Application de la tomographie de résistivité électrique pour la surveillance de la teneur en eau volumique dans les ouvrages de restauration minière

L’activité minière génère d’importantes quantités de rejets durant le processus d’extraction et de concentration des métaux. D’une part, les roches peu ou pas minéralisées qui doivent être déplacées pour atteindre le minerai sont appelées roches stériles, et sont généralement empilées pour constituer des haldes à stériles pouvant mesurer plusieurs centaines de mètres de hauteur. D’autre part, les résidus miniers, issus du broyage du minerai et de l’ajout d’eau de procédé pour concentrer les métaux, sont déposés dans des parcs à résidus pouvant mesurer plusieurs dizaines de mètres de hauteur, et s’étendre sur plusieurs kilomètres carrés. La gestion de ces aires d’entreposage de rejets miniers constitue l’un des enjeux environnementaux les plus importants pour les compagnies minières, notamment à cause des risques d’instabilités géotechnique et géochimique. En effet, les faibles propriétés mécaniques des résidus rendent ces matériaux fins sensibles à la liquéfaction, ce qui peut entraîner des ruptures de digues aux conséquences humaines, environnementales et économiques catastrophiques. Par ailleurs, les sulfures contenus dans les rejets miniers peuvent s’oxyder au contact de l’oxygène atmosphérique et de l’eau, ce qui peut engendrer la génération de drainage minier contaminé, caractérisé par des pH très faibles et des concentrations élevées en métaux. Plusieurs approches de gestion et de restauration ont été développées et mises en place sur les sites miniers au cours des dernières années pour réduire les risques de ruptures de digues en limitant la quantité d’eau dans les résidus et pour limiter en amont l’oxydation des rejets miniers par la mise en place de recouvrements contrôlant les flux d’eau et ou d’oxygène vers les rejets. Les couvertures à effet de barrière capillaire (CEBC) sont particulièrement prometteuses dans ce contexte puisqu’elles permettent de réduire les flux d’oxygène de l’atmosphère vers les rejets en maintenant une couche de rétention constituée de matériaux fins proche de la saturation. Une autre approche consiste à réduire l’infiltration nette d’eau vers les rejets grâce à une couche de matériaux fins compactés de faible conductivité dans des recouvrements appelés LSHCCs (pour low saturated hydraulic conductivity cover ). La plupart de ces approches de gestion et de restauration sont basées sur le contrôle des flux d’eau dans les rejets ou dans les recouvrements et il est donc essentiel de déterminer la quantité d’eau et sa dynamique d’écoulement dans ces recouvrements pour estimer et surveiller leur performance en conditions réelles. Néanmoins, les techniques de mesure conventionnellement utilisées pour mesurer la teneur en eau volumique dans les rejets miniers et les recouvrements sont basées sur des instruments ponctuels, dont le volume d’investigation est généralement limité à moins d’un litre (e.g., sondes de teneur en eau volumique ou piézomètres) ou des observations de surface, dont la profondeur d’investigation est limitée à quelques centimètres (e.g., observations visuelles ou télédétection). Par conséquent, les mesures de teneur en eau volumique dans les rejets et les recouvrements sont très limitées dans l’espace et ne permettent de surveiller qu’une infime fraction des recouvrements qui sont mis en place sur des parcs à résidus à l’échelle du terrain. Il existe donc un besoin de développer des techniques de suivi de la teneur en eau volumique dans les rejets miniers et les recouvrements qui soient applicables à l’échelle des aires d’entreposage des rejets miniers, et qui puissent être utilisées en complément des approches traditionnelles pour étendre spatialement les mesures ponctuelles. Les mesures géophysiques peuvent sembler prometteuses dans ce contexte puisqu’elles per- mettent d’estimer des paramètres physiques dans le milieu à partir de mesures indirectes, typiquement depuis la surface. Par ailleurs les mesures géophysiques sont non-invasives et applicables à de plus grandes échelles, typiquement le long de profils pouvant mesurer plu- sieurs kilomètres de longueur avec des profondeurs d’investigation pouvant aller à plusieurs centaines de mètres sous la surface. En particulier, la méthode électrique permet d’imager la distribution de la conductivité électrique dans le milieu, qui est directement affectée par la teneur en eau ainsi que par d’autres paramètres physiques tels que la température, la conductivité électrique du fluide interstitiel ainsi que la granulométrie et la minéralogie du milieu. Cette approche a un fort potentiel puisqu’il existe dans la littérature de nombreux exemples d’application pour lesquels la méthode électrique a permis de suivre l’écoulement de traceurs et d’imager la distribution spatio-temporelle de la teneur en eau. Néanmoins, il n’existe que peu d’applications de cette approche au suivi temporel de la teneur en eau dans des rejets miniers. En particulier aucune étude à ce jour ne permet d’établir la faisabilité et la pertinence de cette approche dans le contexte de la surveillance de la performance des ouvrages de restauration minière ni de quantifier la précision de la teneur en eau qui serait estimée à partir des mesures électriques dans des recouvrements multicouches construits en partie avec des rejets miniers. Dans ce contexte, cette thèse vise à évaluer le potentiel de la méthode