Développement d'approches géophysiques, d'imagerie thermique et de modélisation pour l'évaluation des processus hydrologiques au sein d'un parc à résidus miniers

La présente étude vise à développer des approches non invasives pour la caractérisation du parc Quémont-2, et plus particulièrement pour les résidus miniers. Ce site, propriété de Glencore Fonderie Horne, est situé à Rouyn-Noranda au Québec. D'une superficie d'environ 102 ha, le parc à résidus présente des enjeux environnementaux particuliers en raison de la nature de ses rejets, mais aussi de sa proximité au périmètre urbain de la Ville de Rouyn-Noranda et du lac Dufault. L'objectif général du projet est de développer des approches géophysiques, de télédétection et de modélisation numérique pour l'étude des processus hydrologiques du site Quémont-2. Les simulations numériques, réalisées en employant les composantes SEEP/W et TEMP/W de la suite Geoslope 2021, permettront d'améliorer la compréhension du comportement hydrogéologique et thermique des résidus miniers et des zones périphériques. Les résultats des travaux de laboratoire ont permis de développer une équation empirique locale décrivant la variation de la teneur en eau volumique en surface en fonction de la constante diélectrique des résidus. Ces travaux ont montré que l'élaboration d'une équation de calibration spécifique pour chaque type de sol est nécessaire pour évaluer sa teneur en eau volumique, avec les valeurs les plus proches possible de celles du terrain. Un Géoradar (ci-après GPR) a été employé en mode Common Mid-Point (CMP) afin d'estimer la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques (OEM) dans les résidus. Cette démarche a permis l'estimation des teneurs en eau en surface sur la base de relations établies entre la vitesse de propagation des OEM, la constante diélectrique des résidus et leur teneur en eau. Les résultats illustrent le potentiel des méthodes non invasives pour l'obtention d'information sur des propriétés physiques comme la teneur en eau de surface. Des travaux de résistivité électrique ont de surcroît permis de documenter l'architecture des unités géologiques et des résidus et d'évaluer certaines propriétés physiques et hydrauliques des résidus. En effet, l'application de la loi d'Archie a permis d'établir une cartographie en coupe de la distribution de la porosité au sein des résidus à partir de l'exploitation des résultats de résistivité électrique. Cette dernière propriété a aussi été exploitée, en la combinant avec l'équation de Kozeny-Carman, pour construire une cartographie en coupe de la conductivité hydraulique des résidus miniers. Les résultats issus des données de résistivité électrique tendent à indiquer une forte hétérogénéité spatiale de la porosité et de la conductivité hydraulique des résidus. Pour caractériser les résidus miniers à l'échelle locale, un essai d'arrosage contrôlé a été réalisé en utilisant l'imagerie thermique par drone et des sondes de teneur en eau volumique in situ. En documentant la teneur en eau à la surface des résidus, l'imagerie thermique par drone a permis d'illustrer l'hétérogénéité du processus d'infiltration et l'influence des fissures sur l'écoulement dans la tranche supérieure de la zone non saturée. Une approche combinant le GPR et l'imagerie thermique par drone a été déployée pour évaluer les discontinuités physiques au sein des digues ceinturant les résidus ainsi que les gradients thermiques à la surface de ces dernières. Le GPR a été utilisé en modes réflexion et CMP pour identifier des anomalies susceptibles d'indiquer le niveau d'étanchéité des digues. L'utilisation de l'imagerie thermique a permis de comparer la position des gradients thermiques mesurés à la surface des digues avec celles des discontinuités souterraines détectées sur les profils radar. Pour la caractérisation du secteur localisé entre l'ancien parc à résidus et le lac Dufault, deux techniques de prospection ont été appliquées, soit la résistivité électrique et l'imagerie thermique par drone. Les résultats des profils de résistivité électrique réalisés dans la zone située à proximité de l'ancien parc à résidus ont permis de bonifier le modèle géologique préalablement établi sur la base de données ponctuelles issues de forages. Les profils collectés près du lac Dufault ont suggéré la présence d'une discontinuité structurale au sein du roc. Les images thermiques acquises par drone dans ce secteur n'ont pas permis de déceler de gradients thermiques associés à l'exfiltration d'eau souterraine au niveau de la potentielle discontinuité structurale. Les résultats de simulations sur le modèle en coupe représentant le système d'écoulement entre le parc Quémont-2 et le lac Dufault montrent que le niveau piézométrique est très sensible à la conductivité hydraulique dans les résidus miniers et à l'effet des digues. Le modèle numérique développé est une première étape visant à documenter les processus d'écoulement de l'eau souterraine au site d'étude. L'intégration des données terrain et de modélisation a permis d'émettre des recommandations sur les pistes d'amélioration du modèle numérique. Étant non invasives, les approches géophysiques et de télédétection développées dans le cadre de ce projet sont transposables aux sites miniers actifs et abandonnés, et pourraient constituer des outils essentiels pour optimiser la caractérisation de sites et la restauration de passifs environnementaux.

