Les impacts de l'ac.vité extrac.ve

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1 Les impacts de l'ac.vité extrac.ve

2 (B. Higman, 2015)

3 Des environnements ar.ficialisés que l'on doit comprendre et maîtriser Bassin de résidus miniers, Tilden mine, WI (B.I.F.): silice à héma.te

4 Tilden et Empire mines: la mine, les bassins à résidus. Minerais différents, résidus différents.

5 Un héritage à maîtriser Nauru: exploita.on de guano abandonnée L'après- mine: réhabilita.on de la mine de Res.gouche, Québec L'après- mine non réhabilité: les drainages miniers acides (Portugal)

6 Les impacts directs 1. Impacts visuels 2. Sécurité sur mines et carrières 3. Impacts des poussières 4. Emissions de fumées: impacts de l'ac.vité pyrométallurgique 5. Stabilité des sites: mines souterraines, résidus miniers 6. Implica.ons sur les circuits économiques et les ac.vités humaines (Nauru, "Conflict minerals" ) discutées avec la durabilité

7 1. Impacts visuels Udachnaya pipe (Sibérie): 600 m de profondeur Terrils: mine d'or de Norseman (WA, Australie)

8 2. Sécurité industrielle spécifique (Hors substances énergé.ques: charbon, U) Impacts sur la santé: poussières (dont fibres), produits chimiques, bruit, stress thermique (Afrique du Sud: mines d'or vers 3900 m: environnement rocheux C) Régula.ons interna.onales. Exemple: limite d'exposi.on à la silice cristalline (0.1mg/m 3 )

9 3. Les empoussièrements Poussières: impact majeur de l'ac.vité extrac.ve (mines, carrières) Concentra.on gravimétrique "respirable" et teneur en quartz Pneumoconioses: silicose, asbestose

10 Quand la morphologie pose problème: les amiantes Serpen7ne (chryso7le) (USGS, 2011) Amphibole (anthophyllite)

11 Groupe de fibres de chryso7le: la difficulté du comptage. Ancienne mine de Nonza (arrêtée en 1965)

12 Appareil pulmonaire: localisa.on des poussières selon leur taille (Gunter et al., 2007)

13 (Fubini et Fenoglio, 2007)

14 Silicose Silicose: par.cules de silice cristalline captées par des macrophages, provoquent une inflamma.on due à la libéra.on de facteurs de nécrose: proliféra.on des fibroblastes et de collagène autour de la par.cule de silice, donnant pour résultat une fibrose et des lésions. Ac.vités extrac.ves avec impacts carcinogènes reconnues: diatomées, granite, sables.

15 Effets biologiques (1) Interac.on avec macrophages (24h) Crocidolite Laine de verre 5µm Laine de roche Fibre réfractaire

16 Effets biologiques (2) Ac.on des macrophages sur les fibres d amiante amphibole (USGS, 2011) asbestos bodies

17 Stabilité chimique des amiantes 8 ans 6 ans Dissolu.on d'un mélange chryso.le, trémolite et quartz dans des liquides biologiques simulés: la couche octaédrique du chryso.le est rapidement dissoute. (Wood, 2006)

18 4. Les émissions Cheminées de traitement des minerais de la mine Mount Isa (Queensland; Glencore- Xstrata) (Taylor et al., 2014) De la mesure à la réglementa.on: le cas du Queensland

19 Sudbury/Impacts: SO 2 - la plus grande cheminée du monde (380 m) - le principal émeoeur de SO 2 d Amérique du Nord (mais réduc.on de 2 Mt à 150 kt/an)

20 5. Stabilité des sites Modifica.on majeure de certains sites (mines à ciel ouvert: Bingham= 1,2 Gm 3 déplacés (sur 43 Gm 3 pour USA) Glissements de terrain (Mai 2013: mine de Bigham, Utah) : 70 millions m 3 (mais prévu par interférométrie radar sur site) Le plus important transfert de terrain observé aux USA après Saint Helens

21 Effondrements d'anciennes mines Mine d'elura (NSW, Australie)

22 Rupture des digues de bassins à résidus Effondrement du bassin à résidus de Cananea, Sonora, Aout 2014 ( m 3 )

23 24 Juillet Aout 2014 (NASA, 2014) Brèche de la digue du bassin à résidus, Mount Polley, BC

24 Mount Polley, BC Des volumes importants (10 million m 3 d'effluents millions m 3 de haldes et 6.5 million m 3 d'eau inters..elle), des effets à long terme mal connus.

