Le drainage minier acide constitue un problème d'une importance majeure pour l'industrie minière. Au Canada, les exploitations minières sont maintenant tenues depuis quelques temps de restaurer et de réhabiliter les aires d'accumulation de résidus miniers et de stériles après cessation des activités. Actuellement, il existe très peu de solutions éprouvées en vue de prévenir et / ou de contrôler le drainage minier acide dans une halde à stériles. Cependant, il existe quelques méthodes prometteuses d’empilement des stériles avec des matériaux fins telles que la co-disposition, l’entremêlement par couches et l’encapsulation (couvertures supérieure et inférieure). Ces méthodes sont basées sur l’utilisation de matériaux fins disposés en couche jouant le rôle de barrières capillaires qui doivent demeurer saturées même en période de sécheresse, de manière à diminuer la diffusion de l'oxygène et ralentir le mouvement de convection thermique de l'air. Ces couches peuvent être constituées de résidus miniers, disponibles en grande quantité sur place. Ces résidus eux-mêmes générateurs d'acidité, pourraient être neutralisés par des résidus industriels fins et basiques tels que les poussières de four de cimenterie et des boues rouges d'aluminerie. Cette problématique générale a fait l’objet de nos travaux. Afin de vérifier l'efficacité de la technique de mélange proposée, des essais en conditions statiques (batch) et en conditions dynamiques (colonnes) ont été poursuivis en laboratoire. Les résultats obtenus en batch avec des résidus se voulant représentatifs ont mis en évidence le pourcentage minimum (10% en poids) requis en ajout alcalin pour obtenir une neutralisation efficace. Ils ont aussi permis de documenter les interactions chimiques entre les différents matériaux. Les essais en colonnes ont permis d’observer le comportement hydrogéochimique engendré par les différentes dispositions de matériaux fins et de stériles. Ainsi, une couche de matériaux fins disposée sous des stériles offrira une meilleure neutralisation à court terme, tandis qu’une couche disposée au-dessus offrira une meilleure neutralisation à long terme. La co-disposition des matériaux ne permet quant à elle qu’une neutralisation limitée dans le temps. Enfin, une extraction séquentielle a permis de s’assurer de la bonne fixation des métaux. / Acid mine drainage (AMD) is the most serious environmental problem facing the mining industry. AMD is formed when sulfide minerals in waste rock or tailings are oxidized in the presence of water and oxygen to form highly acidic, sulfate and metals-rich drainage. Some methods exist to reduce the formation of AMD in a waste rock pile: layered co-mingling, cover, liner and co-disposal of waste rock with fine materials to limit oxygen fluxes. These methods are based on the use of mine tailings. The aims are to limit the transfer of oxygen and water in a waste rock pile during its construction and reduce thermal gas convection. However, mine tailings can themselves generate AMD and need to be neutralized by the addition of alkaline material. The purpose of this study is to evaluate the capacity of alkaline industrial wastes to neutralize tailings. Alkaline industrial wastes which were selected are cement kiln dust (CKD) and red mud bauxite (RMB). These alkaline materials are used to keep neutral conditions even if water saturation is disrupted. A series of batch leaching tests and column leaching tests were conducted in order to investigate the long-term neutralization potential of alkaline materials and the quality of the drainage water. The batch leaching tests have indicated the minimum percentage (10%) of alkaline material required to keep neutral pH conditions, and to discern whether mineral solubility controls exist for particular elements. Column leaching tests have shown the hydrogeochemical behaviour of different dispositions of materials. When the fine-grained layer overlays reactive waste rock, a delay was observed before obtaining near neutral pH. In the cases where the fine-grained layer is below or mixed with the waste rock, the near neutral pH values are directly reached. The co-disposition offers short-term neutralisation only. Finally, a sequential extraction method was used to determine the degree of fixation of metals.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Un modèle numérique tridimensionnel a été développé pour la simulation du système chimique quartz-eau couplé avec l’écoulement à densité et viscosité variable dans les milieux poreux discrètement fracturés. Le nouveau modèle simule aussi le transfert de chaleur dans les milieux poreux fracturés en supposant que l’expansion thermique du milieu est négligeable. Les propriétés du fluide, densité et viscosité, ainsi que les constantes chimiques (constant de taux de dissolution, constant d’équilibre, coefficient d’activité) sont calculées en fonction de la concentration des ions majeurs et de la température. Des paramètres de réaction et d’écoulement, comme la surface spécifique du minéral et la perméabilité sont mis jour à la fin de chaque pas de temps avec des taux de réaction explicitement calculés. Le modèle suppose que des changements de la porosite et des ouvertures de fractures n’ont pas d’impact sur l’emmagasinement spécifique. Des pas de temps adaptatifs sont utilisés pour accélérer et ralentir la simulation afin d’empêcher des résultats non physiques. Les nouveaux incréments de temps dépendent des changements maximum de la porosité et/ou de l’ouverture de fracture. Des