Géologie et géochimie de Kiréne

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Géologie des gisements de calcaires du site de Kiréne et des gisements d’argiles de latérite et  de sable de Tchiky

Géologie et géochimie de Kiréne

La concession calcaire se situe dans la commune de Diass, Arrondissement de Sindia, Département de Mbour dans la région de Thiès. Il se trouve à proximité des installations de l’Usine et couvre une superficie de 350 hectares (1400m×2500m). Trois campagnes de prospection géologique sont réalisées dans le périmètre de Kiréne.
Campagne 98/99 : cette première dite de reconnaissance générale a permis de localiser les zones d’occurrence de recouvrement faible avec une puissance calcaire avantageuse. Les résultats ont montré que la zone médiane de la concession était plus favorable.
Campagne 2002 : Elle est effectuée sur 36ha dans la partie centrale avec une maille plus réduite. Cette seconde campagne de sondages carottés a amélioré la connaissance du calcaire du point de vue qualitatif. Elle a permis en même temps d’estimer les réserves en calcaire et de caractériser la géométrie du gisement.
Campagne2003 : Elle est consacrée à la définition du point d’ouverture de la carrière pour le démarrage de l’approvisionnement du concasseur. Des sondages supplémentaires sont effectués au fur et à mesure de l’avancement du programme d’abattage de la plate-forme. Les résultats de cette investigation ont montré que le gisement présente un calcaire très homogène. La puissance du minerai est en moyenne 30m avec un taux de karstification de 20%. Les karsts sont remplis de formations stériles.
La Puissance calcaire maximale se trouve vers l’Est avec 38m d’épaisseur, et chute jusqu’à 28m vers l’Ouest. Le minerai calcaire contient des teneurs moyennes en CaO de 54,79% (Mémoire d’ingénieur géologue IST de A. DRAME). Le gisement est recouvert d’argile noire et localement d’attapulgite. Les analyses chimiques indiquent que cette argile ne peut pas être utilisée dans le mélange cru à cause de sa forte teneur en P2O5 généralement supérieure à 5%. L’épaisseur du recouvrement est très irrégulière et varie entre 4m du centre au Nord-Ouest et 14m au Sud-Est. Les réserves sont estimés à 62500000 tonnes soit un volume de 25millions de mètre cube. L’espérance de vie du gisement est de 50ans.
 Lithologie du site de Kiréne : La synthèse bibliographique nous a permis de décrire succinctement la succession lithologique composée du bas vers le haut par :
 Calcaire gréseux
 Calcaire macro-coquiller (lumanchellique)
 Calcaire crayeux tendre blanchâtre et jaunâtre
 Calcaire coquillé cristallin
 Calcaire altéré en rognons
 Calcaire phosphaté
 Attapulgite
 Argile noire
 Géochimie du site de Kiréne :
Les teneurs en CaO varient entre 53,84% et 55,82% avec une moyenne de 54,79%. Sa covariance très faible de l’ordre de 1,28% montre que le calcaire est très homogène. Le phosphate (P2O5), le soufre(SO3), le potassium (K2O), le sodium (Na2O), le titane (TiO2), le manganèse (Mn2O3) et le chlore (Cl) sont pratiquement inexistants dans le calcaire.

Géologie et géochimie de Tchiky :