25 Les impacts à long terme - Contamina*on : accroissement notable de la concentra.on d éléments minéraux, organiques ou pathogènes dans un sol au- delà des valeurs normales, sans préjuger de la modifica.on de sa qualité. - Pollu*on : présence de polluants dans un milieu, suite à l ac.vité humaine, suscep.bles de danger pour l homme, les écosystèmes ou l environnement. La pollu.on peut être historique, nouvelle ou résiduelle (après réhabilita.on). Dépollu*on: empêcher la diffusion d'un polluant dans l'environnement

26 La nocivité chimique: une ques.on de rela.vité Dangereux/Toxique H Li Be? Na K Mg Ca Rb? Sr Cs Ba (Fr) Ra? Sc? Ti V * Cr Mn Fe Co Ni * Cu Y Zr Nb Mo (Tc) Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe RARE EARTH Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi ACTIN- IDES Toxicité des éléments Mammalian Essential Nutrients Rare Earth or Lanthanide Group? Esssen.el Zn B C N O Al Si P Ga Ge? As F* Ne S Cl Ar Se (Po) (At) He Br? Kr La Ce Pr Nd (Pm) Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu *? Rn Actinide Group (Ac) Th (Pa) U = Established essential nutrient * = Probable or required under special conditions = Possible, with some evidence, or potential? = Mentioned in only one source

27 La contamina.on dépend de la spécia.on de l'élément. Les structures cristallines/cristallochimiques sont prépondérantes. (Smith&Huyck, 1999)

28 Les impacts contaminants Ac:on "instantanée" Temps géologiques Catastrophes environnementales (par ex. Aznalcollar, 1998). Impacts à court et long terme. Aspect régional. As, Cd, Pb, Hg, Sb, Cr Concentra.ons naturellement élevées: anomalies géochimiques. Minéraux stables, peu solubles. Transferts dans les fleuves (Garonne ), à par.r d'anciens sites miniers. Impacts retardés, aspect régional. Evolu.on d'anciens résidus miniers. Impacts retardés. "Bombes à retardement"

29 Sources et transport des contaminants (Brown and Calas, 2011)

30 Rôle des interfaces (Brown et al., 2008)

31 L'importance de l'adsorp.on METAL OXIDE or 0-PLANE (surface negatively charged) he Electrical ouble Layer Mineralolution Interfaces METAL OXIDE Oxygen Cation. + INNER HELMHOLTZ PLANE 1 (IHP 1 ) + INNER HELMHOLTZ PLANE 2 (IHP 2 ) OUTER HELMHOLTZ PLANE Water Molecule - Anion SPECIFICALLY ADSORBED ANION (outer sphere) SOLVATED ANION (non-specifically adsorbed) SPECIFICALLY ADSORBED CATIONS (inner sphere) NORMAL WATER STRUCTURE (ε = 78.5) SECONDARY WATER LAYER (ε = 32) PRIMARY WATER LAYER (ε = 6) mole % uptake (Brown and Parks, 2001) Point of Zero Charge = ph at which the surface charge is neutral (Brown and Parks, 1990) mole % uptake mol % bound Cations Anions SeO 4 2- SO 4 2- ph ph pzc (+) (-) 0 CrO 4 2- VO 4 3- ph pzc (+) 0(-) AsO ph (Stumm, 1992)

32 Géométrie des processus de piégeage de cations sur une surface Différents types de processus d'adsorp.on avec des stabilités différentes Adsorption d'un complexe sphère externe de Pb(II) sur une surface (0001) de α- Al 2 O 3.

33 Iden.fica.on de la spécia.on des métaux/ métalloïdes Caractérisa.on physique Diffrac.on des RX Microscopie électronique, Microsonde électronique Spectroscopie d absorp.on des RX (XANES, EXAFS) Imagerie des éléments mineurs/traces Caractérisa.on chimique Extrac.ons sélec.ves

34 Anciens sites miniers Importance en France: 130 Mt de résidus générés par les mines métalliques Origine: minerais de métaux lourds, impuretés non exploitées (As dans pyrite: qq 10 3 ppm), éléments non récupérés dans le process Importance : - du piégeage dans phases solides - du relargage différé Stabilité des phases secondaires Influence de ph et Eh: les drainages miniers acides

35 Une cause majeure de pollu.on: l'oxyda.on des sulfures/arséniures Réac.on en deux étapes: S et ca.ons Soit la réac.on globale:

36 Pérennité du piégeage : stabilité intrinsèque des phases secondaires : réduc.on des oxyhydroxydes de fer : relarguage de l arsenic en milieu réducteur; changement de condi.ons de ph : désorp.on de As ou dissolu.on de phases secondaires porteuses de As relargage de As sorbé sur des phases amorphes (oxyhydroxydes de fer) lors de l évolu.on de ces phases vers des structures mieux cristallisées

