Effet de la libération minérale et des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimiques des rejets miniers sulfureux

L’industrie minière, lorsqu’elle mène des exploitations de gisements pour produire des minerais devant subir un traitement, est confrontée à différents défis et enjeux liés à la gestion des rejets miniers. Le drainage minier acide et la mise en solution des contaminants constituent les principaux problèmes environnementaux dus à l’exposition des rejets miniers sulfureux à l’eau et à l’oxygène atmosphérique. Les réglementations environnementales obligent les compagnies minières à réhabiliter les sites et en particulier les aires d’entreposage des rejets avant la fermeture de la mine. La gestion des rejets miniers diffère selon le type de l’exploitation et la géologie du gisement exploité. En effet, lors d’une exploitation à ciel ouvert, les stériles miniers sont produits en quantité considérables et sont ensuite déposés dans des haldes à stériles non-saturés en eau et caractérisés par une hétérogénéité de la distribution granulométrique. En revanche, lors des exploitations souterraines, moins de stériles sont générés et se sont les résidus finement broyés qui représentent le plus gros des rejets, qui sont déposés dans des parcs à résidus. Dans un climat humide comme celui du Canada, ces derniers sont le plus souvent saturés en eau avec juste une partie au-dessus de nappe phréatique en perpétuel changement de la saturation vers la désaturation. Dans les deux cas (stériles et résidus), la prédiction du comportement géochimique des rejets miniers est un paramètre important qui influence grandement la faisabilité d’un projet minier. Durant ce doctorat, les deux types de rejets miniers ont été étudiés au vu de deux objectifs différents sachant la différence de leurs propriétés mais cependant pour la même finalité qui est de mieux prédire et gérer le rejet minier en question. Pour ce qui est des stériles, une nouvelle méthode de gestion est proposée en amont lors de leur extraction et avant leur entreposage. Quant aux résidus étudiés, des formulations d’amendements alcalins et cimentaires ont été testées en cellules de terrain comme technique de stabilisation/solidification des résidus miniers oxydés générateurs d’acide après avoir démontré l’effet des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimique des résidus miniers. Trois lithologies de stériles ont été échantillonnées à la mine Canadian Malartic juste après dynamitage pour respecter la représentativité du paramètre ‘distribution granulométrique’; souvent mal considéré par les études de nos jours. Les trois lithologies CPO (lithologie A), AGR (lithologie B) et CGR (lithologie C) ont été séparées en sept fractions granulométriques (-53μm, +53μm/-300μm, +300μm/-850μm, +850μm/-2.4mm, +2.4mm/-5mm, +5mm/-1.5cm, +1.5cm/-5cm). La caractérisation chimique et minéralogique a montré que les trois lithologies et leurs fractions contiennent plus de carbonates (≥2.5%) par rapport aux sulfures (≤1.5%). Les carbonates sont majoritairement représentés par la calcite et les sulfures sont principalement constitués de pyrite. Le contenu en sulfures varie en fonction de la fraction granulométrique. En effet, les fractions fines sont plus enrichies en sulfures par rapport aux fractions grossières. En terme textural, l’analyse minéralogique a montré que les sulfures sont libres au niveau des fractions fines (95%) et inclus au niveau des fractions grossières et idem pour les carbonates. Par ailleurs, le degré de libération de sulfures devient presque négligeable (5%) à partir de 2.4 mm comme diamètre des grains pour les trois lithologies par comparaison au degré de libération des carbonates qui reste non-négligeable (10%) à 2.4mm offrant une sécurité. En conséquence, 2.4mm a été défini comme le diamètre limite d’encapsulation physique de sulfures (DPLS) pour ces trois échantillons. Le DPLS est défini comme un seuil qui sépare un stérile minier en deux fractions granulométriques dépendamment de leurs réactivités : i) la fraction fine (-DPLS) qui constitue être la fraction réactive et probablement problématique et ii) la fraction grossière (+DPLS) qui constitue être la fraction non réactive et ne présenterait pas un risque lié à l’oxydation des sulfures. La fraction -DPLS représente une proportion faible de l’échantillon total (moins de 23% considérant 1m comme Dmax pour la lithologie A) par rapport à la fraction +DPLS qui représente la majorité de l’échantillon total. En plus de la caractérisation chimico-minéralogique et les tests statiques, des essais cinétiques en colonnes ont été monitorés sur une période 543 jours pour confirmer cette conclusion. Les trois lithologies ont été séparées en deux fractions granulométriques à savoir -2.4mm et +2.4mm tout en testant l’échantillon total aussi. Les résultats du suivi géochimique ont montré qu’effectivement la fraction -2.4mm est beaucoup plus réactive que la fraction +2.4mm et l’échantillon total. La lithologie B était la lithologie la plus réactive; le taux d’oxydation de la pyrite au niveau de sa fraction -2.4mm était de 12.5 μmol/kg/jour, au niveau de sa fraction +2.4mm était de l’ordre de 0.27 μmol/kg/jour et le taux d’oxydation au niveau de l’échantillon total était de l’ordre 2.45 μmol/kg/jour. La même tendance a été remarquée pour les deux autres lithologies. L’intérêt du calcul du DPLS se situe au niveau des éventuels gains économiques qui peuvent avoir lieu s’il est intégré en