Étude hydrogéochimique pour une exploitation durable de l'énergie géothermique dans les anciennes mines à ciel ouvert: le cas des mines King Beaver et Carey Canadian, Québec

Les systèmes de pompes à chaleur utilisant l’eau de surface (SWHP) représentent une solution durable pour réduire l'impact environnemental de la consommation énergétique des bâtiments situés à proximité d'anciennes mines à ciel ouvert. Les systèmes géothermiques en boucle ouverte, qui exploitent les ressources thermiques des lacs de carrières pour le chauffage et la climatisation, offrent des avantages considérables, mais leur conception doit être soigneusement adaptée pour éviter les risques d’obstruction des composants du système par la précipitation de minéraux, en particulier lorsque des couches d’eau avec des conditions redox différentes sont mélangées. Cette étude a évalué les caractéristiques limnologiques et hydrogéochimiques de deux lacs de carrière au Québec, Canada—Carey Canadian et King Beaver—afin d’évaluer l’impact potentiel de la chimie de l’eau sur la mise en œuvre de systèmes SWHP. Nous avons utilisé une combinaison de traceurs, incluant des anions, cations, isotopes stables et des mesures physico-chimiques à haute fréquence, pour comprendre la dynamique saisonnière de ces lacs. Les deux lacs présentent un comportement dimictique, avec un mélange complet de la colonne d'eau deux fois par an, lors des renversements de printemps et d’automne, atteignant des profondeurs d’au moins 100 mètres. Dans le lac Carey Canadian, une limite redox a été identifiée à environ 60 mètres de profondeur, où les niveaux d'oxygène diminuent de manière significative et les concentrations de métaux dissous tels que le fer (Fe), le magnésium (Mg), le manganèse (Mn), et le soufre (sous forme de SO₄²⁻), ainsi que le carbone inorganique dissous (CID), augmentent. Sous cette limite, les conditions suboxiques dominent, ce qui pose des risques potentiels pour les systèmes SWHP en raison de la précipitation possible de minéraux gouvernée par les processus redox lors des mélanges. L’analyse des isotopes stables a également montré que malgré cette stratification, la colonne d'eau entière s’équilibre naturellement deux fois par an, rétablissant les équilibres chimiques naturels. En revanche, aucun gradient redox clair n’a été identifié dans le lac King Beaver, où la chimie de l'eau est plus uniforme sur toute la colonne. Cette différence est attribuée au fait que le niveau d'eau de King Beaver continue d'augmenter progressivement, tandis que Carey Canadian a atteint l'équilibre hydrostatique, entraînant au fil du temps une stratification géochimique plus stable dans ce dernier. Les régimes limnologiques distincts observés dans ces deux lacs—la stratification redox de Carey Canadian par opposition à la chimie plus uniforme de King Beaver—ont des implications importantes pour la conception des systèmes géothermiques en boucle ouverte. En particulier, la localisation des points d'extraction et d'injection doit tenir compte des dynamiques redox pour éviter l’obstruction et garantir une efficacité optimale du système. Cette étude fournit des informations précieuses sur l’influence de la géochimie des lacs de fosse et sur la performance des systèmes géothermiques, offrant un cadre pour de futurs projets énergétiques durables dans les régions minières.

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