant des sulfures.

Ces matériaux extraits de la mine sont de diverses natures : encaissant parfois relativement riche en sulfures (stérile franc), minerais pauvres en sulfures (haldes, stérile de sélectivité) ou encore rejets de traitement pauvres en métaux précieux mais riches en sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément chimique ou un de ses...). Les quantités produites et stockées peuvent atteindre plusieurs millions de tonnes. Ainsi, les déchets de flottation de la plus grande mine de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur...) au monde (Le mot monde peut désigner :), Chuquicamata au Chili, occupent une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) de 48 km². Ces produits, déjà stockés humides, reçoivent aussi les pluies. Le phénomène biologique et chimique de formation des DMA s'enclenche alors par suintement ou ruissellement sur le lieu de stockage.

Catalyse (La catalyse est l'action d'un catalyseur sur une transformation chimique.)

Les réactions chimiques principales qui donnent lieu à un DMA sont l'oxydation du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...) et du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) de la pyrite, le minéral sulfuré le plus commun. Cette réaction a lieu en présence ou en l'absence de bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi...) selon l'équation :

4\ FeS_2 + 15\ O_2 + 14\ H_2O \longrightarrow 4\ Fe(OH)_3 + 8\ H_2SO_4

Il ne s'agit bien sûr que d'une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des quantités qui y apparaissent,...) bilan : le processus d’oxydation de la pyrite varie en fonction de l'évolution du pH. La particularité de cette réaction est d’être autocatalysée, ce qui permet au phénomène de production de DMA de se propager de façon similaire à un incendie : de même que la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).) produit de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) qui déclenche la combustion d'autres matériaux, l'oxydation des sulfures produit du fer ferrique, qui entraîne l'oxydation d'autres sulfures.

L'apparition des DMA est favorisée par la présence de microorganismes qui tirent l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nécessaire à leur croissance des réactions d'oxydoréductions métalliques. Ces bactéries agissent comme de véritables catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des...) des réactions chimiques qui se déroulent à la surface des minéraux et en solution. Les détails de ce phénomène sont encore mal compris et font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) de polémiques pour déterminer la réaction prédominante entre oxydation directe et indirecte (c.à.d. avec contact direct ou non des bactéries à la surface des sulfures).

Impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient négatives ou positives, dues à un organisme ou à un produit.) et socio-économique

Pollutions induites par les DMA

Précipitation d'hydroxydes de fer dans un affluent du Missouri recevant des DMA d'une mine de charbon
Précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des...) d'hydroxydes de fer dans un affluent (On appelle affluent un cours d'eau qui va se jeter dans un cours d'eau au débit plus important, au niveau d'un point de confluence. (Synonyme : tributaire).) du Missouri recevant des DMA d'une mine de charbon

Les DMA sont une source de pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut...) acide et métallique pour les milieux aquatiques et les aquifères. Ils sont capables, pour les cas les plus sévères, de libérer plusieurs tonnes de composés métalliques toxiques par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale)...) dans le système hydrographique.

Les métaux des effluents miniers acides sont généralement des poisons du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus ordonné, qui...), en particulier les métaux lourds. La présence simultanée de plusieurs métaux peut engendrer une toxicité supérieure à celle de chaque métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...) séparé. Par exemple, le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), le cadmium et le cuivre sont toxiques aux faibles pH et agissent en synergie pour inhiber la croissance des algues et affecter les poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le...).

L’acidification est directement à l’origine d’une mortalité importante des populations de poissons, de perturbations de leur taux de croissance et de leur reproduction. Les effets indirects de l'acidification sont la dégradation de l'habitat des poissons et des modifications des relations entre prédateurs et proies (interruption de la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) alimentaire). Presque aucune espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe...) ne survit à des pH inférieurs à 5.

