Géochimie, première partie : Que sont le lessivage des métaux et le drainage rocheux acide (LM/DRA) et comment se produisent-ils?

Durant le processus minier, des quantités importantes de roches contenant des sulfures sont souvent excavées pour en extraire les métaux essentiels à la vie moderne. En l’absence de traitement, l’excavation de roches sulfurées peut entraîner le lessivage des métaux et un drainage rocheux acide, facteurs susceptibles d’avoir un impact négatif sur l’environnement, la santé humaine et les infrastructures environnantes. Le lessivage des métaux et le drainage rocheux acide sont considérés comme le défi environnemental le plus important pour l’industrie minière, en raison du coût élevé et des mesures de prévention complexes sur le plan technique¹.

Tandis que l’approche moderne pour le traitement du lessivage des métaux et du drainage rocheux acide vise à prévoir et à prévenir les problèmes à un stade précoce, les exploitations minières du Canada avaient auparavant tendance à être axées sur une intervention consécutive aux problèmes de production d’acide, et les mesures préventives n’étaient mises en œuvre qu’après l’apparition de dommages environnementaux importants. En 1995, on a estimé que le coût de la responsabilité environnementale au Canada attribuable au lessivage des métaux et au drainage rocheux acide s’élevait à 2 à 5 milliards de dollars², ce qui souligne l’importance d’une action préventive dès la phase de conception d’une exploitation.

Comment le lessivage des métaux et le drainage rocheux acide se produisent-ils exactement? Si elle n’est pas gérée ou neutralisée, la production d’acide commence par une réaction relativement lente. Une fois que la série de réactions a pris de l’ampleur, les derniers stades de la production d’acide peuvent être particulièrement dévastateurs pour l’environnement et difficiles à assainir (figure 1).

Les trois réactions généralisées qui suivent sont détaillées afin de clarifier la séquence des réactions qui détermine la production d’acide et le potentiel de lessivage des métaux à partir d’une oxydation initiale de la pyrite :

Dans cette réaction initiale, le minéral sulfuré (le plus souvent la pyrite) est décomposé par une nouvelle exposition à l’oxygène et à l’eau de l’atmosphère, qui se produit souvent pendant le concassage ou le dynamitage des stériles. Le fer réduit (fer ferreux) est alors séparé du soufre et produit du sulfate et de l’acidité. Des quantités relativement faibles d’acidité sont produites à cette première étape.

Le fer ferreux séparé de la pyrite dissoute commence à réagir avec l’oxygène et l’acidité pour oxyder le fer ferreux en fer ferrique (de Fe²⁺ à Fe³⁺). À elle seule, cette réaction à vitesse limitée prend généralement beaucoup de temps pour s’oxyder et générer du fer ferrique. Toutefois, cette réaction d’oxydation est souvent accélérée de façon considérable par la présence de bactéries naturelles (Thiobacillus ferrooxidans), qui catalysent la vitesse de réaction d’environ 100 000 fois. Il est important de prévenir cette réaction, car une fois que le Fe²⁺ est oxydé en Fe³⁺, la production d’acide peut devenir rapide et très difficile à gérer.

Dans cette réaction finale, l’oxygène n’est plus nécessaire et la pyrite peut être simplement oxydée en présence de Fe³⁺ et d’eau. Ce stade peut être dévastateur, car le processus de génération d’acide devient cyclique, se propage de lui-même, se produit à des taux très rapides et se poursuit jusqu’à ce que le fer ferrique ou la pyrite soient entièrement consommés. À cette étape, les eaux affectées sont fortement acides et ont un pH inférieur à 3, ce qui a des conséquences importantes sur le transport des métaux par lessivage, comme décrit ci-après.

Le drainage rocheux acide est particulièrement dangereux, car les eaux à faible pH (très acides) peuvent dissoudre et transporter de fortes concentrations de métaux lourds, notamment le cuivre (Cu), le plomb (Pb), le zinc (Zn) et plusieurs autres (figure 2). Ce processus de dissolution et de transport est appelé « lessivage des métaux ».

Lorsque les métaux sont présents sous leur forme dissoute, ils sont considérés comme toxiques, car ils peuvent être facilement absorbés par les plantes et les animaux. L’accumulation de métaux peut être transmise le long de la chaîne alimentaire par bioamplification, accroissant la toxicité dans l’ensemble de ces écosystèmes.

Si le drainage rocheux acide est le mécanisme le plus courant de lessivage des métaux, il est important de noter que d’autres composés potentiellement toxiques, comme l’arsenic (As), le sélénium (Se) et le sulfate (), peuvent être transportés efficacement dans des conditions de pH presque neutres et alcalines. De même, si la chimie du drainage n’est pas correctement gérée, cela peut conduire à un drainage minier neutre (DMN) et à un drainage salin (DS).

Le lessivage des métaux et le drainage rocheux acide commencent par la production d’eaux acides, souvent causée par des matériaux miniers sulfurés mal gérés. Les eaux acides à faible niveau de pH peuvent dissoudre les métaux lourds de la mine et les transporter dans le milieu environnant. À des concentrations élevées, ces métaux deviennent toxiques pour l’environnement et les écosystèmes.

Dans l’article suivant « Géochimie : deuxième partie : Prévision et prévention du lessivage des métaux et du drainage rocheux acide (LM/DRA) », nous abordons une approche scientifique et multidisciplinaire pour prédire ce phénomène. Grâce à des prévisions efficaces établies avant la mise en valeur minière, des solutions peuvent être élaborées pour gérer et prévenir le lessivage des métaux et le drainage rocheux acide, protégeant ainsi l’environnement et permettant aux sociétés minières d’économiser plusieurs millions de dollars en matière de responsabilité environnementale.

1 - Price, Prediction Manual for Drainage Chemistry from Sulphidic Geologic Materials, MEND Report 1.20.1. (2009)

2 - Geocon – SNC Lavalin Environment, Economic Evaluation of Acid Mine Drainage Technologies, MEND Report 5.8.1. (1995)

Cet article de blogue a été écrit en collaboration avec Neal Sullivan