caractrisation du comportement hydrogologique et gochimique des ...

CARACTÉRISATION DU COMPORTEMENT HYDROGÉOLOGIQUEET GÉOCHIMIQUE DES HALDES À STÉRILESMichel Aubertin 1 , Omar Fala 1 , John Molson 1,4 , Michel Chouteau 1 ,Olivier Anterrieu 1 , Maria Aurora Hernandez 1 , Robert P. Chapuis 1 ,Bruno Bussière 2 , Belkacem Lahmira 3 , René Lefebvre 31 École Polytechnique de Montréal,2 Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue,3 INRS- ETE, 4 Université Laval (depuis septembre 2008)RésuméLes activités minières peuvent produire de grandes quantités de roches stériles, qui sonttypiquement entreposées en surface dans des haldes. La structure interne de tels empilementsconstruits sur un terrain relativement plat comprend généralement deux zones principales. Aucœur de la halde, on retrouve une zone formée de stratifications subhorizontales, avec descouches denses et lâches, découlant du passage des équipements lourds qui brisent etcompactent les stériles. Près des flancs, aux endroits où les roches stériles ont été déversées encrête, on observe une zone de ségrégation des particules le long de la pente, avec lesmatériaux les plus grossiers au bas du talus et les particules plus fines au sommet. Cegranoclassement dépend de la séquence de mise en place, des équipements utilisés, de lahauteur des bancs, et de la distribution granulométrique des stériles. On observe aussi danscette zone périphérique une certaine stratification inclinée due à l’avancement latéral du frontde déposition. Ces éléments de la structure interne influencent la distribution et le mouvementde l’eau et de l’air dans les haldes à stériles. Pour évaluer ces caractéristiques, les étudesrécentes montrent que l’on devrait utiliser une combinaison de techniques complémentairesqui fournissent des informations sur les propriétés hydrogéologiques et géochimiques desroches stériles. A cet égard, certaines techniques géophysiques sont particulièrementintéressantes car elles fournissent une cartographie tridimensionnelle de la variation despropriétés. Les informations obtenues des diverses techniques d’investigation, utiliséesconjointement, peuvent alors être employées afin de construire un modèle numérique- 1 -

eprésentatif de la halde permettant de simuler les écoulements non saturés de l’eau, lemouvement des gaz et le transport réactif des contaminants. De telles simulations aident àmieux comprendre la réponse de la halde dans son état actuel et futur, ce qui fournit desarguments pour ajuster la séquence de déposition, pour élaborer le plan de fermeture et poursélectionner la stratégie d’instrumentation et de suivi de l’empilement. Plusieurs de cesaspects sont abordés dans cet article, où l’on présente des exemples tirés d’études récentes surune halde à stériles.AbstractMining activities can produce large volumes of waste rock, which are typically deposited inpiles on the soil surface. The internal structure of a pile constructed on a relatively flat surfacetypically includes two main zones. The core of the pile comprises sub-horizontalstratification, with dense and loose layers, due to the heavy equipment traffic that produceslocal breakage and compaction of waste rocks. The second zone lies near the outer edge of thepile where waste rocks are deposited by push- or end-dumping on the external flanks, causingsegregation of the particles. The size distribution along the slope then depends on thedeposition sequence, equipment used, grain size curve of the waste rock, and bench height.The peripheral construction of the pile also causes inclined stratification. These internalfeatures affect the distribution and flow of water and air in the pile. To assess the internaldistribution of material properties within a waste rock pile, a combination of several tools isusually required to provide information on the hydrogeological and geochemicalcharacteristics of the waste rock. In this regard, geophysical tools can be quite convenientbecause they can be used to generate three-dimensional maps of property variations. Theinformation gathered from a combination of appropriately selected techniques can then beused to construct representative numerical models to investigate unsaturated water flow, gasmigration, and reactive transport. Such simulations help better understand the pile response inits actual and future states, which in turn provides insight to adjust the deposition sequence, toplan for closure, and to select a monitoring strategy. Many of these aspects are addressed inthe article, which presents examples taken from an actual pile investigation.- 2 -

INTRODUCTIONL’exploitation d’une mine génère des roches stériles en quantité variable selon la méthoded’exploitation utilisée. La proportion de stériles extraite du sous sol pour atteindre la zoneminéralisée représente typiquement entre 5 et 15 % du volume de la roche extraite dans lesmines souterraines, alors que cette proportion peut atteindre 60% (et plus) dans le cas desmines à ciel ouvert. Il n’est donc pas surprenant que certaines haldes à stériles puissentatteindre des dimensions considérables, tant en hauteur (plus de cent mètres) qu’en superficie(plusieurs dizaines d’hectares).Les empilements de roches stériles que l’on retrouve sur les sites d’exploitations minières enroches dures sont essentiellement formés de matériaux pulvérulents à granulométrie trèsétalée. En général, la technique choisie pour la construction d’une halde est surtout dictée pardes considérations pratiques et économiques. Les techniques usuelles de déposition sontsouvent propices à la production d’eaux contaminées lorsqu’il y a présence de minérauxréactifs (Aubertin et al., 2002a; Fala et al., 2003, 2006; Molson et al., 2005b, 2008a; Williamset al., 2008). Les méthodes de construction les plus courantes impliquent une mise en place, àla benne ou au butoir, sur le sommet de l’empilement et en crête où ils sont déversés (« enddumping») ou poussés (« push-dumping ») vers la pente extérieure (Morin et al., 1991; Fala,2002; Aubertin et al., 2002b). De telles méthodes de construction favorisent la ségrégationgranulométrique des roches stériles le long de la pente, avec les particules plus grosses qui sedéplacent plus loin vers le bas (Nichols, 1987; Shinohara, 2006). Il se forme alors ungranoclassement du bas vers le haut selon une taille décroissante des grains. La périphérie deshaldes comporte aussi des stratifications inclinées, en raison de l’accroissement latéral de leurdimension (Wilson et al., 2000; Anterrieu, 2006). De plus, le passage répété de la machinerielourde engendre la création des couches de matériaux densifiés au cœur de la halde, quialternent avec des couches de matériau plus lâche (e.g. Aubertin et al., 2002a, 2005; Martin,2003; Martin et al., 2005). La figure 1 illustre schématiquement la structure interne d’unehalde ainsi construite sur un terrain plat. On y observe deux zones principales, soient le cœurde l’empilement formé de couches subhorizontales causées par le passage des équipementslourds, et la zone périphérique dominée par l’effet du granoclassement et par les stratificationsinclinées suite au déversement sur la pente. Ces éléments de la structure interne, qui sedéveloppent durant la mise en place, affectent grandement l’accumulation et l’écoulement del’eau et des gaz dans la halde, ainsi que la production des contaminants. Les attributsparticuliers de la structure interne dépendent des équipements utilisés pour la mise en placeainsi que des caractéristiques du site et des matériaux, qui peuvent évoluer durant la périodede construction et au-delà.Le comportement environnemental d’une halde à stériles dépend aussi de la compositionminéralogique des matériaux qu’on y retrouve. La présence de minéraux réactifs peut parexemple produire des eaux de drainage minier acides, DMA (Lefebvre et al., 2001a,b;Ritchie, 2003; Sracek et al., 2004, 2006) ou des eaux de drainage neutres contaminées, DNC(Stantec, 2004; Bussière et al., 2005; voir aussi Bussière et al., 2008 - ce Symposium). Ceseaux de lixiviation peuvent avoir des impacts environnementaux significatifs et ellesnécessitent donc l’adoption de mesures de contrôle appropriées. Les mesures communémentappliquées consistent à récupérer les eaux de drainage, et à les traiter avant leur réutilisationou leur retour à l’écosystème naturel. Même si cela est encore peu fréquent, il est aussipossible d’agir en amont en planifiant la construction de façon à prévenir la contamination deseaux, notamment en limitant la percolation dans la halde et en favorisant l’écoulement dulixiviat vers les zones moins propices au transport des contaminants (Aubertin et al., 2002a,b,- 3 -

