Ce projet vise à développer une méthodologie pour caractériser les aquifères régionaux en socle rocheux fracturé et faillé à partir de mines souterraines, en considérant l’accès privilégié qu’offrent les mines et malgré les perturbations qu’elles engendrent. Les mines Beaufor, CANMET et Lac Herbin ont servi à tester les méthodes ; elles sont toutes situées dans le pluton de Bourlamaque, près de la ville de Val-d’Or, en Abitibi, au Québec, Canada. Les aspects suivants sont considérés : les systèmes de fractures, les propriétés hydrauliques, l’hydrogéochimie et les contraintes géomécaniques. Les industries minières possèdent plusieurs données existantes aidant à caractériser les aquifères rocheux. Des levés structuraux, des mesures de pression d’eau et l’échantillonnage de l’eau pour les analyses chimiques à partir des excavations minières complètent les données contribuant à établir un portrait de ces aquifères. Les levés de fractures montrent que même si les trois mines sont dans un contexte géologique similaire, elles sont différentes du point de vue structural. Plusieurs modèles analytiques de l’écoulement des eaux souterraines peuvent être utilisés à partir de données collectées dans les excavations souterraines pour estimer les propriétés hydrauliques d’un aquifère régional dans le roc fracturé. Ces modèles ont été développés soit pour des mines, pour des tunnels ou pour des puits à drains rayonnants. Les valeurs de conductivité hydraulique obtenues à l’aide de ces modèles pour les trois sites miniers sont présentées par des intervalles de valeurs possibles associés à chaque méthode ; les valeurs les plus probables sont situées entre 1,6 x 10-9 m/s et 4,6 x 10-9 m/s, les valeurs extrêmes sont de 2,0 x 10-10 m/s et 4,4 x 10-8 m/s. Les analyses chimiques de l’eau souterraine montrent deux types d’eau principaux : des eaux bicarbonatées calciques échantillonnées à des profondeurs allant de 0 à 195 m, et des eaux chlorurées sodiques potassiques à une profondeur supérieure à 300 m. La chimie de l’eau varie aussi d’un secteur à l’autre dans une même mine. La concentration en tritium diminue également avec la profondeur, ce qui tend à indiquer que les eaux profondes sont les plus vieilles. Les carbonates passent de sous-saturés près de la surface à saturés en profondeur puisque le pH augmente avec la profondeur, alors que pour les minéraux argileux c’est l’inverse. En conclusion, malgré les perturbations occasionnées par les mines, ces excavations représentent des endroits propices et comportant plusieurs avantages pour conduire des études de caractérisation d’aquifères en milieu rocheux fracturé et faillé.

Cette étude présente les travaux expérimentaux sur le comportement hydromécanique d'une fracture en cisaillement sous des conditions de contrainte normale constante qui ont permis de caractériser sa transmissivité hydraulique intrinsèque en fonction de l?anisotropie directionnelle de la morphologie de la rugosité des surfaces de la fracture. Les essais ont été réalisés sur des répliques en mortier d'une fracture naturelle de façon à maintenir la même morphologie des surfaces à chaque essai. Le programme d'essais comprenait le cisaillement des répliques de la fracture dans quatre directions et à quatre niveaux de contrainte normale. Chaque essai se composait de plusieurs pas de cisaillement entre lesquels des injections ont été effectuées à des débits différents. Les résultats de ces essais montrent que: ?pour l'ensemble des essais, la transmissivité intrinsèque globale est comprise dans une zone enveloppe d'environ un ordre de grandeur. Les courbes de transmissivité à l'intérieur de cette zone enveloppe ont la particularité d'augmenter d'environ deux ordres de grandeur durant le premier millimètre de déplacement tangentiel et, par la suite de se stabiliser rapidement; ?la dilatance la plus élevée ne correspond pas nécessairement à la transmissivité intrinsèque la plus élevée et, par conséquent, le comportement de la transmissivité intrinsèque n'est pas directement proportionnelle à la dilatance d'une fracture durant son cisaillement; ?après la résistance de cisaillement au pic, l'écart est de plus en plus marqué entre les courbes des transmissivités intrinsèques à différents débits; ?