Le gisement de Tchiky se situe à 8km de la cimenterie et s’étend sur une superficie de 200 ha. Le secteur de Thicky appartient aux formations sommitales d’âge maastrichtien du horst de Diass. L’argile, la latérite et le sable sont les matières premières qui sont extraites de ce gisement. La carrière de Thicky produit une quantité annuelle de 500000 tonnes d’argiles et de 25000 tonnes de latérite lors des campagnes de réception de matières premières.
 Lithologie du site de Thichy :
La lithologie du secteur est décrite de bas en haut comme suit :
 Les grés
 Les argiles noires avec des lentilles de sables
 Les argiles grises
 La latérite
Les grés constituent le mur du gisement. Ils sont formés de grains siliceux parfois fins à grossiers. Dans la partie centrale de la concession se trouvent les grès rougeâtres.
Il s’agit de grès peu consolidés à grains grossiers. La partie sud est caractérisée par des grès clairs, siliceux à grains fins et fortement consolidés.
Les argiles noires sont caractérisées par une couleur grise cendre, grise-noirâtre à noire. Elles sont massives, compactes, bariolées et raides et se débitent facilement en plaquettes. On les trouve dans la moitié Sud-ouest du gisement entre 32 m et 12m d’altitude et elles reposent directement sur les grès. L’épaisseur moyenne de ces argiles est de 7 m. Des veinules millimétriques de recristallisation de gypse sont rencontrées dans les plans de foliation de ces argiles noires.
Les argiles grises sont généralement très feuilletées, à consistance raide avec parfois de rares niveaux savonneux à consistance pâteuse.
La teneur en eau à l’état naturel de ces argiles est en moyenne de 10%.Les argiles grises recouvrent tout le gisement et se localisent entre les altitudes 58 m et 35 m avec une épaisseur moyenne de 18.32 m.
Les lentilles de sables sont azoïques, fins, beiges ou jaunes. Elles sont d’ordre millimétrique à métriques (maximum 2 m) et affectent irrégulièrement les argiles grises et plus fréquemment les argiles noires.
Elle constitue le recouvrement de la formation argileuse. Elle est formée à l’Est par un matériau graveleux ou pisolitique et à l’Ouest par une cuirasse fortement indurée. De nombreux blocs cuirassés démantelés par l’érosion couvrent les flancs des collines.
La latérite se trouve entre les altitudes 63 m et 58 m et son épaisseur moyenne est de 4.10 m. cette épaisseur devient maximale dans la partie Est où elle atteint 12 m au niveau du plateau cuirassé.
 Géochimie du gisement de Tchiky
L’analyse statistique des argiles montre que le gisement de Thicky présente une géochimie assez homogène et constante. Malgré la présence des lentilles de sable dans les argiles, les résultats obtenus sur les analyses statistiques restent satisfaisants pour la fabrication du clinker. On enregistre des teneurs moyennes satisfaisantes pour les majeurs avec 63.7% pour la silice, 26.58% pour l’alumine et 5.86% pour le fer. (Mémoire d’ingénieur géologue IST de Sombel Sarr 2011).

Travaux anciens réalisés dans le secteur de Bandia

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre d’un vaste programme d’inventaire des substances utiles du Sénégal réalisé par la Direction des Mines et de la Géologie (DMG). Ils ont fait l’objet d’une campagne de prospection ayant permis l’exécution de trois sondages (P11, P12, P13) implantés dans la zone de Bandia. Les résultats de cette campagne sont consignés dans le tableau 1.

Les équipements d’exploitation de la carrière de Kirene

Les principaux matériels à la disposition de la carrière des CDS sont :
 3 bulldozers :
Ils servent à débroussailler le terrain et à décaper l’argile noire de recouvrement. Le bulldozer ou brouteur est un tracteur à chenilles muni d’une lame frontale. L’outil de terrassement est une lame profilée portée par deux bras articulés qu’un mécanisme hydraulique permet de rabaisser ou de relever. Si la lame est en position basse, l’engin fait un terrassement par raclage avec une profondeur pouvant atteindre un mètre. La position haute est une position de transport.
 3 pelles hydrauliques :
Elles permettent d’organiser et de classer la matière déjà tirée à l’explosif pour faciliter son chargement.
 2 chargeuses mécaniques :
Elles chargent la matière sur les dumpers
 3 dumpers de 45Tonnes (Volvo)
 6 dumpers de 40Tonnes (Volvo)
Ils transportent le calcaire vers les concasseurs.
 3 camions (Kérax) :
Ils assurent le transport de l’argile vers les concasseurs.
 2 gradeurs :
Ils aménagent les pistes de circulation des engins
 3 camions citernes d’eau
Ils permettent d’arroser les pistes de la carrière.
 Une foreuse DCR20 :
C’est une machine utilisée pour le minage de la carrière. Elle fore des trous de 115mm de diamètre.

Généralités sur le ciment

Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire un matériau minéral, finement moulu qui, gâché avec de l’eau, forme une pate qui fait prise et durcit par suite de réactions et de processus d’hydratation. Après ce durcissement, le ciment conserve sa résistance et sa stabilité.