amont de la gestion des stériles miniers. En effet, au lieu de gérer les stériles comme une seule entité, il est maintenant suggéré de les séparer en deux fractions; une fraction réactive (-DPLS) et une fraction non réactive (+DPLS) sachant que la fraction réactive présente une faible proportion de l’échantillon total et qu’elle puisse être soit déposé avec les résidus minier soit encore traités métallurgiquement et économiquement elle devenait intéressante. Par ailleurs, la problématique de prédiction du comportement géochimique des résidus miniers est différente de celle liée aux stériles miniers. Les résidus miniers, par comparaison aux stériles miniers, sont caractérisés par une granulométrie fine; ce qui favorise et accélère même les taux de réactions dans des conditions non saturées (oxydation des sulfures, dissolution des carbonates). Le comportement géochimique des résidus miniers est généralement évalué en utilisant des essais cinétiques au laboratoire. Ces essais sont conçus pour simuler l’oxydation naturelle des résidus miniers et ont démontré leurs capacités à prédire adéquatement le comportement géochimique des rejets miniers. Cependant, le cas des résidus miniers de Joutel témoigne de l’importance de considérer la composante du terrain pour bien comprendre le comportement géochimique des résidus miniers. Le parc à résidus de Joutel qui s’étend sur une superficie de 120 ha est fermé depuis environ 25 ans. L’exposition des résidus aux agents atmosphériques a causé l’apparition d’un horizon oxydé à la surface du parc à résidus avec une formation localisée du hardpan tendant à se généraliser sur tout le site. Ce dernier est défini comme une couche cimentaire qui se forme à l’interface entre l’horizon oxydé et l’horizon des résidus frais par précipitation des oxy-hydroxydes de fer. La caractérisation minéralogique et chimique a montré un épuisement des sulfures et des carbonates en allant du résidu frais vers le résidu oxydé avec un changement de texture assez remarquable au niveau du hardpan. Les essais cinétiques réalisés sur les résidus frais ont montré qu’il s’agit d’un comportement non-générateur d’acide à long terme. Cependant, sur le parc à résidus de Joutel, une acidité a été générée à travers de la couche oxydée. Ce constat a été confirmé moyennant des essais cinétiques sur des résidus oxydés. Étant donné que le résidu oxydé est le résultat de l’oxydation du résidu frais sur environ 25 ans et que la prédiction du comportement géochimique du résidu frais était non-générateur d’acide mais le résidu oxydé a montré un comportement acidogène, ceci prouve l’incapacité des essais cinétiques à prédire correctement le comportement géochimique des résidus miniers de Joutel. Après une investigation sur le terrain et au laboratoire, le rôle essentiel du hardpan sur le comportement géochimique global des résidus miniers de Joutel est démontré. En effet, l’occurrence du hardpan constitue un écran aux les écoulements verticaux des eaux. La formation du hardpan, caractérisé par sa faible perméabilité estimée par analyse tomographique, favorise les écoulements latéraux (ruissellement de surface) au dépend des écoulements verticaux des eaux de surface. C’est pour cette raison que la géochimie globale du parc à résidus de Joutel est influencée grandement par la réactivité des résidus oxydés en surface. Ces derniers sont caractérisés par un épuisement plus ou moins important des sulfures, constat confirmé par les essais de consommation d’oxygène. Dans les zones oxydées, les flux d’oxygène ne dépassent pas 30 mole/m2/année. En plus de leurs réactivités faibles, les résidus oxydés sont caractérisés par l’abondance des minéraux secondaires à l’exemple du gypse et des oxy-hydroxydes de fer. Ces oxy-hydroxydes de fer, qui étaient responsables de l’atténuation des réponses géochimiques de l’oxydation des résidus frais, peuvent réagir différemment en générant de l’acidité. La répartition spatiale de l’acidité au niveau du parc à résidus de Joutel n’était pas systématique. En effet, l’échantillonnage systématique réalisé à Joutel a permis de cartographier la variabilité spatiale des propriétés géochimiques des résidus oxydés. L’utilisation des SIG a permis de délimiter les zones les plus problématiques et qui étaient localisées à l’ouest du parc Sud et au nord du parc Nord, ce qui a permis de proposer un schéma conceptuel illustrant le comportement des résidus à Joutel. Par la suite, les amendements alcalins et cimentaires ont été proposés et testés comme technique de stabilisation/solidification sur le site Joutel. L’utilisation du calcaire à 5 et 10 wt.% a permis une neutralisation immédiate du pH des lixiviats et la plupart des éléments chimiques ont été immobilisés grâce à la précipitation des phases secondaires dans des conditions proches de la neutralité. Cependant, les concentrations en Zn et en As étaient parfois plus grandes dans les lixiviats provenant des résidus amendés par rapport à la cellule témoin. Les amendements cimentaires ont été testés en utilisant le ciment portland et les cendres volantes de la combustion de la biomasse produites en région à un dosage total de 5%. La première formulation qui contenait 50% ciment et 50% cendres volantes a montré des résultats prometteurs concernant la stabilisation des contaminants. L’efficacité de ces amendements à court terme a été démontré, mais il reste à étudier leurs efficacités à long terme ainsi que les coûts économiques liés à cette alternative

