Évaluation des échanges hydrogéochimiques entre un parc à résidus miniers et les aquifères périphériques

Les résidus miniers contiennent des contaminants potentiellement dangereux, pouvant s'infiltrer vers les aquifères environnants et provoquer ainsi la détérioration de la qualité des eaux à proximité. Cette étude vise à comprendre les interactions hydrogéochimiques entre le parc à résidus Quémont-2, les eaux de surface environnantes ainsi qu'un système local d'écoulement des eaux souterraines situé à proximité d'une prise d'eau municipale. Le site d'étude correspond au parc à résidus Quémont-2, propriété de Glencore Canada Corporation - Fonderie Horne (GCC-FH), situé à Rouyn-Noranda, Québec, Canada. Cette aire d'accumulation est située à moins de 1 km au sud-est du lac Dufault, qui est la principale prise d'eau de surface pour la Ville de Rouyn-Noranda. Ayant reçu plus de 7,6 Mt de résidus sulfureux, 14,2 Mt de scories et 1,1 Mt de boues d'UTAF depuis 1949, ce parc à résidus a atteint la quasi-totalité de sa capacité d'accumulation. Les objectifs spécifiques de ce projet correspondent à l'établissement d'un bilan hydrogéochimique du secteur du parc à résidus Quémont-2, ainsi que l'élaboration d'une modélisation du flux de transport des substances dissoutes depuis les aires d'accumulation de résidus vers les aquifères environnants et le lac Dufault. Les résultats sont appuyés par une modélisation inverse et le calcul des indices de saturation de certaines phases minérales. Dans ce cadre, deux campagnes d'échantillonnage ont été réalisées à l'automne 2019 et à la fin de l'été 2020, sur 23 sites d'échantillonnage incluant des puits crépinés au roc, des puits crépinés dans les résidus miniers, un puits crépiné dans l'argile, des échantillons d'eau de surface situés dans l'ancien parc et en périphérie du parc, l'eau de bassin de polissage interne, l'eau brute de la Ville de Rouyn-Noranda et l'eau du lac Dufault. Plusieurs approches ont été utilisées pour répondre aux objectifs du projet. Premièrement, une interprétation de l'hydrogéochimie du site combinant l'utilisation du diagramme de Piper, de diagrammes de Stiff, ainsi qu'une comparaison avec les critères pour les eaux souterraines et les eaux de surface, les concentrations en métaux et métalloïdes et la comparaison avec les résultats de travaux antérieurs réalisés en Abitibi-Témiscamingue. Par la suite, deux méthodes statistiques multivariées, la classification ascendante hiérarchique (CAH) et la carte thermique, ont été appliquées à l'ensemble des données afin de classer les différents types d'eau selon leur degré de contamination, et pour identifier les principaux processus géochimiques contrôlant la géochimie des eaux dans le secteur du parc à résidus Quémont-2. Les isotopes stables de l'eau (δ2H-δ18O) ont ensuite été utilisés pour le traçage des systèmes d'écoulement des eaux de surface et souterraines. Enfin, une modélisation du transport en phase dissoute par advection-dispersion a été élaborée à l'aide du module CTRAN/W de la suite Geoslope 2021, en se basant sur le modèle d'écoulement SEEP/W d'une coupe modélisée dans le cadre de travaux antérieurs. Une modélisation inverse et les indices de saturation de certaines phases minérales ont été calculés à l'aide du logiciel géochimique PHREEQC, afin d'appuyer l'interprétation des processus géochimiques identifiés sur le site. Les résultats des analyses géochimiques ont permis d'établir une classification des eaux selon leur degré de contamination. La caractérisation hydrogéochimique a permis de montrer que la contamination des eaux souterraines proviendrait principalement de l'infiltration des lixiviats vers le roc fracturé à travers les endroits où la couche d'argile est absente, ou vers le roc situé dans des bas topographiques en aval de l'écoulement. La contamination des eaux de surface situées sur l'ancien parc et en périphérie du parc proviendrait essentiellement de la résurgence des eaux souterraines à travers les pieds des digues. La similarité des signatures isotopiques de certains puits au roc contaminés et des résidus miniers permet de renforcer la source de la contamination des eaux souterraines. La majorité des échantillons d'eaux de surface prélevés sur l'ancien parc et en périphérie du parc est enrichie en isotopes lourds tout comme les eaux des résidus miniers, supportant l'hypothèse de la résurgence des eaux souterraines contaminées. Enfin, en se basant sur trois scénarios, la modélisation de transport en phase dissoute a permis de documenter la migration d'un élément conservateur depuis les résidus miniers vers les eaux souterraines et le lac Dufault et de simuler l'effet de l'augmentation de la conductivité hydraulique du roc fissuré et de la diminution de la recharge sur le transport de masse. Les résultats de la modélisation corroborent les résultats géochimiques, en montrant que la migration du soluté vers le roc superficiel est plus efficace dans les endroits où la couche d'argile est de faible épaisseur. De même, une grande quantité du contaminant fait résurgence en surface à travers les pieds des digues. La modélisation a montré aussi que le panache de contaminant n'atteint pas le lac Dufault dans le premier scénario. Toutefois, l'augmentation de la conductivité hydraulique du roc fissuré ou la diminution de la recharge permettent la progression du contaminant vers le lac Dufault après 120 ans et 1 440 ans pour le scénario 2 et 3, respectivement. Ultimement, les connaissances issues de cette étude permettent d'établir une évaluation quantitative des échanges hydrogéochimiques entre le parc à résidus minier Quémont-2, l'aquifère rocheux environnant et le lac Dufault. Les résultats de ce projet contribuent à optimiser le plan de restauration du parc, visant à minimiser les risques associés à la migration des éléments traces vers les récepteurs potentiels. Mots clés : Résidus miniers, éléments traces, interactions hydrogéochimiques, aquifères, transport de masse, méthodes statistiques multivariées, isotopes stables de l'eau.