à partir de la résistance de cisaillement au pic et du début de la dégradation des aspérités, une anisotropie directionnelle de l'écoulement se développe démontrant la plus forte transmissivité orientée perpendiculairement à la direction du cisaillement; ?Panisotropie ne se développe pas également dans les deux sens de la direction perpendiculaire au cisaillement. Dans le but de caractériser la dynamique de l'écoulement dans la fracture, des analyses statistiques de la morphologie des surfaces et des moulages des vides ont été effectuées avant et après cisaillement. Une analyse statistique des hauteurs des aspérités, à l'échelle globale des surfaces de la fracture, a permis de caractériser la morphologie de la fracture et de mettre en évidence l'existence d'une structure morphologique de grandes dimensions à laquelle se superpose des aspérités plus petites de dimensions variables. Cette structure de grande dimension engendre un palier plus élevé occupant un peu plus de la moitié de la surface de la fracture. L'étude de la morphologie des surfaces de la fracture effectuée à l'aide des variogrammes moyens des hauteurs des aspérités par direction avant cisaillement, démontre la présence de deux familles de structures emboîtées (28 et 15 mm). Cette même étude effectuée après cisaillement démontre que la dégradation des aspérités est associée à la diminution de la transmissivité intrinsèque de la fracture. Finalement, le moulage des vides, lors des essais de cisaillement, a permis de vérifier l'évolution des contacts avec l'augmentation du déplacement en cisaillement et de visualiser la chenalisation de l'écoulement durant le cisaillement de la fracture.

Une série d'essais mécaniques en cisaillement sur des répliques en mortier d'une fracture rocheuse (Flamand, 2000) a permis de mettre en évidence l'influence de la morphologie sur le comportement mécanique en cisaillement. Partant de ces essais on se propose d'établir un modèle du comportement et de déterminer quels sont les paramètres ou facteurs morphologiques les plus influents sur le comportement. A cette fin une revue bibliographique dans le domaine du comportement mécanique des fractures rocheuses a été réalisée ; il en ressort que les modèles actuels ne permettent pas de modéliser en une seule fois, le comportement sur toute la gamme des déplacements horizontaux. Dans un premier temps, une simulation géostatistique de la surface des épontes rocheuses est effectuée pour calculer, quelle que soit la direction de déplacement relatif des épontes, les valeurs de facteurs morphologiques ; on en retient quatre RL, Z3, 62, Z4. Dans un deuxième temps, un plan d'expériences prenant en compte des facteurs mécaniques (contrainte normale et déplacement horizontal) et les facteurs morphologiques précédents est construit; les résultats qui en découlent sont analysés. Les résultats du plan permettent d'obtenir un modèle de simulation du comportement pour des contraintes normales comprises entre 0 % et 30 % de la résistance en compression du matériau utilisé pour les répliques, pour des déplacements tangentiels compris entre 0 mm et 5 mm, et pour toutes les directions de déplacements horizontaux. Le facteur morphologique Z3 se distingue des autres ; on montre que son influence sur le comportement est très faible. Les facteurs morphologiques (RL, Z4 et 82) influencent de façon significative le comportement mécanique en cisaillement, soit la dilatance, et la contrainte tangentielle. Tenant compte des résultats d'une étude des erreurs de prédiction, une nouvelle série d'essais est proposée respectant une répartition uniforme des niveaux du facteur morphologique 02.

