Geothermal modeling of soil or mine tailings with concurrent freezing and deposition

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Abstract

A geothermal model is described that simulates simultaneous deposition, freezing, and thawing of mine tailings or sequentially placed layers of embankment soil. When layers of soil or mine tailings are placed during winter subfreezing conditions, frozen layers are formed in the soil profile that may persist with time. The following summer, warmer soil placement may not be sufficient to thaw out layers from the preceding winter. Remnant frozen soil layers may persist for many years or decades. The analysis is unique, as it involves a moving upper boundary and different surface snow cover functions applied in winter time. The model is calibrated based on two uranium mines in northern Saskatchewan. The Rabbit Lake scenario involves tailings growth to a height of 120 m over a period of 24 years. At Key Lake, tailings increase in height at a rate of 1.3 m/year. Good agreement between the observed position of frozen layers and those predicted by the model is obtained. Long-term predictions indicate that from 80 to 200 years would be required to thaw out the frozen layers formed during placement, assuming 1992 placement conditions continue. Deposition rates of 1.5–3 m/year give the largest amounts of frozen ground. The amount of frozen ground is sensitive to the assumed snow cover function during winter.

On décrit ici un modèle géothermique qui simule les phénomènes simultanés que sont le dépôt, le gel et la fonte de stériles miniers ou de couches de remblai placées successivement. Quand les couches de sol ou de stériles sont mises en place en conditions hivernales en dessous de zéro, des niveaux gelés se forment dans le profil et peuvent persister au cours du temps. L'été suivant, la mise en place de sols plus chauds peut n'être pas suffisante pour faire fondre les couches de l'hiver précédent. Ainsi des couches de sols peuvent-elles rester gelées pendant quelques années ou décades. L'analyse effectuée est unique en ceci qu'elle fait appel à une limite supérieure mobile et à différentes fonctions de couverture neigeuse en surface pour la période hivernale. Le modèle a été étalonné à partir du cas de deux mines d'uranium dans le nord de la Saskatchewan. Au lac Rabbit, on avait un empilement de 120 m de stériles sur une période de 24 ans. Au lac Key, la vitesse d'accumulation était de 1,3 m/an. On a pu obtenir un bon accord entre la position des couches gelées observées et celles que le modèle avait prédites. Les prédictions à long terme indiquent que 80 à 200 années seraient nécessaires pour faire fondre les couches gelées formées pendant la mise en place en supposant que les conditions de 1992 persistent. Des vitesses de mise en place de 1,5 à 3 m/an donnent les plus grands montants de sol gelé. Ces quantités dépendent de façon sensible de l'hypothèse faite sur la fonction de couverture neigeuse pendant l'hiver.

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