taux de réaction au niveau temporel L+1 (schéma de pondération temporelle implicite) sont utilisés pour renouveler tous les paramètres du modèle afin de garantir la stabilité numérique. Le modèle a été vérifié avec des problèmes analytiques, numériques et physiques de l’écoulement à densité variable, transport réactif et transfert de chaleur dans les milieux poreux fracturés. La complexité de la formulation du modèle permet d’étudier des réactions chimiques et l’écoulement à densité variable d’une façon plus réaliste qu’auparavant possible. En premier lieu, cette étude adresse le phénomène de l’écoulement et du transport à densité variable dans les milieux poreux fracturés avec une seule fracture à inclinaison arbitraire. Une formulation mathématique générale du terme de flottabilité est dérivée qui tient compte de l’écoulement et du transport à densité variable dans des fractures de toute orientation. Des simulations de l’écoulement et du transport à densité variable dans une seule fracture implanté dans une matrice poreuse ont été effectuées. Les simulations montrent que l’écoulement à densité variable dans une fracture cause la convection dans la matrice poreuse et que la fracture à perméabilité élevée agit comme barrière pour la convection. Le nouveau modèle a été appliqué afin de simuler des exemples, comme le mouvement horizontal d’un panache de fluide chaud dans un milieu fracturé chimiquement réactif. Le transport thermohalin (double-diffusif) influence non seulement l’écoulement à densité variable mais aussi les réactions chimiques. L’écoulement à convection libre dépend du contraste de densité entre le fluide (panache chaud ou de l’eau salée froide) et le fluide de référence. Dans l’exemple, des contrastes de densité sont généralement faibles et des fractures n’agissent pas comme des chemins préférés mais contribuent à la dispersion transverse du panache. Des zones chaudes correspondent aux régions de dissolution de quartz tandis que dans les zones froides, la silice mobile précipite. La concentration de silice est inversement proportionnelle à la salinité dans les régions à salinité élevée et directement proportionnelle à la température dans les régions à salinité faible. Le système est le plus sensible aux inexactitudes de température. Ceci est parce que la température influence non seulement la cinétique de dissolution (équation d’Arrhenius), mais aussi la solubilité de quartz. / A three-dimensional numerical model is developed that couples the quartz-water chemical system with variable-density, variable-viscosity flow in fractured porous media. The new model also solves for heat transfer in fractured porous media, under the assumption of negligible thermal expansion of the rock. The fluid properties density and viscosity as well as chemistry constants (dissolution rate constant, equilibrium constant and activity coefficient) are calculated as a function of the concentrations of major ions and of temperature. Reaction and flow parameters, such as mineral surface area and permeability, are updated at the end of each time step with explicitly calculated reaction rates. The impact of porosity and aperture changes on specific storage is neglected. Adaptive time stepping is used to accelerate and slow down the simulation process in order to prevent physically unrealistic results. New time increments depend on maximum changes in matrix porosity and/or fracture aperture. Reaction rates at time level L+1 (implicit time weighting scheme) are used to renew all model parameters to ensure numerical stability. The model is verified against existing analytical, numerical and physical benchmark problems of variable-density flow, reactive solute transport and heat transfer in fractured porous media. The complexity of the model formulation allows chemical reactions and variable-density flow to be studied in a more realistic way than previously possible. The present study first addresses the phenomenon of variable-density flow and transport in fractured porous media, where a single fracture of an arbitrary incline can occur. A general mathematical formulation of the body force vector is derived, which accounts for variable-density flow and transport in fractures of any orientation. Simulations of variable-density flow and solute transport are conducted for a single fracture, embedded in a porous matrix. The simulations show that density-driven flow in the fracture causes convective flow within the porous matrix and that the highpermeability fracture acts as a barrier for convection. The new model was applied to simulate illustrative examples, such as the horizontal movement of a hot plume in a chemically reactive fractured medium. Thermohaline (double-diffusive) transport impacts both buoyancy-driven flow and chemical reactions. Free convective flow depends on the density contrast between the fluid (hot brine or cool saltwater) and the reference fluid. In the example, density contrasts are generally small and fractures do not act like preferential pathways but contribute to transverse dispersion of the plume. Hot zones correspond to areas of quartz dissolution while in cooler zones, precipitation of imported silica prevails. The silica concentration is inversely proportional to salinity in high-salinity regions and directly proportional to temperature in low-salinity regions. The system is the most sensitive to temperature inaccuracy. This is because temperature impacts both the dissolution kinetics (Arrhenius equation) and the quartz solubility.

