Selon un inventaire réalisé en 2013 par le Ministère des Ressources naturelles du Québec, la Belle Province compterait sur son territoire 698 sites miniers orphelins qui nécessitent des travaux de réhabilitation. Depuis 1995, Québec exige qu’un plan de restauration soit établi avant même que les travaux d’exploitation ne débutent sur un site minier. Ces plans doivent inclure une mise en végétation afin de redonner au site un aspect plus naturel et de limiter la dispersion des résidus par le vent. À ces fins, l'usage de plantes herbacées ou d’arbustes indigènes est recommandé. La mine Sigma, à Val-d’Or, a été exploitée de façon discontinue depuis 1930. Durant le processus d’extraction de l’or, le minerai était broyé en fines particules qui étaient ensuite rejetées sous forme de boue vers de gigantesques bassins (le parc à résidus). Lorsque séchés, ces résidus sont susceptibles d’être balayés par le vent vers le centre-ville situé à proximité. Dans une optique de revégétalisation, les principaux défis que représentaient ces résidus étaient leur faible teneur en matière organique et en nutriments ainsi que leur nature alcaline. Les aulnes, des arbustes résilients apparaissant naturellement lors d’une succession autogénique primaire, ont déjà été employés avec succès à des fins de mise en végétation de sites perturbés par les activités humaines. Grâce à leurs associations symbiotiques multiples, ils sont en mesure de coloniser des sites perturbés. Les aulnes peuvent obtenir de 70 à 100% de l’azote dont ils ont besoin lorsqu’ils sont en symbiose avec Frankia, un actinomycète fixateur d’azote. Cela leur permet de s’établir dans des sols pauvres qu’ils pourront par la suite enrichir en azote, notamment via la perte de leurs feuilles. Ces arbustes peuvent aussi former des endomycorhizes et des ectomycorhizes. Il semblerait que les relations entre les différents symbiotes et leur hôte puissent varier selon les conditions expérimentales, mais le fait de pouvoir bénéficier d’associations multiples serait possiblement une stratégie favorisant le développement de l’hôte dans des environnements extrêmes. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale visait à évaluer le réalisme d’une démarche où les aulnes seraient employés à des fins de revégétalisation des résidus de la mine Sigma. Des aulnes de deux espèces indigènes, Alnus viridis (Chaix) DC. ssp. crispa et Alnus incana (L.) Moench ssp. rugosa, ont été exposés à ces résidus. Les plants à l’étude étaient inoculés ou non avec Frankia, des champignons endomycorhiziens et des champignons ectomycorhiziens. Un premier volet expérimental avait pour but d’évaluer l’effet individuel que chacun des microorganismes aurait sur les aulnes exposés aux résidus aurifères et de vérifier si la combinaison de ces microorganismes pouvait influencer le développement et la survie de ces plants. L’hypothèse de recherche était que la symbiose mycorhizienne augmenterait la capacité des aulnes à entretenir la symbiose actinorhizienne en présence de résidus aurifères. Dans des conditions axéniques, les aulnes ont été cultivés en présence de différentes concentrations de résidus aurifères et ont été inoculés selon plusieurs régimes distincts. Chez les plants témoins poussant en sable, la symbiose actinorhizienne était fonctionnelle, mais en présence des résidus aurifères, son établissement n’a pas pu se faire convenablement. Malheureusement, aucune mycorhize n’a pu être observée, faisant en sorte que l’hypothèse n’a pas pu être testée. Un volet exploratoire devait permettre de déterminer si l’établissement de la symbiose ectomycorhizienne, endomycorhizienne ou actinorhizienne était influencé par la présence préalable de l’une ou l’autre de ces symbioses. Des dispositifs bicompartimentés dans lesquels les plants étaient cultivés dans un mélange de sable et de résidus aurifères étaient employés pour ce volet. Cette expérience était la première du genre employant des plantes actinorhiziennes en conditions axéniques. La présence des résidus n’a pas empêché l’établissement d’une symbiose actinorhizienne fonctionnelle. Malencontreusement, les plants inoculés avec des mycorhizes n’ont pas été colonisés dans cette expérience non plus. Enfin, une dernière expérience devait permettre d’évaluer la performance des plants d’aulnes sur le terrain, l’hypothèse étant que les aulnes allaient croître sur les résidus miniers et que les plants inoculés auraient une meilleure survie et un meilleur développement que ceux qui ne l’étaient pas. Dans cette expérience, c’est seulement lors du premier été de croissance sur le terrain que l’inoculation faisait une différence. En effet, à la fin de la première saison sur le site de la mine Sigma, les plants de A. crispa innoculés avec Frankia avaient une meilleure survie alors que les plants de A. rugosa inoculés avec Frankia et les deux types de mycorhizes avaient un meilleur développement. Après le premier hiver, autant pour les plants de A. rugosa que pour les plants de A. crispa, le développement et la survie n’étaient plus influencés par le régime d’inoculation. Cela suggère que c’est surtout lors du premier été que le régime d’inoculation a joué un rôle déterminant dans la survie et le développement de ces plants. En bref, la souche de Frankia AvCI1 s’est montrée effective en présence de résidus aurifères dans des expériences en conditions axéniques. Cette même souche a été employée pour inoculer les plants destinés à être plantés sur le site minier et a avantagé les plants de A. crispa au niveau de leur survie pendant le premier été. Les plants de A. rugosa inoculés avec des mycorhizes et cette même souche ont développé plus de biomasse que les autres plants de la même espèce pendant ce premier été. Après ce premier été, la survie des plants était bonne, peu importe le régime d’inoculation, et les plants ont continué de se développer. L’emploi des aulnes mycorhizés et actinorhizés pour la revégétalisation de la mine Sigma semble donc prometteur.