L'objectif de la thèse est de comprendre le comportement géochimique de l'arsenic dans les remblais miniers en pâte cimentés. Cette technique est employée depuis plusieurs années pour remblayer les galeries de mine exploitées à l'aide des rejets de concentrateurs. Pour cette étude, deux types de remblais sont élaborés en laboratoire : des échantillons de remblai minier en pâte synthétiques, fabriqués à partir de silice et enrichis artificiellement en arsenic, et des remblais miniers en pâte élaborés à partir de rejets miniers arséniés. Dans les deux cas, différents liants cimentaires sont testés. Plusieurs types d'investigations sont menés sur les échantillons de remblai en pâte cimentés. Une caractérisation minéralogique est effectuée à l'aide de divers outils. En parallèle, les échantillons de remblais sont soumis à différents tests de lixiviation complémentaires, afin d'évaluer la mobilité/rétention de l'arsenic dans ces matrices. Enfin, une modélisation géochimique est mise en œuvre à partir des résultats issus des deux études précédentes, afin d'affiner les connaissances sur la nature et la stabilité des composés arséniés dans les remblais étudiés. Les résultats obtenus indiquent que l'arsenic est mieux stabilisé dans les matrices à base de ciment Portland et de laitier de haut-fourneau que dans les remblais à base de cendres volantes. Le comportement à la lixiviation variable d'une matrice à l'autre s'explique par des spéciations et des mécanismes de piégeage de l'arsenic variés. L'arsenic peut précipiter sous forme de minéraux arséniés, principalement sous forme d'arséniates de calcium, mais aussi de divers autres composés secondaires variables d'une matrice à l'autre. Un piégeage physique des grains de rejets miniers arséniés par les hydrates cimentaires peut aussi avoir lieu, par formation d'un revêtement limitant l'oxydation des sulfures porteurs d'arsenic. Tous ces mécanismes interviennent dans la stabilisation/solidification de l'arsenic.

La société Rio Tinto Fer et Titane (RTFT), filiale à 100 % de Rio Tinto, a développé un procédé appelé UGS (upgraded slag) afin d’enrichir sa scorie de dioxyde de titane de 80% à 94,5% massique. Ce procédé génère une quantité non négligeable de résidu d’oxydes UGS (notés dans ce projet par UGSO), envoyé directement au dépôt des résidus miniers pour finir en enfouissement. Afin d’éviter cette dernière opération, RTFT a essayé sans grand succès différentes solutions. La composition chimique de ce déchet est considérée par le groupe de recherche développant ce projet (Université de Sherbrooke et Université Laval) comme étant à priori un support idéal pour des catalyseurs à base de nickel destinés au reformage des hydrocarbures car, de par leur nature, ils contiennent déjà les oxydes reconnus par la communauté scientifique pour leur capacité à éviter la formation de carbone, principale cause de désactivation de ces catalyseurs. En utilisant le nickel comme métal actif, un premier catalyseur, Ni-UGSO, est mis en œuvre par calcination à 900°C d’un mélange d’UGSO et d’un précurseur de nickel (du nitrate de nickel hexahydraté : Ni(NO3)2.6H2O). Le mélange est préparé selon un nouveau procédé à l’état solide amélioré développé au laboratoire (demande de brevet en internationale N° PCT/CA2016/050844 déposée le 19 juillet 2016). Dans ce travail, une première application du nouveau catalyseur Ni-UGSO à la production d’hydrogène via les procédés de reformage à sec, vaporeformage et reformage mixte du méthane (CH4) a été étudiée. Des conversions de CH4 de l’ordre de 87% avec des rendements de 81% ont été obtenus lors du reformage à sec à 810°C après 4 h de réaction avec un ratio CO2/CH4 stœchiométrique. Par vaporeformage, également avec un ratio H2O/CH4 stœchiométrique, les conversions atteignent les 98% après 4h de réaction à 900°C. Les ratios H2/CO proche de 1 (reformage à sec) et de 3 (vaporeformage) indiquent que les réactions se déroulent proche de l’équilibre thermodynamique. De même, dans les deux cas de figure, les catalyseurs ont montré une stabilité exceptionnelle pendant 7 jours de réaction continue et une facilité de régénération. D’autres performances, également intéressantes, ont été obtenues par reformage mixte du CH4. De surcroît, les différentes techniques de caractérisation n’ont détecté aucune trace de carbone dans les catalyseurs usés. Le reformage à sec du CH4 a également été simulé grâce à un modèle basé sur une cinétique de Langmuir–Hinshelwood.