On retrouve localement des amphibolites fortement foliées dans le mélange ophiolitique sous les massifs ophiolitiques de la Zone de Suture du Yarlung Zangbo (ZSYZ). Ces blocs représentent la partie supérieure d’une semelle métamorphique démembrée. La géochimie des amphibolites (La/Yb = 0.65-0.97, Ta/Th = 0.33-0.65) est similaire à celle des roches mafiques provenant de l’ophiolite, suggérant une origine dans le même bassin d’arrière-arc. Le métamorphisme de haut grade (P=14 kbars, T= 800°C) subit par les amphibolites suggère un enfouissement pendant la naissance d’une subduction. Les âges voisins des amphibolites et de la croûte ophiolitique (121-130 vs 120±10 et 126 Ma, respectivement) suggèrent que la naissance de la subduction s’est déroulée dans le bassin arrière-arc Néo-Téthysien. Un tel événement n’avait pas encore été rapporté. La présence de dikes et le métasomatisme tardif responsable de la cristallisation de préhnite pourraient indiquer la subduction d’un centre magmatique. La composition en isotopes stables du fluide responsable confirmerait une telle hypothèse. / Blocks of highly foliated amphibolites are locally found within the serpentinite matrix mélange underlying the Yarlung Zangbo ophiolites near Bainang and Buma, Xigaze area, Yarlung Zangbo Suture Zone (YZSZ), Tibet. The mélange is thought to be the result of the tectonic dismemberment of the base of the ophiolitic napes during its obduction over the Indian passive margin, circa 50 Ma. Prior to dismemberment, amphibolites were probably parts of a coherent dynamothermal sole, as observed at the base of many ophiolites. Sampled amphibolites can be subdivided in three groups: garnet, banded and common amphibolites. Medium-grained garnet amphibolites contain the assemblage A) Hb+CPX+Gt+Pl±Rt and B) Gt+Hb+Pl (corona assemblage). Fine to medium-grained banded amphibolites contain the assemblage C) Hb+CPX+Pl+Ep±Sp+Qtz+Ap. Fine-grained common amphibolites contain facies D) Hb+Pl±Ep+Ap+Sp. In all assemblages, plagioclase is pseudomorphosed by an albite-prehnite simplectite. Retrograde cataclastic veins contain the assemblage E) Ab+Pr±Ch+Ep. The geochemistry of the garnet, banded and common amphibolites is very similar to the geochemistry of other mafic blocks in the mélange and of mafic igneous rocks within the ophiolitic massifs. When compared to MORBs, light depletion of LREE (La/Yb = 0.65-0.97) and mild HFSE depletion (Ta/Th = 0.33-0.65) would suggest a mixing between the IAT and MORB sources, as seen in back-arc basins and nascent intra-oceanic arcs. The amphibolites were buried at the inception of a subduction within the back-arc to peak metamorphism conditions of 11-14 kbars and ~800 °C. Ar/Ar analysis of amphiboles revealed a metamorphic age of 121-130 Ma, which is synchronous with ages obtained from the overlying ophiolites. Overlapping in ophiolite-sole age relationship reveals inception of the subduction near or at the spreading center from which originated the ophiolite. Subduction of a buoyant body could explain heterogeneous coronitization of pyrope-rich (up to 35 %) garnet by Al-Tschermakites (Al2O3 up to 21 wt %) at high-pressures. After exhumation, amphibolites were injected by very fine-grained diabasic dykes and were subject to percolation of a prehnite-precipitating fluid. Oxygen stable isotopes suggest that a magmatic fluid is responsible for prehnite precipitation. The magmatic and metamorphic history of the dynamothermal sole and field relationships with adjacent units seem to indicate that most of Neo-Tethys oceanic domain was subducted along this new Late Cretaceous subduction zone.