Les résidus miniers épaissis représentent une alternative de plus en plus utilisée pour le stockage de surface. Cette technologie, développée au Canada, possède plusieurs avantages par rapport aux résidus miniers conventionnels, qui contiennent typiquement plus d’eau. Ceci permet de réduire la consommation d’eau de la mine, en plus d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau, et de réduire l’empreinte des parcs à résidus. Néanmoins, bien que ces avantages soient tous théoriquement vrais, des efforts en recherche expérimentale sont encore nécessaires afin de valider ces affirmations. Ce projet s’inscrit dans cette ligne, et se veut une étude de laboratoire du comportement en cisaillement des résidus miniers épaissis. Le contexte théorique de la résistance au cisaillement statique est tout d’abord abordé pour ce type de matériau. L’essai triaxial et la mesure des vitesses des ondes de cisaillement (V[indice inférieur s]) sont abordés en détails, puisque des liens sont effectués entre les résultats de ces deux essais. Certains modèles de comportement en cisaillement, comme le modèle hyperbolique de Duncan et Chang, sont abordés afin de pouvoir être utilisés comme outils d’analyse. Le phénomène de la liquéfaction statique est également abordé dans le cadre du comportement volumétrique lors du cisaillement. Les positions des écoles de Harvard et de Cambridge sur ce sujet sont résumées et comparées, dans le but d’élaborer un cadre d’analyse clair pour ce projet. Au niveau expérimental, plusieurs essais triaxiaux ont été effectués afin d’évaluer la résistance au cisaillement statique d’un résidu provenant d’une mine d’or canadienne. Des essais en conditions drainées et non-drainées sont effectués et comparés aux résultats provenant d’un autre laboratoire. Cette comparaison a pour but de valider le bon fonctionnement de l’appareil triaxial ELDYN, de marque GDS, utilisé dans le cadre de ce projet. En effet, cet appareil est neuf, et une étape de prise en main et de calibration est nécessaire. Par ailleurs, une méthode de mise en place des échantillons triaxiaux par déposition hydraulique a été élaborée afin de mieux reproduire l’état des résidus sur le terrain. Des essais triaxiaux ont été effectués afin d’évaluer l’impact de la méthode de mise en place sur la résistance au cisaillement et certains autres facteurs. Des mesures de vitesses des ondes de cisaillement sont également effectuées pour 2 raisons. Tout d’abord, la technique de mesure par anneaux piézoélectriques, développée à l’Université de Sherbrooke, n’a jamais été appliquée sur ce type de matériau. Par ailleurs, des modules de cisaillement provenant des essais triaxiaux et des mesures de V[indice inférieur s] sont comparés, afin d’établir un lien entre le domaine des petites et des grandes déformations. Lors de mesures de V[indice inférieur s] sur le terrain, ce type de relation pourrait éventuellement permettre d’obtenir des paramètres de résistance au cisaillement à grandes déformations (φ’, c’) à partir de mesures in situ non-destructives, effectuées à très petites déformations.

Les systèmes ultramafiques sont souvent synonymes de fortes teneurs en chrome (Cr) dans des roches, qui est naturellement lixivié vers les eaux de surface et souterraines. En raison de cet enrichissement naturel, les zones ultramafiques font souvent l’objet d’extractions massives. Le processus minier inclut l'exploitation et les activités d'enrichissement, dans lesquelles la grande quantité de résidus produits riches en métaux, tels que les gangues et les terrils, sont stockés à l’air libre. Ces processus peuvent considérablement augmenter les teneurs en Cr trivalent (Cr (III)) et hexavalent (Cr (VI)) disséminé dans l'environnement. Ce dernier (Cr (VI)), est connu pour être fortement soluble dans l'eau, biodisponible et toxique. Ce travail de thèse a porté sur i) la zone d’exploitation minière du nickel de Barro Alto (BA, Etat du Goiás, Brésil); ii) la zone d'exploitation minière historique de chromite de Cromínia (CA, Etat du Goiás, Brésil) et iii) une exploitation minière actuelle dans la vallée de Sukinda (Odisha, l'Inde). Le principal objectif de ces travaux est l'identification de l'impact d'activités minières (extraction du nickel et du chrome) sur la mobilité de Cr et sa disponibilité dans des zones ultramafiques, à l'aide des techniques isotopiques. Les compartiments chimiquement et isotopiquement échangeables de Cr(VI) (ECr (VI)) les plus hauts ont été mesurés dans des échantillons de minerai à BA, où l'enrichissement en isotopes légers de Cr (-0.76 à -0.16 ‰) a été attribué à la perte de Cr isotopiquement lourd et échangeable Cr(VI) pendant l’altération. Des valeurs étonnamment lourdes de δ53Cr ont été aussi trouvées dans des minerais saprolitiques à BA et dans des sols affectés par l’extraction à CA, jusqu’à +3.9 ‰ alors qu’ils étaient fortement enrichis en Cr(III). Les causes principales ont été attribuées à l'existence de chromite hydrothermale à CA et/ou à l’altération naturelle suivie par la réduction de Cr(VI), induisant la reprécipitation de Cr mobile et isotopiquement lourd. Le chrome était présent dans les lixiviats des échantillons de minerais saprolitiques et lateritiques de BA, sous la forme de Cr(VI) isotopiquement lourd (jusqu’à +4.84 ‰), en cohérence avec le Cr échangeable (ECr(VI)) (jusqu’à +4.37 ‰). Ces valeurs étaient dans la même gamme de compositions isotopiques que celles mesurées dans les eaux douces de surface (ruisseaux et réservoirs) situés dans la zone ultramafique. Ces résultats impliquent que Cr est