Evolution de la qualité de l'eau dans les mines abandonnées du bassin ferrifère lorrain. De l'expérimentation en laboratoire à la modélisation in situ

Rapporteurs : M. Bertrand FRITZ, M. Moumtaz RAZACK Président du jury : M. Michel SARDIN Examinateur : M. Patrick WEINGERTNER Membres invités : M. Peter FRITZ, M. Laurent LEBEL, M. Emmanuel LEDOUXIn the last twenty years, the closure of iron mines of Lorraine led to progressive flooding of the workings. The consequences on groundwater are a modification of flowpaths and a degradation of the quality of water. In this context, the aims of this work were to characterize the evolution of the quality of groundwater during and after the flooding, to determine its causes and to give the bases of a water management aid tool. A knowledge synthesis on mining drainage, and most specifically on chemical mechanisms that are the cause of it, was realised. We then focused on the particular case of the Lorrain Iron Basin (LIB). An experimental study was conducted in laboratory on rock samples collected in mines of the northern part of the LIB. This work included a mineralogical study, closed reactors tests, with monitoring of gas composition, and leaching columns experiments. This study allowed us to characterize the evolution of the water quality when the water is in contact with rocks of the LIB : nature, duration and probable mineralogical origin of the pollution. Based on these results, a kinetic chemical model was built, and integrated in an ideal stirred tank reactor model. These simulators reproduce the concentrations observed in water at the end of the closed reactors tests and during the leaching columns experiments. We proposed a scenario for explaining the evolution of water chemical content in contact of LIB rocks. Finally, on this basis, a numerical simulator was built in order to reproduce the evolution of the quality of water at the overflow point of the southern sector of the LIB, abandoned since 1995.Depuis une vingtaine d'années, l'abandon des mines de fer lorraines a entraîné un ennoyage progressif des anciens travaux miniers avec pour conséquences sur l'eau souterraine : une modification des écoulements et une dégradation de la qualité de l'eau. Dans ce contexte, notre travail avait pour objectifs de caractériser l'évolution de la qualité de l'eau souterraine pendant et après l'ennoyage, d'en déterminer les causes et de fournir les bases d'un outil d'aide à la gestion de l'eau. A cet effet, une synthèse des connaissances concernant le drainage minier, et plus particulièrement les mécanismes chimiques qui en sont la cause, a été réalisée. Notre attention s'est ensuite portée sur le cas particulier du bassin ferrifère lorrain (BFL). Une étude expérimentale a été réalisée en laboratoire sur des échantillons prélevés en mine dans la partie nord du BFL. Elle comprend une étude minéralogique, des essais en réacteurs fermés, dont certains ont intégré un suivi de la composition des gaz, et des expériences de lessivage en colonne. Cette étude a permis de caractériser l'évolution de la qualité de l'eau lorsqu'elle est mise en contact avec les roches du BFL : nature de la pollution, durée et origine minéralogique probable. A partir de ces résultats, un modèle chimique cinétique a été construit, puis a été intégré dans un modèle de mélangeur parfait. Ces simulateurs reproduisent les concentrations observées dans l'eau à l'issue des essais en réacteurs fermés et au cours des expériences de lessivage en colonne. Un scénario expliquant l'évolution de la chimie de l'eau lors de sa mise en contact avec les roches du BFL a ainsi pu être proposé. Enfin, sur cette base, un simulateur a été construit et permet de reproduire l'évolution de la qualité de l'eau au point de débordement du secteur Sud du bassin ferrifère lorrain, dont l'ennoyage a débuté en 1995