Alexandre Gauthier 900325795 CARACTÉRISATION AVANCÉE DES MÉTAUX LOURDS DANS ...

54 Pages·2010·2.62 MB·French

by  Alexandre Gauthier

Alexandre Gauthier
900325795

CARACTÉRISATION AVANCÉE DES MÉTAUX LOURDS
DANS LES EAUX ET LES SÉDIMENTS DU LAC AYLMER

Sujets spéciaux (3 crédits) présentés à Mme Rosa Galvez-Cloutier et M.
Réjean Hébert, professeurs de la Faculté de sciences et génie
de l’Université Laval

Départements de génie civil/géologie et de génie géologique
Faculté de sciences et génie
Université Laval
Québec
Été 2009
©Gauthier, Alexandre Auguste, 2010
Table des matières

Table des matières............................................................................................................... II
Liste des figures ................................................................................................................ III
Liste des tableaux ............................................................................................................... V
Résumé exécutif ................................................................................................................ VI
Remerciements ................................................................................................................. VII
1. Introduction ................................................................................................................. 1
2. Hypothèses et objectifs ............................................................................................... 7
Hypothèses ...................................................................................................................... 7
Objectifs .......................................................................................................................... 7
3. Matériel et méthodes ....................................................................................................... 8
3.1 Diffraction au rayon X (DRX) .................................................................................. 8
3.2 Microfluorescence X à très haute résolution (ITRAX)........................................... 10
4. Résultats ........................................................................................................................ 12
4.1 Diffraction au rayon X (DRX) ................................................................................ 13
4.2 Microfluorescence X à très haute résolution (ITRAX)........................................... 18
4.2.1 Critères de comparaison ................................................................................... 19
4.2.2 Concentrations dans les carottes échantillonnées ............................................ 19
5. Discussion ..................................................................................................................... 28
6. Conclusion et recommandations ................................................................................... 33
7. Bibliographie................................................................................................................. 35
8. Annexe 1 : Résultats de la baie Missisquoi pour fins de comparaison ............................ i
8.1 Diffraction aux rayons X (DRX) .......................................................................... ii
8.2 Microfluorescence X à très haute résolution (ITRAX)............................................. ii
9. Annexe 2 : Informations complémentaires .................................................................... ix