principalement disséminé sous sa forme toxique Cr(VI), dont la disponibilité augmente depuis i) le profil de sol ii) les minerais et iii) les résidus miniers. Lors de tests de bioaltération réalisés sur les terrils avec Acidithiobacillus thiooxidans (pH~2) ou Pseudomonas putida (pH~9), Cr a été initialement extrait sous sa forme Cr(VI) puis réduit en Cr (III). Dans les expériences avec A. thiooxidans, la réduction du chrome est dû à l’important pouvoir réducteur d'une série de composés soufrés, tandis que P. putida utilise probablement pour la réduction des chromates une variété d'accepteurs d’électrons. Ces mécanismes, de même que l’augmentation de la concentration en matière organique et la carbonatation minérale, pourraient expliquer la plus faible concentration en Cr(VI) échangeable dans les terrils âgés par rapport aux terrils récents. Par la technique d’échange isotopique, la contribution des SPM au transport du chrome échangeable, ainsi que l’impact des colloïdes contenant des phases porteuses de Cr sur la mesure de ce compartiment échangeable associé aux SPM (EWCr) a été mise en évidence. Les plus grosses particules (> 0.2 µm) jouent un rôle prépondérant dans la zone impactée par l’activité minière, tandis que le chrome est principalement associé aux colloïdes (1 kDa-500 kDa) dans la zone vierge. La présence de colloïdes organiques et inorganiques contenant du chrome non-échangeable induit une surestimation de la valeur de EWCr, qui peut être corrigée par le biais d’un scénario du pire / Ultramafic systems are often synonym of high chromium (Cr) content in rocks, which is naturally leached to surface and groundwater. Due to this natural enrichment, ultramafic areas are massively mined. The mining process includes exploitation and beneficiation activities, in which large amount of metal-rich residues, such as overburden, waste rock and tailings, stored in open air, are produced. These processes may considerably increase the amount of both trivalent (Cr(III)) and hexavalent chromium (Cr(VI)) released to the environment. The later (Cr(VI)), known to be highly soluble in water, bioavailable and toxic. Within these mining residues, many chemical and biological processes may take place, which will control Cr speciation, mobility and availability. The present work was conducted on i) the nickel exploitation and metallurgic area of Barro Alto (BA, Goiás state, Brazil); ii) the antique chromite exploitation area of Cromínia (CA, Goiás State, Brazil) and iii) the current chromite mine in the Sukinda valley (Odisha, India). The main focus of this research is the identification of the impact of mining activities (nickel and chromium mining) on Cr mobility and availability in ultramafic environments, through the use of isotopic techniques. The chemically and isotopically exchangeable pools of Cr(VI) (ECr(VI)) were higher in BA ore samples, where the enrichment in light chromium isotopes (-0.76 to -0.16‰) was attributed to the loose of isotopically heavy and exchangeable Cr(VI) during weathering. Astonishingly, heavy δ53Cr values were also found in saprolitic ores in BA and in mining-affected soils in CA up to +3.9‰, strongly enriched in Cr(III). The main causes have been attributed to the existence of hydrothermal chromite in CA and/or to natural weathering followed by Cr(VI) reduction that induces reprecipitation of mobile and isotopically heavy Cr. In such a mining context, the accelerated weathering would play an important role in this process. Chromium in the leachate, of BA lateritic and saprolitic ores samples, was present as Cr(VI) isotopically enriched in heavy isotopes (up to +4.84‰), consistently with the exchangeable Cr (ECr(VI)) (up to +4.37‰). These values were in the same range as isotopic compositions measured in the fresh waters (streams and ponds) in the ultramafic area. These results imply that Cr is mainly released as the toxic Cr(VI) specie, which availability increases from i) the soil profile to ii) the ores and iii) the mining residues. This also suggests that δ53Cr could be used as a tracer of Cr leaching in environmental studies in the dissolved phase.In bioleaching tests on tailings with Acidithiobacillus thiooxidans (pH ~ 2) or Pseudomonas putida (pH ~ 9), Cr was initially extracted as Cr(VI) and later reduced to Cr(III). In the experiments with A. thiooxidans the Cr reduction is due to the production of a series of sulfur compounds with high reducing power, while for P. putida probably uses a variety of electron acceptor for chromate reduction, enhanced by the presence of extracellular polymeric substances. Those mechanisms together with the increase of natural organic matter (NOM) and mineral carbonation, could explain the lower exchangeable pool of Cr(VI) in stockpiled chromite tailings compared to fresh tailings. Through the use of isotopic exchange, the contribution of SPM to the transport of exchangeable chromium and the impact of colloids containing Cr-bearing phases on the determination of the exchangeable pool of Cr associated to SPM (EWCr) was highlighted. Larger particles (>0.2 μm) were dominant in the impacted area, while chromium was mainly associated with colloids (1 kDa–500 kDa) in the pristine area. The presence of organic and inorganic colloids containing non-exchangeable chromium induces an overestimation of the EWCr values, which can be over-come thanks to a worst-case scenario correction