2005; Fala, 2002; Fala et al., 2003, 2005, 2006; Wels et al., 2003; Williams et Rohde, 2007).La halde peut ainsi être conçue et construite afin de réduire les risques environnementauxdurant l’opération et à la fermeture. Ceci nécessite toutefois une planification détaillée de laséquence de construction, ce qui requiert une bonne connaissance des caractéristiques desroches stériles elles-mêmes (d’un point de vue hydrogéologique, géotechnique etgéochimique), et le contrôle de la déposition selon un schéma optimal en termes delocalisation et de configuration. Il n’est toutefois pas simple de bien caractériser ces matériauxpour les conditions en place, compte tenu de leurs particularités qui incluent unegranulométrie variable et très étalée, une minéralogie souvent hétérogène, et une répartitionspatiale qui dépend fortement du mode déposition.FIGURE 1 : Représentation schématique des éléments de la structure interne d’une haldeconstruite sur un terrain plat, en deux bancs principaux; on y voit les couchessubhorizontales densifiées par la machinerie, et les plans inclinés avec ségrégationdes particules le long des pentes de déposition (Aubertin et al., 2002a, 2005)L’évaluation des échanges d’eau et de gaz à la surface et à l’intérieur de l’empilementreprésente un autre défi de taille. Le fait que la halde soit composée de matériaux hétérogèneset qu’elle comporte des éléments structuraux, tels ceux décrits plus haut, rend le travaild’analyse particulièrement complexe. Ajoutons à cela la nature même des écoulements qui seproduisent essentiellement en conditions non saturées (au dessus de la nappe phréatique), avecdes conductivités (hydrauliques et pneumatiques) qui dépendent de façon non linéaire de lasuccion (pression d’eau négative) ou de la teneur en eau locale du milieu. En outre, on doitaussi tenir compte du fait que les caractéristiques des matériaux peuvent évoluer dans letemps à l’échelle locale (par la migration des particules fines par exemple) et régionale (enraison des réactions physico-chimiques et des tassements dans la halde). La nature même deces empilements peut de plus mener à des conditions particulières d’écoulement, incluantl’apparition d’effets de barrières capillaires entre les couches et la formation d’écoulementspréférentiels localisés (Fala, 2002, 2008; Fala et al., 2002, 2003, 2005; Orr, 2002; Lahmira,2009). De tels phénomènes peuvent avoir une grande influence sur le mouvement de l’eau etsur la qualité du lixiviat formé par l’écoulement dans la halde et à sa périphérie. Les réactions- 4 -

physico-chimiques qui se produisent dans une halde sont d’ailleurs très complexes à analyser(et à prédire) en raison des divers processus impliquées (Lefebvre, 1994; Lefebvre et al.,2001a,b; Molson et al., 2005a, 2008a; Sracek et al., 2004, 2006; Lahmira et al., 2007; Fala etal., 2006, 2008; Lahmira, 2009). Ces phénomènes dépendent aussi des conditions climatiquesqui prévalent sur le site.Il y a donc plusieurs aspects qui influencent la réponse environnementale d’une halde soumiseaux conditions naturelles d’exposition. Pour une halde existante, l’analyse du comportementdemande une approche multidisciplinaire impliquant la caractérisation des matériaux (enlaboratoire et sur le terrain), une détermination des propriétés à grande échelle qui tiennecompte des éléments de la structure interne, et la mise en commun de ces informations afin deconstruire un modèle conceptuel représentatif pouvant servir à l’élaboration d’un modèlenumérique pour les études plus détaillées. Ce modèle peut alors être utilisé afin d’évaluer lecomportement du système pour diverses conditions frontières représentatives du cas étudié, etaussi pour divers scénarios alternatifs qui peuvent être envisagés afin de corriger certainsproblèmes existants et pour aider à la fermeture sécuritaire du site. Dans la suite, nousabordons sommairement ces divers aspects, en insistant sur quelques travaux récents qui ontété menés par les auteurs. Des informations complémentaires peuvent être trouvées dans lesréférences citées. Une mise en situation plus complète sur la problématique visée a étéprésentée dans des articles antérieurs préparés pour ce même symposium (Aubertin et al.,2002a, 2005; Chouteau et al., 2005)CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUXLes nombreux travaux menés depuis une vingtaine d’années, en laboratoire et sur le terrain,ont permis de développer des techniques de caractérisation des roches stériles et des haldeselles-mêmes (voir les synthèses présentées par Lefebvre, 1994 ; Barbour et al., 2001; Fala,2002, 2008; Nichol, 2002 ; Hernandez, 2007; Rohde, 2008). Nous présentons icisuccinctement l’exemple d’une approche développée et utilisée pour la caractérisation desmatériaux granulaires à granulométrie très étalée, incluant les roches stériles. A noter quel’emphase de cette section est mise sur les volets hydrogéologique et géophysique; lestechniques de caractérisation géochimique sont abordées ailleurs (Pépin et al., 2008; Bussièreet al. 2008, ce Symposium).Méthodes de laboratoireUn des progrès importants des dernières années concerne les méthodes de laboratoire quipermettent de caractériser les conditions d’écoulement de l’eau dans les roches stériles etautres matériaux analogues (Li, 2000; Gamache-Rochette, 2004; Milczarek et al., 2006; Al-Yahyai et al., 2006; Hernandez, 2007; Feghali, 2007; Gaillot, 2007; voir aussi articles inclusdans Fourie, 2008). Ces méthodes sont généralement adaptées de celles utilisées engéotechnique et en hydrogéologie pour la caractérisation des sols (Bédard, 2003; Mbonimpaet al., 2004; Chapuis et al., 2007). Les roches stériles présentent toutefois des particularitésqui rendent la détermination de leurs propriétés assez complexe, notamment parce que cesmatériaux sont formés de particules dont la taille varie sur plusieurs ordres de grandeur, dequelques microns jusqu’à des blocs de taille métrique (e.g. Eriksson et Destouni, 1997;Barbour et al., 2001). En général, cela signifie que l’on ne peut pas tester la totalité dumatériau puisque seule une partie (de granulométrie tronquée) peut être prélevée et soumise à- 5 -

