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Personne :
Gras, Antoine

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Gras

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Antoine

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Université Laval. Département de géologie et de génie géologique

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Isotopic evidence of passive mineral carbonation in mine wastes from the Dumont Nickel Project (Abitibi, Quebec)

2017-03-17, Beaudoin, Georges, Dupont, Pierre, Gras, Antoine, Bussière, Bruno, Lemieux, Jean-Michel, Plante, Benoît, Molson, John W. H.

Natural weathering of ultramafic rocks in mine tailings captures atmospheric CO2 through the formation of magnesium carbonates. The Dumont Nickel Project (DNP) is of particular interest as it will generate 1.7 Gt of ultramafic residues. A field experiment has been conducted at the DNP site in order to understand the process of natural CO2 sequestration. Two experimental cells were built using waste rock and mineral processing tailings and were instrumented with gas sampling ports and probes to monitor water saturation and suction. A decrease of the interstitial gas-phase CO2 concentration in both cells, from atmospheric values (∼390 ppmv) near the surface to ∼100 ppmv near the bottom, reflects active CO2 consumption by the residues. The total carbon content of the weathered DNP mine waste ranges from 0.2 wt% to 6.5 wt% C. Hydrotalcites supergroup minerals (pyroaurite-3R, brugnatellite, pyroaurite 2-H), aragonite, nesquehonite, dypingite and hydromagnesite were absent from the unweathered residues and precipitated in the cells during passive mineral carbonation. In situ measurements using Wavelength-Scanned Cavity Ring Down Spectroscopy reveal an increase of δ13C(air) from −8‰ near the surface of the cells to ∼2‰ near the bottom that is correlated with the decrease in CO2 concentration. This trend is explained by kinetic carbon isotope fractionation during dissolution of atmospheric CO2 in interstitial water (ΔDIC-CO2 = −11.2‰). Secondary carbonates, precipitated from the interstitial water, are characterized by a moderately high δ18O and low δ13C. These isotopic compositions of the carbonates are consistent with precipitation in an evaporative environment where the kinetic carbon fractionation during atmospheric CO2 dissolution produces interstitial water depleted in 13C. Moreover, isotopic compositions of hydrotalcite supergroup minerals and other carbonate minerals are consistent with modern precipitation from the weathering of mining residue. These observations demonstrate the atmospheric source for the sequestered CO2 and help constrain a conceptual model of the carbonation reaction in the residues.

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Séquestration du CO₂ associée aux phénomènes de minéralisation passive du carbone dans les résidus miniers du Projet Dumont Nickel (Abitibi-Témiscamingue, Québec, Canada)

2018, Gras, Antoine, Beaudoin, Georges, Plante, Benoît, Molson, John W. H.