Le sujet de la thèse est de grand intérêt : Quel est l'avenir d'anciennes colonies minières, petites et moyennes? Quel rôle peut avoir le patrimoine industriel - minier dans ce contexte?. Les raisons de l'étude sont multiples: la faible connaissance de l'étendue et de l'impact de l'abandon des zones minières, la faible connaissance du patrimoine industriel-minier roumain, etc...Pour analyser l'évolution de l'industrie minière roumaine, il est nécessaire son inclusion dans le contexte européen, en utilisant comme points de repère la Grande Bretagne et la France. La méthodologie est différente selon le pays.La thèse est structurée en trois parties. La première contient une étude de l'évolution historique de l'industrie minière. Dans la seconde partie, l'étude est limitée aux trois pays : la Grande Bretagne, la France et la Roumanie. Basé sur des études de cas en anglais, écossaise et surtout français, sont mis en évidence des méthodes de travail et des stratégies pour la mise en valeur du patrimoine minier, dans le contexte du développement territorial. Dans la troisième partie, l'étude est limitée à la Roumanie. Une première étape consiste en l'inventaire des établissements miniers de trois comtés pour établir le portrait type. Aussi cette partie inclut la proposition de méthodologie de recherche et d'intervention pour le cas roumain et la proposition des stratégies pour les régions Ghelari, Brad et Valea Jiului.Les conclusions de la thèse sont diverses, parmi elles les implications de l'industrie minière au niveau européen, types d'interventions sur le patrimoine minier, méthodes économiques et sociaux, stratégies et recommandations. / Thesis topic is of great interest : What is the future of former mining settlements, small and medium, from Romania and Europe? What role can have the industrial mining heritage - in this context ? The motivations of the study are multiple: the weak knowledge of the scale and effects of the abandonment of mining areas, the poor knowledge of Romanian industrial- mining heritage, etc.For analyzing the evolution of the Romanian mining industry, it is required its inclusion in the European context, using as references Great Britain and France. The methodology is different depending on the country.The thesis is structured in three parts and conclusions. The first part contains a research of the historical evolution of the mining industry. In the second part, the study is restrained at the three countries: Great Britain, Franceand Romania. Based on English, Scottish and especially French case studies are highlighted working methods and strategies which promote the mining heritage, in the context of territorial development.ln the third part, the study is restrained at Romania. A fïrst step is the inventory of mining settlements from three counties to establish the type portrait of Romanian mining settlement. AIso this part contains the research and the intervention methodology for the Romanian case and the proposing of strategies for the regions of Ghelari, Brad and Jiu Valley.The conclusions of the thesis are diverse from the implications of the mining industry at European level, types of interventions on the mining heritage, economic and social methods, Romanian mining settlements characteristics and similarities in Europe, strategies and recommendations.

Le présent mémoire est présenté en quatre chapitres. Dans le premier, on exposera succintement les données régionales de géographie, géologie et de métallogénie. Les deux chapitres suivants traitent de géochimie. On abordera d'abord la géochimie régionale dont l'importance est primordiale pour déceler une éventuelle parenté géochimique entre la minéralisation et son encaissant. Ensuite, on détaillera , la géochimie minérale, organique et isotopique du soufre du gisement primaire de M'Passa. Par l'emploi de l'analyse statistique multivariable, on recherchera les corrélations entre les éléments dosés ainsi que leur répartition entre les différentes phases en présence. On pourra alors être à même de proposer un modèle pour la genèse des indices et gisements de la région. Le dernier chapitre sera celui des interprétations globales, des conclusions et des suggestions pour les travaux futurs de prospection minière.

