Soutenance mémoire
Les minéraux lourds : utilités et intérêts
La plus grande utilisation du zircon est dans la fabrication de carreaux de céramique, d’appareils sanitaires (tels que les toilettes, les baignoires et les éviers) et de vaisselle (comme les assiettes et les tasses à thé). Le zircon est une substance hautement résiliente qui fournit force et durabilité ainsi que des finitions blanches brillantes. Le zircon est également chimiquement inerte et possède une conductivité thermique élevée, ce qui le rend approprié pour une utilisation dans des moules pour métaux très chauds et des composants utilisés dans les réfractaires pour produire de l’acier et du verre.
La plupart du TiO2 du monde est utilisée pour fabriquer un pigment blanc qui est ensuite utilisé dans la peinture, les plastiques et le papier. La peinture blanche l’est en raison de sa teneur élevée en dioxyde de titane. En tant que produit absorbant la lumière blanche, hautement réfringente et ultraviolette, le pigment de dioxyde de titane est couramment utilisé dans les peintures architecturales et automobiles, les plastiques, le papier, les textiles et les encres. Le titane métal a un poids relativement faible et une résistance à la corrosion élevée. Il est non toxique, non fibrogène et biologiquement inerte. Ces propriétés le rendent idéal pour une utilisation dans une grande variété d’applications allant des composants d’avion aux utilisations médicales, telles que les remplacements de hanche et la chirurgie réparatrice d’os ; il est également utilisé sans risque dans les denrées alimentaires, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques.
Production mondiale
Les gisements de minéraux lourds sont exploités un peu partout dans le monde. L’ilménite (52% TiO2) et le rutile (100% TiO2) ont des prix différents dans le marché lié à leur teneur en oxydes de titane. Les minéraux de rutile ont donc une valeur beaucoup plus élevée. La production de rutile est très faible par rapport à l’ilménite du fait que les gisements de minéraux lourds en contiennent peu. L’évolution du prix des minéraux de titane a connu une forte décroissance depuis 2012 (fig.6) où un pic est atteint à 300$/t pour l’ilménite et 2250$/t pour le rutile. Les prix ont ensuite baissé pour connaître leur niveau le plus bas en 2016 avec 105$/t pour l’ilménite et 740 $/t pour le rutile. Depuis 2017, on assiste à une légère évolution positive et les prix se sont établis en 2019 à 1100 $/t pour le rutile pour une production mondiale de minéraux de titane à 7,6 millions de tonne essentiellement dominée par la Chine (28%). Le Sénégal a assuré près de 4% de la production avec 300 000 tonnes .
La production de zirconium n’a pas connu de fortes variations durant ces dernières années. Comme pour les minéraux de titane, le prix a connu un pic entre 2011 et 2012 à 2650 $/t et a chuté en 2013 à 1050 $/t jusqu’en 2017 où il est reparti à la hausse (fig.7). La production mondiale s’est établie en 2018 à 1,5 millions de tonnes essentiellement dominé par l’Australie qui en a assuré 33%. Le Sénégal a assuré 5% de la production avec 80 milles tonnes (fig.9).
Intérêt de l’étude de la monazite dans les gisements de sable à minéraux lourds
La monazite est un phosphate de terres légères (REEPO4) que l’on retrouve dans les roches magmatiques, métamorphiques et comme minéral accessoire dans les dépôts de sable à minéraux lourds. Elle comporte également dans sa composition chimique des quantités d’uranium, de thorium et de plomb ; ce qui fait qu’elle présente deux intérêts majeurs ; d’abord la présence de thorium et d’uranium en fait un très bon géochronomètre pour dater les processus géologiques. Elle incorpore peu ou pas de plomb lors de sa cristallisation et présente des zonations chimique et isotopique témoignant des différents événements géologiques qui sont alors enregistrés par un même grain. Sa composition en terres rares en fait également un minéral important du fait de l’utilité de ces éléments dans l’industrie de la haute technologie.