Abstract

Mine tailings contain potentially hazardous contaminants that can leach into surrounding aquifers, causing deterioration of nearby water quality. The purpose of this study is to understand the hydrogeochemical interactions between the Quémont-2 tailings facility, the surrounding surface waters and a local groundwater flow system located near a municipal water intake. The study site is the Quémont-2 tailings facility owned by Glencore Canada Corporation - Horne Smelter (GCC-FH), located in Rouyn-Noranda, Québec, Canada. This tailings site is located approximately 1 km South-East of Lake Dufault, which is the main surface water intake for the City of Rouyn-Noranda. Having received more than 7.6 Mt of sulphide tailings, 14.2 Mt of slag and 1.1 Mt of UTAF sludge since 1949, this tailings pond has almost reached its storage capacity. The specific objectives of this project include the establishment of a hydrogeochemical balance for the Quémont-2 tailings area, as well as the development of a flux transport model of the dissolved substances from tailings accumulation areas to the surrounding aquifers and Lake Dufault. The results are supported by inverse modeling and the calculation of saturation indices for some mineral phases. Within this framework, two sampling campaigns were carried out in fall 2019 and late summer 2020, at 23 sampling sites. This included screened bedrock wells, screened tailings wells, a screened clay well, surface water samples located on the old tailings pond and on the periphery of the new tailings pond, the internal polishing pond water, raw water from the City of Rouyn-Noranda, and water from Lake Dufault. Several approaches were used to achieve the objectives of the project. First, a hydrogeochemical characterization combining the use of Piper diagram, Stiff diagram, as well as a comparison with the criteria for groundwater and surface water, the concentrations of metals and metalloids and the comparison with the results of previous work in Abitibi-Témiscamingue. Second, two multivariate statistical methods, the hierarchical cluster analysis (HCA) and the heatmap analysis, were applied to the dataset to classify the different types of water based on their degree of contamination, and to identify the main geochemical processes controlling the water geochemistry of the Quémont-2 tailings pond area. Stable isotopes of water (δ2H-δ18O) were then used to trace surface and groundwater flow systems. Finally, an advection-dispersion mass transport model was developed using the numerical code CTRAN/W, based on the SEEP/W flow model of the section modeled in previous work. Inverse modeling and saturation indices of selected mineral phases were calculated using the geochemical software PHREEQC supporting, therefore, the interpretation of the geochemical processes identified at the site. The results of the geochemical analyses were compiled to classify waters according to their degree of contamination. The hydrogeochemical characterization showed that groundwater contamination is mainly due to the infiltration of leachates towards the fractured rock through areas where the clay layer is absent, or towards the rock located in low topographic areas downstream of the flow. On the other hand, surface water contamination on the old tailings pond and on the periphery of the tailings pond would come mainly from the resurgence of groundwater through the toe of the dams. Isotopic signatures of some contaminated rock wells and mine tailings wells are similar, an indication therefore of the source of groundwater contamination. Most of the surface waters on the old tailings pond and on the periphery of the new tailing pond are enriched in heavy isotopes as are the screened tailings wells, supporting the hypothesis of the resurgence of contaminated groundwater. Finally, based on three scenarios, the dissolved phase transport modeling documented the migration of a conservative element from the mine tailings to groundwater and Lake Dufault and simulated the influence of both increasing hydraulic conductivity of fractured rock and decreasing recharge on mass transport. The modeling results corroborate the geochemical results, showing that solute migration to surficial rock is most efficient in areas with a thin clay layer. Additionally, a significant amount of the contaminant were found resurging through the dam's toe. The modeling also showed that the contaminant plume does not reach Lake Dufault in the first scenario. However, the increase of hydraulic conductivity of the fractured rock or the decrease in recharge would lead to the transit of the contaminant towards Lake Dufault after 120 years and 1 440 years for scenario 2 and scenario 3, respectively. Ultimately, this study provided a quantitative assessment of hydrogeochemical exchanges between the Quémont-2 tailings pond, the surrounding bedrock aquifer and Lake Dufault. The results of this project will be useful to optimize the reclamation plan of the tailings pond, hence, minimizing the risks associated with the migration of trace elements towards potential receptors. Keywords: Mine tailings, trace elements, hydrogeochemical interactions, aquifer, mass transport, multivariate statistical methods, stable water isotopes.