Autrefois région fortement industrialisée, la Lorraine connaît actuellement des problèmes d'affaissements miniers. Imprévisibles et violents dans le bassin ferrifère, ils provoquent des dégâts importants aux structures implantées en surface, nécessitant parfois le relogement des habitants. Lents et progressifs dans le bassin houiller, les structures touchées penchent, contraignant les gens à s'adapter à un nouvel environnement de vie "en pente". Classiquement étudiés dans le cas de catastrophes naturelles ou industrielles, ces dégradations de l'environnement de vie peuvent avoir des répercussions néfastes sur la santé physique et mentale des individus. Il a également été montré que l'environnement de vie, physique et social, avait un impact sur l'état de santé tant physique que psychologique des individus. L'objectif de ce travail est d'étudier les impacts psychosociaux des dégradations de l'espace de vie sur la santé des individus, dans le cas des affaissements miniers qui touchent notre région. Nous avons ainsi réalisé quatre études avec des sujets adultes afin de prendre en compte la diversité des situations rencontrées. Nos résultats indiquent que les problèmes miniers ont des répercussions négatives sur la santé physique et mentale des individus. Nous avons également mis en évidence que la relation à l'espace ainsi que l'investissement affectif dans son logement ont un effet sur les troubles développés / The Lorraine region of France was formerly a highly industrialized area, with extensive mining operations. Today, these operations are gradually disappearing, but one of the physical repercussions of this massive exploitation is soil subsidence. The phenomenon is unpredictable and violent in the iron-mining basin, where it is causing substantial physical damage to above-ground structures, and in some cases, the inhabitants have had to relocate. It is slow and progressive in the coal-mining basin, where houses are not collapsing but are sagging, and people are forced to adapt to "tilted living" and to change their life modes. Traditionally studied in cases of natural or industrial disasters, degradations of the life space have been shown to have negative effects on both physical and psychological health. Studies have shown that physical and social characteristics of life space is thought to have an impact on the mental and physical health of individuals. This work is aimed at assessing psychosocial consequences of living in degraded space on individual health. Four studies have been conducted on adult population. Our results show that mining subsidence have negative consequences on both physical and mental health. Relations to the living environment and affective investment in someone’s home play a role in the course of psychological symptoms

Depuis le début de l'industrialisation, de nombreux déchets contaminés en éléments métalliques et métalloïdes sont rejetés dans l'environnement sans aucune gestion. L’activité minière a généré des quantités colossales de déchets, fins et non consolidés, riches en EMM stockés sous forme de terrils ou entreposés dans des bassins de décantation puis laissés à l’abandon à l’air libre sans aucun aménagement ni protection. Ces déchets restent sur place exposés à une forte érosion éolienne et hydriques induisant une dissémination des particules contaminées dans les différents compartiments de l’environnement (sols/sédiments/eau/atmosphère). Dans un premier temps, l’étude du devenir des éléments métalliques et métalloïdes dans les sols contaminés relatif à l’activité minière ont mis en évidence la présence de risques environnementaux et sanitaires associés. Les résultats soulignent que (i) le comportement géochimique des trois éléments (cadmium, zinc et plomb) est différent, (ii) la spéciation de ces éléments change clairement entre les déchets miniers et les sols, (iii) le Pb plomb peut causer des effets néfastes sur la santé pour les enfants. Dans un second temps, deux techniques de réhabilitation des sites contaminés ont été appréhendées: i) dans le cadre de la refonctionnalisation des sols, la potentialité d’une phytostabilisation assistée par des amendements organique et inorganique de parcelles contaminées avec le sapin de Douglas, ainsi que ii) la valorisation ex-situ par attaque des déchets miniers par voie alcaline qui mets en jeu la réduction de la source de pollution. / Since the beginning of industrialization, many wastes contaminated with metal(loid)shave been released into the environment without any management. Mining has generated huge quantities of fine, unconsolidated waste, rich in metal(loid)s, stored in tailing or in settling ponds and then left to be abandoned in the open air without any development or protection. This waste remains on site exposed to strong wind and water erosion leading to the spread of contaminated particles in the various environmental compartments (soil/sediment/water/atmosphere). First, the study of the fate of metal(loid)s in contaminated soils related to mining activity revealed the presence of associated environmental and health risks. The results highlight that (i) the geochemical behaviour of the three elements (cadmium, zinc and lead) is different, (ii) the speciation of these elements clearly changes between tailings and soils, (iii) Pb lead can cause adverse health effects for children. In a second step, two techniques for the rehabilitation of contaminated sites were apprehended: (i) in the context of soil refunctionalization, the potential for phytostabilization assisted by organic and inorganic amendments of plots contaminated with Douglas fir, as well as (ii) ex-situ recovery by attacking mining waste by alkaline way, which involves reducing the pollution source.