des mesures de laboratoire. A cet égard, il faut donc combiner les résultats d’essais avec destechniques qui permettent d’extrapoler les résultats pour les conditions réelles de terrain (e.g.Vereecken et al., 2007; Koffi et al., 2008). Dans plusieurs cas, on doit aussi compléter lacaractérisation par des mesures in situ à plus grande échelle (e.g. Fala, 2002, 2008; Gamache-Rochette, 2004).La figure 2 montre l’exemple d’une colonne utilisée pour déterminer la conductivitéhydraulique saturée (k sat ) et la courbe de rétention d’eau (CRE) en drainage de sols graveleuxet de roches stériles; le détail des procédures d’essais sont donnés dans Hernandez (2007), etGaillot (2007). Les essais dans les colonnes instrumentées ont permis de déterminer lespropriétés de divers mélanges de sols granulaires (sables et graviers) et de roches stériles àgranulométrie contrôlée (tronquée à une fraction prédéterminée). On peut aussi obtenir desinformations sur la dispersion de l’écoulement en menant des essais de traceur en colonnesaturée. Dans le cas de la CRE, la détermination complète peut demander aussi des essais àsuccion contrôlée afin d’atteindre la condition résiduelle, qui ne peut pas aisément êtreobtenue lors d’essais de durée limitée dans les grandes colonnes.a ina outh0.82 cmATuyau de sortie (appliquéau0.29 cmFIGURE 2 : Montage utilisé pour réaliser un essai de conductivité hydraulique à chargevariable dans une colonne instrumentée (avec mesures de succion et de teneur en eau);ces colonnes servent aussi à obtenir la courbe de rétention d’eau en drainage(Hernandez, 2007).Les résultats obtenus ici des essais en colonnes sont systématiquement comparés aux valeursprédites de k sat , obtenues selon les modèles KCM de Mbonimpa et al. (2002) et KC deChapuis et Aubertin (2003), et de la CRE calculée selon le modèle MK de Aubertin et al.- 6 -

(2003). A titre d’exemple, le tableau 1 montre les valeurs de k sat mesurées (à chargesconstante ou variable et la moyenne entre les deux) et les valeurs obtenues avec les modèlesKC et KCM (qui utilisent la courbe granulométrique et la porosité pour estimer k sat ).TABLEAU 1: Valeurs de k sat obtenues en laboratoire et prédites selon les modèles KC etKCM (essais sur des stériles de mine Laronde; tirés de Hernandez, 2007). La taillemaximale des particules (en mm) est identifiée par le chiffre de droite dans la premièrecolonne (p.ex. LARON-56 contient des particules jusqu’à 56 mm de diamètre)Identification dusolk satvariable(cm/sec)k satconstante(cm/sec)k satmoyenne*(cm/sec)k satKC(cm/sec)k satKCM(cm/sec)LARON-ORG -- -- -- -- --LARON-5 6.16E-05 -- 6.16E-05 4.14E-04 5.85E-05LARON-56 4.05E-04 1.90E-03 1.15E-03 3.55E-04 1.64E-03LARON-28 2.17E-02 2.82E-01 1.52E-01 3.01E-03 1.78E-02LARON-20 1.73E-04 3.09E-02 1.55E-02 2.00E-03 1.00E-02moyenne variable constantemoyenne variable constanteksat prédite KC (cm/s) .1.E+001.E-011.E-021.E-031.E-041.E-05LARON-5LARON-20LARON-56LARON-28ksat prédite KCM (cm/s) .1.E+001.E-011.E-021.E-031.E-041.E-05LARON-28LARON-20LARON-56LARON-51.E-051.E-041.E-031.E-021.E-01k sat mesurée (cm/s)1.E+001.E-051.E-041.E-031.E-021.E-01k sat mesurée (cm/s)1.E+00FIGURE 3: Valeurs de k sat prédites par le modèle KC (à gauche) et par le modèle KCM (àdroite) en relation avec la valeur de k sat mesurée (charges constante et variable) pour desessais sur la roche stérile de mine Laronde (Hernandez, 2007).La figure 3 montre les relations obtenues entre la conductivité hydraulique mesurée (à chargeconstante et à charge variable) et la valeur de la conductivité hydraulique prédite par lesmodèles KC et KCM. Ces essais ont été effectués sur 4 matériaux : LARON-5, LARON-20,LARON-28, LARON-58 (le chiffre indique la taille maximale des particules – en mm – pourla granulométrie tronquée). Les points définis par un triangle représentent les essais à chargeconstante, le carré correspond aux essais à charge variable et les losanges représentent lamoyenne entre les deux. La couleur rose représente les valeurs de LARON-28, la couleurverte représente LARON-20, le violet LARON-56 et le bleu LARON-5. La valeur mesuréeest usuellement à moins d’un ordre de grandeur de celle calculée selon les modèles KC etKCM. Certains résultats expérimentaux sont toutefois à plus d’un ordre de grandeur dedifférence des valeurs obtenues de ces modèles.- 7 -

