Réhabilitation des sites aurifères en Guyane Française : Stabilisation et devenir du mercure et métalloïdes

Restoration of gold mines in French Guiana : stabilisation and fate of mercury and metal(oid)s

• Auteur / Autrice : Naomi Nitschke
• Direction : Stephane Guedron, David Amouroux, Jennifer Hellal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 11/06/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l’Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre
• Jury : Président / Présidente : Cécile Gautheron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Guedron, Cécile Quantin, Adrien Mestrot, Agnès Richaume, Laurie Boithias, David Amouroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Quantin, Adrien Mestrot

Mots clés

Mots clés libres

Mercure

Orpaillage

Réhabilitation

Gold mining

Mercury

Restoration

Résumé

L’exploitation aurifère est responsable de nombreux impacts environnementaux, notamment l’érosion des sols et l’export de métaux vers les hydrosystèmes environnants. Dans les écosystèmes amazoniens, cet impact est accentué en raison de fortes pluies ainsi que par les fonds géochimiques élevés de métaux comme le mercure (Hg) dans les sols qui sont remobilisés lors du procédé d’extraction. En outre, du Hg d’origine anthropique est utilisé par les orpailleurs illégaux pour l’amalgamation de l’or, et peut être relâché dans l’environnement. Bien qu’il existe des directives pour la réhabilitation des sites miniers, l’effet de cette réhabilitation sur la réduction de l’export des particules et des contaminants reste peu évalué. Ce travail vise à étudier les sites aurifères et leur réhabilitation dans un écosystème amazonien (Guyane française), en évaluant leur impact sur l’export et le devenir des métaux et métalloïdes, plus spécifiquement le Hg, le plomb (Pb) et l’arsenic (As). Pour ce faire, l’export des particules et des contaminants, ainsi que la distribution du Hg ont été étudiés à plusieurs échelles, de l’échelle du mètre carré à celle du territoire guyanais. À l’échelle du mètre carré, une forte réduction de l’export des particules a été observée quatre ans après la réhabilitation, accompagnée d’une diminution d’un facteur 200 de l’export des contaminants, liée à une colonisation spontanée par des plantes herbacées. Toutefois, l’activité microbiologique des sols n’a pas significativement augmenté durant cette période, possiblement en raison de l’épuisement des nutriments par la croissance des herbacées. À l’échelle du bassin versant, il a été démontré que la zone exploitée contribuait encore à hauteur de 100 à 300 kg.km⁻² d’apport de particules dans la rivière huit mois après la réhabilitation. Cela a entraîné un doublement de l’exportation des contaminants en aval par rapport à l’amont. L’origine des particules en suspension dans la rivière a été étudiée en couplant une décomposition hydrologique de deux crues à l’aide de traceurs géochimiques dans la fraction filtrée, avec des données multi-élémentaires et infrarouges sur les particules en suspension. Les résultats indiquent que l’érosion des berges et la remobilisation des sédiments du lit de la rivière seraient les principales sources de particules. La distribution du Hg dans différents compartiments a ensuite été évaluée sur deux sites miniers. La composition isotopique du Hg a révélé une contribution significative (de 3 à 82 %) de Hg anthropique dans les sédiments des bassins d’orpaillage illégaux, mais pas dans les sols exploités légalement. De plus, des concentrations élevées de Hg gazeux dissous ont été mesurées dans ces mêmes bassins, qui deviennent une source potentielle de Hg élémentaire pour l’atmosphère. Enfin, à l’échelle de la Guyane, la composition isotopique du Hg a été mesurée dans des sédiments d’archives répartis dans les principales rivières du territoire. Un modèle de mélange binaire a été construit pour distinguer le Hg anthropique utilisé par les orpailleurs du Hg géogénique naturel. La contribution du Hg anthropique dans les sédiments fluviaux reflète l’étendue géographique des activités d’orpaillage illégal en Guyane. Ce travail a permis de fournir, à la fois aux entreprises minières et aux organismes de régulation : i) des éléments de compréhension sur le devenir des sites réhabilités en matière d’export de particules et de contaminants, ii) des recommandations sur les points critiques nécessitant une attention particulière lors du processus de réhabilitation, et iii) des outils pour évaluer l’impact et la répartition de l’orpaillage légal et/ou illégal.

Gold mining is responsible for a combination of environmental impacts, including soil erosion and metal(loid) export to surrounding hydrosystems. In Amazonian ecosystems, this impact is exacerbated due to strong and frequent rainfall, and to elevated background concentrations of metals like mercury (Hg) in the soils which are remobilised during the extraction process. Additionally, anthropogenic Hg is used by illegal miners in artisanal and small-scale gold mining (ASGM) for gold amalgamation and can be released to the environment. Although there are guidelines for gold mine restoration, the impact of this restoration on the reduction of particle and metal(loid) export is not well assessed. This work aims to investigate gold mines and their restoration in an Amazonian ecosystem (French Guiana), focusing on their impact on metal(loid) export and fate, more specifically Hg, lead (Pb) and arsenic (As). To do so, particle and metal(loid) export, as well as Hg distribution, were investigated at several scales from the square-meter scale to the whole territory of French Guiana. At the square-meter scale, a strong reduction in particle export was observed 4 years after restoration, coupled to a 200-fold decrease in metal(loid) export resulting from the rapid spontaneous colonisation by herbaceous plants. However, the soil microbiological activity did not increase significantly in this timespan, possibly due to the depletion of nutrients by the herbaceous plant growth. At the scale of the gold mined watershed, the mining flat was shown to still contribute to an input of 100 300 kg.km-2 of particles to the river, 8 months after restoration. This led to a 2-fold increase in metal(loid) export downstream of the mining flat compared to upstream. The origin of suspended particles in the river was investigated by coupling the hydrological decomposition of two flood events using geochemical tracers in the filtered fraction, to multielemental and infra-red data of the suspended particles. The results point towards riverbank erosion and riverbed sediment remobilisation as the main source of particles to the river. However, the input of particulate total Hg (THg) appears to also originate from overland flow inducing topsoil erosion. Hg distribution was then assessed in different compartments on two mining sites. Hg isotopic composition showed a significant contribution (3 – 82 %) of anthropogenic Hg in illegal mining pond sediments, but not in legally mined soils. Additionnally, high dissolved gaseous mercury (DGM) concentrations were measured in these same ponds, making them a potential source of elemental Hg to the atmosphere through volatilisation. When comparing two mining sites, higher THg and methylmercury (MeHg) concentrations were observed in mining ponds where the illegal activity was more recent and more extensive. Finally, at the scale of French Guiana, Hg isotopic composition was measured in archive sediments distributed across the territory’s main rivers. A binary mixing model was constructed using literature data to distinguish between anthropogenic Hg used by miners and pristine geogenic Hg. The contribution of anthropogenic Hg in river sediments varied widely and reflected the geographical extent of ASGM activities in French Guiana. This work provides both mining companies and regulating agencies with i) insights on the fate of restored gold mines concerning particle and metal(loid) export, ii) recommendations on the critical points which need attention in the restoration process, and iii) tools to assess the impact and distribution of legal and/or illegal gold mining.