Evaluating the potential of remote sensing to detect and assess acid mine drainage impacts on lakes and their seasonal variability. Tharsis, Huelva, Spain

Abstract

Acid mine drainage (AMD) is one of the most widespread environmental issues in mining environments. If not prevented, it produces acidity and releases high content of metals. While the potential of remote sensing to detect and map secondary minerals has been widely demonstrated, its application to the assessment and characterisation of AMD impact on surface water remains less studied. This thesis focuses on the potential of the Sentinel-2 satellite, compared to the EnMap satellite and UAS-mounted multispectral sensor, to assess both the impact degree of AMD on lakes and the impact of seasonality, by detecting spectral features. This work was undergone on images from the Tharsis mine complex, a pilot site of the MINEYE European project. Based on in situ and bibliographic data, the lakes were classified according to their ferric iron concentration, which is one of the main indicators of AMD, especially in Tharsis, and the one that has the most impact on the spectra of the lakes. To assess and detect spectral characteristics that differentiated those lakes, an image collection from Sentinel-2 spanning on multiple years was analysed. These characteristics were compared to those found on spectra from an EnMap image and an UAS orthomosaic. To assess seasonality, datasets from winter and summer were compared and the seasonal pattern was extracted. It was possible to separate and classify populations between AMD-affected and unaffected lakes. It has also been shown that the impact of seasonality on lakes chemistry is detectable and that the same pattern occurred for each affected lake. All spectral characteristics, either to detect AMD impact or its seasonality, were found to be due to ferric iron concentrations. In the end, while it was possible to separate populations of affected lake based on their ferric iron concentrations, a correct classification was not achieved. Furthermore, it was not possible to correctly classify a lake slightly AMD-affected with low iron concentration. It was concluded that this was due to a lack of understanding of how water spectra change with increasing iron concentration, and that a better understanding and analysis of a larger number of low-iron lakes could remedy this.

Le drainage minier acide (DMA) est une des problématiques environnementales les plus répandues en environnement minier. S’il n’est pas empêché, une grande quantité de métaux et de l’acidité sont relâchés dans l’environnement. Bien que le potentiel de détection et de cartographie de minéraux secondaires par télédétection a été amplement démontré, son application pour évaluer et caractérisé l’impact du DMA sur les eaux de surface reste peu étudiée. Ce mémoire se concentre sur le potentiel du satellite Sentinel-2, comparé au satellite EnMap et à un capteur monté sur drone, pour évaluer d’une part le degré d’impact du DMA sur les lacs, et d’autre part l’impact de la saisonnalité, en détectant des particularités spectrales. Ce travail a été réalisé sur des images du complexe minier de Tharsis, un des trois sites pilotes du projet européen MINEYE. En prenant en compte des analyses in-situ et des données provenant de la littérature, les lacs du site ont été classifiés selon leurs concentrations en fer ferrique, qui est l’un des principaux indicateurs du DMA, en particulier à Tharsis, et celui qui a l’impact le plus important sur les spectres des lacs. Pour évaluer et détecter les caractéristiques spectrales permettant de différencier les lacs, une collection d’images de Sentinel-2 s’étalant sur plusieurs années a été analysée. Ces caractéristiques ont ensuite été comparées avec celles trouvées sur les spectres obtenus avec EnMap et le capteur multispectral monté sur drone. Pour évaluer la saisonnalité, des jeux de données d’images hivernales et estivales ont été comparés, et le schéma saisonnier extrait. Il a été possible de séparer et de classifier les populations entre les lacs affectés et non-affectés par le DMA. Il a aussi été montré que l’impact de la saisonnalité sur la chimie des lacs est détectable, et que le même schéma se répétait pour chaque lac affecté par le DMA. Toutes les caractéristiques spectrales, qu’elles servent à détecter l’impact du DMA ou de la saisonnalité, se sont révélées être une conséquence de leurs concentrations en fer ferrique. Finalement, bien qu’il a été possible de séparer les populations de lacs affectés par le DMA basés sur leurs concentrations en fer ferrique, une classification correcte n’a pas été obtenue. De plus, il n’a pas non plus été possible de classifier correctement un lac légèrement affecté par le DMA qui présentait une faible concentration en fer. Il a été conclu que la cause était le manque de compréhension des mécaniques liées au changement du spectre de l’eau en fonction de sa concentration en fer, et qu’il était possible d’y remédier avec une meilleure compréhension ainsi qu’une analyse d’un plus grand nombre de lacs avec une faible concentration en fer.