II
Liste des figures

Figure 1 : Plan du parc à résidus miniers restauré lors d’une campagne d’échantillonnage
menée par l’Université Laval .............................................................................................. 1
Figure 2 : Bassin de résidus du parc à résidus minier Solbec-Cupra avant la restauration 4
Figure 3 : Bassin de résidus du parc à résidus minier Solbec-Cupra après la restauration . 4
Figure 4 : Le processus du drainage minier acide ............................................................... 5
Figure 5 : Rivière Maskinongé lors de l’échantillonnage à l’été 2009 ............................... 6
Figure 6 : Rappel de la localisation des carottes de sédiments dans le lac Aylmer ............ 8
Figure 7 : l’ITRAX ........................................................................................................... 11
Figure 8 : Carotte #1 ......................................................................................................... 12
Figure 9 : Localisation des échantillons dans la rivière Maskinongé ............................... 16
Figure 10 : Localisation des échantillons dans la rivière Maskinongé ............................. 16
Figure 11 : Localisation des échantillons dans le ruisseau du Troisième ......................... 17
Figure 12: Localisation des échantillons dans le ruisseau du Troisième .......................... 17
Figure 13 : Fractionnement des minéraux dans les sédiments lacustres échantillonné .... 18
Figure 14 : Limite de détection pour un tube à rayon X muni d’une anode au Mo .......... 21
Figure 15 : Tableau périodique des éléments ................................................................... 21
Figure 16 : Concentrations de métaux obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour le Cu, Ni, Zn, Pb ...................................................................................................... 22
Figure 17 : Concentrations de métaux obtenues par l’extraction séquentielle sélective
dans la carotte #2 .............................................................................................................. 22
Figure 18 : Extraction séquentielle sélective sur la carotte #2.......................................... 24
Figure 19 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Al2O3, SiO2, K2O ................................................................................................... 25
Figure 20 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour CaO, TiO2, MnO, Fe2O3 ......................................................................................... 26
Figure 21 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour S, Cl .......................................................................................................................... 26
Figure 22 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour V, Cr, Rb ................................................................................................................... 27
Figure 23 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Y, Zr, Mo ................................................................................................................. 27
Figure 24 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Ba, Ta, Bi. ................................................................................................................. 28
Figure 25 : Localisation du lac Aylmer et de la baie Missisquoi ......................................... i
Figure 26 : Fractionnement des minéraux dans les échantillons lacustres échantillonnés . ii
Figure 27 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Ni, Cu......................................................................................................................... iii
Figure 28 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Zn, Pb......................................................................................................................... iv
Figure 29 : Métaux totaux dans la baie Missisquoi en fonction de la profondeur des
sédiments obtenus par l’extraction séquentielle sélective ................................................. iv
Figure 30 : Concentrations géochimiques obtenues par l’extraction séquentielle sélectivev
III
Figure 31 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Al2O3, SiO2, K2O .................................................................................................... vi
Figure 32 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour CaO, TiO2, MnO, Fe2O3. ......................................................................................... vi
Figure 33: Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour S, Cl, V, Cr, Rb ......................................................................................................... vii
Figure 34 : Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour S, Cl, V, Cr, Rb ......................................................................................................... vii
Figure 35: Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Y, Zr, Mo ............................................................................................................... viii
Figure 36: Concentrations géochimiques obtenues par l’ITRAX le long de la carotte #1
pour Ba, Ta, Sr ................................................................................................................. viii

IV
Liste des tableaux
Tableau 1 : Listes des carottes prélevées dans le lac Aylmer ........................................... 13
Tableau 2 : Identification des échantillons séparés en sections transversales de la carotte
#2....................................................................................................................................... 13
Tableau 3: Identification des échantillons séparés en sections transversales de la carotte
#3....................................................................................................................................... 13
Tableau 4: Identification des échantillons séparés en sections transversales de la carotte
#4....................................................................................................................................... 14
Tableau 5: Identification des échantillons séparés en sections transversales de la carotte
#5....................................................................................................................................... 15
Tableau 6: Échantillons prélevés dans la rivière Maskinongé .......................................... 15
Tableau 7 : Identification des échantillons analysés en DRX ........................................... 15
Tableau 8 : Critères pour l’évaluation de la qualité des sédiments d’eau douce établis par
Plan St-Laurent en mg/Kg de sédiments sec en métaux totaux ........................................ 19
Tableau 9 : Résultats obtenus par ICP dans la carotte de la baie Missisquoi de 690 à 710
mm de profondeur ............................................................................................................. 19
Tableau 10 : Critères pour l’évaluation de la qualité des sédiments d’eau douce ............ 23
Tableau 11 : PPM de SiO dans les échantillons estimés à partir de la composition
2
minéralogique semi-quantitative (DRX) comparés aux résultats de l’ITRAX pour la
carotte #1 à une même profondeur de sédiments .............................................................. 32
Tableau 12 : PPM de Al O dans les échantillons estimés à partir de la composition
2 3
minéralogique semi-quantitative (DRX) comparés avec les résultats de l’ITRAX pour la
carotte #1 à une même profondeur de sédiments .............................................................. 32
Tableau 13: Identification des échantillons analysés en DRX............................................ ii
Tableau 14 : Localisation de la carotte prélevée dans la baie Missisquoi .......................... ii
Tableau 15: Résultats obtenus par ICP dans la carotte de la baie Missisquoi de 690 à 710
mm de profondeur ............................................................................................................... ii
Tableau 16 : Teneur en eau de l’échantillon analysé par ICP............................................ iii
Tableau 17 : Production des mines Solbec et Cupra........................................................... x