Minéralogie et Chimie de la monazite
La structure de la monazite est monoclinique avec deux types de sites cristallographiques présents : des tétraèdres et des nonaèdres qui abritent le phosphore et les LREE (fig.10). Ces derniers peuvent se substituer aux HREE et le Sr en très faible quantité, le Ca, le Si, l’Y, l’U (quelques %) mais aussi le Th qui peut atteindre des teneurs de l’ordre de la dizaine de % (Didier, 2013). Elle présente ainsi une grande variation de composition chimique suite aux nombreuses substitutions possibles. Les terres rares légères peuvent se substituer entre elles mais également avec une terre rare lourde. Les terres rares (REE) et le phosphore peuvent se substituer à d’autres espèces atomiques comme le calcium (Ca), le Thorium (Th), et le silicium (Si) et l’uranium (U).
2REE³⁺ ↔ (Th, U)⁴⁺ + Ca²⁺
REE³⁺ + P⁵⁺ ↔ (Th, U)⁴⁺ + Si⁴⁺
La monazite naturelle correspond ainsi à une solution solide entre 3 pôles purs (fig.11) : la monazite (2REEPO4), l’Huttonite (2ThSiO4) et la cheralite (CaTh(PO4)2) (Linthout, 2007).
La monazite (Ce, La, Nd, Th) PO4 s’observe plus généralement dans les roches crustales sédimentaires, métamorphiques, magmatiques et d’origine hydrothermale caractérisées par une activité en calcium faible. En contexte magmatique, elle cristallise dans les roches per alumineuses (granite de type S à biotites ou à deux micas et pegmatites) et très rarement dans les roches per-alcalines et métaalumineuses (Didier, 2013), sauf dans les carbonatites où elle tend à être appauvrie en Th et enrichie en terres rares lourdes (Kim et al., 2005). La forte activité en Ca et de l’eau dans ces roches favoriseraient plus la cristallisation de l’allanite plutôt que la monazite (Berger, et al., 2009). C’est aussi un minéral accessoire commun dans les granites, les pegmatites, les métapélites, les gneiss leucocrates et les roches quartzo feldspathiques métamorphisées (Dawood & Abd-El Naby, 2007). En contexte métamorphique, la monazite s’observe dans les roches pélitiques du faciès schiste vert, amphibolite et granulite (Spear & Pyle, 2002 ; Didier, 2013). De nombreux auteurs (Spear & Pyle, 2002 ; Wing et al., 2003 ; Harlov et al., 2005 ; Förster, 2001 ; Finger & Krenn, 2007) ont montré que les phases précurseurs riches en LREE et/ou phosphore peuvent être à l’origine de la présence de la monazite dans ces roches comme l’allanite Ca (REE) (Ti, Al, Fe) SiO4 (O, OH, F), l’apatite Ca5(PO4)3F, le xénotime, la bastnaésite REE (CO3)F, la synchysite Ca(Ce, La (CO3)2F.
Les terres rares lourdes HREE et l’yttrium influencent le comportement chimique de la monazite. Les HREE sont couramment incorporés dans la monazite, le xénotime et le grenat pour lesquels ils ont une affinité plus importante. De nombreuses réactions minéralogiques et thermo-barométriques dans les roches métamorphiques impliquent la participation du grenat (Didier, 2013). La quantité et la composition de la monazite sont donc fortement contrôlées par la présence de xénotime et, en cas d’absence de xénotime, par la croissance ou la consommation de grenat (Spear & Pyle, 2010). Plusieurs études ont montré les interactions entre ces éléments (Gibson et al., 2004 ; Bea, 1996 ; Spear & Pyle, 2010 ; Rubatto et al., 2013 ; Kylander-Clark et al., 2013 ; Pyle, et al., 2001). Selon Spear & Pyle (2010), lorsque le xénotime est présent et que la quantité modale de grenat est faible (par exemple, à basse pression), la cristallisation fractionnée a peu d’effet sur la quantité ou la composition de la monazite. Lorsque le xénotime est absent et que le grenat est plus abondant (par exemple, à une pression intermédiaire à élevée), le fractionnement du grenat domine à la fois la croissance et la composition de la monazite.