Généralités sur la matière première principale : Le calcaire

Le calcaire est une roche sédimentaire formée principalement de calcite CaCO3. La plupart des calcaires sont d’origine marine et sont formés par des organismes marins (coraux, bivalves, crinoïdes, algues…) précipitant le carbonate de calcium à partir de l’eau de mer. En effet ces organismes marins utilisent le calcium dissout dans l’eau (Ca2+) et l’hydrogénocarbonate (HCO3-) pour former leurs coquilles. Ces coquilles seront constituées de carbonate de calcium (CaCO3).
Ca2+ + 2 HCO3- ———>Ca(HCO3)2 ———> CaCO3 + H2O + CO2
A la mort de ces animaux, les coquilles s’accumulent sur le fond marin formant des boues carbonatées. Elles se transforment en roche calcaire grâce à la pression et au temps (plusieurs milliers d’années). Néanmoins, ces coquilles calcaires peuvent se dissoudre, et ce, d’autant plus facilement que la température de l’eau est froide et la pression élevée. Ces conditions, expliquent que le calcaire se forme essentiellement dans des eaux chaudes et peu profondes, comme les lagons ou les lagunes. Bien que le calcaire puisse se former en milieu lacustre, la majorité des roches actuelles se sont formées dans les milieux marins. THIBAUD M. (1975) : Principes chimiques de la fabrication du ciment.

Schéma de fabrication du ciment

 Le concassage et stockage pré homo: Les matériaux sont réduits par le concasseur à une taille maximum de 80mm. La roche est ensuite échantillonnée en continu pour déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine, silice) et arriver ainsi à la composition chimique idéale. Le mélange est ensuite stocké dans un silo de pré homogénéisation.
 Broyage cru: Les matières premières sont broyées très finement (de l’ordre du micron) dans des broyeurs. La poudre ainsi obtenue est introduite dans le four sous forme pulvérulente.
 Homogénéisation : La phase d’homogénéisation consiste à créer un mélange homogène. Le mélange est homogénéisé dans un silo vertical par brassage par air comprimé.
 Préchauffage et cuisson :Avant introduction dans le four, la farine est chauffée à environ 800 °C dans une tour de cyclones à échangeurs thermiques pour éliminer son eau et son gaz carbonique. La cuisson se fait ensuite dans un four rotatif et légèrement incliné où la température de la flamme avoisine 1450°C. Des granules grises se forment à la sortie du four et constitue ce qu’on appelle le clinker. Le rapport cru sur clinker est de l’ordre de 1.6.
 Refroidissement et broyage ciment : Le clinker ainsi obtenu est par la suite refroidi et finement broyé pour donner du ciment avec des propriétés hydrauliques actives.
 Stockage, ensachage et expédition :le ciment est par la suite stocké dans des silos puis emballé dans des sacs avant d’être expédier hors de l’usine.

Les différentes catégories de ciments

Les ciments peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur résistance normale.
 Classification des ciments en fonction de leur composition
Les ciments constitués de clinker et des constituants secondaires sont classés en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1. Ils sont notés CEM et numérotés de 1 à 5 en chiffres romains dans leur notation européenne (la notation française est indiquée dans les parenthèses)
 CEM I: Ciment portland (CPA – dans la notation française),
 CEM II: Ciment portland composé (CPJ),
 CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF),
 CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ),
 CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC).

Chimie du ciment :

Les oxydes

Les oxydes majeurs

Les oxydes majeurs sont : la chaux (CaO), la silice (SiO2), l’oxyde d’Aluminium (Al2O3) et l’oxyde de fer (Fe2O3)
 La Chaux (CaO) obtenue par pyrolyse du calcaire constitue l’espèce minérale principale du mélange cru. Son excès dans le mélange entraîne une faible mouillabilité du ciment et un risque de fissuration du béton.
La quantité de chaux nécessaire pour le mélange du cru d’un ciment portland normal est donnée par la relation suivante : CaO = 2.8 SiO2 + 1.18 Al2O3 + 0.35 Fe2O3
 La Silice (SiO2) provient essentiellement de l’argile. Sa teneur idéale dans le mélange cru est d’environ 13%. Quand elle est dépassée, la silice fond et provoque un colmatage dans le four.
 Les oxydes d’Aluminium (Al2O3) et de fer (Fe2O3) : Ils interviennent dans la cuisson comme fondant et la facilitent quand la somme Al2O3 + Fe2O3 est supérieure à 6.5%. Ces oxydes contribuent peu à la résistance du ciment.