Abstract

The present study aims to develop non-invasive approaches for the characterization of the Quémont-2 site, and more particularly the mine tailings. This site, owned by Glencore Fonderie Horne, is located in Rouyn-Noranda, Quebec. Covering an area of approximately 102 ha, the tailings site presents particular environmental issues due to the nature of its mine waste, but also to its proximity to the urban perimeter of the City of Rouyn-Noranda. The general objective of the project is to develop geophysical, remote sensing and numerical modeling approaches for the study of hydrological processes at the Quémont-2 site. Numerical simulations, carried out using the SEEP/W and TEMP/W components of the Geoslope 2021 suite, will improve the understanding of the hydrogeological and thermal behavior of tailings and peripheral aquifers. The results of the laboratory work allowed to develop a local empirical equation describing the variation of the surface volume water content as a function of the dielectric constant of the mine waste. This work has shown that the development of a specific calibration equation for each type of soil is necessary to assess its volume water content, with values as close as possible to those in the field. Ground-penetrating radar (hereafter GPR) was used in Common Mid-Point (CMP) mode to estimate the propagation speed of electromagnetic waves (EMW) in the tailings. This approach allowed to estimate the surface water content based on relationships established between the propagation speed of EMW, the dielectric constant of the tailings and their water content. The results illustrate the potential of non-invasive methods for obtaining information on physical properties such as surface water content. In addition, electrical resistivity work allowed to document the architecture of the geological units and tailings and to evaluate certain physical and hydraulic properties of the tailings. Indeed, the application of Archie's Law allowed to establish a cross-sectional mapping of the distribution of porosity within the mine waste from the use of electrical resistivity results. The electrical resistivity results have also been used, by combining them with the Kozeny-Carman equation, to construct a cross-sectional map of the hydraulic conductivity within the mine waste. The results from the electrical resistivity profiles tend to indicate a strong spatial heterogeneity of the porosity and the hydraulic conductivity of the tailings. To characterize the tailings on a local scale, a controlled spraying test was performed using drone thermal imaging and in situ volumetric water content probes. By documenting the water content at the tailings surface, drone thermal imaging allowed to illustrate the heterogeneity of the infiltration process and the influence of fissures on the flow in the upper section of the unsaturated zone. An approach combining GPR and drone thermal imaging has been deployed to assess the physical discontinuities within the dams surrounding the tailings, as well as the thermal gradients at the surface of the dams. The GPR was used in reflection and CMP modes to identify anomalies that could indicate the level of watertightness of the dams. The use of thermal imagery allowed to compare the position of thermal gradients measured at the surface of the dams with those of underground discontinuities detected on the radar profiles. To characterize the area located between the old tailings pond and Lake Dufault, two prospecting techniques were used, namely electrical resistivity and drone thermal imaging. The results of the electrical resistivity profiles carried out in the area near the old tailings pond have improved the geological model previously established based on drilling information. Profiles collected near Lake Dufault suggested the presence of a structural discontinuity within bedrock. Thermal images acquired by drone in this area did not allow to detect thermal gradients associated with groundwater seepage at the potential structural discontinuity. The results of simulations on the cross-sectional model representing the flow system between Quémont-2 site and Lake Dufault show that the piezometric level is very sensitive to variations to hydraulic conductivity in the tailings and to the effect of dams. The developed numerical model is a first step to document the groundwater flow processes at the study site. The integration of field data and modeling allowed to make recommendations on ways to improve the numerical model. Being non-invasive, the geophysical and remote sensing approaches developed in this project can be transposed to active, abandoned mining sites, and could become essential tools for optimizing site characterization and restoration.