Effet de la libération minérale et des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimique des rejets miniers sulfureux

L’industrie minière, lorsqu’elle mène des exploitations de gisements pour produire des minerais devant subir un traitement, est confrontée à différents défis et enjeux liés à la gestion des rejets miniers. Le drainage minier acide et la mise en solution des contaminants constituent les principaux problèmes environnementaux dus à l’exposition des rejets miniers sulfureux à l’eau et à l’oxygène atmosphérique. Les réglementations environnementales obligent les compagnies minières à réhabiliter les sites et en particulier les aires d’entreposage des rejets avant la fermeture de la mine. La gestion des rejets miniers diffère selon le type de l’exploitation et la géologie du gisement exploité. En effet, lors d’une exploitation à ciel ouvert, les stériles miniers sont produits en quantité considérables et sont ensuite déposés dans des haldes à stériles non-saturés en eau et caractérisés par une hétérogénéité de la distribution granulométrique. En revanche, lors des exploitations souterraines, moins de stériles sont générés et se sont les résidus finement broyés qui représentent le plus gros des rejets, qui sont déposés dans des parcs à résidus. Dans un climat humide comme celui du Canada, ces derniers sont le plus souvent saturés en eau avec juste une partie au-dessus de nappe phréatique en perpétuel changement de la saturation vers la désaturation. Dans les deux cas (stériles et résidus), la prédiction du comportement géochimique des rejets miniers est un paramètre important qui influence grandement la faisabilité d’un projet minier. Durant ce doctorat, les deux types de rejets miniers ont été étudiés au vu de deux objectifs différents sachant la différence de leurs propriétés mais cependant pour la même finalité qui est de mieux prédire et gérer le rejet minier en question. Pour ce qui est des stériles, une nouvelle méthode de gestion est proposée en amont lors de leur extraction et avant leur entreposage. Quant aux résidus étudiés, des formulations d’amendements alcalins et cimentaires ont été testées en cellules de terrain comme technique de stabilisation/solidification des résidus miniers oxydés générateurs d’acide après avoir démontré l’effet des oxy-hydroxydes de fer sur le comportement géochimique des résidus miniers. Trois lithologies de stériles ont été échantillonnées à la mine Canadian Malartic juste après dynamitage pour respecter la représentativité du paramètre ‘distribution granulométrique’; souvent mal considéré par les études de nos jours. Les trois lithologies CPO (lithologie A), AGR (lithologie B et CGR (lithologie C) ont été séparées en sept fractions granulométriques (-53µm, +53µm/-300µm, +300µm/-850µm, +850µm/-2.4mm, +2.4mm/-5mm, +5mm/-1.5cm, +1.5cm/-5cm). La caractérisation chimique et minéralogique a montré que les trois lithologies et leurs fractions contiennent plus de carbonates (≥2.5%) par rapport aux sulfures (≤1.5%). Les carbonates sont majoritairement représentés par la calcite et les sulfures sont principalement constitués de pyrite. Le contenu en sulfures varie en fonction de la fraction granulométrique. En effet, les fractions fines sont plus enrichies en sulfures par rapport aux fractions grossières. En terme textural, l’analyse minéralogique a montré que les sulfures sont libres au niveau des fractions fines (95%) et inclus au niveau des fractions grossières et idem pour les carbonates. Par ailleurs, le degré de libération de sulfures devient presque négligeable (5%) à partir de 2.4 mm comme diamètre des grains pour les trois lithologies par comparaison au degré de libération des carbonates qui reste non-négligeable (10%) à 2.4mm offrant une sécurité. En conséquence, 2.4mm a été défini comme le diamètre limite d’encapsulation physique de sulfures (DPLS) pour ces trois échantillons. Le DPLS est défini comme un seuil qui sépare un stérile minier en deux fractions granulométriques dépendamment de leurs réactivités : i) la fraction fine (-DPLS) qui constitue être la fraction réactive et probablement problématique et ii) la fraction grossière (+DPLS) qui constitue être la fraction non réactive et ne présenterait pas un risque lié à l’oxydation des sulfures. La fraction -DPLS représente une proportion faible de l’échantillon total (moins de 23% considérant 1m comme Dmax pour la lithologie A) par rapport à la fraction +DPLS qui représente la majorité de l’échantillon total. En plus de la caractérisation chimico-minéralogique et les tests statiques, des essais cinétiques en colonnes ont été monitorés sur une période 543 jours pour confirmer cette conclusion. Les trois lithologies ont été séparées en deux fractions granulométriques à savoir -2.4mm et +2.4mm tout en testant l’échantillon total aussi. Les résultats du suivi géochimique ont montré qu’effectivement la fraction -2.4mm est beaucoup plus réactive que la fraction +2.4mm et l’échantillon total. La lithologie B était la lithologie la plus réactive; le taux d’oxydation de la pyrite au niveau de sa fraction -2.4mm était de 12.5 µmol/kg/jour, au niveau de sa fraction +2.4mm était de l’ordre de 0.27 µmol/kg/jour et le taux d’oxydation au niveau de l’échantillon total était de l’ordre 2.45 µmol/kg/jour. La même tendance a été remarquée pour les deux autres lithologies. L’intérêt du calcul du DPLS se situe au niveau des éventuels gains économiques qui peuvent avoir lieu s’il est intégré en amont de la gestion des stériles miniers. En effet, au lieu de gérer les stériles comme une seule entité, il est maintenant suggéré de les séparer en deux fractions; une fraction réactive (-DPLS) et une fraction non réactive (+DPLS) sachant que la fraction réactive présente une faible proportion de l’échantillon total et qu’elle puisse être soit déposé avec les résidus minier soit encore traités métallurgiquement et économiquement elle devenait intéressante. Par ailleurs, la problématique de prédiction du comportement géochimique des résidus miniers est différente de celle liée aux stériles miniers. Les résidus miniers, par comparaison aux stériles miniers, sont caractérisés par une granulométrie fine; ce qui favorise et accélère même les taux de réactions dans des conditions non saturées (oxydation des sulfures, dissolution des carbonates). Le comportement géochimique des résidus miniers est généralement évalué en utilisant des essais cinétiques au laboratoire. Ces essais sont conçus pour simuler l’oxydation naturelle des résidus miniers et ont démontré leurs capacités à prédire adéquatement le comportement géochimique des rejets miniers. Cependant, le cas des résidus miniers de Joutel témoigne de l’importance de