La majorité des travaux présentés dans le présent mémoire ont été effectués entre les mois de septembre 2008 et de janvier 2010 en vue de déterminer l'efficacité d'une méthode de décontamination. Les travaux ont été effectués ex situ en l'absence d'un terrain adéquat au test de notre technologie et d'un partenaire désireux d'effectuer un projet pilote. Les travaux ex situ ont été effectués entièrement par l'auteur du présent mémoire. Les travaux en laboratoire ont consisté en trois phases. La première phase a été d'évaluer, de façon concomitante, la possibilité de réhabiliter les résidus miniers de Murdochville et d'évaluer le potentiel de revalorisation d'un résidu industriel. La seconde phase a été de mettre sur pied une méthodologie ex situ pour simuler les écoulements souterrains au travers d'une BRP. La dernière phase a été de collecter les résultats, d'effectuer des analyses chimiques et d'analyser les résultats. Les expériences de simulation des BRP ont été effectuées sur de multiples métaux, notamment l'arsenic, le cuivre, le plomb, le zinc, le chrome. Le but était de mesurer contaminée à environ 10 ppm de chacun des métaux et métalloïdes mentionnés précédemment comme temps t0 et de comparer avec de l'eau ayant passée par le système de BRP. Les BRP simulées ont décontaminées dans une proportion de 93,64 à 99,79% l'ensemble des contaminants qui lui ont été soumis. La moyenne de décontamination est de 99,46% pour l'As, 96,96% pour le Cr, 97,9% pour le Pb, 99,42% pour le Cu et 99,26% pour le Zn. La méthode est la plus efficace pour décontaminer l'arsenic, mais est efficace pour tous les autres métaux. En comparant avec des travaux ciblés sur le même type de contaminant, il appert que la méthode de décontamination mise sur pied dans le cadre du présent mémoire offre une technologie de décontamination originale. Toutefois, la méthodologie des BRP est une méthodologie déjà existante. La technologie a fait l'objet de modélisations numériques visant à améliorer la forme et la géométrie des BRP, ayant pour résultat de mettre en lumière le peu d'impact qu'une variation notable dans la géométrie d'une BRP peut avoir sur le débit qui y passe. À la lumière des résultats obtenus, il sera intéressant d'appliquer la méthode décrite dans le présent mémoire et de la tester in situ. Il sera nécessaire de conduire des essais pilotes pour mesurer la durée de vie d'une telle barrière. Il semble que la technologie soit efficace à décontaminer les di vers métaux présentés dans le présent mémoire, du moins à court terme et avec des volumes d' eau modérés. ______________________________________________________________________________

La géochimie est souvent influencée par l'activité biologique. Des logiciels tels que CHESS et HYTEC modélisent la plupart des processus géochimiques et hydrodynamiques et permettent d'analyser, puis de prédire, l'évolution de systèmes complexes comme les anciens sites miniers. L'objectif est d'étendre ces outils à la prise en compte de l'activité bactérienne. Dans CHESS, la méthode de Newton-Raphson, qui calcule la spéciation géochimique à l'équilibre, a été étendue à la modélisation de systèmes réactionnels composés de cinétiques biologiques (lois de Monod, d'inhibition, thermodynamique). Les autres options de cet outil comme le couplage avec le module de transport (HYTEC) ont été maintenues. L'implémentation du code a été vérifiée par la modélisation de quelques cas tirés de la littérature. L'outil a ensuite été utilisé pour la modélisation d'expériences de dissolution réductives biologiques d'hydroxydes de fer (HFO) riches en As, réalisées au BRGM. La mobilisation non congruente de Fe et As est expliquée par la sorption sur l'HFO et par les réductions biologiques de Fe et As. L'ancien site minier de Carnoulès (Gard, France) a été étudié lors d'expériences, réalisées à l'université de Montpellier, qui retracent l'évolution géochimique de l'eau acide de drainage minier. Leur modélisation prend en compte les oxydations aérobies biologiques de Fe et As et la précipitation d'une phase amorphe de FeIII et d'AsV. Les expériences ont permis de fixer les paramètres thermodynamiques et cinétiques utilisés pour la modélisation à l'échelle du terrain. Au delà de l'étude de l'interface eau-minéral, l'extension des outils CHESS et HYTEC va permettre d'étendre considérablement le champs de leurs applications.