électrique comme approche complémentaire aux techniques conventionnelles pour effectuer un suivi autonome de la teneur en eau dans les ouvrages de restauration minière à l’échelle pilote sur le terrain. En particulier, des recouvrements expérimentaux à l’échelle pilote ont été instrumentés et suivi durant deux ans pour évaluer la précision de l’estimation de la teneur en eau à partir des mesures électriques et servir de "preuve de concept" en conditions réelles sur un site minier. Dans un premier temps, une revue bibliographique exhaustive a permis de constituer une base de données comprenant 650 études permettant d’identifier les meilleures pratiques de suivi électrique disponibles dans la littérature pour de nombreux types d’application tel que le suivi des glissements de terrain ou du pergélisol. La revue a notamment permis de mettre en évidence les récents développements qui favoriseront l’application de la méthode électrique pour le suivi des rejets miniers, comme le développement de résistivimètres autonomes permettant d’acquérir les données électriques quotidiennement et de les transférer vers des serveurs à distance. Une base de données de 150 études ayant appliqué la méthode électrique pour la caractérisation des rejets miniers a également été constituée. Cette deuxième base de données a permis d’identifier les applications les plus prometteuses pour le suivi temporel des rejets. La revue a aussi permis de mettre en évidence les défis posés par l’application de la méthode électrique dans les rejets miniers, comme la complexité de prédire avec précision la teneur en eau dans des matériaux où la température et la conductivité électrique du fluide interstitiel peuvent varier significativement dans le temps et dans l’espace. Ces observations ont permis d’établir une méthodologie de recherche pour étudier ces enjeux à l’échelle de l’échantillon, du laboratoire et du terrain afin de maximiser la précision de l’approche électrique. Plusieurs dispositifs expérimentaux de laboratoire ont été mis en place pour mesurer simultanément la teneur en eau et la conductivité électrique du milieu dans les matériaux utilisés pour la construction des recouvrements expérimentaux à l’échelle pilote. Ainsi, un dispositif basé sur les cellules Tempe a été proposé pour inclure des mesures électriques dans un échantillon de petite taille soumis à une pression croissante conduisant à son drainage. Ces "cellules Tempe électrique" ont ainsi permis d’établir la relation entre succion, teneur en eau et conductivité électrique en conditions contrôlées (température et conductivité électrique du fluide connues) pour calibrer des modèles pétrophysiques simples dans les résidus miniers. Des dispositifs expérimentaux de plus grandes dimensions ont également été mis en place pour mesurer l’évolution spatio-temporelle de la teneur en eau à l’aide de sondes et de la conductivité électrique à l’aide d’électrodes. Ces données ont également permis d’estimer la relation pétrophysique in situ des matériaux. La comparaison entre les modèles pétrophysiques calibrés à petite, moyenne échelle en laboratoire et à l’échelle pilote sur le terrain a permis de démontrer que la relation pétrophysique déterminée à l’échelle du laboratoire restait applicable à l’échelle pilote sur le terrain. Cette comparaison multi-échelle a aussi permis de quantifier la précision des estimations de teneur en eau par la méthode électrique qui était de ±0.03 m3/m3, soit une précision similaire à celle des sondes hydrogéologiques conventionnelles. Néanmoins, cette approche a mis en évidence l’importance de prendre en compte l’effet de la température et de la conductivité électrique du fluide interstitiel dans les rejets pour estimer la teneur en eau volumique à partir des données électriques avec précision. En effet, la précision des estimations de teneur en eau volumique était diminuée d’un facteur dix si ces paramètres n’étaient pas pris en compte adéquatement sur le terrain. La méthode électrique a également été testée en conditions réelles dans des recouvrements expérimentaux mesurant 280 m de long et 18 m de large, construits à la Mine Canadian Malartic entre 2019 et 2020. Des sections mesurant 23 m de long ont été instrumentées de sondes de teneur en eau et d’électrodes pour imager distribution spatio-temporelle de la teneur en eau en continu pendant plus d’un an. Les électrodes géophysiques ont été installées dans la couche de rétention d’eau constituée de résidus de deux sections de CEBC, et dans la couche de faible conductivité hydraulique constituée de mort-terrain compactés pour deux sections de LSHCC. Un résistivimètre autonome PRIME a été installé sur le site et les données quotidiennes ont été inversées pour imager la teneur en eau dans les recouvrements pour différentes conditions hydrogéologiques (avec ou sans pente, en haut ou en bas de pente, avec ou sans végétation). Les données de terrain ont permis de caractériser le comportement hydrogéologique des sections de CEBC et de LSHCC instrumentées, et ont été utilisées pour quantifier la performance des sections de CEBCs en utilisant un degré de saturation de 85% dans la couche de rétention d’eau comme critère de performance. La comparaison entre les données ponctuelles et géophysiques a permis de quantifier la précision des teneurs en eau prédites par la méthode électrique pour les différents recouvrements expérimentaux (entre ±0.02 m3/m3 et ±0.03 m3/m3), ce qui constitue une "preuve de concept" du