considérer la composante du terrain pour bien comprendre le comportement géochimique des résidus miniers. Le parc à résidus de Joutel qui s’étend sur une superficie de 120 ha est fermé depuis environ 25 ans. L’exposition des résidus aux agents atmosphériques a causé l’apparition d’un horizon oxydé à la surface du parc à résidus avec une formation localisée du hardpan tendant à se généraliser sur tout le site. Ce dernier est défini comme une couche cimentaire qui se forme à l’interface entre l’horizon oxydé et l’horizon des résidus frais par précipitation des oxy-hydroxydes de fer. La caractérisation minéralogique et chimique a montré un épuisement des sulfures et des carbonates en allant du résidu frais vers le résidu oxydé avec un changement de texture assez remarquable au niveau du hardpan. Les essais cinétiques réalisés sur les résidus frais ont montré qu’il s’agit d’un comportement non-générateur d’acide à long terme. Cependant, sur le parc à résidus de Joutel, une acidité a été générée à travers de la couche oxydée. Ce constat a été confirmé moyennant des essais cinétiques sur des résidus oxydés. Étant donné que le résidu oxydé est le résultat de l’oxydation du résidu frais sur environ 25 ans et que la prédiction du comportement géochimique du résidu frais était non-générateur d’acide mais le résidu oxydé a montré un comportement acidogène, ceci prouve l’incapacité des essais cinétiques à prédire correctement le comportement géochimique des résidus miniers de Joutel. Après une investigation sur le terrain et au laboratoire, le rôle essentiel du hardpan sur le comportement géochimique global des résidus miniers de Joutel est démontré. En effet, l’occurrence du hardpan constitue un écran aux les écoulements verticaux des eaux. La formation du hardpan, caractérisé par sa faible perméabilité estimée par analyse tomographique, favorise les écoulements latéraux (ruissellement de surface) au dépend des écoulements verticaux des eaux de surface. C’est pour cette raison que la géochimie globale du parc à résidus de Joutel est influencée grandement par la réactivité des résidus oxydés en surface. Ces derniers sont caractérisés par un épuisement plus ou moins important des sulfures,constat confirmé par les essais de consommation d’oxygène. Dans les zones oxydées, les flux d’oxygène ne dépassent pas 30 mole/m2/année. En plus de leurs réactivités faibles, les résidus oxydés sont caractérisés par l’abondance des minéraux secondaires à l’exemple du gypse et des oxy-hydroxydes de fer. Ces oxy-hydroxydes de fer, qui étaient responsables de l’atténuation des réponses géochimiques de l’oxydation des résidus frais, peuvent réagir différemment en générant de l’acidité. La répartition spatiale de l’acidité au niveau du parc à résidus de Joutel n’était pas systématique. En effet, l’échantillonnage systématique réalisé à Joutel a permis de cartographier la variabilité spatiale des propriétés géochimiques des résidus oxydés. L’utilisation des SIG a permis de délimiter les zones les plus problématiques et qui étaient localisées à l’ouest du parc Sud et au nord du parc Nord, ce qui a permis de proposer un schéma conceptuel illustrant le comportement des résidus à Joutel. Par la suite, les amendements alcalins et cimentaires ont été proposés et testés comme technique de stabilisation/solidification sur le site Joutel. L’utilisation du calcaire à 5 et 10 wt.% a permis une neutralisation immédiate du pH des lixiviats et la plupart des éléments chimiques ont été immobilisés grâce à la précipitation des phases secondaires dans des conditions proches de la neutralité. Cependant, les concentrations en Zn et en As étaient parfois plus grandes dans les lixiviats provenant des résidus amendés par rapport à la cellule témoin. Les amendements cimentaires ont été testés en utilisant le ciment portland et les cendres volantes de la combustion de la biomasse produites en région à un dosage total de 5%. La première formulation qui contenait 50% ciment et 50% cendres volantes a montré des résultats prometteurs concernant la stabilisation des contaminants. L’efficacité de ces amendements à court terme a été démontré, mais il reste à étudier leurs efficacités à long terme ainsi que les coûts économiques liés à cette alternative. Mots clés : rejets miniers, le degré de libération minérale, séparation des stériles, hardpan, minéraux secondaires, amendements miniers. ---------- Abstract During ore extraction and processing, mining industries generate high quantities of solid mine wastes. Their management during all mine life cycle is a serious challenge facing these industries. Acid mine drainage and contaminants mobilization constitute the most known problems related to exposition of sulphidic mine wastes to atmospheric oxygen and water. Conformity to current environmental regulations and standards requires mine sites reclamation and especially waste storage facilities before the final closure of mine sites. Mine waste management depends on the extraction method and the geological properties of the deposit. Hereafter, mine waste will refer to waste produced mostly during open pits extraction (compared to underground exploitation) and which didn’t go through ore processing steps, mine tailings refer to finely grinded tailings and produced during ore processing. Waste rocks are mostly deposited in large surface unsaturated waste rock piles, and mine tailings are deposited in slurry state in tailings storage facilities. In Canada, the environmental behavior of waste rocks and tailings is one of the parameter which is considered during mine project feasibility studies. This is why, prediction of environmental behavior of waste rocks and mine tailings becomes a serious concern of mining industries all around the world. During this study, waste rocks and tailings were studied in order to improve understanding of geochemical reactions within waste rocks and mine tailings which will be used for a better prediction of their environmental behavior. Concerning waste rocks, a novel methodology was suggested to consider mineral textures (mineral liberation and mineralogical associations) during characterization steps. As demonstrated in this study, a new method of waste management is suggested, and it consisted on waste rock sorting considering the diameter of physical locking of sulphides. Concerning mine tailings, it is demonstrated in this study that iron-oxyhydroxides is very common phenomenon occurring during sulfides oxidation and carbonates dissolution and it could influence the prediction of the geochemical behavior of mine tailings which may require in some cases to consider the field conditions. Finally, four amendment formulations (cementitious