Les CRE obtenues sur ces matériaux ont également été comparées avec les courbes préditespar le modèle KCM (non montré ici). Les succès obtenus sont là aussi relativement mitigés.Plusieurs essais en colonne ont été réalisés au cours des dernières années sur diverses rochesstériles et sur des matériaux analogues. Il faut ici noter que ces essais de laboratoire sontsouvent difficiles à réaliser, notamment à cause du très grand étalement de la taille des grains.Les résultats ont notamment confirmé que les roches stériles ont souvent une granulométriequi les rend susceptibles à l’instabilité des particules fines, qui peuvent alors migrer dans lamatrice. Ceci fait en sorte que les caractéristiques hydriques évoluent durant les essais; parexemple, on a observé une augmentation de la valeur de k sat par un facteur de 5 sur unmatériau donné, suite à un essai de perméabilité avec application prolongée du gradienthydraulique. La migration des particules fines tend à modifier localement la surfacespécifique et la porosité, ce qui peut parfois créer des chemins d’écoulement préférentiel(même à l’échelle du laboratoire). La détermination et la prédiction des propriétés hydriquesdevraient tenir compte de ce phénomène. Dans certains cas, cela signifie que la conductivitéhydraulique sera dominée par les écoulements dans les macropores ainsi formés, du moins àun degré de saturation élevé; lorsque le degré de saturation diminue (pour une pression d’eaunégative plus grande), ces macropores se vident rapidement et ne contribuent plus àl’écoulement. La distribution et le mouvement de l’eau est alors contrôlé entièrement par leszones où la rétention d’eau est plus marquée. Le matériau développe ainsi une structure àdouble-porosité (et double-conductivité). La représentation des fonctions hydriques doit tenircompte de cette particularité; diverses approches ont été proposées à cet effet au cours desdernières années (e.g. Larsbo et al., 2005; Schaap et van Genuchten, 2006; Jarvis, 2007;Podgorney et Farley, 2008; Akay et al., 2008) et elles sont actuellement étudiées afind’évaluer leur pertinence pour le cas des stériles. De plus, comme on ne peut tester qu’unepartie du matériau (sans les particules les plus grossières), on doit développer une méthodeafin de corriger les valeurs de laboratoire pour le cas du stérile dans son ensemble sur leterrain. A cet égard, les théories sur les mélanges pourraient s’avérer prometteuses (Koffi etal., 2008; Chapuis et Aubertin, 2008).Les travaux en ce sens se poursuivent, et il est permis d’espérer que des l’on aura développédans un avenir rapproché une méthode systématique pour obtenir les propriétés hydriques desmatériaux qui soient représentatives des roches stériles à diverses échelles.Caractérisation sur le terrainPlusieurs études ont été menées au cours des dernières années afin de caractériser lespropriétés des stériles et les écoulements dans les empilements (e.g. Orr, 2002; Nichol et al.,2005; Lizama et al., 2005; Stockwell et al., 2006; Azam et al., 2007; Gallegos et al., 2007;aussi Blowes et al., 2008 - ce Symposium ; voir aussi divers articles dans Hustrulid, 2000 etdans Fourie, 2008). En plus des travaux de laboratoire décrits plus haut, les auteurs (etcollaborateurs) ont aussi mené des travaux de terrain visant à caractériser les propriétés desstériles dans des haldes, à partir d’essais hydrogéologique à petite et à grande échelle (Fala,2002, 2008; Martin, 2003; Gamache-Rochette, 2004; Aubertin et al., 2005; Decharte, 2007) etavec des méthodes géophysiques (Chouteau et al., 2005).Plusieurs de ces mesures in situ ont été réalisées sur la halde à stériles de la mine Laronde(Agnico-Eagle) en Abitibi. Les résultats obtenus sur cette halde, d’une hauteur d’environ 25m, ont permis de démontrer que certaines techniques géophysiques ont un grand potentiel- 8 -

pour aider à définir la structure interne des haldes stériles. Chouteau et al. (2005) et Anterrieu(2006) ont décrit les principales méthodes d’intérêt (et leur principe d’interprétation), soit lestechniques basées sur la mesure de la résistivité électrique (méthode d’imagerie desrésistivités électriques), de la conductivité électrique (méthode électromagnétique à faibleparamètre d’induction) et de la constante diélectrique (méthode géoradar). Ces techniques ontété adaptées au cas des haldes à stériles suite à une série de mesures préliminaires menéesentre 2002 et 2005 à une échelle réduite, sur une petite superficie (20 m x 30 m), sur le dessusde la halde de mine Laronde (Poisson et al., 2008). Par la suite, la caractérisation a été étendueà l’ensemble de surface de la halde. On a aussi mené une campagne de mesures dans desforages afin de déterminer la structure sur toute la hauteur. Les mesures et les résultatsdétaillés de ces mesures ont été présentés par Chouteau et al. (2005), Anterrieu, (2006),Gloagen et al. (2007) et Anterrieu et al. (2007, 2008). On présente ici certains des résultatsobtenus à grande échelle sur le dessus de la halde et sur le flanc sud du banc supérieur.NorthboreholeInfiltration testGeophysical test siteSlope profileFIGURE 4: Schéma de la halde caractérisée par méthodes géophysiques. On montre la zone testéeinitialement (rectangle 20 m x 30 m) qui a servi à la calibration des méthodes. On voit aussi les 4grandes lignes de mesures sur le dessus, et 8 lignes transversales. On indique également l’endroitdes mesures sur la pente sud du banc supérieur, les trous de forage, et les endroits où ont été menésles essais d’infiltration (Anterrieu et al., 2007, 2008).Quatre sections de mesures de la résistivité ont été réalisées sur la surface de la halde à lamine Laronde. La localisation est montrée sur la figure 4 et les principaux résultats sontprésentés sur la figure 5. La profondeur d’investigation est ici de l’ordre de 12 m pour cesprofils longitudinaux. Des profils transversaux (au nombre de 8) ont aussi été obtenus lors decette campagne (résultats non présentés ici) ; ces résultats ont permis de confirmer ceuxmontrés à la figure 5. Cette figure montre qu’il y a une forte variation de la résistivité entrel’est et l’ouest de la halde. Dans la partie ouest du banc supérieur, la résistivité esttypiquement supérieure à 300 Ω.m alors qu’elle est plus petite que 50 Ω.m dans la partie est.- 9 -