V
Résumé exécutif

Afin de venir compléter l’étude de caractérisation1 que j’ai effectuée à l’été 2009
sur plusieurs carottes prélevées au lac Aylmer, les analyses des travaux de recherche ont
été poursuivies à l’automne 2009. Le but était d’amener des informations
supplémentaires sur la constitution des sédiments afin de corréler les concentrations
analysées par l’extraction séquentielle sélective qui a été effectuée à l’été 2009. Les
informations supplémentaires ont été récoltées à l’aide de deux techniques nommées la
diffraction au rayon X (DRX) et la microfluorescence X à très haute résolution (ITRAX).

La diffraction au rayon X (DRX) est une technique semi-quantitative d’analyse
minéralogique qui permet d’identifier et d’évaluer le fractionnement en minéraux d’un
échantillon de sol. Il a été conclu que les échantillons de sédiments étaient de constitution
quasiment uniforme étant donné que les résultats obtenus en DRX étaient très similaires.
Les minéraux présents en plus grande majorité étaient les argiles et le quartz. La
diffraction au rayon X (DRX) a aussi permis de vérifier les résultats obtenus par
l’ITRAX.

Aussi, les concentrations en métaux totaux d’un nombre important d’éléments
chimiques ont été évaluées grâce à l’utilisation de la microfluorescence X à très haute
résolution (ITRAX). Cet instrument était en mesure de donner un aperçu de la teneur des
sédiments du lac Aylmer en éléments chimiques. Les sédiments qui ont été étudiés sont
ceux qui n’ont pas fait l’objet d’une étude par l’extraction séquentielle sélective, un
procédé plus complexe, à l’été 2009. Les éléments chimiques que l’ITRAX a analysés
sont les suivants : Ni, Cu, Zn, Au, Pb, Al O , SiO , K O, CaO, TiO , MnO, Fe O , S, Cl,
2 3 2 2 2 2 3
V, Cr, Rb, Y, Zr, Mo, Ba, Ta, Bi.

Les analyses qui ont été effectuées par l’ITRAX ont été comparées aux résultats
obtenus par l’extraction séquentielle sélective (ESS). L’ITRAX donne les concentrations
totales en éléments chimiques d’un sédiment alors que l’extraction séquentielle sélective
est une technique qui nous informe sur la force de l’attachement par laquelle les métaux
sont liés aux différents constituants d’un sédiment ou d’un sol. Les résultats qui ont été
donnés par l’ITRAX sont venus appuyer sans aucun doute les résultats qui avaient été
obtenus par l’extraction séquentielle sélective à l’été 2009. L’extraction séquentielle
sélective demeure néanmoins une méthode plus complexe et plus précise, mais beaucoup
plus laborieuse à effectuer.

L’ITRAX a permis de déterminer la teneur de plusieurs éléments chimiques dans
les sédiments lacustres. Ces renseignements pourraient s’avérer critiques dans l’exercice
d’une étude plus approfondie. Les résultats obtenus sont en mesure de fournir des bases
de données pertinentes pour l’évaluation de la qualité des eaux et des sédiments du lac
Aylmer.

1 Gauthier, Alexandre, Caractérisation avancée des métaux lourds et du phosphore dans les eaux et les
sédiments du lac Aylmer, Essai de Maîtrise en génie civil, Université Laval, 2009.
VI
Remerciements

En premier lieu, je tiens à remercier Madame Rosa Galvez et Monsieur Réjean
Hébert qui m’ont permis de réaliser mon projet de Maîtrise grâce à leur soutien
technique, etc. Également, je tiens à souligner la contribution de l’association des
Riverains du lac Aylmer (L’A.R.L.A.) pour leur soutien dans l’exécution du projet de
recherche. L’octroi d’une bourse par l’A.R.L.A., qui visait à encourager la poursuite des
recherches, a été très apprécié.