and alkaline) were tested in the field conditions and showed promising results to stabilize/solidify oxidized acid generating tailings. Three waste rock (WR) lithologies was collected from Canadian Malartic mine immediately after in-situ WR blasting to consider the actual particle distribution which is rarely considered during nowadays studies. The three lithologies CPO (lithology A), AGR (lithology B) and CGR (lithology C were divided into seven fractions (-53µm, +53µm/-300µm, +300µm/-850µm, +850µm/-2.4mm,+2.4mm/-5mm, +5mm/-1.5cm, +1.5cm/-5cm). the chemical and mineralogical characterization showed that the three total samples and their fractions contained more carbonates mainly as calcite (≥2.5%) than sulphides mostly as pyrite (≤1.5%). Sulphides content depended on the particle size, fine particle sizes were more enriched in sulphides compared to coarse fractions. Moreover, automated mineralogy characterization performed on the concerned fractions showed that sulphides are mostly liberated (95%) within fine fractions compared to coarser fractions where sulphides are mostly encapsulated within non-sulphide gangue (NSG) and their liberation is almost negligible (5%). Based on mineral textures analysis within the studied lithologies, 2.4mm was defined as the diameter of physical locking of sulphides (DPLS). The DPLS defines a critical particle size that could be used to divide a waste rock into two fractions with extremely different reactivities: the fraction -DPLS is the most reactive one and it consists on only a low proportion of total samples (≤23 %) and the fraction +DPLS which is characterized by a low sulphide oxidation. This diameter was also confirmed using kinetic tests monitored for 543 days. The three lithologies were divided into two fractions which are the sample -2.4mm and +2.4mm and the total sample was tested separately. Results of geochemical monitoring showed that the fraction -2.4mm of the three lithologies was the most reactive fraction compared to total sample and the fraction +2.4mm. The lithology B was the most reactive one, pyrite oxidation rates of fraction -2.4mm, total sample and fraction +2.4mm were about 12.5 µmol/kg/day, 2.45 µmol/kg/day and 0.27 µmol/kg/day respectively. Tendency of pyrite oxidation rates between the different fractions of the lithology B was the same for the two other lithologies A and C. Calculation and determination of DPLS will allow to challenge waste management. Indeed, the use of this parameter will allow depositing waste rocks into two waste rock piles instead of one. A pile which will contain only particles -DPLS and another one containing particles +DPLS. Consequently, the volume of the reactive part of the waste rocks will be minimized considerably and so economic cost related to waste rocks management.Otherwise, the challenge related to prediction of the geochemical behavior of mine tailings is different to that related to waste rocks. Mine tailings, compared to waste rocks, are characterized by fine and homogeneous particle size distribution; which accelerates reactions rates in unsaturated conditions (sulphides oxidation and carbonates dissolution). The geochemical behavior of mine tailings is usually studied using laboratory kinetic testing. This kinetic testing is deigned to simulate the natural oxidation of tailings. However, Joutel’s tailings are an example of the importance of considering the field conditions to understand correctly the actual geochemical behavior of mine tailings. Joutel is a closed tailing storage facility (TSF) of about 120 ha for 25 years. Tailings exposition to water and oxygen lead to apparition of an oxidized horizon and local formation of hardpans which may be a generalized phenomenon in the TSF. The hardpan is defined as cementitious layers that occur at the interface between the oxidized horizon and the unweathered tailings due to iron oxy-hydroxides precipitation. The chemical and mineralogical characterization showed that carbonates and sulphides depletion increases from the unweathered tailings to the oxidized horizon with a spectacular change regarding the minerals texture. Knowing that the oxidized horizon is the result of oxidation of the unweathered tailings for 25 years and the geochemical behavior of the unweathered tailings was predicted as non-acid generating, however the oxidized tailings were acidic in some location in the TSF; this shows the incapacity of kinetic testing in this case to predict correctly the geochemical behavior of Joutel’s unweathered tailings. Laboratory and field investigations showed the effect of hardpans on the geochemical behavior of Joutel’s TSF. Indeed, hardpan constitutes a screen against vertical water flows due its low porosity as analyzed using computed tomography. Consequently, hardpans occurrence deflects water vertical infiltration and enhances surface and sub-surface runoff. This why the reactivity of the TSF is almost controlled by the reactivity of upper oxidized tailings. These oxidized tailings are characterized by high sulphides depletion as demonstrated using oxygen consumption tests. Oxygen consumption within oxidized tailings didn’t exceed 30 mole/m2/year. Furthermore, oxidized tailings are mainly formed by secondary minerals such as gypsum and iron oxy-hydroxides. These iron oxy-hydroxides which were responsible for metals/metalloids attenuation may react again and release the sorbed elements and generate acidity. The spatial mapping of the acidity and the geochemical properties of Joutel’s TSF showed that they were spatially dependent. The use of GIS allowed delimiting the zones of acidity which were spatially located at the west of the south zone and at the north of the north zone. Consequently, a conceptual model was proposed to explain the geochemistry of Joutel’s tailings. Then, alkaline and cementitious amendments were tested as mitigation scenario to stabilize oxidized tailings. Thus, the use of 5% and 10% limestone allowed an immediate pH buffering and immobilization of the most chemical species. The chemical species were stabilized within limestone dissolution by iron-oxyhydroxides precipitation at neutral conditions. However, zinc and arsenic were sometimes more released within the amended tailings. The cementitious amendments were tested using ordinary cement and fly ash with 5% dosage. The first formulation consisted on 50:50 cement and fly ash showed promising results concerning the chemical species stabilization. The efficiency and the cost of these amendments must be studied at the long-term scale. Key words: Tailings, waste rocks, mineral liberation degree, waste rock sorting, hardpan, secondary minerals, mining amendments

