Activités minières

Activités minières et environnement

Imaginez une situation tout à fait banale: au volant de votre voiture, vous appelez un ami avec votre téléphone portable pour organiser la fête du soir (situation naturellement interdite !). Cette situation nous montre que pour toutes nos activités nous avons besoin d'énergie et de métaux. L'industrie minière est donc à la base de notre développement industriel.

Pour produire un téléphone portable, par exemple, presque tous les éléments du tableau périodique sont utilisés. Personne ne se demande, au moment d'un appel téléphonique, quel est l'impact environnemental de la production du dit téléphone. Lorsque l'on décide de se marier, on contamine également l'environnement ! L'extraction des 3 ou 5 grammes d'or nécessaires pour les anneaux peut impliquer la production de 32 kilos d'acide sulfurique qui contamineront l'eau et mobiliseront des métaux lourds.

Les eaux de mine

Les gisements de cuivre typiques contiennent environ 1% de cuivre (par exemple du porphyre cuprifère), ceux d'or environ 5 a 10 grammes d'or par tonne. Cela signifie que dans une mine de cuivre, après extraction, concassage, broyage et flottation, 99% des roches traitées, et même 99,999% pour une mine d'or, deviennent des déchets miniers (Fig. 1 et 2).

Or, ces déchets représentent un volume immense: les déchets de flottation de la plus grande mine de cuivre au monde, Chuquicamata au Chili, occupent une surface de 48 km2 !

De plus, ils contiennent des minéraux sulfuriques, telle que la pyrite. Celle-ci, en s'oxydant, dégage une grande quantité d'acide sulfurique (Fig. 3). Les familiers de la chimie savent qu'une mole de pyrite se transforme par réaction en 4 moles d'acide sulfurique.
Figure 3
Coupes de deux différents types de zones d’oxydation dans des déchets de flottations vieux de 10 et 16 ans. Les couleurs rouges montrent où les minéraux secondaires du fer ont précipité après oxydation des sulfures (par ex. la pyrite). L'acidité est créée par l'oxydation des sulfures et la précipitation des minéraux secondaires; les métaux lourds sont libérés et mobilisés. C'est la phase initiale de la formation des DMA.

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Bien d'autres minéraux posent le même genre de problèmes, résultant de la formation des "drainages miniers acides" ou DMA (en anglais "acid mine drainage" ou AMD; Fig. 4 et 5). L'acide sulfurique est généré lorsque des travaux miniers perturbent l'équilibre chimique de roches riches en sulfures métalliques, en les plaçant en condition oxydante. Cette formation d'acide peut être favorisée et amplifiée par des réactions catalytiques chimiques et microbiologiques.

Par ailleurs, les effluents d'origine minière peuvent aussi contenir des concentrations parfois élevées (et donc potentiellement toxiques) en métaux ou en éléments comme l'arsenic. La charge polluante acide et/ou métallique de ces effluents constitue l'un des problèmes environnementaux les plus cruciaux de l'industrie extractive mondiale. Dans les cas les plus graves, la vie dans les cours d'eau récepteurs des DMA disparaît durablement sur de longues distances. Après deux accidents majeurs, Aznalcóllar en 1998 (Espagne) et Baia Mare en 2000 (Roumanie), cette problématique a touché l'opinion mondiale.

Figure 4
Le résultat final: différents types de DMA. A gauche la précipitation de schwertmannite, un minéral typique dans cet environnement. A droite, une image au microscope électronique de ce minéral qui se présente sous la forme des très petites boules (1 µm).

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Nous sommes confrontés à un système complexe, contrôlé par la minéralogie du gisement, les conditions géochimiques et la microbiologie, ce qui rend la recherche obligatoirement interdisciplinaire. L'investigation est axée sur les paramètres agissant sur la libération des éléments et la production d'acides, et les processus affectant la mobilité des éléments et pouvant potentiellement contaminer l'eau, la ressource la plus précieuse de notre planète. Seule une connaissance approfondie de la formation de DMA permettra de garantir un développement durable de l'activité minière.