Les oxydes mineurs

Les oxydes mineurs sont la magnésie (MgO), les alcalins (Na2O et K2O), le sulfate (SO3), le titane (TiO2), le manganèse (Mn2O3), le phosphate (P2O5).
 La magnésie (MgO) : Les normes actuelles limitent à 5% la quantité maximale de MgO dans le ciment. En effet, sous sa forme cristalline (périclase), elle a tendance à s’hydrater lentement en gonflant dans le béton exposé à une certaine humidité ce qui provoque l’apparition de fissures puis la destruction des ouvrages. Mais si la magnésie se dissout dans la phase liquide du clinker et si ce liquide se solidifie brusquement à l’état de verre, la magnésie ne cristallise pas. Elle n’offre aucun risque d’expansion à l’état amorphe.
 Les alcalins (Na2O et K2O) : Ces éléments se volatilisent aux fortes températures. Ils sont souvent entraînés avec les gaz dans le four et se recondensent dans les parties froides au niveau de l’échangeur en provoquant des concrétions et des colmatages. Ces phénomènes se produisent lorsque la teneur en alcalins dépasse 1%.
Ils sont aussi à l’origine des réactions alcalis-granulats provoquant les gonflements.
 Le sulfate SO3 : Sa présence permet (dans certaines proportions) de réguler la prise et de réduire la volatilité des alcalins. Cependant, sa teneur ne doit pas être trop élevée afin d’éviter la formation de sel candlot expansif. Acceptable jusqu’à 3.5%, dans le ciment, il est préférable d’avoir une teneur inférieure à 2 % dans le cru.
 Le titane (TiO2) réagit comme agent fluidifiant, réduit légèrement la teneur en alite au profit de celle de bélite. Il donne une couleur plus sombre au ciment, augmente la résistance et retarde la prise initiale. Cet élément n’est pas considéré comme gênant (sauf pour la production de ciment blanc).
 Le manganèse (Mn2O3) : Les propriétés du manganèse dans le ciment sont proches de celles du fer. Il est indésirable dans le ciment blanc à cause de sa coloration foncée. On peut cependant l’accepter jusqu’à 4% dans le ciment portland.
 Le phosphate (P2O5) : la teneur en P2O5 doit être inférieure à 0,57% pour éviter la diminution des résistances du ciment. Une forte teneur affaiblit les cristaux d’alite et de belite par inclusion de P2O5 et retarde le durcissement du clinker. Toutefois, au-delà de 1% de P2O5 la broyabilité du clinker est plus faible et la quantité de chaux libre (CaO) augmente.
 Le chlore (Cl) : Le chlore cumule le double inconvénient d’être indésirable à la fois dans le four et dans le ciment. Comme les alcalins, il se volatilise lors de la cuisson pour se condenser dans les zones froides du pré-chauffeur créant ainsi des colmatages. Il est de plus très corrosif et attaque tous les métaux (particulier les fers à béton). Les normes sénégalaises limitent strictement sa teneur à 0.1%.

Modules et Paramètres de contrôle de la qualité du cru et du clinker

La cimenterie CDS dispose d’un laboratoire de chimie qui contrôle la qualité du cru et du clinker. Le suivi de la composition chimique est essentiel durant toutes les phases de fabrication du ciment. Des échantillons sont donc prélevés et analysés au cours du processus. La qualité du cru et du clinker est contrôlée par les paramètres suivants :
 Le Facteur de Saturation en Chaux (LSF)
 Le Module Silicique (MS)
 Le Module Alumique (MA)
 Le titre en carbonate de calcium

Les travaux de prospection

Aménagement du site

Pour accéder aux points de sondage un travail préliminaire est nécessaire. Le terrain doit être débroussaillé avec un bulldozer de type Caterpillar. Ce dernier est un engin très efficace pour décaper et pousser la terre végétale. Le décapage est guidé par le topographe qui met le conducteur du bulldozer sur les layons de la concession. Les points de sondage sont ensuite déterminés par le topographe grâce à un instrument appelé le Tachéomètre ou Station totale. Cet appareil permet de stocker dans une carte mémoire l’ensemble des informations obtenues telles que les mesures de distance et les levers topographiques.
Pour déterminer les points de sondages, les trépieds qui supportent l’appareil doivent être positionnés de sorte que l’axe vertical de l’appareil soit perpendiculaire au plan horizontal de la station. La mise en station initiale est épaulée par un repère fixe (les bornes de la concession par exemple). Une fois que les coordonnées (X ;Y) des points de sondages sont enregistrées dans l’appareil, ce dernier s’oriente vers la canne du réflecteur à la direction convenable et affiche la distance qui le sépare du point. Ce point est ensuite matérialisé un piquet muni d’une balise.
La plateforme qui accueille la sondeuse et le camion-citerne d’eau est faite avec un engin gradeur qui étale les granulats calcaires de dimensions (0/3mm) provenant de la carrière SOSECAR de Layousse.