On remarque aussi sur les profils longitudinaux au nord (au haut à droite de la figure 5) uneanomalie superficielle (résistivité > 300 Ω.m); cette anomalie correspond à de petits tas deroches stériles déposés en surface à l’état lâche.FIGURE 5 : Sections de mesure de résistivité (obtenues d’une inversion en 2D) pour les 4lignes est-ouest; la profondeur maximale d’exploration est de l’ordre de 12 m (Anterrieu,2006).Des tranchées d’environ 3 m de profondeur ont aussi été excavées sur le dessus de la haldeafin de prélever des échantillons (soumis à des analyses de labo), pour réaliser desobservations visuelles, pour déterminer certaines propriétés en place (poids unitaire, teneur eneau, minéralogie), et aussi pour réaliser quelques mesures géophysiques complémentairessous la surface. Ceci a permis d’établir certains liens entre les mesures géophysiques, lesmesures hydrogéologiques, et les propriétés des matériaux. Ces résultats ont notammentmontré que le changement des propriétés géophysiques d’est en ouest pouvait être relié à desdifférences au niveau des matériaux qui sont généralement plus fins, plus denses et plusréactifs vers l’est (Anterrieu, 2006).Des mesures de profils de résistivité ont également été réalisées sur le flanc sud du bancsupérieur de la halde. Les principaux résultats sont montrés à la figure 6. On constate ici quela résistivité décroit de la crête (< 50 Ω.m) vers la base (> 300 Ω.m) de l’empilement. Cecipeut être relié au granoclassement précité, qui fait en sorte que les particules grossières sontplus abondantes dans le bas. Ceci engendre en retour une capacité de drainage plus marquéeau pied de la pente, et une capacité de rétention d’eau plus grande dans le haut Ces profilstendent donc à valider le modèle conceptuel de départ (présenté à la figure 1).Enfin, des mesures en forage, réalisées dans la partie ouest de la halde, ont montré que celle-cicomporte des strates de résistivité variable sur pratiquement toute la hauteur (Gloagen et al.,2007); à nouveau, ces résultats sont conformes au modèle conceptuel.- 10 -

FIGURE 6 : Trois profils de résistivité obtenus le long de la pente du banc supérieur de lahalde de mine Laronde; la résistivité tend à décroitre en remontant la pente (Anterrieu,2006; Anterrieu et al., 2008).Ces diverses mesures ont ensuite permis d’élaborer un modèle général qui représente lesétapes de construction de la halde, et les composantes principales qui forment la structureinterne (Anterrieu, 2006). Ces travaux ont aussi permis de démontrer le potentiel trèsintéressant offert par les méthodes géophysiques pour caractériser la structure interne à grandeéchelle des haldes à stériles. Ces travaux se poursuivent actuellement sur un autre site quiprésente des particularités très différentes. L’étude en cours permettra d’évaluer dans quellemesure les techniques présentées ici peuvent être utilisées sous d’autres conditions.SIMULATIONS NUMÉRIQUESDevant la taille et la complexité de la structure interne des haldes, et compte tenu de la naturemême comportement hydrogéologique et géochimique des roches stériles en conditions nonsaturées, l’analyse des écoulements de l’eau et du transport des contaminants doitgénéralement impliquer l’utilisation de méthodes numériques.Modélisation des écoulements de l’eauAu cours des dernières années, plusieurs études numériques ont été menées par les auteurs (etcollaborateurs) afin d’évaluer les mouvements de l’eau dans les haldes. Les principauxrésultats ont été résumés dans Aubertin et al. (2002a, 2005) ; des résultats plus détaillés ontété présentés dans Fala et al. (2003, 2005, 2006, 2008) et Martin et al. (2004, 2005). Certainsrésultats obtenus récemment sont présentés dans ce qui suit afin d’illustrer quelques élémentsparticuliers qui affectent le comportement des haldes.Les résultats présentés ici ont été obtenus avec le code d’éléments finis HYDRUS-2D(Simunek et al., 1999). Ce code utilise l’équation de Richards (1931) pour analyser lesécoulements :- 11 -

∂ ⎛⎜k∂x⎝( ) + k ( ψ )x( ψ )∂ψ⎞ ∂ ⎛ ∂ψ⎞ ∂ kz ∂θψ ⎟ ⎜ z ⎟ − = −(1)∂x⎠ ∂z⎝ ∂z⎠ ∂z∂toù ψ est la succion (charge L), θ est la teneur en eau volumique (-), t est le temps (T), k x et k z(L/T) sont les composantes horizontale et verticale de la conductivité hydraulique (quidépendent de la succion).Le cas analysé est celui d’une halde d’une hauteur de 20 m et d’une demi-largeur de 45 m; ilest librement inspiré du cas de mine Laronde. La taille du maillage (formé d’élémentstriangulaires) et les paramètres de convergence ont été ajustés afin d’assurer la stabiliténumérique des calculs (Fala, 2002 ; Fala et al., 2005). Le bilan de masse et la concordance desfonctions d’entrée et de sortie ont été vérifiés systématiquement (selon une approche décritedans Chapuis et al., 2001 et Fala, 2002). A la frontière supérieure du modèle, on applique desconditions basées sur une recharge correspondant aux données climatiques de la stationmétéorologique de Latulipe (Qc) mesurées entre 1981 et 2001.Les fonctions hydriques introduites dans le code sont celles d’un rejet sableux (appelé SBL).La CRE est lissée à l’aide de l’équation de van Genuchten (1980) (éq. 2). La fonction deperméabilité (éq. 3) est obtenue à partir de cette dernière et du modèle de Mualem (1976).θkeθ −θ⎡r1= =⎢θs − θr ⎢⎣1+ ( αψν )l1( θ ) =⎡1−( 1−mvek sθeθe)⎢⎣mnvv⎤⎥⎦mv⎤⎥ (2)⎥⎦2où θ e est le teneur en eau effective, θ s est la teneur en eau à saturation, θ r est la teneur en eaurésiduelle; les paramètres du matériau sont α v, m v , n v (avec m v = 1 – 1/n v ) ; k(θ e ) est laconductivité hydraulique qui dépend du degré de saturation; k s est la conductivité hydrauliquesaturée ; l’exposant l est lié à la connectivité des pores (on utilise l = 0.5). Le tableau 2 donneles valeurs des paramètres de ces fonctions pour le rejet SBL. Ces propriétés ont été choisiesen fonction d’études préalables réalisées en laboratoire et sur le terrain.TABLEAU 2 : Paramètres du modèle de van Genuchten (1980) utilisés dans HYDRUS2DMatériau θ r θ s α v (m -1 ) n v k s (m/s)SBL 0.01 0.29 3 3.72 5.1×10 -5(3)Plusieurs simulations ont été réalisées afin d’évaluer l’écoulement de l’eau dans la halde type.Les calculs ont été réalisés d’abord pour des propriétés déterministes uniformes (Fala et al.,2003, 2005, 2006), et ensuite pour des propriétés variables fixées selon une distributionstochastique (considérée comme plus représentative de la réalité; Fala, 2008).- 12 -