La recherche 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. Les principales organisations internationales, publiques ou privées, en charge des problèmes de DMA, se sont constituées il y a moins de 10 ans. En pleine évolution, la recherche sur les DMA est encore jeune.

Ainsi le problème est-il connu dans ses grandes lignes, mais les processus et les interactions entre la minéralogie, la géochimie et la microbiologie en sont encore à leurs premiers balbutiements. Pour stimuler la recherche dans ce domaine et progresser plus rapidement dans la connaissance de ces processus, le "Mine Water Interdisciplinary Network Europe" (M-WINE) a été créé en juin 2002, avec un workshop à l'Université Lausanne. Le deuxième workshop s'est tenu à Lisbonne au Portugal à la fin juin 2003. Le prochain workshop aura lieu le 19 août 2004 à Florence en Italie, juste avant le 32ème Congrès géologique international.

Méthodes utilisées

Une étude des déchets miniers commence par un échantillonnage de matériaux solides et d'eaux grâce à des forages. Le premier film montre l'échantillonnage d'une zone non-saturée de déchets de flottation, puis l'installation de "piezometres" dans un zone saturée, l'échantillonnage de l'eau et enfin la récupération en laboratoire des échantillons d'eau provenant de la zone non-saturée. Le second film montre un forage profond (30 m.) à travers un dépôt de déchets de flotattion ("tailings") pour la récupération d'échantillons. On observe ensuite des DMA, ainsi qu'une galerie souterraine présentant une formation de stalactites de mélanterite (Attention nécessite l'utilisation du lecteur Quicktime).

Forage profond  (0 Ko)

Actuellement notre équipe travaille dans les plus grandes mines du monde, situées en Amérique du Sud (par exemple Chuquicamata et El Teniente au Chili, ou Cerro de Pasco au Pérou). Pour l'analyse des échantillons, nous utilisons:

  • plusieurs techniques minéralogiques (microscopie, rayons X, microsonde, ICP-MS laser, microscopie électronique, etc),
  • la géochimie des solides (extractions séquentielles, etc),
  • la géochimie de l'eau (ICP-AES, ICP-MS, chromatographie ionique, etc),
  • les isotopes stables (d34S, d18O, dD),
  • la biogéochimique (chromatographie ionique, GC-MS, etc).

Pour la microbiologie, nous utilisons des techniques classiques de culture en combinaison avec de nouvelles techniques moléculaires (DNA sequencing, Fluorescent In Situ Hybridisation - FISH, etc). L'analyse des données passe par la constitution de modèles géochimiques (PhreeqC, Geochemical Workbench, CRUNCH, MP3N, etc).

Figure 5
A gauche un DMA avec beaucoup de Fe(III) qui donne la couleur rouge. A la droite un DMA avec Fe(II) et pH très acide (pH 1.5). Les minéraux bleus sont des sulfates de cuivre.

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Perspectives

Avec de nouvelles techniques instrumentales, on commence à découvrir un tout nouveau microcosme, avec des influences et des interconnections très peu connues dans la mobilisation des éléments. Un grand espoir réside dans la découverte de nouvelles techniques de production de métaux, moins contaminantes pour l'environnement.

Pour plus de renseignements, vous pouvez consulter la homepage de Bernhard Dold: Mining and Environment.

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Figure 1
Vue aérienne d'une mine de cuivre à ciel ouvert. Les déchets miniers sont visibles autour de l'excavation.

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Figure 2
Un des plus grands camions au monde, en fonction par exemple à Chuquicamata. Un homme donne l'échelle à côté du pneu droite (5 m. de diamètre !). Ce camion peut transporter jusqu'à 350 tonnes de matériau.

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Processus d'extraction

Un film nous présente le processus d'extraction tel qu'il est pratiqué dans les mines: concassage, broyage, flottation et dépôt des déchets de flottation. En résultat final: la formation des "drainages miniers acides" (Attention: nécessite l'utilisation du lecteur Quicktime).

Extraction  (0 Ko)

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