thumb|Précipitation d'hydroxydes de fer dans un affluent du Missouri recevant des DMA d'une mine de charbon. thumb|Les eaux très acides (pH 2,2) du Río Tinto semblent incapables d'abriter de la vie. Quelques espèces extrêmophiles (bactéries aérobies et acidophiles) y survivent pourtant. Elles sont responsables de la couleur de la roche et de l'eau.
Le drainage minier acide (DMA) ou encore drainage rocheux acide (DRA) est un phénomène d'oxydation des sulfures produisant une solution acide s'écoulant régulièrement dans les cours d'eau. De l'acide sulfurique () est produit lorsque des sulfures métalliques (pyrite, , galène, PbS, sphalérite, ZnS...) entrent en contact avec l'oxygène atmosphérique, à l'occasion de grandes excavations (carrières) et travaux miniers ou de stockage de déchets miniers. Ce processus contribue à l'acidification des eaux douces constatée depuis plusieurs décennies à grande échelle.
Le phénomène est parfois « spontané » sur des affleurements de minéraux sulfurés, naturellement sujets à une oxydation par contact avec l'air et l'eau : de manière lente, il y a production d'acide sulfurique et dissolution des métaux présents (fer et aussi certains métaux toxiques tels que le plomb et le mercure ou d'éléments comme l'arsenic et le sélénium), qui peuvent alors contaminer des nappes phréatiques, des cours d'eau ou des lacsPetit Stéphane (2006) Source et devenir du mercure dans les lacs de la région minière de Chibougamau. Mémoire de maîtrise en sciences de l'environnement ; Université du Québec, Montréal, aout 2006, 62 pages. Les formes les plus graves sont de nature anthropique, causées par des travaux miniers (excavations et pompages). L'équilibre chimique des affleurements et des gisements profonds de sulfures métalliques est perturbé par l'apparition soudaine de conditions oxydantes. Ce type de perturbation oxydante peut être responsable d'écoulements acides importants. Étant auto-entretenue, la réaction peut perdurer des décennies, des siècles ou des millénaires tant que les sulfures ou l'oxygène ne font pas défaut.
Mécanismes de formation
Origine du phénomène Les minéralisations naturelles du sous-sol sont dues à des circulations de fluides qui transportent des cations métalliques qui sont chimiquement piégés dans les horizons géologiques réducteurs. En dénoyant les roches et en les exposant directement à l'oxygène de l'air, l'exploitation minière perturbe brusquement les conditions réductrices à l’origine du gisement. Une mine exploitée représente en effet plusieurs kilomètres de galeries (quelques centaines de km parfois plusieurs milliers comme à El Teniente au Chili). Ce sont autant de conduits susceptibles d'apporter de l'oxygène directement au contact du minerai. Quant aux matériaux des mines à ciel ouvert et des carrières, ils sont par définition soumis aux conditions atmosphériques. Les drainages miniers acides se forment alors, soit dans les galeries ennoyées, soit par percolation d’eau sur les tas de résidus solides excavés contenant des sulfures.
Ces matériaux extraits de la mine sont de diverses natures : encaissant parfois relativement riche en sulfures (stérile franc), minerais pauvres en sulfures (haldes, stérile de sélectivité) ou encore rejets de traitement pauvres en métaux précieux mais riches en sulfure. Les quantités produites et stockées peuvent atteindre plusieurs millions de tonnes. Ainsi, les déchets de flottation de la plus grande mine de cuivre au monde, Chuquicamata au Chili, occupent une surface de . Ces produits, déjà stockés humides, sont également exposés à la pluie et aux intempéries. Les processus chimiques (de nature abiotique) et biologiques (dus à l'activité bactérienne) de formation des DMA s'enclenchent après le contact des sulfures avec l'oxygène dissous dans les eaux de ruissellement sur le lieu de stockage exposé à l'atmosphère.
Les micro-organismes présents dans les sols peuvent contribuer à faciliter ce processus par leur capacité à oxyder les sulfures. Les micro-organismes comprennent des archées et des bactéries dont le génome a évolué permettant des adaptations aux milieux acides et écotoxiques pour d'autres espècesHalter D (2011) Génomique fonctionnelle de micro-eucaryotes bio-indicateurs d’environnements exposés aux drainages miniers acides (Doctoral dissertation, Université de Strasbourg), PDF, 239 pages. Les micro-organismes se servent de leur système enzymatique redox pour transférer des électrons des composés réduits du soufre (sulfure, soufre élémentaire, thiosulfate...) à un accepteur terminal d'électrons. Au passage, ils utilisent ces électrons dans leur chaîne respiratoire pour produire l'énergie qui leur est nécessaire.
Catalyse Les réactions chimiques responsables des drainages miniers acides sont l'oxydation des ions disulfures (, aussi notés plus explicitement S–S pour faire ressortir la liaison chimique covalente entre les deux atomes de souffre présents dans cet anion) et des ions ferreux (Fe) de la pyrite (), le sulfure métallique le plus courant. Cette réaction a lieu en présence ou en absence de bactéries selon l'équation globale :
Il ne s'agit toutefois ici que d'un bilan de masse : en effet, le processus d’oxydation de la pyrite varie en fonction de l'évolution du pH et fait intervenir plusieurs réactions élémentaires affectant soit les espèces du soufre, soit celles du fer dont la solubilité dépend du pH. La particularité de cette réaction est d’être autocatalysée, ce qui permet à l'oxydation des sulfures de se propager de façon comparable à un incendie : de même que la combustion produit de la chaleur qui déclenche l'inflammation d'autres matériaux situés à proximité, l'oxydation des ions ferreux Fe produit des ions ferriques Fe, de puissants agents oxydants, qui diffusent en solution acide et entraînent l'oxydation d'autres sulfures plus loin dans le terrain.