Ensuite, je voudrais souligner la participation de l’INRS-ETE, dont Arnaud De
Coninck et M. Pierre Francus, pour les expérimentations à la microfluorescence X à très
haute résolution (ITRAX).

VII
1. Introduction

Un enrichissement anthropogénique en métaux lourds est d’intérêt majeur dans la
présente étude. Par exemple, nous savons que les mines Solbec et Cupra ont extrait des
métaux tel que le cuivre, le zinc, le plomb et le cadmium aux abords de certains affluents
du lac Aylmer comme le ruisseau du Troisième et la rivière Maskinongé. Nous savons
également qu’un parc à résidus miniers était situé à l’embouchure du ruisseau du
troisième tel qu’illustré à la figure 1.

Ruisseau du Troisième

Figure 1 : Plan du parc à résidus miniers restauré lors d’une campagne d’échantillonnage menée par
l’Université Laval2

En 1983, les mines ont été classifiées 1 (Haut niveau de risque pour la santé
humaine) par le Ministère de l’Environnement. En 1987, Cambior Ltd. devient le
propriétaire de Sullivan Mines Ltd. (Solbec et Cupra) et prend une entente avec le
Ministère de l’Environnement pour l a réhabilitation des sites miniers. Des études de
restauration furent donc entreprises. En 1994, un programme gouvernemental3 fut

2 De Coninck, Arnaud Sydney Philippe. Évaluation de l’effet à long terme de l’inondation et du chaulage
de résidus miniers provenant du parc à résidus Solbec-Cupra sur la mitigation du drainage minier acide ,
Essai de Maitrise en science de la terre, Université Laval, 2003.
3 Stéphanie Phaneuf and William Shilts. Geochemistry of lake sediments and waters, GSC Open file 3011,
Lac Aylmer, Quebec.
1
instauré pour la caractérisation géochimique des sédiments du lac Aylmer et ses affluents;
la constatation d’une contamination complexe possiblement reliée aux anciennes
exploitations minières est décelée.

Le parc à résidus minier est situé à 1 km au Nord de la mine Solbec-Cupra. « Les
résidus, dont l'épaisseur de la couche peut atteindre 6 mètres par endroits, ont été déposés
sur une couche de tourbe, qui repose elle-même sur un till de fond. Le parc à résidus
occupait une superficie de 66 hectares et on estime à 2 468 000 m3 le volume de résidus
qui y a été accumulé, soit près de 4 000 000 de tonnes.»4

«Après la fermeture, environ 20 hectares du parc étaient submergés dans sa partie
nord. Le débit de l'effluent de ce bassin était contrôlé par un barrage muni d'un déversoir.
L'effluent s'écoulait sur 4 Km jusqu'au lac Aymer».5 Le bassin de résidus était alors
caractérisé par un PH très bas, de l’ordre de 3, et les concentrations en métaux y étaient
élevés : [Zn]: 3mg/L, (0,5) [Cu]: 1mg/L (0,3), [Fe]: 10mg/L (3,00).6 De toute évidence,
les effluents de ce bassin de résidus étaient dans un état lamentable.

C’est alors que le groupe Roche Ltée identifie trois solutions pour restaurer le
site :
 Recouvrement de la surface du parc et revégétalisation
 Assainissement des eaux
 Inondation

L’inondation est la solution qui a été retenue considérant le milieu physique en
forme de cuve et les avantages technico-économiques que représente cette solution. Des
dépenses seront nécessaires à court terme afin d’aménager le site. À long terme, cette
solution est la plus efficace économiquement et réussira certainement à inhiber
l’acidification.