potentiel que représente l’approche électrique comme méthode complémentaire à la surveillance de performance des ouvrages de restauration minière à l’échelle du terrain. L’ensemble des travaux, des observations et des résultats présentés dans cette thèse ont été combinés pour mettre en place un guide de conception pour de futurs dispositifs de suivi de performance d’ouvrages de restauration à l’échelle du terrain incluant des mesures électriques. L’objectif de cette discussion est d’aider quiconque serait intéressé.e à réappliquer la méthodologie présentée dans cette thèse à identifier les éléments les plus importants qui seront nécessaires à la conception et la mise en place d’un dispositif de suivi adapté ainsi que pour l’acquisition, le traitement et l’interprétation des données électriques dans le contexte de la restauration minière.

Abstract

Mining activity generates significant amounts of wastes during the metal extraction and concentration process. On the one hand, the rocks with little or no mineralization that must be moved to reach the ore are referred to as waste rocks, and are generally stored into waste rock piles, which can be several hundred meters high. On the other hand, the tailings, resulting from the crushing of the ore and the addition of process water to concentrate the metals, are deposited in tailings storage facilities that can be several tens of meters high and extend over several square kilometers. The management of these waste storage facilities is one of the most important environmental challenges for mining companies, particularly because of the risks of geotechnical and geochemical instabilities. Indeed, the poor mechanical properties of tailings make these fine materials sensitive to liquefaction, which can lead to dam failures with catastrophic human, environmental and economic consequences. In addition, the sulfides contained in the mining wastes can oxidize upon contact with atmospheric oxygen and water, which can result in the generation of contaminated mine drainage, characterized by very low pH and high metal concentrations. Several management and remediation approaches have been developed and implemented at mine sites in recent years to reduce the risk of dam failures by limiting the amount of water in the tailings and to limit oxidation of mine tailings by installing covers that control water and/or oxygen flows to the tailings. Covers with capillary barrier effects (CCBEs) are particularly promising in this context as they reduce oxygen fluxes from the atmosphere to the tailings by maintaining a moisture retaining layer made of fine materials close to saturation. Another approach consists in reducing the net infiltration of water towards the mine wastes by installing low saturated hydraulic conductivity covers (LSHCCs) which limit water percolation thanks to a layer made of a fine compacted materials. Overall, most of these management and remediation approaches are based on controlling water flows into mine wastes or in covers. Therefore, determining the amount and dynamics of water in these overlays is essential to estimate and monitor their performance under real-world conditions. However, the conventional measurement techniques used to measure water content in mine wastes and in reclamation covers are based on point instruments, which generally have a volume of investigation smaller than one liter (e.g., water content probes or piezometers) or surface observations, which are limited to a few centimeters in depth of investigation (e.g., visual observations or remote sensing). As a result, measurements of water content in wastes and covers are very spatially limited and can only monitor a tiny fraction of the covers that are placed on full-scale tailings facilities. There is therefore a need to develop techniques for monitoring water content in mine wastes and covers that are applicable at the scale of mine waste storage facilities, and that can be used to complement traditional approaches to spatially expand point measurements. Geophysical measurements may seem promising in this context since they allow the estimation of physical parameters in the environment from indirect measurements, typically from the surface. Moreover, geophysical measurements are non-invasive and applicable on larger scales, typically along profiles that can measure up to several kilometers in length with depths of investigation that can reach up to several hundred meters below the surface. In particular, the electrical method allows imaging the distribution of electrical conductivity in the medium, which is directly affected by the water content as well as by other physical parameters such as temperature and electrical conductivity of the interstitial fluid. This approach has a strong potential since there are many examples in the literature where the electrical method has been used to track tracer flows and to image the spatiotemporal distribution of the water content. However, there are only a few applications of this approach to the temporal monitoring of water content in mining wastes. In particular, no study to date allows to establish the feasibility and relevance of this approach in the context of monitoring the performance of mine reclamation covers, or to quantify the accuracy of the water content that would be estimated from electrical measurements in covers constructed using mine wastes. In this context, this thesis aims to evaluate the potential of the electrical method as a