Evaluation of the Anthropogenic Metal Pollution at Osisko Lake: Sediments Characterization for Reclamation Purposes

The anthropogenic pollution of lake ecosystems by human activities (e.g., mining industries) is recognized as a serious issue. The Osisko urban lake located in Rouyn-Noranda (Quebec, Canada) was used partially as a waste disposal facility for many decades, causing a heavy pollution. The main undertakings of this study are (i) assessing the mineralogical and geochemical properties of lake Osisko sediments, and (ii) studying the pollution that occurred within lake water due to the sediments’ reactivity. Water and sediments across the lake were collected in different sensitive locations. Within the sediment samples, two parts were distinguished: a small layer of black vase over grey sediments. The black vase resembled organic matter while the gray sediment seemed close to clean lake sediments. The collected samples were characterized for their physical (particle size distribution, specific gravity and specific surface area), chemical (minor and major elements as well as total sulfur and carbon) and mineralogical (X-ray diffraction and scanning electron microscope) properties. Additionally, the reactivity of sediments was studied using weathering cells to quantify chemical species leaching and their releasing rates. The results showed that the vase was the only contaminated part with high concentrations of sulfur and metals such as copper, zinc and iron. Geochemical data showed that the composite sample and the vase potentially cause contaminated acid drainage if they are exposed to atmospheric conditions. Indeed, the pH values of the leachates from both samples were between 4 and 6, while those corresponding to sediments remained around circumneutral values. Quantitatively, the contaminant release from the tested samples was variable. Indeed, the Fe cumulative concentrations were around 200, 80 and 20 mg/kg for the vase, composite and sediment samples, respectively. Similarly, the Zn cumulative concentrations were around 4500, 4200, and below the detection limit for vase, composite and sediment samples, respectively. The same tendency was observed for Cu, S, and Fe. Thus, sediments within Osisko lake present a risk for water contamination if they are resuspended or dredged out of the lake. Consequently, they should be stabilized before their disposal. The samples’ high Cu contents also offer the possibility of their reprocessing

Towards Zero Solid Waste in the Sedimentary Phosphate Industry: Challenges and Opportunities

The phosphate industry produces huge volumes of waste (hundred million tons per year). These wastes are generally surface landfilled, leading to significant environmental impacts and a large footprint. The current practices of phosphate waste management, the typology of the waste streams and their characteristics, and finally their potential applications are reviewed. All the waste streams generated during the life cycle of phosphoric acid production going from the extraction of phosphate rock to its enrichment and transformation are considered. Great circularity opportunities have been identified and they aim (i) to recover the residual phosphorus and other critical minerals and metals, and (ii) to consider phosphate wastes as alternative resources in the civil engineering and building sectors. The purpose is to shift from linear thinking to circular thinking where synergy between different mining and other industries is highly encouraged. By doing so, opportunities to safeguard natural resources and to minimize the environmental and societal impacts are limitless. However, many challenges are still limiting this shift: economic and technical constraints, societal and policy-makers’ awareness, regulation harmonization and finally knowledge gaps. More efforts and investment in research and development are still required to reach the zero-waste target