L'implication des émissions de dioxyde de carbone (CO2) anthropiques dans les changements climatiques est aujourd'hui admise et des solutions émergent pour lutter contre l'accumulation de CO2. La minéralisation du carbone, qui permet de séquestrer le CO2 sous forme de carbonates, stables à l'échelle géologique, est une des options envisagées. Parmi les voies de minéralisation du carbone envisagées, la minéralisation passive des résidus miniers ultramafiques permettrait de compenser les émissions en CO2 d'une exploitation minière. Toutefois, les impacts sur la qualité des eaux de lixiviation et l'évolution de la capacité de séquestration en conditions naturelles, à moyenne et grande échelle, sont peu documentés. La compagnie RNC Minerals a pour objectif d'exploiter un gisement de nickel situé dans le Nord-Ouest de la province du Québec. L'exploitation du Projet Dumont Nickel (PDN) aboutirait à la production d'environ 1,7 Gt de résidus miniers ultramafiques. Les différents facteurs qui influencent la capacité de séquestration des résidus du PDN ont été étudiés en laboratoire, à des teneurs en CO2 variables. Dans cette étude, les processus de la minéralisation passive dans les résidus du PDN, sont décrits et la capacité de séquestration en CO2 atmosphérique est estimée à moyenne échelle, en conditions naturelles. Pour étudier les impacts de l'altération météorique des résidus miniers du PDN, deux cellules expérimentales ont été construites et instrumentées. La première EC-1, contient les résidus ultramafiques, qualifiés de stériles (Waste-rock) et la seconde EC-2 a été remplie avec les résidus d'usinage (Tailings). Les propriétés hydrogéologiques et la surface spécifique des résidus des deux cellules sont différentes alors que la minéralogie est similaire. Les résidus sont composés principalement d'antigorite, de lizardite, de chrysotile, de brucite, de magnetite et de chlorite. Entre 2011 et 2015, l'évolution de la concentration en CO2, de la minéralogie, et de la composition chimique des lixiviats ont été enregistrées. Le suivi des concentrations en CO2 permet d'observer une diminution de la concentration en CO2 de la surface (~390 ppmv) vers le fond des parcelles (~100 ppmv). Dans le même temps, la teneur en carbone dans les résidus altérés a augmenté et les analyses minéralogiques révèlent la présence de plusieurs carbonates de magnésium comme l'hydromagnésite. Ces données suggèrent que les résidus séquestrent du CO2 passivement. Dans les cellules expérimentales le CO2 peut provenir de 3 sources : (1) l'atmosphère, (2) la dégradation de la matière organique, et (3) la dissolution des carbonates. Les compositions isotopiques du CO2(g), et des carbonates néoformés ont été mesurées. Ces analyses ont permis de mettre en évidence que la dissolution du CO2(g) dans l'eau interstitielle limite la capacité de séquestration et que le CO2 atmosphérique est la source du CO2 séquestré. Malgré les différences entre les deux cellules expérimentales les même processus contrôlent la séquestration du CO2. Un modèle conceptuel de la réaction de minéralisation du carbone, comprenant l'évolution de la composition isotopique, est proposé. Les lixiviats, récoltés aux bas des cellules expérimentales entre mai et novembre depuis 2011 sont caractérisés par un pH alcalin (~9,5), une alcalinité élevée (~90 à ~750 mg/L) et une forte concentration en magnésium (~50 à ~750 mg/L). Cette composition est en accord avec l'altération des résidus ultramafiques en milieu ouvert au CO2. Depuis 2012, la composition chimique des lixiviats évolue en fonction des saisons. Ces variations saisonnières sont expliquées par : (1) les variations climatiques au cours d'une année et (2) l'augmentation de la précipitation de carbonate entre mai et juillet. La diminution saisonnière de l'alcalinité et de la concentration en magnésium, provoqué par l'augmentation de la précipitation de carbonates, induit une sous-saturation des minéraux carbonatés ce qui limite la capacité de séquestration en CO2. Un taux de séquestration en CO2 atmosphérique de 1,4 (+/- 0.3) kg CO2/tonne/an a été mesuré dans les résidus de concentrateur (EC-2). À l'échelle de l'exploitation minière, les résidus de concentrateur permettraient la séquestration de 21 kt de CO2 atmosphérique par an ce qui correspond à un quart des émissions annuelles de la future mine. Le modèle MIN3P, qui permet de simuler le transport réactif multi composants et multiphasiques dans un milieu poreux insaturé, a été utilisé pour simuler en 1D la réaction de minéralisation au centre de la cellule EC-2. L'ensemble des données récoltées a été utilisé pour calibrer le modèle. Toutefois, aucune des simulations n’a permis de reproduire l'évolution de la géochimie des lixiviats et la concentration en CO2 observés. Plusieurs simplifications du modèle conceptuel pourraient expliquer les différences avec les données observées.

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Atmospheric carbon sequestration in ultramafic mining residues and impacts on leachate water chemistry at the Dumont Nickel Project, Quebec, Canada

2020-05-11, Beaudoin, Georges, Gras, Antoine, Plante, Benoît, Molson, John W. H.

Passive carbon mineralization in ultramafic mining residues, which allows the sequestration of CO2 through carbonate precipitation, is one of the options being considered to limit the accumulation of anthropogenic CO2 in the atmosphere. The Dumont Nickel Project (DNP) will generate approximately 1.7 Gt of utramafic mining residues over 33 years of production and the mine will release about 127,700 tonnes of CO2 each year. Using two experimental cells filled with ultramafic waste rock (EC-1) and milling residues (EC-2), the impacts of carbon mineralization on leachate water quality were studied and the quantity of sequestered carbon was estimated.Hydrotalcite supergroup minerals, aragonite, artinite, nesquehonite, dypingite and hydromagnesite precipitated through atmospheric weathering, while the inorganic carbon content of the weathered mining waste increased from 0.1 wt% to 4.0 wt% which indicate active CO2 sequestration. The leachate water, sampled at the bottom of the experimental cells, is characterized by an alkaline pH (~9.5), a high alkalinity (~90 to ~750 mg/L) and a high concentration of magnesium (~50 - ~750 mg/L), which is typical from weathering of ultramafic rocks in a system open to CO2. Since 2012, the chemical composition of the leachate water has evolved seasonally. These seasonal variations are best explained by: (1) climatic variations over the year and, (2) increased carbonate precipitation between May and July. Increased carbonate precipitation decreased the alkalinity and magnesium concentrations in the leachate water and produced pore waters which were undersaturated with respect to carbonate minerals such as artinite and hydromagnesite. *Revised manuscript with no changes marked Click here to view linked References Carbonate precipitation thus self-limits carbon sequestration through a negative feed-back loop. The carbon sequestration potential of the DNP residues is also influenced by the hydrogeological properties of the residues. In cell EC-2, a high liquid/solid ratio, which limits carbonate precipitation, was maintained by the hydrogeological properties. Since 2011, an estimate of 13 kg of atmospheric CO2 has been sequestered in the milling residues (EC-2), which corresponds to a mean rate of 1.4 (+/- 0.3) kgCO2/tonne/year. Using this mean rate, the 15 Mt of tailings produced each year, during the planned 33 years of mining operation, could potentially sequester 21,000 tonne of CO2 per year by passive carbon mineralization, about 16% of the 127,700 tonnes of CO2 annually emitted by the planned mining operation.