complementary approach to conventional techniques for autonomous monitoring of water content in mine reclamation covers at pilot scale on the field. In particular, pilot-scale experimental multilayer covers were instrumented and monitored for two years to evaluate the accuracy of water content estimation from electrical measurements and to serve as a "proof of concept" under real conditions on an active mining site. In a first step, an exhaustive bibliographical review allowed to build a database including 650 studies, which allowed to identify the best practices of electrical monitoring available in the literature for many types of applications such as landslides or permafrost monitoring. In particular, the review highlighted recent developments that will promote the application of the electrical method for monitoring mining wastes, such as the development of autonomous resistivity meters that can acquire electrical data on a daily basis and transfer them to remote servers. A database of 150 studies that have applied the electrical method to characterize mining wastes has also been compiled. This second database was used to identify the most promising applications for temporal monitoring of mine wastes. The review also highlighted the challenges posed by the application of the electrical method in mine tailings, such as the complexity of accurately predicting water content in materials where the temperature and electrical conductivity of the pore fluid can vary significantly in time and space. These observations have led to the development of a research methodology to address these issues at the sample, laboratory and field scales. In a second step, several laboratory experiments were carried out to simultaneously measure water content and bulk electrical conductivity in the materials used for the construction of the pilot-scale experimental covers. A device based on Tempe cells was proposed to include electrical measurements in a small sample submitted to increasing pressures, which in turn caused its drainage. These "electrical Tempe cells" have been used to establish the relation- ship between suction, water content and electrical conductivity under controlled conditions (known temperature and electrical conductivity of the fluid) to calibrate simple petrophysical models in mine tailings. Larger experimental setups were also carried out to measure the spatiotemporal evolution of water content using sensors and electrical conductivity using electrodes. These data were used to estimate the in-situ petrophysical relationships of the materials. The comparison between the petrophysical models calibrated small, medium scales in the laboratory and at pilot scale on the field demonstrated that the petrophysical relationship determined at the laboratory scale remained applicable at field scale. This multiscale comparison also quantified the accuracy of water content estimates by the electrical method to be ±0.03 m3/m3, similar to the accuracy of conventional hydrogeological probes. Nevertheless, this approach highlighted the importance of considering the effect of temperature and electrical conductivity of the pore fluid in the discharges when estimating water content from electrical data, since the accuracy was decreased by a factor of ten if these parameters were not adequately accounted for in the field. In a third phase, the electrical method was tested under field conditions in 280 m long and 18 m wide experimental multilayer covers, constructed at the Canadian Malartic Mine between 2019 and 2020. Sections measuring 23 m in length were instrumented with water content probes and electrodes to image the spatiotemporal distribution of water content continuously for over a year. The geophysical electrodes were installed in the moisture retaining layer consisting of tailings from two sections of CCBE, and in the low hydraulic conductivity layer consisting of compacted overburden for two sections of LSHCC. A PRIME stand-alone resistivity meter was installed at the site and daily data were inverted to image the water content distributions in the covers for different hydrogeological conditions (inclined or flat sections, upslope and downslope, vegetated and unvegetated). The field data were used to characterize the hydrogeological behavior of the instrumented CCBE and LSHCC sections, and were used to quantify the performance of the CCBEs sections using a degree of saturation of 85% in the moisture retaining layer as a performance criterion. Comparison between local and geophysical data allowed quantifying the accuracy of the water content predicted by the electrical method for the different experimental covers (between ±0.02 m3/m3 and ±0.03 m3/m3), providing a "proof of concept" of the potential that the electrical approach represents as a complementary method for performance monitoring of full-scale mine reclamation covers. Finally, the experiments, observations, and results presented in this thesis have been combined to suggest a guide for the design of future reclamation performance monitoring pro- grams that include electrical measurements at field scale. The purpose of this discussion is to help anyone interested in re-applying the methodology presented in this thesis to identify the most important elements that will be required for the design and implementation of a suitable monitoring system as well as for the acquisition, processing and interpretation of electrical data in the context of mine reclamation.