37 Ancienne usine Metaleurop Nord, Noyelles- Godault (62) Distribu.on spa.ale du zinc et du plomb Courcellesles-Lens Evin- Malmaison cultivé N Distribu.on ver.cale du zinc et du plomb ph 7.5, COT 1.5 % Concentration (ppm) Horizon labouré Profondeur (cm) PbZn la Deule sous-bois Dourges Usine ph 5.5, COT 6.5 % Concentration (ppm) Zn Pb Noyelles -Godault 750 m > 200 mg/kg > 500 mg/kg > 1000 mg/kg Profondeur (cm) (Morin et al., 1999) 120

38 Spéciation différente pour le zinc... ZnS ZnSO4 usine scories aérosols Emissions Pb/Zn 40 t/an (DRIRE 1991) (Juillot et al., 2003) Scories Phyllosilicate Zn Hydrotalcite Zn/Al Précipitation Zn, Al Zn, Al Si Zn, Al Magné*te Zn Zn(II) / M.O. Zn(II) / oxyde Fe. Zn, Fe Adsorption Zn 2+ Zn Fe Zn 2+ Fe

39 et pour le plomb PbS PbSO4 usine scories aérosols Emissions Pb/Zn 40 t/an (DRIRE 1991) (Morin et al., 1999) Scories Adsorption majoritaire Pb(II) / oxydes (Fe et Mn) Pb(II) / M.O. Pb 2+ Pyromorphite Pb5(PO4)3Cl Pb Pb 2+ P

40 L'arsenic: un problème environnemental important Deux degrés d'oxyda.on en surface: +3 (arsénites) et +5 (arséniates); - 3 stable en condi.ons géologiques (arséniures). Complexes organiques et interac.on avec ac.vité biologique. Impacts sur la santé Souvent présent en élément associé non valorisé. Stabilisa7on de As Oxyda.on des sulfures (contenant As) et des arséniures Piégeage de l arsenic dans des phases minérales secondaires (oxydes Fe, Mn, arséniates Ca, Fe ) Processus d adsorp.on et/ou de coprécipita.on avec les oxyhydroxydes de fer. Rôle crucial du facteur microbiologique

41 L'ac.vité minière n'est que l'une des causes de contamina.on en As

42 Le rôle ac.f des micro- organismes - catalyse des réac.ons (redox) - biominéralisa.ons - adsorp.on en surface La modifica.on de la spécia.on des polluants dépend du métabolisme bactérien. Phosphates d'uranyle

43 Le site contaminé (As) de Carnoulès, Gard (1) Stromatolite (25-40% As % As 3+ ) ph 3 [ As III ]: mg/l 1 m sediments ph 3 [ As III ] 1mg/l ph 7 [ As III ] 100µg/l (Morin et al., 2003) Les concentra.ons baissent vers l'aval mais restent au- dessus des normes (10 µg/l)

44 Printemps Thiobacillus ferroxydans Fe 3+ As 3+ Des structures minérales pour piéger As 3+/5+ Fe 3+ Tooeleite: Fe 3+ & As 3+ As 5+ Eté Bactéries: Thiomonas As-schwertmannite: Fe 3+ & As 5+ Tooeleite Printemps: As 3+ co- précipite avec Fe 3+ (Thiobacillus Ferrooxydans n oxyde que Fe 2+ : minéraux As 3+ - Fe 3+ Eté: Thiobacillus (Fe 2+ ) +Thiomonas (As 3+ )= minéraux As 5+ - Fe 3+ + adsorp.on (Morin et al., 2003, 2007)

45 Des réac.ons couplées Interac.on biochimie- géochimie

46 Transport de Cd dans la Garonne Ac.vité métallurgique ancienne (1840): stériles d'extrac.on Ac.on des crues: lessivage et mise en suspension. Transport sous forme par.culaire ou dissoute Formes réduites insolubles (sulfures: CdS ), formes adsorbées, carbonates Transforma.ons durant le transport. Estuaire de la Gironde: libéra.on progressive de tout le stock Cd Baisse du stock Cd et des flux (stabilisa.on des crassiers, évacua.on vers l'aval): produc.on d'huitres autorisée depuis Juin 2014 (Pigeot et al., 2006)

47 La catastrophe d'aznalcollar (1998, Andalousie) Rupture de digue contenant des déchets miniers (Rio Tinto): Pb, Zn, As 3 Millions m 3 boues et 4 Millions m 3 eaux acides 4m sur >4000 ha, 80 km de rivière affectés

48 Contamina.on chimique Rémanence chimique (réac.vité des sulfures) La contamina.on a fortement baissé au cours des premières années, mais reste importante (par ex. 16 mg/l de Zn)

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