Étude des processus chimio-hydro-mécaniques dans un massif rocheux fracturé perturbé par une exploitation minière : exemple de la mine Bouchard-Hébert en Abitibi (Québec), Canada

Cette étude sur les processus chimiques, hydrauliques et mécaniques, et leur couplage, a été réalisée à la mine Bouchard-Hébert localisée dans le district minier de l'Abitibi au Québec, Canada. Dans cet environnement minier, les eaux acides migrant des anciennes excavations vers les nouvelles en combinaison avec la perturbation des contraintes géomécaniques causées par les excavations affectent la perméabilité du massif rocheux. Des travaux de terrain et des expériences au laboratoire ont été menés pour étudier ces processus, en particulier dans la partie du massif rocheux situé entre les anciennes et les nouvelles excavations de la mine (galerie du niveau 6A).
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\nLes résultats de cartographie de fractures montrent que dans la partie ouest de la galerie au niveau 6A (de 10600E à 10900E), le massif rocheux est traversé par deux principales familles de fractures : une famille de fractures est subhorizontale (pendage entre 0° et 30°) avec une longueur de trace entre 1 et 1,5 m, et une autre famille de fractures est subverticale (pendage entre 75° et 90°). La famille de fractures subverticale est subdivisée en deux groupes selon la longueur de trace : un groupe a entre 0,5 et 2 m de longueur de trace et un autre entre 3 et 3,5 m. La densité de ces deux familles de fractures varie de 1 à 6 m"1 et leurs veines ont une épaisseur d'environ 2 mm. Du côté est du niveau 6A (de 10900E à 11200E), le massif rocheux contient les deux familles de fractures rencontrées à l'ouest en plus d'une famille de fractures à pendage modéré (entre 15° et 45°) vers le nord-est. Cette famille de fractures est de plus faible effectif, d'une longueur de trace très variable, entre 0,5 et 2,5 m, et d'une épaisseur de veine d'environ 2 mm. La densité de l'ensemble des fractures est d'environ 1 à 4 m"1. Bien que dans la partie est de la galerie 6A, le massif rocheux soit traversé par les trois familles de fractures, il semble moins perméable que celui situé à l'ouest étant donné sa plus faible densité de fractures. La circulation des eaux serait donc plus intense dans le massif rocheux de la partie ouest de la galerie 6A de la mine.
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\nLes résultats des essais hydrauliques en forage dans le massif rocheux immédiatement sous la galerie 6A et sur une profondeur de 48 m ont montré que dans la partie est de cette galerie, la conductivité du massif rocheux fracturé est relativement faible et à peu près constante, variant entre 1 xlO-10 et 1 xl0-11 ms-1. Alors que dans la partie centrale de cette galerie, située en dessous des anciennes excavations, la conductivité hydraulique du massif rocheux est plus élevée et elle augmente avec la profondeur de 1 xlO-11 à 1 xlO-6 ms-1, en concordance avec la densité de fractures plus élevée observée dans cette partie de la galerie.
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\nDu point de vue hydrogéochimique, les résultats montrent que les eaux échantillonnées dans les trous de forage à la mine ont un pH presque neutre et des concentrations élevées en Ca, SO4 et en métaux. L'ion Ca proviendrait de la dissolution de la calcite, abondamment présente dans les fractures. L'ion SO4 et les métaux proviendraient de l'oxydation des minéraux sulfurés qui font partie des minéraux de remplissage dans les fractures mais aussi de la matrice rocheuse. Les eaux derrières les barricades aménagées sous les anciennes excavations et celles du bassin de sédimentation en surface sont acides, montrant des valeurs très faibles de pH, de 2 et de 2,5 respectivement, et des concentrations très élevées en ions, en particulier de SO4 et des métaux (Fe, Zn, Cu et Mn). L'acidité des eaux provenant de l'ancienne mine reste très notable dans le bassin de sédimentation malgré leur dilution avec les eaux à pH plus neutre, provenant des autres parties de la mine.
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\nLes résultats des essais au laboratoire sur les échantillons de fractures, provenant de la mine, montrent qu'une variation relativement faible de la composition chimique de l'eau et de son pH cause des réactions géochimiques différentes à l'intérieur des plans des fractures et des effets considérablement différents sur leur transmissivité. En effet, une eau à pH 2 et à concentration élevée en sulfate tend à faire augmenter la transmissivité des fractures d'une façon rapide, après quelques heures ou quelques jours, et indépendamment du rapport de la pression d'injection sur la pression de confinement (Pj/Pc). Cette forte augmentation de la transmissivité est due à un taux relativement élevé de dissolution de la calcite, principal minéral de remplissage. La chenalisation est le phénomène important qui se produit sous ces conditions. Pour des eaux avec une teneur moins élevée en sulfate et à pH 2,5, il y a une diminution de la transmissivité des fractures. Le taux plus faible de dissolution de la calcite dans ce cas serait principalement dû à l'importante précipitation d'hydroxydes de fer dans les fractures. La transmissivité de la fracture dans ce cas est fonction du rapport Pi/Pc. Les eaux à pH 4 et à pH 7 ont sur la transmissivité des fractures un effet similaire à celui de l'eau à pH 2,5, mais avec peu de dépôt d'hydroxydes, en particulier dans le cas de l'eau à pH 4. La dissolution de la calcite serait plutôt limitée aux points de contact entre les parois de fractures, permettant la réduction de leurs aspérités et, par conséquent, une diminution de la transmissivité.
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\nSur le terrain, toutes les conditions favorables à ces types de réaction géochimique sont réunies. Certaines évidences de la présence de ces types de réaction peuvent déjà être déduites. En effet, les eaux échantillonnées à la mine, riches en Ca, SO4 et en métaux, témoignent de la présence de réactions de dissolution et d'oxydation des minéraux. De plus, la présence d'hydroxydes de fer a été constatée dans des fractures à plusieurs endroits de la galerie 6A. Comme les résultats des travaux expérimentaux l'ont montré, une eau à pH neutre dans le contexte de la mine n'implique pas nécessairement des conditions géochimiques et hydrauliques stables; au contraire, ceci peut être le résultat d'importantes réactions géochimiques entre les minéraux de remplissage dans les fractures et l'eau, lorsque celle-ci est acide comme c'est le cas sous les anciennes excavations à la mine. Les travaux de terrain et les essais au laboratoire montrent donc tous les deux que les processus chimiques de dissolution, d'oxydation et de précipitation sont très actifs et agissent à différentes échelles de temps. Le couplage entre ces processus chimiques et les processus hydrauliques se produit également aussi bien à l'échelle du massif rocheux qu'à l'échelle d'une fracture.
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