Résumé : Ce projet de recherche s’inscrit dans le cadre d’une requête de l’entreprise partenaire, Golder Associés Ltée. Cette dernière s’interrogeait sur la consolidation d’un résidu minier épaissi, une approche de plus en plus utilisée dans le domaine de la gestion des aires de déposition des résidus miniers. Ce type de matériau est épaissi jusqu’à un point où une fois déposé, il ne connaît pas ou peu de ségrégation, rejette moins d’eau et possède généralement un angle de repos plus grand que les résidus conventionnels. L’intérêt de cette approche dans le cadre de cette étude consiste en la réduction des empreintes des aires de déposition par la combinaison des résidus épaissis et des rehaussements par l’amont. La consolidation de ce type de résidus a été peu étudiée depuis leur développement. En rassemblant les observations rapportées dans les écrits scientifiques, il est possible de ressortir que le mécanisme physique générant la dissipation des pressions interstitielles en excès et le tassement au moment de la déposition est essentiellement la consolidation sous le poids propre. Un essai en colonne de tassement instrumentée de transmetteurs de pression a permis l’étude de la consolidation sous le poids propre en termes de dissipation des pressions d’eau avec une grande précision. Un essai en consolidomètre a permis de définir la compressibilité du matériau durant cette étape de consolidation sous le poids propre avec une précision acceptable. Les résultats expérimentaux ont été reproduits à l’aide du modèle CS2 suite à quelques ajustements des relations constitutives. CS2 considère la consolidation sous le poids propre et les grandes déformations d’une déposition instantanée. Le rapprochement entre le modèle CS2 et les résultats expérimentaux est sans équivoque et permet de prendre connaissance de certains aspects de la consolidation sous le poids propre qui étaient peu détaillés jusqu'à maintenant dans les écrits scientifiques. L’importance de la consolidation sous le poids propre et son intégration dans le plan de déposition proposé par l’entreprise partenaire a été évaluée à l’aide du logiciel SIGMA/W. Les capacités de ce logiciel ont tout d’abord été étudiées en 1D. Ces vérifications visaient la considération de la consolidation sous le poids propre tout en examinant la formulation de SIGMA/W pour un remplissage progressif. Ces simulations 1D ont pu être comparées aux résultats du modèle CS4, un modèle calqué sur CS2 qui permet un remplissage progressif. Finalement, une campagne de simulation à grande échelle en 2D visant la simulation d’une aire de déposition de résidus épaissis a permis d’examiner les éléments importants dans la considération de ce mécanisme à l’aide du logiciel commercial SIGMA/W. Il en ressort que le logiciel SIGMA/W n’est pas le logiciel idéal pour simuler la déposition progressive de résidus épaissis en considérant la consolidation sous le poids propre et ce pour maintes raisons. Les résultats de cette étude viennent situer l’importance de la consolidation sous le poids propre dans les résidus épaissis et fournissent une base solide pour la compréhension et la modélisation numérique de ce mécanisme en 1D ou en 2D. // Abstract : This research project was done through an academic partnership between the Université de Sherbrooke and Golder Associés Ltée., a mining consultant from Montréal. The latter had interrogations at regarding consolidation mechanisms controlling thickened tailings deposition, a relatively new approach in tailings management. This type of material are thickened to a point from which they don’t show any segregation, they expulse less water and can be stacked with a greater beach angle than conventional tailings. The combination of this method with the upstream raising method results in the possible reduction of the footprint of the tailings disposal facility. Thickened tailings have not been studied extensively. However, by gathering available information from the existing technical literature, it is apparent that the sole mechanism creating both a dissipation of excess pore water pressure and a settlement following deposition is self-weight consolidation. A settling column monitored with pressure transmitters was used to define accurately the self-weight consolidation process in terms of dissipation of excess pore water pressure. A consolidometer setup was used to define the compressibility of this material during the self-weight consolidation. Experimental results were reproduced with the numerical model CS2 which considers the self-weight consolidation and large strains. Following a few adjustments of the constitutive relationships, the numerical reproduction is clear; it represents closely the experimental results. This made it possible to document certain elements that were not well defined in the technical literature about the self-weight consolidation. The use of the finite element model SIGMA/W and its capability to consider self-weight consolidation within a tailings deposition scheme were evaluated. Firstly, the model capabilities were verified through 1D simulations that helped to document the method to adopt to model the self-weight consolidation. The formulation of SIGMA/W related to the sequential tailings placement was also studied during this phase. A comparison with the model CS4 was also performed. Secondly, the tailings disposal facility was modeled at large scale by including the sequential tailings placement and the consideration of the self-weight consolidation for each deposition. This process allowed evaluating the capabilities of SIGMA/W in large scale analysis. It appears that this numerical tool presents some numerical weaknesses especially with regards to the sequential tailings placement. Moreover, the results of this study place the self-weight consolidation of hard rock thickened mine tailings as an important mechanism that needs to be considered in a deposition scheme as it controls the short term displacements of the impoundment. Finally, they document the self-weight consolidation mechanism and provide reliable information for modelling this process in one or two-dimensional numerical analysis.