L’allanite est très souvent la phase précurseur de la cristallisation de la monazite (Rubatto, et al., 2006 ; Rubatto, et al., 2001 ; Corrie & Kohn, 2008 ; Kohn & Malloy, 2004 ; Wing, et al., 2003 ; Spear & Pyle 2002 ; Spear, 2010). Les travaux de Spear (2010) et Spear & Pyle (2010) permettent de mieux comprendre le transition allanite-monazite dans les métapélites (fig.12). Les auteurs ont utilisé plusieurs systèmes simples pour déterminer les conditions de pression et de température de cette transition. Le système simple SiO2 – Al2O3 – FeO – CaO – H2O – P2O5 – Ce2O3 (CFASHPCe) indiqué dans la figure 14 représente un diagramme d’assemblage à l’équilibre qui délimite les champs pression et température pour les assemblages contenant l’allanite, la monazite ou les deux. La composition de roche utilisée est similaire à celle de la pélite moyenne de Shaw (Shaw, 1956) .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Cadre générale de l’étude
1.1. Contexte géographique
1.2. Contexte géologique
1.2.1. Les formations anciennes
1.2.1. Les formations superficielles récentes
1.2.3. Volcanisme
1.3. Modes de dépôts des minéraux lourds et gisements
1.4. Origine des dépôts de minéraux lourds
Conclusion partielle
Chapitre 2 : Les minéraux lourds : utilités et intérêts
2.1. Production mondiale
2.2. Intérêt de l’étude de la monazite dans les gisements de sable à minéraux lourds
2.2.1 Minéralogie et Chimie de la monazite
2.2.2. La monazite, un bon géochronomètre et traceur pétrogénétique
2.2.3. La monazite, source de terres rares légères
2.2.4. Utilité des terres rares
2.2.5. Concentration et gisements
2.2.6. Production
Conclusion partielle
Chapitre 3 : Présentation du secteur d’étude : cadre géomorphologique et exploitation des sables à minéraux lourds de la Grande Côte
3.1. Géomorphologie de la zone d’étude
3.1.1. Système dunaire ogolien
3.1.2. Le système dunaire Tafolien
3.1.3. Le système dunaire subactuel à actuel
3.2. Techniques de séparation des minéraux lourds
3.2.1. Séparation gravitaire
Séparation gravitaire par spirale
Séparation gravitaire par table à secousse
3.2.2. Séparation magnétique
3.2.3. Séparation électrostatique
3.3. Schéma de traitement des minéraux lourds de la grande côte du Sénégal
3.3.1. Unité de traitement par voie humide uniquement (WCP)
3.3.2. Unité de traitement par voie sèche (MSP)
Conclusion
Chapitre 4 : Techniques analytiques et appareillages
4.1. Echantillonnage
4.2. Microscopie électronique à balayage
4.3. Analyse quantitative et minéralogique QEMSCAN (Quantitative Evaluation of Materials by scanning Electron Microscopy)
4.4. La microsonde électronique
4.5. Matériels de séparation
4.5.1. Séparateur magnétique
4.5.2. Table à secousse
Conclusion partielle
Chapitre 5 : Caractérisation de la monazite dans les sables à minéraux lourds de la grande côte du Sénégal
5.1. Analyse chimique des différents concentrés de production par analyse qemscan
5.2. Observation de la monazite au microscope électronique à balayage du produit MGZS
5.3. Analyse chimique des monazites à la microsonde électronique
5.4. Datation des monazites à la microsonde électronique
Conclusion
Chapitre 6 : Récupération de la monazite dans les sables à minéraux lourds
6.1. Récupération de la monazite à partir des sables de plage à minéraux lourds
6.2. Essais de récupération par séparation magnétique et gravimétrique de la monazite dans les sables à minéraux lourds de la grande côte du Sénégal
6.2.1. Conditions opératoires
6.2.2. Séparation magnétique
6.2.3. Table à secousse
6.2.4. Résultats des tests de séparation
6.2.5. Résultats de la séparation magnétique
6.2.6. Résultats de la concentration gravitaire par table à secousse
6.3. Interprétation des résultats de séparation et perspectives
Conclusion partielle
Conclusion Générale