Dans les régions constituées de terrains acides, l’acidité des eaux est conservée et les métaux sont transportés sous forme soluble à grande distance. Dans les régions constituées de terrains calcaires (basiques), en revanche, les eaux acides sont rapidement neutralisées par les roches carbonatées, et la plupart des métaux deviennent insolubles et précipitent. Lors des crues, les particules solides riches en métaux (fragments détritiques de minerai ou minéraux métalliques précipités) seront entraînées très loin en aval et peuvent parfois redevenir solubles si les caractéristiques des eaux changent. C'est le cas du cadmium de la Gironde : provenant d'un site métallurgique du district de Decazeville (bassin du Lot), il est solubilisé dans l'estuaire (L'estuaire est la portion de l'embouchure d'un fleuve où l'effet de la mer ou de l'océan dans lequel il se jette est perceptible. Cette définition conduit à une controverse. Ainsi...) et peut être transporté sur la côte atlantique et se retrouver dans des huîtres à plus de 400 Km de sa source.

Quant aux sulfates, présents en forte teneur, ils induisent une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) osmotique importante, qui va déshydrater les êtres vivants.

Enfin, notons que les DMA ont également un impact sur les paysages : il s'agit de l'impact visuel que constitue les dépôts de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouille sur plusieurs kilomètres de cours d'eau ou l'aspect dénudé des stocks de déchets miniers.

Conséquences pour l’homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...)

En dégradant la qualité de l'eau, les DMA conduisent à la disparition de ses usages en aval des opérations minières (alimentation en eau potable (Une eau potable est une eau devant satisfaire à un certain nombre de caractéristiques la rendant propre à la consommation humaine.), base de loisir, pêche, irrigation). Pendant l’exploitation, ils sont également responsables de la corrosion des infrastructures minières et des équipements.

La surveillance des eaux destinées à l'alimentation humaine exclut a priori les risques d'ingestion directe de métaux lourds provenant de DMA. Cependant une intoxication (Une intoxication est un ensemble de troubles du fonctionnement de l'organisme dus à l'absorption d'une substance étrangère, dite toxique.) indirecte n'est pas impossible. En effet, le jeu des bioaccumulations et des bioamplifications peut aboutir à une intoxication humaine via les poissons, notamment chez les pêcheurs. Chez les personnes souffrant d'intoxications métalliques, on trouve des métaux toxiques dans la plupart des tissus mous, surtout le foie (Le foie est un organe abdominal impair et asymétrique, logé chez l'homme dans l'hypocondre droit, la loge sous-phrénique droite, la partie supérieure du creux épigastrique puis atteint...), les reins mais aussi dans les os. Une fois absorbés, les métaux lourds sont souvent difficiles à éliminer. La demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la demi-vie est le...) de la plupart d'entre eux dans le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) est longue (30 ans pour le cadmium). L'exposition aux métaux pourrait provoquer des cancers.

Lutte contre la pollution des DMA

Historique

La pollution par les métaux est aussi ancienne que l’activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) minière. Dans l’estuaire du Rio Tinto (Espagne), petit fleuve acide qui draine la plus grosse minéralisation sulfurée du monde, un sondage ( Un sondage peut désigner une technique d'exploration locale d'un milieu particulier. Un sondage peut également être une méthode statistique...) a recoupé un horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) contaminé contenant des sables à sulfures avec des scories et des charbons datés de l’âge du cuivre (-2500 ans). Ce type de pollution a longtemps été occulté pour ne pas entraver le développement industriel : la prise de conscience est assez récente. En fait, il a fallu deux accidents majeurs pour que cette problématique touche l'opinion mondiale : sur le site de la mine d’Aznalcóllar (Espagne), en 1998, l’effondrement d’un terril a entraîné le déversement de 4 millions de m3 de DMA dans un fleuve adjacent ; à Baia Mare (Roumanie), en 2000, un incident similaire entraîna le déversement de 100 000 m3 de DMA contenant entre 50 et 100 tonnes de cyanure, qui ont contaminé le Danube sur plus de 2000 Km. La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) sur les DMA, débutée dans les années 1970, s'est organisée à la fin des années 1980 avec l'avènement de grands programmes de recherche internationaux, comme le MEND au Canada ou le MiMi en Suède.