Les déchets sulfurés issus de l’extraction des minerais métalliques génèrent des drainages miniers acides (DMA) contenant des éléments toxiques tels que l’arsenic. Les procédés de traitement passifs basés sur l’oxydation bactérienne du fer et de l’arsenic, en favorisant la précipitation de ces éléments sous une forme stable, pourraient représenter une solution efficace et économique pour traiter cette pollution. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs environnementaux et opérationnels qui contrôlent l’efficacité d’élimination de l’arsenic. Une approche en pilote à flux continu a été mise en oeuvre afin de se rapprocher des conditions réelles d’un traitement. L’étude a été conduite d’abord à l’échelle d’un bioréacteur de paillasse en conditions contrôlées (température, lumière, débit, temps de séjour et hauteur d’eau), puis dans un dispositif de taille supérieure, fonctionnant de manière totalement passive et in situ. Ces dispositifs ont été alimentés avec de l’eau d’un DMA riche en arsenic, issue de l’ancien site minier de Carnoulès, dans le Gard. Les caractéristiques de l’eau et des bioprécipités au sein de ces pilotes, en particulier le rédox du fer et de l’arsenic, ont été suivis dans différentes conditions environnementales et d’opération par des méthodes de spéciation liquide et solide (HPLC-ICP-MS, EXAFS, XANES), des analyses minéralogiques (DRX) et des analyses microbiologiques (ARISA, séquençage haut débit du gène de l'ARNr 16S, quantification du gène aioA). Les résultats issus des expériences en laboratoire ont mis en évidence l’effet de différents paramètres opérationnels (hauteur d’eau, temps de rétention hydraulique, et présence/absence d’une pellicule flottante) sur les performances du traitement, ainsi que sur la microbiologie et la minéralogie des bioprécipités formés. Le dispositif de terrain a permis de tester les performances du procédé dans des conditions environnementales fluctuantes (variabilité de la physico-chimie de l’eau d’entrée et de la température) et d’acquérir des connaissances nouvelles sur l’évolution des bioprécipités au cours de six mois de traitement. Les connaissances acquises dans cette thèse pourront servir de base à la conception d’une étape d’élimination de l’arsenic dans les processus de traitement des DMA. / Acid mine drainage (AMD) are produced by sulfuric tailings from mining of metal ores. They are characterized by high contents of toxic elements like arsenic. One efficient and economical solution for the treatment of As in these tailings could be the use of a passive method based on iron and arsenic bacterial oxidation, and the subsequent precipitation of these elements in a stable form. In this context, the objective of this PhD thesis was to better understand the environmental and operational factors controlling the efficiency of As removal processes. A continuous-flow pilot approach was implemented in order to better reproduce the real treatment conditions. This study was first performed in a bench-scale bioreactor with controlled conditions (temperature, light, flow, residence time and water height). Then, it was performed in a field-scale bioreactor installed in situ, reproducing a passive treatment in real conditions. These devices were fed with As-rich AMD waters from the ancient mine of Carnoulès (Gard, France). Water and bioprecipitate properties were monitored in both devices, specially the redox speciation of iron and arsenic. This monitoring was held for different environmental and operational conditions. Iron and arsenic speciation in liquid and solid phases was measured by different analytical techniques such as HPLC-ICP-MS, EXAFS and XANES. Mineral identification was made by XRD analysis, while microbiological characterization was made by ARISA, high-throughput sequencing of 16S rRNA gene, and aioA gene quantification. Results from the lab-scale experiments evidenced the effects of the different operational parameters (water height, hydraulic retention time and the presence/absence of a floating film) on the treatment performance, as well as on the microbiology and mineralogy of the produced bioprecipitates. The field device was used to test the treatment performance under fluctuating environmental conditions (variability of the physico-chemistry of the feed water and of the temperature) and to gain new knowledge about the evolution of the bioprecipitates during six months of treatment. All the knowledge acquired in this PhD thesis could serve as a basis for the design of an arsenic removal stage in DMA treatment processes.