Drainage minier acide

Exemple de drainage acide.

Précipitation d'hydroxydes de fer dans un affluent du Missouri recevant des DMA d'une mine de charbon.

Les eaux très acides (pH 2,2) du Río Tinto semblent incapables d'abriter de la vie. Quelques espèces extrêmophiles (bactéries aérobies et acidophiles) y survivent pourtant. Elles sont responsables de la couleur de la roche et de l'eau.

Río Tinto, Espagne.

La dissolution d'un cube cristallin de pyrite (qui était dans le bloc au centre de l'image) n'a laissé que quelques particules d'or.

Le drainage minier acide (DMA) ou encore drainage rocheux acide (DRA) est un phénomène de production d'une solution minérale acide qui s'écoule régulièrement, à la suite d'une production d'acide sulfurique induite par la mise en contact avec l'air de certains minéraux (sulfures métalliques), généralement à l'occasion de grandes excavations (carrières) et travaux miniers ou de stockage de déchets miniers. Il contribue localement au phénomène global d'acidification des eaux douces constaté depuis plusieurs décennies à grande échelle.

Le phénomène est parfois « spontané » sur des affleurements de minéraux sulfurés, naturellement sujets à une oxydation par contact avec l'air et l'eau : de manière lente, il y a production d'acide sulfurique et solubilisation des métaux présents (du fer, mais aussi des métaux hautement toxiques tels que le plomb ou le mercure) ainsi que des autres éléments présents (comme l'arsenic, également hautement toxique), qui peuvent alors contaminer des nappes, cours d'eau ou lacs.
Les formes graves sont souvent anthropiques, induites par 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. Étant auto-entretenue, la réaction peut perdurer des décennies, des siècles ou des millénaires tant que le soufre ou l'oxygène ne manquent pas.

Mécanismes de formation

Origine du phénomène

Les minéralisations naturelles du sous-sol sont dues à des circulations de fluides qui transportent des cations métalliques qui sont géologiquement piégés dans les horizons réducteurs. Or l'exploitation minière a ou va brusquement modifier les conditions d'oxydo-réduction à l’origine du gisement en dénoyant les roches et en les exposant à l'oxygène de l'air. Une mine exploitée représente en effet plusieurs kilomètres 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 et de l'oxygène au contact du minerai. Quant aux matériaux des mines à ciel ouvert et des carrières, ils sont par définition soumis aux conditions atmosphériques. Les DMA se forment alors, soit dans les galeries ennoyées, soit par percolation 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. Les quantités produites et stockées peuvent atteindre plusieurs millions de tonnes. Ainsi, les déchets de flottation de la plus grande mine de cuivre au monde, Chuquicamata au Chili, occupent une surface 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.

De plus, les microorganismes présents dans la terre contribuent à l'augmentation de ce processus par leur pouvoir oxydateur du soufre. Ces microorganismes comprennent les archées et des bactéries dont le génome a évolué permettant des adaptations aux milieux acides et écotoxiques pour les autres espèces. Ils utilisent leur pouvoir oxydateur pour arracher des électrons aux composés réduits du soufre et ils utilisent ces électrons dans leur chaine respiratoire pour créer leur propre énergie.

Catalyse

Les réactions chimiques principales qui donnent lieu à un DMA sont l'oxydation du fer et du soufre de la pyrite, le minéral sulfuré le plus commun. Cette réaction a lieu en présence ou en l'absence de bactéries selon l'équation :

${\rm {4\ FeS_{2}+15\ O_{2}+14\ H_{2}O\longrightarrow 4\ Fe(OH)_{3}+8\ H_{2}SO_{4}}}$

Il ne s'agit bien sûr que d'une équation 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 produit de la 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 certains microorganismes qui tirent l'énergie nécessaire à leur croissance des réactions d'oxydoréductions métalliques. Ces bactéries agissent également comme de véritables catalyseurs des réactions chimiques qui se déroulent à la surface des minéraux et en solution.
Les détails de ce phénomène sont encore mal compris. Ils font l'objet de discussion scientifique, visant à 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 et socio-économique

Pollutions induites par les DMA

Les DMA sont une source majeure de pollution acide et métallique pour l'environnement proche et en particulier pour les zones humides, milieux aquatiques (jusque loin en aval), ainsi que pour les aquifères s'ils sont en contact avec ces lixiviats acides.
Ils sont capables, pour les cas les plus sévères, de libérer chaque jour plusieurs tonnes de composés métalliques toxiques dans le système hydrographique.

Les métaux solubilisés dans les effluents miniers acides sont non-dégradables, bioaccumulables et presque tous de violents poisons du métabolisme pour toutes les espèces animales, l'homme, et la plupart des plantes (arsenic notamment).
La présence simultanée de plusieurs métaux peut engendrer une toxicité supérieure à celle de chaque métal séparé. Par exemple, le zinc, le cadmium et le cuivre sont toxiques aux faibles pH et agissent en synergie pour inhiber la croissance des algues et affecter les poissons.