Solutions techniques

À l’abandon d’une mine, le meilleur moyen d’éviter la pollution de la nappe et des cours d’eaux voisins est de renoncer à l’ennoyage et de poursuivre l’exhaure : c’est une solution contraignante mais il est facile d’en évaluer le coût financier et de constituer une provision. Cette option paraît particulièrement pertinente quand les eaux d’exhaure trouvent une utilisation lucrative. Le traitement des effluents acides, en revanche, est un fardeau financier d'une durée indéterminée (En mathématiques, une indéterminée est le concept permettant de formaliser des objets comme les polynômes formels, les fractions rationnelles ou encore les séries...) pour les opérateurs miniers, les personnes chargées de la réhabilitation et finalement pour la communauté. Si on choisit tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) de même cette dernière solution, on privilégiera les traitements passifs, sur le modèle des processus naturels, qui sont moins coûteux, plus faciles à mettre en place et à gérer et moins agressifs pour l’environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) que les traitements chimiques actifs.

Dans le cas des DMA issus de terrils, il existe plusieurs méthodes de neutralisation. On peut d’abord noyer (Le noyer (Juglans) est un genre de plantes appartenant à la famille des Juglandacées, originaire des régions tempérées et chaudes...) les stocks de déchets miniers sous une lame d’eau ou les déverser dans des lacs anoxiques et fermés (l’oxygène pénètre très difficilement dans l’eau). Dans d’autres cas, on préfère traiter le site en drainant et dérivant les eaux de ruissellement et en recouvrant les stocks de déchets miniers d'une couverture imperméable : film plastique, épandage de goudron (Les goudrons (de l'arabeقَطْران — qaṭrān) sont des produits issus de poix modifiée de résineux, produits par distillation destructive sous pyrolyse. Le...) ou de Chaux et de polymère hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et Φοβοσ, phóbos = peur) ou lipophile quand il est soluble dans les corps gras, mais insoluble dans l'eau.). La couverture peut aussi être naturelle, permettant une revégétalisation et donc une protection contre l'érosion : couches superposées d'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins...) et de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...), dépôts de tourbière (riches en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) et réducteurs).

Evolution de la qualité des eaux après ennoyage

L’exhaure massive (Le mot massif peut être employé comme :) dans les bassins miniers conduit souvent à un abaissement général du niveau de la nappe avec formation de cuvettes piézométriques autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent...) des mines. Après ennoyage, les bassins miniers retrouvent un nouvel équilibre hydrodynamique non influencé, exempt de toute surexploitation. Cet équilibre est différent de celui qui prévalait avant ou pendant l’exploitation minière (du fait des vides laissés par l’exploitation), mais il est définitif dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) où les désordres causés par l’exploitation dans le sous-sol sont irréversibles. Au fil du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), le circuit hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) retrouve des conditions réductrices et la qualité des eaux du nouveau réservoir s'améliore d'abord rapidement (quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) à quelques années) puis plus lentement (quelques dizaines à quelques centaines d'années). Il est difficile d’évaluer le délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une chose, ou à l’expiration duquel on sera tenu de faire une certaine chose.  ».) de retour à une qualité suffisante pour l’adduction d’eau potable : cela dépend beaucoup des particularités du site considéré.

Bibliographie

  • P. COLLON, Evolution de la qualité de l’eau dans les mines abandonnées du bassin ferrifère lorrain. De l’expérimentation en laboratoire à la modélisation in situ, Thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) de l’INPL, Nancy, 2003.
  • P. TOULHOAT, Evolution chimique des eaux profondes et de surface, Les Techniques, Vol 96, Numéro spécial "Mines et Carrières ", décembre 1996.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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