Effects of Freeze-thaw Cycles and Chloride Salinity on the Weathering and Water Quality of Pyrrhotite- and Serpentine-rich Tailings

RÉSUMÉ: «RÉSUMÉ: Les minéraux comptent parmi les éléments de base de la vie moderne et jouent un rôle essentiel dans le maintien des économies nationales et mondiales. Cependant, l’exploitation minière à l’échelle industrielle a également entraîné de nombreux incidents de grave contamination de l’environnement et de pertes de vies humaines. Parmi les principaux problèmes responsables de ces impacts négatifs figure la génération de drainage minier acide ou de drainage neutre contaminé, qui résultent principalement de l'instabilité chimique des minéraux sulfurés en présence d'oxygène atmosphérique et d'eau. Dans la plupart des déchets miniers, ce sont les minéraux sulfurés de fer, c'est-à-dire la pyrite [FeS2] et la pyrrhotite [Fe(1˗x)S], qui sont responsables de la génération d'acide et de la libération/mobilisation des contaminants métalliques (oïdes). Cet acide peut être neutralisé par la dissolution d'autres minéraux réactifs tels que les carbonates, les (oxy)hydroxydes et les silicates solubles. Cependant, certains métaux peuvent rester mobiles à un pH quasi-neutre (par exemple Ni, Zn). De ce point de vue, les facteurs qui déterminent la chimie de l’eau d’exhaure sont principalement minéralogiques et comprennent : (i) les sources minérales spécifiques de génération d’acide et de neutralisation de l’acide ; (ii) les abondances de ces phases ; et (iii) le solde net de leurs vitesses de réaction respectives. Malgré cela, il est largement reconnu que des facteurs externes ou environnementaux influencent également certains aspects des processus géochimiques qui déterminent la chimie des eaux d’exhaure. Par exemple, des travaux antérieurs ont démontré des impacts géochimiques résultant de la saturation en eau ; flux évaporatifs dans les climats secs ; transpiration et changements de porosité liés à la croissance des racines de nombreuses espèces végétales ; introduction de systèmes de couverture technique ; formation de croûtes indurées ; interactions galvaniques ; présence de collecteurs (par exemple, xanthates) et d'autres composés organiques ; température; et la composition de la communauté microbienne. Néanmoins, malgré le nombre croissant d’exploitations minières en développement et actives dans le nord du Canada, au Groenland, en Russie et dans les pays scandinaves, peu d’études ont abordé les facteurs les plus importants associés aux environnements de pergélisol. Plus précisément, ceux-ci incluent l’apparition annuelle de cycles de gel-dégel se sont largement concentrées sur les aspects liés aux propriétés thermiques, hydrologiques et géotechniques des déchets, aux systèmes de couverture ouvragés et aux installations de stockage des résidus. En ce qui concerne la géochimie, les études antérieures se sont généralement limitées aux observations des taux d'oxydation des sulfures réalisées par consommation d'oxygène ou par méthodes calorimétriques. À l’heure actuelle, aucun travail significatif n’a pu être identifié sur les impacts de la salinité, en dehors des travaux périphériques sur l’élimination des résidus sousmarins. Ceci est particulièrement intéressant car la salinité associée aux mines (sub)arctiques est souvent dominée par les ions chlorure en raison de : (i) l’application de sels de déglaçage sur lesroutes ; (ii) l'ajout de sels aux eaux de traitement et leur accumulation lors du recyclage et du traitement de l'eau ; (iii) les apports naturels provenant des eaux souterraines profondes très salées ; et (iv) les intrusions d’eau de mer sur les sites côtiers. De plus, cela augmente généralement les concentrations de sodium, de magnésium et de calcium.» ABSTRACT: «ABSTRACT: Minerals are among the most basic building blocks of modern life and play critical roles in sustaining both national and global economies. However, mining at industrial scales has also resulted in widespread incidents of severe environmental contamination and loss of life. Among the main issues responsible for these adverse impacts is the generation of acid mine drainage or contaminated neutral drainage, which primarily results from the chemical instability of sulfide minerals in the presence of atmospheric oxygen and water. In most mine wastes, it is iron sulfide minerals, i.e., pyrite [FeS2] and pyrrhotite [Fe(1˗x)S], that are responsible for generating acid and releasing/mobilizing metal(oid) contaminants. This acid can be neutralized through the dissolution of other reactive minerals such as carbonates, (oxy)hydroxides, and soluble silicates. However, some metals may remain mobile at circumneutral pH (e.g., Ni, Zn). From this perspective, the factors that determine mine water chemistry are primarily mineralogical and comprised of: (i) the specific mineral sources of acid generation and acid neutralization; (ii) the abundances of these phases; and (iii) the net balance of their respective reaction rates. Despite this, it is widely acknowledged that external, or environmental, factors also influence aspects the geochemical processes that determine mine water chemistry. For example, prior works have demonstrated geochemical impacts resulting from water saturation; evaporative fluxes in dry climates; transpiration and changes in porosity related to root growth of numerous plant species; introduction of engineered cover systems; formation of hardpans; galvanic interactions; presence of collectors (e.g., xanthates) and other organic compounds; temperature; and microbial community composition. Nonetheless, despite the increasing number of developing and active mining operations across northern Canada, Greenland, Russia, and the Scandinavian countries, few studies have addressed the most important factors associated with permafrost environments. Specifically, these include the yearly occurrence of freeze-thaw cycles and the salinity of process and pore waters. Studies that have addressed freeze-thaw cycles have largely focused on aspects related to the thermal, hydrological, and geotechnical properties of waste materials, engineered cover systems, and tailings storage facilities. With respect to geochemistry, prior studies have generally been limited to observations of sulfide oxidation rates made through oxygen consumption or calorimetric methods. At present, no significant work can be identified that addresses the impacts of salinity aside from peripherally related work on submarine tailings disposal. This is of particular interest as the salinity associated with (sub)arctic mines is often dominated by chloride ions due to: (i) the application of de-icing salts to roads; (ii) the addition of salts to process waters and build-up during water recycling and treatment; (iii) natural inputs from highly saline deep groundwaters; and (iv) seawater intrusions at coastal sites. Additionally, this generally elevates concentrations of sodium, magnesium, and calcium.»

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