Résumé : Ce projet de recherche s’inscrit dans le cadre d’une requête de l’entreprise partenaire, Golder Associés Ltée. Cette dernière s’interrogeait sur la consolidation d’un résidu minier épaissi, une approche de plus en plus utilisée dans le domaine de la gestion des aires de déposition des résidus miniers. Ce type de matériau est épaissi jusqu’à un point où une fois déposé, il ne connaît pas ou peu de ségrégation, rejette moins d’eau et possède généralement un angle de repos plus grand que les résidus conventionnels. L’intérêt de cette approche dans le cadre de cette étude consiste en la réduction des empreintes des aires de déposition par la combinaison des résidus épaissis et des rehaussements par l’amont. La consolidation de ce type de résidus a été peu étudiée depuis leur développement. En rassemblant les observations rapportées dans les écrits scientifiques, il est possible de ressortir que le mécanisme physique générant la dissipation des pressions interstitielles en excès et le tassement au moment de la déposition est essentiellement la consolidation sous le poids propre. Un essai en colonne de tassement instrumentée de transmetteurs de pression a permis l’étude de la consolidation sous le poids propre en termes de dissipation des pressions d’eau avec une grande précision. Un essai en consolidomètre a permis de définir la compressibilité du matériau durant cette étape de consolidation sous le poids propre avec une précision acceptable. Les résultats expérimentaux ont été reproduits à l’aide du modèle CS2 suite à quelques ajustements des relations constitutives. CS2 considère la consolidation sous le poids propre et les grandes déformations d’une déposition instantanée. Le rapprochement entre le modèle CS2 et les résultats expérimentaux est sans équivoque et permet de prendre connaissance de certains aspects de la consolidation sous le poids propre qui étaient peu détaillés jusqu'à maintenant dans les écrits scientifiques. L’importance de la consolidation sous le poids propre et son intégration dans le plan de déposition proposé par l’entreprise partenaire a été évaluée à l’aide du logiciel SIGMA/W. Les capacités de ce logiciel ont tout d’abord été étudiées en 1D. Ces vérifications visaient la considération de la consolidation sous le poids propre tout en examinant la formulation de SIGMA/W pour un remplissage progressif. Ces simulations 1D ont pu être comparées aux résultats du modèle CS4, un modèle calqué sur CS2 qui permet un remplissage progressif. Finalement, une campagne de simulation à grande échelle en 2D visant la simulation d’une aire de déposition de résidus épaissis a permis d’examiner les éléments importants dans la considération de ce mécanisme à l’aide du logiciel commercial SIGMA/W. Il en ressort que le logiciel SIGMA/W n’est pas le logiciel idéal pour simuler la déposition progressive de résidus épaissis en considérant la consolidation sous le poids propre et ce pour maintes raisons. Les résultats de cette étude viennent situer l’importance de la consolidation sous le poids propre dans les résidus épaissis et fournissent une base solide pour la compréhension et la modélisation numérique de ce mécanisme en 1D ou en 2D. // Abstract : This research project was done through an academic partnership between the Université de Sherbrooke and Golder Associés Ltée., a mining consultant from Montréal. The latter had interrogations at regarding consolidation mechanisms controlling thickened tailings deposition, a relatively new approach in tailings management. This type of material are thickened to a point from which they don’t show any segregation, they expulse less water and can be stacked with a greater beach angle than conventional tailings. The combination of this method with the upstream raising method results in the possible reduction of the footprint of the tailings disposal facility. Thickened tailings have not been studied extensively. However, by gathering available information from the existing technical literature, it is apparent that the sole mechanism creating both a dissipation of excess pore water pressure and a settlement following deposition is self-weight consolidation. A settling column monitored with pressure transmitters was used to define accurately the self-weight consolidation process in terms of dissipation of excess pore water pressure. A consolidometer setup was used to define the compressibility of this material during the self-weight consolidation. Experimental results were reproduced with the numerical model CS2 which considers the self-weight consolidation and large strains. Following a few adjustments of the constitutive relationships, the numerical reproduction is clear; it represents closely the experimental results. This made it possible to document certain elements that were not well defined in the technical literature about the self-weight consolidation. The use of the finite element model SIGMA/W and its capability to consider self-weight consolidation within a tailings deposition scheme were evaluated. Firstly, the model capabilities were verified through 1D simulations that helped to document the method to adopt to model the self-weight consolidation. The formulation of SIGMA/W related to the sequential tailings placement was also studied during this phase. A comparison with the model CS4 was also performed. Secondly, the tailings disposal facility was modeled at large scale by including the sequential tailings placement and the consideration of the self-weight consolidation for each deposition. This process allowed evaluating the capabilities of SIGMA/W in large scale analysis. It appears that this numerical tool presents some numerical weaknesses especially with regards to the sequential tailings placement. Moreover, the results of this study place the self-weight consolidation of hard rock thickened mine tailings as an important mechanism that needs to be considered in a deposition scheme as it controls the short term displacements of the impoundment. Finally, they document the self-weight consolidation mechanism and provide reliable information for modelling this process in one or two-dimensional numerical analysis.