Table des matières

Première Partie : Cadre général d’étude
Chapitre 1 : Présentation générale du cadre de l’étude
1. Cadre géographique
1.1. Localisation
1.2. Faune et flore
1.3. Climat
1.4. Hydrographie
2. Cadre Géologique
2.1. Présentation de la Presqu’ile du Cap-Vert
2.2. Stratigraphie
2.3. Tectonique de la Presqu’ile du Cap-vert
3. Géologie des gisements de calcaires du site de Kiréne et des gisements d’argiles de latérite et de sable de Tchiky
3.1. Géologie et géochimie de Kiréne
3.2. Géologie et géochimie de Tchiky
3.3. Travaux anciens réalisés dans le secteur de Bandia
4. Les équipements d’exploitation de la carrière de Kirene
Chapitre 2: Généralités sur le ciment
1. Généralités sur la matière première principale : Le calcaire
2. Schéma de fabrication du ciment
3. Les différentes catégories de ciments
4. Chimie du ciment :
4.1. Les oxydes
4.1.1. Les oxydes majeurs
1.1.1. Les oxydes mineurs
4.2. Modules et Paramètres de contrôle de la qualité du cru et du clinker
4.3. Minéralogie du clinker
4.4. Les Ajouts
Deuxième Partie : Caractérisation géologique et géochimique de la concession de Bandia
Chapitre 3 : Caractérisation géologique du secteur de Bandia
1. Les travaux de prospection
1.1. Aménagement du site
1.2. Le carottage
1.3. L’échantillonnage
2. Observation macroscopique et description des facies
2.1. L’argile noire
2.2. La latérite
2.3. Le sable
2.4. Le calcaire microcoquiller
2.5. Le calcaire crayeux
2.6. Le calcaire cristallin
2.7. Le calcaire marneux
2.8. Le grès calcaire
3. Corrélation lithostratigraphique
3.1. Log synthétique du secteur de Bandia
3.2. Les profils de sondages
3.3. Tectonique
4. Modélisation du gisement
4.1. Principe de modélisation
4.2. Utilité du logiciel GDM
4.3. Caractéristiques des données de sondages
4.4. Modélisation du gisement de Bandia
4.4.1. La carte topographique
4.4.2 La carte isopaque du recouvrement stérile
4.4.3 La carte isobath du toit du minerai calcaire
4.4.4 La carte isopaque du minerai calcaire
Chapitre 4 : Caractérisation Géochimique de la concession de Bandia
1. Les principaux constituants du gisement
1.1. Analyse statistique des constituants du minerai calcaire
1.2. Statistique des différents types de calcaire du secteur de Bandia
1.2.1 Le calcaire microcoquiller
1.2.2 Le calcaire cristallin
1.2.3 Le calcaire crayeux
1.2.4 Le calcaire marneux
2. Cartographie des éléments chimiques
2.1 Distribution latérale de la chaux CaO
2.2 Distribution latérale de la silice SiO2
2.3 Distribution latérale d’Al2O3
2.4 Distribution latérale de Fe2O3
2.5 Distribution latérale de MgO
2.6 Distribution latérale de P2O5
Troisième Partie : Estimation des réserves et esquisse d’un plan d’exploitation
Chapitre 5 : Estimation des réserves en calcaires et estimation des déblais
1. Principe d’estimation dans GDM
2. Estimation des réserves en calcaires
3. Estimation du recouvrement
Chapitre 6 : Esquisse d’un plan d’exploitation
1. La découverture
2. La mise en terril
3. Le minage
3.1 Les principaux paramètres de la géométrie du plan de tir
3.2 Conception du plan de tir
4. L’extraction et le transport
5. La restauration du site
Conclusions et recommandations
BIBLIOGRAPHIE 

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