Vezina et Amyot (1999) procédèrent à quatre séries de tests. Premièrement, il
fallait démontrer qu’inonder les résidus pour stopper l’acidification en changeant l’eau
interstitielle(1989) était une méthode concluante. Deuxièmement, il fallait exécuter des
essais in-situ afin de confirmer que la circulation des eaux interstitielles réussissait à
inhiber l’acidification(1990). La troisième étape(1991) visait à étudier l’eau stagnante et
les phénomènes physico-chimiques qui s’y rattachent. Enfin, la dernière étape
(1992/1993) visait à évaluer les besoins en chaux pour neutraliser les eaux acidifiés

4 De Coninck, Arnaud Sydney Philippe. Évaluation de l’effet à long terme de l’inondation et du chaulage
de résidus miniers provenant du parc à résidus Solbec-Cupra sur la mitigation du drainage minier acide ,
Essai de Maitrise en science de la terre, Université Laval, 2003.
5 Marcoux, L. et Grenier, R.A. 1990. Simulation de l'inondation du parc à résidus de la Solbec-Cupra. In:
Colloque sur la réduction et le drainage des effluents acides générés par les activités minières, NEDEM,
Val-d'or, Canada, 97–114.
6 Vezina, S. et Amyot, G. 1999. Le suivi de la restauration par inondation au parc à résidus miniers Solbec.
[En ligne]: http://www.nrcan.gc.ca/mms/canmet-mtb/mmsl-lmsm/mend/cases/flooding-99_f/flooding-
99_f.htm
2
pendant l’inondation. Des études sur le sujet ont donc été effectuées, dont celle de
Karam et Guay.7

Puisque les précédentes études ont déterminé que l’inondation ne réussirait pas, à
elle seule, à augmenter le PH des eaux de percolations et contrer l’oxydation de la pyrite,
le chaulage est devenu une alternative intéressante. Karam et Guay (1994) établissent
alors qu’il est important de chauler les sédiments avant d’inonder ces derniers afin de
s’assurer qu’une augmentation du PH des eaux survienne et que le fer se précipite. Pour
assurer l’efficacité de la méthode de restauration de l’inondation des sédiments, il fallait
donc chauler les sédiments, et laisser les carbonates neutraliser les eaux de percolations
acides. La pierre de chaux est fréquemment utilisée pour ce genre d’applications. Un
juste milieu du dosage de la chaux était à envisager. Une surdose allait provoquer une
augmentation de la dureté naturelle de l’eau, alors que le cas inverse allait faire en sorte
que les eaux de percolations contiendraient des conditions de fer plus élevées que dans
les conditions de neutralité.8

C’est ainsi que les travaux de restaurations (Vezina et Amyot, 1999) furent
entrepris et terminés en 1994 pour la restauration du parc à résidus miniers. Deux digues
ont été construites dans le but de contenir 1 mètre de couverture d’eau. Des opérations de
remblai/déblai, ainsi que l’étendage de la chaux, ont eu lieu préalablement à l’inondation.
Le bassin de rétention mesure 110 hectares et est illustré à la figure 1.9 En 1999, Cambior
ltd s’est associé avec Canards illimités dans le but de procéder à une phase de
valorisation du site minier. Des aires de nidifications et des sentiers ont donc été ouvert
au public. Les figures 2 et 3 illustrent le bassin de résidus miniers avant et après la
restauration.

7 Karam, A. et Guay, R. 1994. Inondation artificielle du parc à résidus miniers Solbec-Cupra: études
microbiologique et chimique. Rapport final, CAMNET/DSS/MER 94, 65 p.
8 De Coninck, Arnaud Sydney Philippe. Évaluation de l’effet à long terme de l’inondation et du chaulage
de résidus miniers provenant du parc à résidus Solbec-Cupra sur la mitigation du drainage minier acide ,
Essai de Maitrise en science de la terre, Université Laval, 2003.
9 Vezina, S. et Amyot, G. 1999. Le suivi de la restauration par inondation au parc à résidus miniers Solbec.
[En ligne]: http://www.nrcan.gc.ca/mms/canmet-mtb/mmsl-lmsm/mend/cases/flooding-99_f/flooding-
99_f.htm
3