In Situ Effectiveness of Alkaline and Cementitious Amendments to Stabilize Oxidized Acid-Generating Tailings

This study investigates the effectiveness of alkaline and cementitious additives in the in situ stabilization of localized acid-generating tailings from a closed gold mine in Abitibi−Témiscamingue, Québec (Eagle/Telbel mine site). Five field cells (including one control) were constructed and equipped with mechanisms for collecting vertical water infiltration and surface runoff. The five cells included: (C1) Control cell; (C2) 5 wt % limestone amendment; (C3) 10 wt % limestone amendment; (C4) 5 wt % half ordinary Portland cement and half fly ash amendment; and (C5) 5 wt % ordinary Portland cement amendment. The control cell showed an acidic behavior (pH < 4.5) with variable concentrations of Fe, Al, Zn, and Cu. The amendments were used to neutralize the acidic leachates and decrease dissolved metal concentrations. Leachates from surface runoff samples of amended cells were less loaded with metals compared to samples of vertical infiltration. All amendment formulations increased the pH of the leachates from approximately 4 to circumneutral values. Furthermore, metal and metalloid concentrations were greatly limited, except for Cr and As for the carbonate-based amendments. Metal(-oid) stabilization was successfully achieved using the different amendment formulations, with the exception of C2, which still released As

Alkali-Hydrothermal Treatment of K-Rich Igneous Rocks for Their Direct Use as Potassic Fertilizers

International audienceDue to the increasing demand for conventional sources of potassium (K) and their inaccessibility by African countries, K-rich igneous rocks are increasingly studied as potential alternative sources. In this study, six potassic igneous rocks (syenites and trachytes) from the Tamazeght, Jbel Boho, Ait Saoun, and El Glo’a regions (Morocco) were sampled and characterized. Then they were hydrothermally treated to enhance their K release for potential use as potassic fertilizers. The raw materials are mainly formed by microcline (up to 74%), orthoclase (20–68%), albite (36–57%), biotite-muscovite (15–23%), and titanite, calcite, hematite, and apatite as accessory minerals. These samples were crushed and milled to reach a particle size <150 µm and mixed with 4 N NaOH solution in an autoclave. The liquid/solid (L/S) ratio was about 44 mL/50 g. The powders were allowed to react with the solution at 170 °C for 7 h. For all tests, NaOH reacted completely with the powders and no liquid was observed after the treatment. X-ray diffraction (XRD), thermal gravimetric analysis (TGA), infrared spectroscopy (IRTF), and scanning electron microscopy (SEM-EDS) were carried out on treated samples to characterize the mineralogical and structural changes due to the alkali-hydrothermal treatment. Indeed, the treated samples revealed the presence of sodic neoformed phases such as thermonatrite, sodalite, analcime, and cancrinite. The treated material was leached for a week using deionized water and the elements released were measured using inductively coupled plasma–atomic emission spectroscopy (ICP-AES). The hydrothermal process showed a strong effect on structure breakdown as well as on the release of K and other nutrients such as P, Fe, Si, Mg, and Ca. Therefore, the alkali-hydrothermal treatment allowed the release of 50.5 wt% K. Moreover, the release of Mg, Ca, Fe, P, K, and Si were significantly increased. Mg, Ca, Fe, P, K, and Si release within raw materials was about (0.5–3.6), (3.5–31.4), (0.01–0.4), (0.01–0.3), (20–55), and (4.6–8) mg/kg, respectively, whereas treated samples showed a higher release of these elements. Quantitatively, Mg, Ca, Fe, P, K, and Si releases were about (10–11.8), (60–70), (7–20), (1.2–15), (218–1278), and (1119–2759) mg/kg, respectively. Consequently, the treated igneous rocks (syenite and trachyte) could be directly used as potassic fertilizers that would also be a source of other nutrients

Phosphate Rocks: A Review of Sedimentary and Igneous Occurrences in Morocco

International audiencePhosphate rocks are a vital resource for world food supply and security. They are the primary raw material for phosphoric acid and fertilizers used in agriculture, and are increasingly considered to be a potential source of rare earth elements. Phosphate rocks occur either as sedimentary deposits or igneous ores associated with alkaline rocks. In both cases, the genesis of high-grade phosphate rocks results from complex concentration mechanisms involving several (bio)geochemical processes. Some of these ore-forming processes remain poorly understood and subject to scientific debate. Morocco holds the world’s largest deposits of sedimentary phosphate rocks, and also possesses several alkaline complexes with the potential to bear igneous phosphate ores that are still largely underexplored. This paper summarizes the main geological features and driving processes of sedimentary and igneous phosphates, and discusses their global reserve/resource situation. It also provides a comprehensive review of the published data and information on Moroccan sedimentary and igneous phosphates. It reveals significant knowledge gaps and a lack of data, inter alia, regarding the geochemistry of phosphates and basin-scale correlations. Owing to the unique situation of Moroccan phosphates on the global market, they clearly deserve more thorough studies that may, in turn, help to constrain future resources and/or reserves, and answer outstanding questions on the genesis of phosphates