L'oxydation des sulfures est également favorisée par certains micro-organismes qui tirent des réactions d'oxydoréduction l'énergie nécessaire à leur activité et à leur croissance. Les bactéries peuvent se développer au sein de biofilms tapissant les surfaces minérales ou simplement flotter et dériver dans l'eau sous forme planctonique. Les systèmes enzymatiques de respiration de ces bactéries catalysent des réactions chimiques pouvant se dérouler à la surface des minéraux ou en solution aqueuse.
Les détails de ces processus sont encore mal compris. Ils font l'objet de recherches et de discussions scientifiques, visant à déterminer la part prédominante entre oxydation directe et indirecte (c.-à-d. avec contact direct ou non des bactéries avec la surface des sulfures). De même, en présence de bactéries, il est plus difficile de faire la part entre les processus physico-chimiques purement abiotiques et ceux catalysés par l'activité bactérienne. Toutefois, l'oxydation de la pyrite étant un processus exergonique (∆G < 0) et non limité cinétiquement, elle peut survenir de façon strictement abiotique au contact de l'oxygène atmosphérique en condition humide, l'eau étant un solvant indispensable aux réactions chimiques. L'activité bactérienne ne contribue ici qu'à l'accélération des réactions inorganiques.
Impact environnemental et socio-économique
Pollutions induites par les DMA thumb|Vue aérienne du désastre écopaysager de la mine de cuivre abandonnée de Levikha (Russie). L'oxydation des sulfures est une source majeure de pollution acide et métallique pour l'environnement proche et en particulier pour les zones humides, les cours d'eau (jusque loin en aval), ainsi que pour les aquifères s'ils sont en contact avec des lixiviats acides. Dans les cas les plus sévères, l'oxydation des sulfures peut libérer chaque jour plusieurs tonnes de composés métalliques toxiques dans le système hydrographique.
Les métaux solubilisés dans les effluents miniers acides sont non-dégradables, bioaccumulables et presque tous de violents poisons du métabolisme pour toutes les espèces animales, l'homme, et la plupart des plantes (arsenic notammentA XANES, XRD, and SEM study. Morin G, Juillot F, Casiot C, Bruneel O, Personné JC, Elbaz-Poulichet F, Leblanc M, Ildefonse P, Calas G. (2003), Bacterial formation of tooeleite and mixed arsenic(III) or arsenic(V)-iron(III) gels in the Carnoulès acid mine drainage, France ; Environ Sci Technol. 2003 May 1; 37(9):1705-12 (résumé). ). La présence simultanée de plusieurs métaux peut engendrer une toxicité supérieure à celle de chaque métal séparé. Par exemple, le zinc, le cadmium et le cuivre sont toxiques aux bas pH et agissent en synergie pour inhiber la croissance des algues et affecter les poissons.
L'acidification à elle seule, est directement à l'origine d’une mortalité importante des populations de poissons et micro-crustacés, de perturbations de leur taux de croissance et de leur reproduction. Les effets indirects de l'acidification sont la dégradation des habitats d'espèces et des modifications des relations prédateurs-proies (perturbation voire interruption de la chaîne alimentaire). Très peu d'espèces sont capables de survivre à des pH inférieurs à 5.
thumb|right|Río Tinto, Espagne.
Dans les régions constituées de terrains acides, l’acidité des eaux est conservée, et les métaux sont alors transportés (sous forme ionique, solubilisés) à grande distance. Dans les régions constituées de terrains calcaires (alcalins), en revanche, les eaux acides sont rapidement neutralisées par les roches carbonatées, et la plupart des métaux précipitent sous des formes insolubles, en limitant la contamination des réseaux trophiques. Lors des crues, les particules solides riches en métaux (fragments détritiques de minerai ou minéraux métalliques précipités) peuvent être entraînées très loin en aval et peuvent parfois redevenir solubles si les caractéristiques physico-chimiques des eaux changent. C'est le cas du cadmium de la Gironde : provenant d'un site métallurgique du district de Decazeville (bassin du Lot), il est solubilisé dans l'estuaire et peut être transporté sur la côte atlantique et se retrouver dans des huîtres à plus de de sa source.
Quant aux sulfates, si présents en forte concentration, ils peuvent induire une pression osmotique importante, susceptible de perturber certains micro-organismes.
Enfin, les DMA ont également un impact visuel sur les paysages : les dépôts de couleur jaunâtre, ocre à rouille, sur plusieurs kilomètres de cours d'eau, ou l'aspect dénudé des terrils de déchets miniers, ne passent pas inaperçus.
Conséquences pour l’homme En dégradant la qualité de l'eau, les DMA conduisent à la disparition de ses usages en aval des opérations minières (alimentation en eau potable, base de loisir, pêche, irrigation), ce qui peut poser de graves problèmes de santé environnementale, notamment dans les pays pauvresLuis F. O. Silva, Marcus Wollenschlager and Marcos L. S. Oliveira ; A preliminary study of coal mining drainage and environmental health in the Santa Catarina region, Brazil; Environmental Geochemistry and Health ; DOI:10.1007/s10653-010-9322-x . Pendant l’exploitation, ils sont également responsables de la corrosion des infrastructures minières et des équipements.
La surveillance des eaux destinées à l'alimentation humaine exclut a priori les risques d'ingestion directe de métaux lourds provenant de DMA. Cependant une intoxication indirecte n'est pas impossible. En effet, le jeu des bioaccumulations et des bioamplifications peut aboutir à une intoxication humaine via les poissons, notamment chez les pêcheurs réguliers ou consommateurs réguliers de poissons dans les zones concernées.