Les liens entre la diversité et l'adaptation des populations bactériennes à leur environnement constituent une problématique importante en écologie microbienne. L'accès à de nombreux génomes permet aujourd'hui des avancées intéressantes dans ce domaine. Plusieurs souches du genre Thiomonas et appartenant à la même espèce, Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1, CB2, CB3 et CB6, ont été isolées d'un drainage minier acide (DMA) à Carnoulès (Gard). La comparaison de leur génome a permis d'affiner leur phylogénie et de mettre au jour des différences de contenu génétique liées à des îlots génomiques. Certaines de ces différences ont été corrélées expérimentalement avec des différences fonctionnelles concernant l'oxydation de l'arsénite (As(III)), la dégradation de l'urée et la biosynthèse de biofilm, et confèrent potentiellement un avantage sur le site (meilleure résistance à l'As(III), précipitation des métaux et augmentation du pH, protection des cellules). La comparaison de la synténie des génomes de Tm. arsenitoxydans 3As avec Tm. sp CB2 et Tm. intermedia K12 (non isolée de ce DMA) a montré que le génome de Tm. sp. CB2 a subi plusieurs remaniements importants. Ces types de réarrangements pourraient être en partie à l'origine de l'apparition de variants "super-résistants" à l'As(III) dans la population. En particulier, plusieurs copies d'un élément intégratif et conjugatif portant l'opéron aioBA codant l'arsénite oxydase ont été détectées chez deux variants, ce qui pourrait en partie expliquer leur résistance accrue à l'As(III). La proportion de variants est plus importante en présence d'As(III) au sein des biofilms, et des données de transcriptomique ont en effet montré que ces remaniements seraient en partie causés par des systèmes de réparation de l'ADN suite à des dommages liés au stress oxydant induit par l'As(III). Le développement en biofilm et la présence d'As(III) modulerait donc la flexibilité génomique et le potentiel adaptatif de Tm. sp. CB2. Ces données suggèrent que cette souche, avec Tm. sp. CB3, possèdent un génome visiblement plus flexible que les autres. Les souches Tm. arsenitoxydans 3As et Tm. spp. CB1 et CB6, contrairement à Tm. spp. CB2 et CB3, forment un groupe distinct d'un point de vue phylogénétique et fonctionnel ("groupe 3As"), suggérant qu'elles occupent une niche écologique spécifique et pourraient constituer un écotype. La population de Thiomonas de ce DMA serait donc composée d'au moins un écotype stable et de souches au génome plus instable, dont le potentiel adaptatif plus important serait influencé par l'As(III) et le développement en biofilm. / Understanding the link between diversity and adaptation in natural bacterial populations represents an important issue in microbial ecology. The amount of whole genome sequencing data currently available has allowed for interesting advances in this field. Several strains from the genus Thiomonas belonging to the species, Tm. arsenitoxydans (3As) and Tm. spp. (CB1, CB2, CB3 and CB6), were isolated from the acid mine drainage (AMD) at Carnoulès (Gard, France). Comparison among genomes allowed for a better definition of their phylogenetic relationships and highlighted differences in genetic content, which is essentially due to the presence of genomic islands. Some of these differences were experimentally correlated with functional traits concerning arsenite oxidation, urea degradation, and biofilm biosynthesis, and are potentially beneficial in situ (leading to an enhanced resistance to arsenite (As(III)), metal precipitation, and an increase in pH, ultimately protecting cells). The comparison of genome synteny of Tm. arsenitoxydans 3As, Tm. sp CB2, and Tm. intermedia K12 (not isolated from this AMD) show several important genomic rearrangements exist in Tm. sp CB2. This type of rearrangements could be involved in the emergence of arsenite "super-resistant" variants in the Tm. sp CB2 population. In particular, several copies of an integrative and conjugative element (ICE) containing the aioBA operon coding arsenite oxidase were detected in the genomes of two variants, which could explain their higher levels of resistance to As(III). The percentage of variants in biofilm culture is higher when grown in the presence of As(III), and transcriptomic data suggests that genomic rearrangements probably occurred through DNA repair systems following damage caused by As(III) induced oxidative stress. Therefore, biofilm development and As(III) appear to allow for the adaptation of Tm. sp. CB2 genome flexibility and evolutionary potential. These data suggest that CB2 and Tm. sp. CB3 have more flexible genomes than the other strains. Tm. arsenitoxydans 3As and Tm. spp. CB1 and CB6 form both a phylogenetic and functional cluster ("3As group") suggesting that they occupy a specific ecological niche and therefore could represent an ecotype of the genus Thiomonas. The Thiomonas population from the Carnoulès AMD might therefore consist of at least one stable ecotype as well as other strains with more instable genomes, whose higher adaptive potential could be affected by As(III) and biofilm development.

Les polymères hydrosolubles sont utilisés dans diverses industries pour permettre la floculation, soit une séparation solide-liquide de particules présentes en suspension colloïdale. Afin de réduire les impacts environnementaux de l’exploitation des sables bitumineux en Alberta, l’industrie est à la recherche de nouveaux moyens et procédés pour traiter les résidus miniers permettant de séparer les matières solides et de récupérer l’eau. L’objectif des travaux présentés est d’améliorer la floculation, la densification et la déshydratation de ces résidus miniers aqueux par de nouveaux polymères synthétiques. Des homopolymères d’acrylamide de différentes masses molaires ont été synthétisés pour étudier l’influence de la masse molaire sur l’efficacité de floculation. Le taux initial de sédimentation (TIS) est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de floculation des différents polymères. Il a été possible de confirmer l’importance de la masse molaire sur l’efficacité de floculation et de déterminer une masse molaire minimale d’environ 6 MDa pour des polyacrylamides, afin d’obtenir l’efficacité de floculation maximale de suspensions colloïdales principalement composées de kaolin. Afin d’étudier l’effet des charges sur l’efficacité de floculation, des polymères anioniques et cationiques ont été synthétisés. Une série de copolymères d’acrylamide et