On montre ici l’exemple de l’analyse d’une halde dont les propriétés hydrogéologiques sontgénérées par un algorithme de variabilité spatiale (selon la méthode de Mejia et Rodriguez-Iturbe, 1974), qui est déjà inclus dans le code HYDRUS2D. On utilise alors des facteursd’échelle générés en 2D pour représenter la variabilité des paramètres des fonctions hydriquesselon des facteurs d’échelle pour la conductivité hydraulique ( αk), la succion ( αψ) et lateneur en eau volumique ( αθ). Ces facteurs d’échelle sont liés à la longueur de corrélation( 1 /αA[L], où αAreprésente le paramètre d’autocorrélation de la propriété A). La longueur decorrélation (obtenue du coefficient d’autocorrélation ρA) représente la distance l entre chaquepoint de mesure, selon la relation suivante (e.g. Freeze, 1980; El Kadi, 1986):ρ ( l)= exp( −αl)(4)AAL’équation 4 représente un modèle empirique relativement général qui est souvent utilisé pourla fonction d’autocorrélation de la distribution spatiale des propriétés des matériauxgéologiques (Smith and Freeze, 1979).Le cas illustré plus bas est tiré d’une série de simulations où les propriétés hydriques desstériles sont définies par le modèle de van Genuchten (1980). Les valeurs du tableau 2représentent les valeurs moyennes des propriétés utilisées (Fala, 2008). On applique un écarttypeà ces valeurs pour la conductivité hydraulique saturée σk(= 10), pour la succion σψ(=10) et pour la teneur en eau σθ(= 0.1) Dans le cas présenté ici, la forte corrélation est mixtesuivant une orientation oblique (tel qu’observée près de pentes – voir figure 1 ; e.g. Aubertinet al., 2005; Azam et al., 2007). Les longueurs de corrélation adoptées dans ce calcul sont :Pour k : Cor-x = 100 m (axe horizontal), Cor-z = 90 m (axe vertical).Pour ψ : Cor-x = 100 m, Cor-z = 90 m.Pour θ : Cor-x = 100 m, Cor-z = 90 m.La distribution des facteurs d’échelle pour cette simulation est montrée à la figure 7. Desrésultats sélectionnés sont montrés à la figure 8. Ces résultats, et d’autres présentés par Fala(2008) et Fala et al. (2008), montrent que la distribution de l’eau dans une halde n’est pasuniforme et qu’elle tend à suivre la distribution des propriétés hydriques. En ce sens, lesteneurs en eau sont fortement corrélées selon des axes inclinés lorsque les corrélations sontimposées selon cette direction (c’est également vrai pour des corrélations menant à desdistributions préférentielles des propriétés hydriques selon des axes horizontaux et verticaux).Contrairement au cas homogène (Fala et al., 2003, 2005), le front de mouillage d’une haldeavec des propriétés distribuées de façon stochastique n’est pas uniformément réparti.Typiquement, des écart-types plus élevés (appliqués aux propriétés hydriques) favorisent unmouvement plus marqué le long des trajectoires préférentielles. Le débit d’eau localisédevient alors plus important et il s’avance plus vite dans la halde.- 13 -

a)b)c)FIGURE 7 : Distribution des facteurs d’échelle dans la halde simulée pour la conductivitéhydraulique (a), la succion (b) et la teneur en eau volumique (c) (Fala, 2008)Des résultats de simulation allant dans le même sens ont aussi été présentés par Lahmira et al.(2007; voir aussi Lahmira, 2009). Les simulations réalisées par ces derniers, avec le codeTOUGH-AMD (e.g. Lefebvre, 1994; Lefebvre et al., 2001b), prennent en comptel’hétérogénéité des propriétés qui pourrait être causée par le mode de déposition des stériles.Le modèle introduit ainsi une anisotropie de perméabilité qui varie selon la position dans lahalde et qui engendre l’apparition de chemins d’écoulement préférentiel marqués. Il estintéressant de noter que les calculs menés avec TOUGH-AMD, qui analyse aussi lesécoulements gazeux, ont également mis en évidence la création de zones où la circulationpréférentielle de l’air par convection est très importante. Lahmira (2009) a aussi réalisé dessimulations portant spécifiquement sur le mouvement des gaz dans une halde (voir aussiLahmira et al., ICARD 2009, en préparation). Le résultat de ces calculs numériques montreque le mouvement de l’air dans une halde se fait majoritairement dans les zones où lesmatériaux sont plus grossiers, avec un degré de saturation plus faible (et donc uneconductivité pneumatique plus élevée). Lorsque les gradients de pression sont élevés (enraison de fluctuation de température et de densité de l’air extérieur, ou de changement de lapression barométrique), les calculs montrent que la vitesse des gaz peut devenir très élevéedans les zones les plus conductrices (de l’ordre du mètre par seconde). Si l’air qui circule a étéen contact avec des minéraux réactifs, il se vide d’oxygène moléculaire et il peut se charger deCO 2 . Ce type de situation peut alors engendrer des conditions très dangereuses, comme il a étéconstaté au site de la mine Sullivan de Teck Cominco, en Colombie-Britannique (où 4personnes sont décédées en mai 2006).- 14 -