L'acidification à elle seule, est directement à l'origine d’une mortalité importante des populations de poissons et micro-crustacés, de perturbations de leur taux de croissance et de leur reproduction. Les effets indirects de l'acidification sont la dégradation des habitats d'espèces et des modifications des relations prédateurs-proies (perturbation voire interruption de la chaîne alimentaire). Presque aucune espèce 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 alors transportés (sous forme ionique, solubilisés) 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 précipitent sous des formes insolubles, en limitant la contamination des réseaux trophiques. 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 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 osmotique importante, qui va déshydrater les êtres vivants.

Enfin, les DMA ont également un impact visuel sur les paysages : les dépôts de couleur jaunâtre, ocre à rouille, sur plusieurs kilomètres de cours d'eau, ou l'aspect dénudé des stocks de déchets miniers sont notables.

Conséquences pour l’homme

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, base de loisir, pêche, irrigation), ce qui peut poser de graves problèmes de santé environnementale, notamment dans les pays pauvres.
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 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 réguliers ou consommateurs réguliers de poissons dans les zones concernées.

Chez les personnes souffrant d'intoxications métalliques, on trouve des métaux toxiques dans la plupart des tissus mous, surtout le foie, les reins mais aussi dans les os. Une fois absorbés, les métaux lourds sont souvent difficiles à éliminer. La demi-vie de la plupart d'entre eux dans le corps humain est longue (30 ans pour le cadmium). L'exposition à de nombreux métaux pourrait aussi provoquer des cancers.

Lutte contre la pollution des DMA

Historique

La pollution par les métaux est aussi ancienne que l’activité minière. Dans l’estuaire du Rio Tinto (Espagne), petit fleuve acide qui draine la plus grosse minéralisation sulfurée du monde, un sondage a recoupé un horizon 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 4 000 000 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 2 000 km. 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.

Solutions techniques

À l’abandon d’une mine, le meilleur moyen d’éviter la pollution de la nappe et des cours d’eau 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 pour les opérateurs miniers, les personnes chargées de la réhabilitation et finalement pour la communauté. Si on choisit tout 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 que les traitements chimiques actifs.

Dans le cas des DMA issus de terrils, il existe plusieurs méthodes de neutralisation. On peut d’abord noyer 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 ou de chaux et de polymère hydrophobe. La couverture peut aussi être naturelle, permettant une revégétalisation et donc une protection contre l'érosion : couches superposées d'argile et de terre, dépôts de tourbière (riches en matière organique et réducteurs).

Évolution de la qualité des eaux après ennoyage

L’exhaure massive dans les bassins miniers conduit souvent à un abaissement général du niveau de la nappe avec formation de cuvettes piézométriques autour 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 où les désordres causés par l’exploitation dans le sous-sol sont irréversibles. Au fil du temps, le circuit hydraulique retrouve des conditions réductrices et la qualité des eaux du nouveau réservoir s'améliore d'abord rapidement (quelques mois à quelques années) puis plus lentement (quelques dizaines à quelques centaines d'années). Il est difficile d’évaluer le délai de retour à une qualité suffisante pour l’adduction d’eau potable : cela dépend beaucoup des particularités du site considéré.

Voir aussi

Bibliographie

• (en) Colmer A.R & Hinkle M.E (1947) The role of microorganisms in acid mine drainage : a preliminary report. Science, 106(2751), 253-256.
• (fr) Collon P (2003) Évolution 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 de l’INPL, Nancy.
• Gosselin M, Aubertin M & Mbonimpa M (2007) Évaluation de l’effet du degré de saturation sur la diffusion et la consommation d’oxygène dans des résidus miniers sulfureux. In Proceedings of the 8th Joint IAH-CNC and CGS Groundwater Specialty Conference and 90th Canadian Geotechnical Conference, Ottawa, Ont (pp. 21-24).
• (en) Jiménez-Rodríguez A.M, M.M. Durán-Barrantes, R. Borja, E. Sánchez, M.F. Colmenarejo, F. Raposo (2009), Heavy metals removal from acid mine drainage water using biogenic hydrogen sulphide and effluent from anaerobic treatment: Effect of pH ; Journal of Hazardous Materials, Volume 165, Issues 1–3, 15 June 2009, Pages 759-765 (résumé)
• (fr) Toulhoat P (1996) Évolution chimique des eaux profondes et de surface, Les Techniques, Vol 96, Numéro spécial "Mines et Carrières ", décembre.

Articles connexes

• Déchet minier
• Affaissement minier
• Mine
• Séquelle minière
• sol sulfaté acide
• acidification des eaux douces
• Traitement des eaux usées industrielles

Liens externes

• Dossier du Bureau des Recherches Géologiques et Minières sur les DMA
• Site du MEND
• International Mine Water Association – IMWA