Highly variable content of fluorapatite-hosted CO32- in the Upper Cretaceous/Paleogene phosphorites (Morocco) and implications for paleodepositional conditions

International audienc

Deciphering the U-Pb dates of sedimentary phosphates: A complex example from the Upper Cretaceous-Lower Paleogene series in northwestern Morocco

Uranium‑lead geochronology rapidly generates dates of rock deposition/formation with reasonable precision and accuracy using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, which is needed for bracketing stratigraphy. However, previous radiometric U-Pb dating of biogenic (i.e., bones and teeth) and sedimentary phosphate minerals have had limited success, probably because of the nanometric to micrometric crystallites that generate open system behavior. Sediment lithification inhibiting trace element exchange between minerals and porewaters and thus forcing phosphorus-rich crystallites to adopt a closed system behavior has been suggested for interpreting U-Pb dating of carbonate fluorapatite (CFA). Despite these insights, what remains lacking is extensive U-Pb CFA dating at the regional scale to test whether several processes influence the timing of U-Pb system closure by inhibiting U and Pb exchanges. Here, we report U-Pb CFA dating from four sampling sites in northwestern Morocco to understand better the meaning of U-Pb dates in CFA. The Upper Cretaceous-Lower Paleogene phosphate series yields anomalously low 207Pb/206Pb initial ratios and young dates ranging from 37.3 ± 2.4 Ma to 22.7 ± 0.7 Ma, which does not agree with the terrestrial lead model composition for Paleogene ages and the known biostratigraphic ages, respectively. We argue that ancient radiogenic Pb from leached polymetallic mineralizations of the regional environment have been incorporated into CFA and that a 25 to 40 Ma-long widespread resetting of the U-Pb system has affected the northwestern Moroccan phosphates. Neither CFA-hosted CO32− concentrations nor rare earth element and yttrium contents indicate post-depositional modifications of the chemical nature of phosphate-bearing rocks. Burial diagenesis promoting sediment lithification is one of the mechanisms that have triggered final closure of the U-Pb system of CFA minerals and, interestingly, the sedimentation rate was probably not a controlling factor. Unexpectedly, U-Pb dates of ∼23 Ma from three stratigraphic levels separated by several million years seem to be concomitant with the regional emersion and generalized continentalization of northwestern Morocco, allowing CFA to behave as a closed system. We conclude that the laser ablation inductively coupled mass spectrometry U-Pb dating of biogenic and sedimentary CFA minerals must be carefully employed to date the timing of fossilization or sediment deposition

Deciphering the U Pb dates of sedimentary phosphates: A complex example from the Upper Cretaceous-Lower Paleogene series in northwestern Morocco

International audienceUranium‑lead geochronology rapidly generates dates of rock deposition/formation with reasonable precision and accuracy using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, which is needed for bracketing stratigraphy. However, previous radiometric Usingle bondPb dating of biogenic (i.e., bones and teeth) and sedimentary phosphate minerals have had limited success, probably because of the nanometric to micrometric crystallites that generate open system behavior. Sediment lithification inhibiting trace element exchange between minerals and porewaters and thus forcing phosphorus-rich crystallites to adopt a closed system behavior has been suggested for interpreting Usingle bondPb dating of carbonate fluorapatite (CFA). Despite these insights, what remains lacking is extensive Usingle bondPb CFA dating at the regional scale to test whether several processes influence the timing of Usingle bondPb system closure by inhibiting U and Pb exchanges. Here, we report Usingle bondPb CFA dating from four sampling sites in northwestern Morocco to understand better the meaning of Usingle bondPb dates in CFA. The Upper Cretaceous-Lower Paleogene phosphate series yields anomalously low 207Pb/206Pb initial ratios and young dates ranging from 37.3 ± 2.4 Ma to 22.7 ± 0.7 Ma, which does not agree with the terrestrial lead model composition for Paleogene ages and the known biostratigraphic ages, respectively. We argue that ancient radiogenic Pb from leached polymetallic mineralizations of the regional environment have been incorporated into CFA and that a 25 to 40 Ma-long widespread resetting of the Usingle bondPb system has affected the northwestern Moroccan phosphates. Neither CFA-hosted CO32− concentrations nor rare earth element and yttrium contents indicate post-depositional modifications of the chemical nature of phosphate-bearing rocks. Burial diagenesis promoting sediment lithification is one of the mechanisms that have triggered final closure of the Usingle bondPb system of CFA minerals and, interestingly, the sedimentation rate was probably not a controlling factor. Unexpectedly, Usingle bondPb dates of ~23 Ma from three stratigraphic levels separated by several million years seem to be concomitant with the regional emersion and generalized continentalization of northwestern Morocco, allowing CFA to behave as a closed system. We conclude that the laser ablation inductively coupled mass spectrometry Usingle bondPb dating of biogenic and sedimentary CFA minerals must be carefully employed to date the timing of fossilization or sediment deposition