a).b)FIGURE 8 : Contours de teneur en eau en fin d’année (a) et vitesse de l’eau (b) en cm/jour(Fala, 2008)Le mouvement des gaz et les fluctuations de température qui y sont associées, ont aussi faitl’objet d’études détaillées dans le cas de la mine Doyon (Lefebvre, 1994). Des résultatsrécents, obtenus par Lahmira (2009), montrent que la baisse progressive de température danscette halde pourrait être reliée à une évolution des propriétés de la roche stérile. L’oxydationdes minéraux réactifs combinée à la précipitation de minéraux secondaire aurait dans ce caspour effet de réduire la conductivité hydraulique (et pneumatique) et d’augmenter la capacitéde rétention d’eau. Ceci réduit le flux gazeux qui circule dans la halde, diminuant ainsi le tauxd’oxydation et la génération de chaleur. Les simulations réalisées par Lahmira (2009)montrent une bonne concordance entre la température mesurée et celle calculée avec despropriétés modifiées.Comme on peut le constater, les simulations numériques sur le transport de l’eau (et des gaz)permet de décrire et, dans certains cas, de mieux comprendre le comportement global d’unehalde et d’évaluer comment les propriétés des matériaux peuvent affecter la production d’unlixiviat potentiellement contaminé. Mais pour évaluer plus spécifiquement la qualité de l’eauqui percole au travers les stériles, il faut ajouter la composante géochimique aux analyseshydrogéologique de la halde. Cet aspect est abordé brièvement dans ce qui suit.- 15 -

Transport réactifDivers outils numériques ont été développés au cours des dernières années afin de pouvoirévaluer la qualité de l’eau sur les sites miniers (e.g. Mayer et al., 2002; Jurjovec et al., 2004;Linklater et al., 2005; Molson et al., 2005a, 2008b; Brookfield et al., 2006; Malmström et al.,2006). Les auteurs ont réalisés des calculs de ce type afin d’évaluer la production decontaminants (liés au DMA) dans les haldes (Molson et al., 2005b, 2008a). Le codedéveloppé à cet effet, POLYMIN (Molson et al., 2005a), permet d’analyser le transportréactif. Ce code traite plusieurs phénomènes couplés, incluant le mouvement de l’eau (enconditions saturées et non saturées lorsque lié avec le code HYDRUS), la diffusion del’oxygène, l’oxydation des sulfures, le transport des contaminants par advection et dispersion,ainsi que les réactions géochimiques d’équilibre (incluant la dissolution et la précipitation deminéraux secondaires).Un exemple de calcul est montré ici pour illustrer la nature des résultats obtenus. Le casprésenté s’inspire de celui simulé à la section précédente (figures 7 et 8). Il s’agit d’une haldeavec des propriétés distribuées de façon stochastique avec une orientation mixte, donnant unedirection oblique préférentielle. Ici, la variabilité des propriétés est appliquée à la taille desgrains, la teneur en sulfures, et les propriétés hydriques. Les distributions utilisées sontmontrées à la figure 9 (graphiques de gauche). Sur cette figure, on voit aussi (graphique degauche en bas) la vitesse de l’eau et (graphiques de droite) la distribution de l’oxygène, lesvaleurs de pH et les concentrations en sulfate et en fer après une période de 20 ans. Cesvaleurs sont largement influencées par la distribution des propriétés imposées et elles sont trèsdifférentes des cas où l’on impose des propriétés moyennes seulement. Ceci démontrel’importance de pouvoir prendre en compte le fait que les propriétés des matériaux dans unehalde ne sont pas homogènes ni isotropes. D’autres exemples de calculs sont présentés dansles références précitées; les travaux sur cet aspect se poursuivent.DISCUSSION ET CONCLUSIONLes résultats présentés plus haut, et ceux inclus dans les articles en référence, montrent quedes progrès importants ont été réalisés au cours des dernières années relativement àl’obtention des propriétés des roches stériles par des techniques de laboratoire et de terrain. Acet égard, la combinaison de mesures hydrogéologiques et géophysiques constitue uneapproche particulièrement intéressante car elle permet potentiellement de déterminer ladistribution tridimensionnelle des propriétés des matériaux en place, Une approcherelativement générale pour obtenir cette distribution a d’ailleurs été proposée récemment(Anterrieu, 2006), et elle est actuellement utilisée sur d’autres sites afin de la raffiner pour unemeilleure caractérisation des haldes existantes. Comme les éléments structuraux influencentgrandement le mouvement de l’eau, de l’air et des contaminants dans les haldes, lestechniques géophysiques apparaissent essentielles pour l’analyse du comportement des haldesdont la construction s’est faite (souvent avec peu de contrôle) par les méthodesconventionnelles. Néanmoins, malgré ces avancées significatives, quelques éléments doiventencore être étudiés pour mieux caractériser les haldes existantes. A cet égard, on doitnotamment poursuivre les travaux afin d’établir un lien plus étroit entre les propriétésgéophysiques (résistivité, conductivité, constante diélectrique, etc.) et les propriétés hydrogéotechniqueset géochimiques des matériaux dans une halde.- 16 -

FIGURE 9 : Distribution des propriétés des matériaux dans la halde (à gauche : taillemoyenne de grains, teneur en sulfures, teneur en eau), et résultats des simulations après 20ans (à gauche : vitesse d’écoulement; à droite : concentration en oxygène, pH de l’eau, etconcentrations en sulfate et en fer); résultats tirés de Molson et al., 2008).Parmi les aspects importants à considérer pour la caractérisation d’une halde existante, lesrésultats présentés plus haut montrent qu’il est essentiel de tenter d’identifier les zones où sedéveloppent les effets de barrière capillaire, qui ont tendance à favoriser l’accumulation d’eauet l’apparition d’écoulements localisés. Ces phénomènes peuvent se produire naturellementcomme résultat de la méthode de construction, mais ils peuvent aussi être induitsvolontairement lors de la construction de la halde, en contrôlant par exemple la position et laconfiguration (et les propriétés) des couches denses. Dans certains cas, ces effets de barrièrecapillaire peuvent permettre de dévier l’eau vers l’extérieur de la halde (Aubertin et al.,2002a ; Fala et al., 2003, 2005, 2006), aidant ainsi à mieux contrôler la qualité des eaux depercolation (Molson et al., 2005b).Ceci nous amène à insister sur le besoin de bien planifier la conception et la construction deshaldes, comme on le fait pour d’autres ouvrages servant à l’entreposage des rejets sur les sitesminiers. En ce sens, diverses propositions ont été mises de l’avant au fil des ans afind’améliorer les méthodes de construction des haldes, en y insérant par exemple des zones- 17 -