Dans une problématique de réinterprétation géodynamique de la zone de suture Yarlung Zangbo (ZSYZ) au sens large, la pétrographie, la chimie minérale et la li- thogéochimie ont été effectuées sur des roches mafiques, ultramafiques et sédimentaires provenant de trois unités géologiques situées immédiatement au sud des ophiolites de la ZSYZ : le mélange ophiolitique crétacé précoce, le mélange de Yamdrock mésozoïque et le flysch triasique tardif. La majorité des roches mafiques du mélange ophiolitique montrent des caractéristiques géochimiques typiques d'un bassin d'arrière-arc, certaines d'un arc intra-océanique. De même, les roches ultramafiques possèdent des caractéristiques géochimiques qui suggèrent une origine dans un environnement de supra-subduction. Ces caractéristiques varient selon le taux de fusion partielle et le degré d'interac- tion magma-manteau enregistrés par les péridotites. Une analogie peut être faite avec des systèmes océaniques modernes de type arc-bassin. Le mélange ophiolitique résulte bien de la désagrégation des massifs ophiolitiques sus-jacents. Les roches mafiques du mélange de Yamdrock montrent une affinité géochimique avec le magmatisme intra- plaque océanique (de type OIB). Les roches mafiques du flysch triasique montrent une signature géochimique double qui suggère qu'elles dérivent d'une même source magma- tique intraplaque enrichie, mais qu'elles ont subi des processus d'assimilation et de cris- tallisation fractionnée (ACF). Cette contamination crustale continentale semble résulter de la dislocation de la Plaque Indienne lors de l'ouverture de l'Océan Néo-Téthys. Une analogie peut être faite avec le point chaud de la Réunion, dans l'Océan Indien, et les Trapps de Deccan, à l'ouest de l'Inde. Les roches sédimentaires de ces deux unités possèdent une signature géochimique qui concorde avec un environnement de déposition le long d'une marge passive et avec une source au niveau de la croûte continentale supérieure ancienne de l'Inde. Les blocs mafiques d'affinité intraplaque induiraient une contribution mafique et les batholites granitiques démembrés une contribution felsique à la source de ces turbidites. L'évolution paléozoïque du bassin néo-téthysien a ainsi été reconstituée en fonction de l'environnement tectonique défini pour chaque unité géologique associée à la ZSYZ.

Quatre intrusions, deux cheminées (NDN1 et BT44) situées au Témiscamingue et deux dykes (Torngat 1 et Torngat 2) provenant des Monts Torngat, ont été caractérisées par des études minéralogiques et géochimiques. Le potentiel diamantifère des corps a été évalué par la méthode des minéraux indicateurs. NDN1 est une brèche kimberlitique hétérolitique hypabyssale à spinelle et apatite. BT 44 est une brèche kimberlitique hétérolitique tuffissitique à pérovskite et apatite. Le dyke, Torngat 1 est un lamprophyre ultramafique (melnoïte) hypabyssal riche en phlogopite montrant des similitudes pétrographiques avec les orangéïtes. Torngat 2 est une aillikite, lamprophyre ultramafique hypabyssal à matrice carbonatée. Le potentiel diamantifère des intrusions est faible à nul. Les roches présentent des profils de terres rares et éléments traces typiques des roches ultramafiques alcalines telles que les kimberlites, les orangéïtes ou les lamprophyres ultramafiques, caractérisés par un fort enrichissement en terres rares légères (La : 76-308 ppm) et un fort fractionnement (La/Ybn > 100).