d’acide acrylique ont été synthétisés comme polymères anioniques et deux séries de copolymères ont été synthétisés comme polymères cationiques, soit des copolymères d’acrylamide et de chlorure de diallyldiméthylammonium et des copolymères de 4-vinyl pyridine et de 1-méthyl-4-vinyl pyridinium. Il a été démontré que les charges anioniques des polymères avaient peu d’influence sur l’efficacité de floculation et que leur comportement en présence de sels était différent de ce que prévoyait la littérature. Il a aussi été démontré que les charges cationiques des polymères n’améliorent pas l’efficacité de floculation. Par la suite, des séries de copolymères amphiphiles, avec des monomères d’acrylamide, de N-alkylacrylamides et d’acrylonitrile, ont été synthétisés, pour étudier l’effet du caractère amphiphile sur la déshydratation des résidus miniers. Le pourcentage de déshydratation nette est le paramètre qui fut utilisé afin de comparer l’efficacité de déshydratation des différents polymères. Il a été possible de développer des copolymères amphiphiles qui améliorent l’efficacité de déshydratation par rapport à des homopolymères d’acrylamide. Il ne fut pas possible de déterminer une tendance entre la balance hydrophile/hydrophobe des copolymères amphiphiles et l’efficacité de déshydratation. / Water soluble polymers are extensively used in industry to achieve solid-liquid separations of particles in colloidal suspensions. In a way to reduce the environmental footprint of the mining exploitation, the oil sands industry is searching for new methods to treat tailings resulting from the extraction processes, by separating the solids and recycling the water. The objective of this work is to improve the flocculation and dewatering efficiency of the water-based tailings through the use of new synthetic polymers. Acrylamide homopolymers of different molecular weights were synthetized to study the effect of molecular weight on flocculation efficiency. Initial settling rate (ISR) was the parameter measured to characterize and compare the flocculation efficiencies. The important effect of polymer molecular weight on the flocculation efficiency was confirmed. The minimum molecular weight of polyacrylamide for optimal flocculation efficiency of kaolin colloidal suspensions has been determined to be around 6.8 MDa. To study the effect of charge on flocculation efficiency, anionic and cationic copolymers were synthetized. Copolymers of acrylamide and acrylic acid have been synthetized to study the effect of anionic charge, whereas copolymers of acrylamide and diallyldimethylammonium chloride and copolymers of 4-vinyl pyridine and 1-methyl-4-vinyl pyridinium have been synthetized to study the effect of cationic charge. Anionic copolymers have shown limited effect on the flocculation efficiency and their behaviour in salt solution was revealed to be different than expected from the literature. Cationic copolymers have shown no improvement in the flocculation efficiency. Amphiphilic copolymers were synthetized with acrylamide, N-alkylacrylamides and acrylonitrile monomers to study the effect of amphiphilicity on the dewatering efficiency of tailings. The net water release parameter was measured to compare the dewatering efficiency of the polymers. Amphiphilic copolymers that improve tailings’ dewatering, compared to polyacrylamide, were developed. Thus far, it was not possible to define a trend between hydrophilic/hydrophobic balance and dewatering efficiency of the copolymers.

L'exploitation, puis l'abandon, des sites miniers, dans l'oriental marocain, a entraîné une importante pollution des zones avoisinantes, générée par la dispersion de déchets riches en Pb. Pour résoudre ce problème, des programmes de phytomanagement sont à développer. Cependant, la réalisation de ces projets se heurte à deux contraintes : une faible diversité des plantes métallophytes et une méconnaissance des mécanismes de la tolérance au Pb.Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de thèse a été de sélectionner une ou des plantes susceptibles d'entrer dans un programme de phytoremédiation et d'identifier des gènes impliqués dans la tolérance au Pb. Dans un premier temps, l'analyse des sols et des résidus miniers a révélé une importante contamination polymétallique du site d'étude. Des prospections floristiques ont ensuite permis d'identifier une plante de la famille des brassicacées, Hirschfeldia incana, prédominante sur les sites miniers pollués et qui accumule le Pb. L'accumulation du Pb chez H. incana a été confirmée en conditions contrôlées et une stratégie « gène candidat » a montré l'implication dans la tolérance au Pb de deux gènes, l'un codant pour une métallothionéine MT2a et l'autre pour un transporteur membranaire HMA4. Enfin, la comparaison des transcriptomes d'H. incana et d'A. thaliana a abouti à l'édification d'une liste de gènes candidats susceptibles d'être impliqués dans la tolérance au Pb. L'analyse fonctionnelle de quatre de ces gènes, codant pour une ferritine, une métallothionéine, une protéine fixatrice du cuivre et une défensine, a précisé leur rôle dans la tolérance au Pb. / Exploited, and then abandoned, mining sites, in the oriental Morocco, have polluted the neighboring regions, by dispersion of mining wastes containing Pb. Facing this problem, it is necessary to develop phytomanagement programs. Nevertheless, these project realisations encountered two major constraints: weak metallophyte plant diversity and misunderstanding of Pb tolerance mechanisms. In this context, the objectif of my work was to select plants compatible with a phytoremediation program and to identify genes implicated in lead tolerance. Firstly, soil and mining waste analysis has revealed an important polymetallic pollution of the studied region. Then, floristic explorations had permitted to identify a plant of the brassicaceae family, Hirschfeldia incana, which is predominant on the polluted mining regions and accumulated Pb. Pb accumulation in H. incana was confirmed in controlled conditions and a candidate gene approach has shown the lead tolerance implication of two genes, one coding for a metallothionein (MT2A) and the other a membrane transporter (HMA4). Finally, the transcriptome comparison from H. incana and A. thaliana has generated a list of candidate genes putatively implicated in Pb tolerance. Functional analysis of four genes, coding a ferretin, a metallothionein, a copper binding protein and a defensin, has permitted to clarify their role in Pb tolerance.