favorisant un drainage contrôlé (e.g. Eger et al., 1984 ; Phelps et al., 1985) et en réduisant lesinfiltrations profondes et l’accumulation d’eau au cœur des empilements (Fala 2002 ;Aubertin et al., 2002a ; Wels et al., 2003 ; Brett, 2007 ; Williams et al., 2008). Mais cesméthodes sont peu utilisées en pratique, et la construction des haldes demeure encoreaujourd’hui largement dictée par des considérations opérationnelles et financières, qui sontsurtout basées sur des analyses à court terme. À plus long terme, il est toutefois avantageux demieux planifier la construction des empilements pour minimiser les problèmes de natureshydro-géotechnique et géochimique pendant et après l’opération de la mine. Les outils demodélisation présentés plus haut peuvent d’ailleurs servir à étudier et à comparer diversscénarios afin d’en arriver à une conception optimale (Fala, 2008).Pour guider la conception des haldes, il est utile de rappeler sommairement certains principesgénéraux qui découlent des travaux précités.Rappelons d’abord qu’une mine souterraine qui produit des roches stériles réactives (pouvantgénérer du DMA ou du DNC) a tout intérêt à ne pas créer de halde permanente. Dans un telcas, il souvent préférable d’entreposer les stériles réactifs dans le parc à résidus miniers où ilspeuvent servir au renforcement des ouvrages et au drainage des rejets de concentrateur(Aubertin et al., 2002c). En retour, la teneur en eau élevée des résidus réduit les risquesd’oxydation des minéraux sulfureux, ce qui limite la production d’eaux contaminées pendantl’opération de la mine et à la fermeture. La quantité de roches stériles typiquement produitepar une mine souterraine est généralement compatible avec cette approche.Lorsque l’on doit procéder à la construction d’une halde (cas d’une mine à ciel ouvert parexemple), celle-ci devrait être soigneusement planifiée. Les minéraux réactifs devraient alorsêtre entreposés de façon à minimiser leur contact avec l’eau et l’oxygène. En se sens, ondevrait adopter des techniques qui réduisent la quantité d’eau qui y percole, en favorisant leruissellement et l’écoulement vers la périphérie des haldes (par une densification contrôlée etprofilage des surfaces par exemple). Le pourtour des halde devrait en retour être constitué dematériaux peu (ou pas) réactifs. Dans certains cas, on peut ceinturer les haldes par des rochesstériles ayant un pouvoir neutralisant, ou absorbant, ce qui engendre un effet bénéfique sur laqualité du lixiviat. Il peut aussi s’avérer utile de contrôler la taille des particules (partamisage) dans les zones critiques, et de limiter la ségrégation (en réduisant l’énergietransmise au déversement).On peut aussi utiliser les techniques de mélanges afin de créer des matériaux qui combinentles propriétés les plus avantageuses des roches stériles et des rejets de concentrateur (e.g.Wilson et al., 2003, 2006; Bussière, 2007; voir aussi Wilson et al., ce Symposium). Cesmélanges peuvent notamment servir pour limiter les infiltrations de l’eau et le mouvement desgaz dans les rejets. Une autre alternative consiste à placer les matériaux réactifs sous l’eau,dans les fosses ennoyées par exemple (e.g. Abdelghani et al., 2007).Durant la construction d’une halde, on devrait enregistrer la répartition spatiale des matériauxdéposés, à partir des informations fournies par la production, en notant la minéralogie et lespropriétés de base; le recueil de données devrait aussi inclure des photos (à diverses échelles)qui pourraient être utilisées afin de compléter l’identification et la caractérisation in situ (paranalyse d’image par exemple). Ces informations visent à construire un modèle structuralreprésentatif de la halde, qui tient compte de la répartition des caractéristiques (géologiques,géochimiques, hydro-géotechniques) des matériaux. Ce modèle peut ensuite servir à l’analysedétaillé des scénarios de déposition à long terme et pour la fermeture.- 18 -

Il faut par ailleurs suivre le comportement des haldes, à l’aide d’observations et d’uneinstrumentation appropriée. À cet égard, le travail se poursuit afin d’améliorer les instrumentsdisponibles pour le suivi hydro-géotechnique et géochimique. Des données représentativesdes conditions de terrain, en termes de distribution de l’humidité, de profils de température, etde la qualité du lixiviat, sont notamment requises afin de calibrer et de valider les modèlesnumériques, qui ont été développés au cours des dernières années, et qui peuvent être utiliséspour planifier les étapes subséquentes de construction et de restauration.Au niveau des travaux de restauration, il est utile de rappeler ici que les principales techniquesdéveloppées pour les parcs à résidus miniers ne sont généralement pas applicablesdirectement, de sorte qu’elles doivent être adaptées aux cas des haldes (e.g. Aubertin et al.,2006; Cifuentes et al., 2006).Il faut par ailleurs remarquer que peu de travaux ont été menés afin d’évaluer et de mieuxcontrôler les risques d’instabilité géotechnique des empilements (malgré les événementsmalheureux qui se sont produits au cours des dernières années sur quelques sites miniers). Ilest utile de rappeler que l’inclinaison de la pente des bancs d’une halde correspond à l’anglede déposition au repos de la roche stérile. Ceci fait en sorte que le facteur de sécurité local,face aux instabilités des pentes, est souvent très faible (proche de l’unité). Ceci laisse peu demarge de manœuvre lorsque les propriétés de matériaux changent, lorsque les conditionshydriques deviennent critiques (suite à la fonte des neige ou à des précipitations importantes)ou s’il y a accumulation d’eau (avec accroissement des pressions interstitielles) dans deszones localisées près des bordures externes. Afin de réduire les risques s’instabilité, il estsouhaitable de réduire la hauteur de bancs de déposition, et de favoriser une extension latéralede la halde. La présence de couches densifiées peut aussi être utilisée afin d’améliorer lefacteur de sécurité local et global de la halde.Malgré les défis qui subsistent, on peut se réjouir des progrès considérables qui ont étéréalisés depuis une vingtaine d’années relativement à notre compréhension du comportementdes haldes. Les résultats présentés ici, et dans les références citées, sont très encourageants.Mais l’enjeu est important, et il requiert la poursuite des travaux. Le succès ne sera obtenuqu’au prix d’efforts soutenus impliquant à la fois les opérateurs, les firmes spécialisées et lesorganisations qui développent la technologie.REMERCIEMENTSLes auteurs voudraient remercier le personnel de la mine Laronde d'Agnico-Eagle Ltd et lespartenaires de la Chaire industrielle CRSNG Polytechnique-UQAT en environnement etgestion des rejets miniers.- 19 -

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