Les techniques minéralogiques dans l’industrie minière

Les techniques minéralogiques dans l’industrie minière

La minéralogie a pour but l’étude des minéraux et des composés naturels. Un minéral est un solide naturel, homogène, possédant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée. Certaines exceptions s’appliquent: dans le cas de certains minéraux, tels que les sulfosels, des solutions solides permettent des variations de composition plus ou moins importantes entre au moins deux pôles, où il y a possibilité de remplacement d’un élément par un autre. Différents domaines de la minéralogie résultent de cette définition. On répertorie ainsi les domaines de la cristallographie, de la cristallochimie, de la physico-chimie du solide naturel, de la
minéralogie descriptive et déterminative, et de la minéralogie industrielle (ou 10 minéralogie appliquée) (Guillemin, 1992). La cristallographie est la science qui se consacre à l’étude des substances cristallines à l’échelle atomique. Les propriétés physico-chimiques d’un cristal sont liées à l’arrangement spatial des atomes dans la matière. L’étude des cristaux permet de visualiser des plans, axes et centres de symétrie.
La géochimie et la minéralogie sont étroitement liées: l’étude des conditions de formation et d’évolution des minéraux constitue une partie importante de la géochimie.
Toutefois, la discipline fut appelée géochimie seulement à partir du début du 20ème siècle, avec les travaux de F. W. Clarke (Clarke, 1920), V.M. Goldschmidt (Goldschmidt et al., 1926), W. Vemadsky (Vemadsky, 1924) et A. E. Fersman (Fersman, 1934).
Un des premiers scientifiques à travailler et à publier sur la minéralogie est le philosophe et médecin allemand Georg Bauer, que l’on connaît sous le nom de Georgius Agricola, avec son livre « De natura fossilium » datant de 1546 et « De Re Metallica » (Hoover & Hoover, 1912). Agricola est considéré comme le père de la métallogénie et de la géologie minière. Dans « De natura fossilium », il est le premier à proposer une classification des minéraux fondée sur leurs propriétés physiques (Mendiburu, 2016). Pour décrire les minéraux, Agricola est le premier à utiliser les
propriétés telles que la couleur, l’éclat, le goût, la dureté et la densité.
Concernant la minéralogie appliquée, le principal ouvrage récent décrivant les techniques d’analyses minéralogiques utilisées actuellement dans l’industrie minière est l’ouvrage de Petruk (2000). Un grand nombre de techniques d’analyse minéralogique existantes conviennent pour procéder à une caractérisation minéralogique des produits miniers (carottes, minerais, concentrés, et rejets), notamment: l’étude pétrographique etminéragraphique de lames minces ou de sections
polies au microscope optique (MO) (c’est-à-dire la pétrographie), l’identification des minéraux par la diffraction des rayons X (DRX), l’étude de la morphologie et de la chimie des grains au microscope électronique à balayage (MEB), et l’étude de la composition des minéraux par microanalyse à la microsonde électronique (MSE). On peut faire appel à plusieurs autres méthodes plus sophistiquées dans le cas de travaux minéralogiques détaillés (par exemple : la microscopie électronique par transmission (MET), la spectrométrie de masse d’ions secondaires, la spectroscopie électronique
Auger, la microscopie de force atomique, la spectrophotométrie infrarouge, la spectroscopie Raman, etc.). Généralement, on a recours à une combinaison de méthodes d’analyses minéralogiques et chimiques pour effectuer la caractérisation des produits miniers. Les plus utilisées dans l’industrie minière actuellement sont la diffraction des rayons X, le microscope optique, la microscopie électronique à balayage couplée à des techniques de microanalyse ainsi que la microsonde de Castaing.

Diffraction des rayons X (DRX) 

la DRX est utilisée pour identifier les minéraux difficiles à voir au MO et pour caractériser les structures cristallines. La DRX est relativement rapide et simple. La technique est basée sur la diffraction des rayons X par la matière. Elle fut développée par les père et fils Bragg à partir de 1912 (Bragg, 1912). À chaque phase cristalline correspond un ensemble caractéristique de pics de diffraction (formant le diffractogramme ). Cette signature unique permet la caractérisation et l’identification des phases en comparant les pics obtenus avec une base de données. Leur quantification s’effectue alors grâce à une décomposition mathématique utilisant la méthode des moindres carrés pour approcher au mieux le spectre obtenu (Rietveld, 1969; Young et al., 1993). Les méthodes basées sur la diffraction des rayons X ont l’avantage de fournir une quantification directe des minéraux d’un échantillon sans passer par l’analyse en éléments chimiques. Cependant, sa limite de détection des phases minérales est relativement élevée (environ 1% massique). De plus, le matériel doit être au préalable micronisé afin d’atteindre une
granulométrie dont 95% des particules sont inférieures à 10 Jlm. Microscope optique (A10) : la composition minéralogique et les textures minérales peuvent être déterminées grâce au MO en lumière polarisée en lumière transmise (pour les minéraux transparents) ou réfléchie (pour les minéraux opaques (principalement sulfures, métaux natifs et oxydes métalliques). Les échantillons peuvent être observés en lame mince (minéraux transparents) ou en section polie (minéraux opaques). Afin d’étudier les deux types de minéraux conjointement grâce au même support, l’usage de la lame mince polie se généralise, développée aussi pour l’analyse par faisceaux d’électrons (MEB). Les pourcentages des minéraux peuvent être estimés grâce à un comptage manuel d’un nombre suffisant de grains ou, récemment, par imagerie numérique quantifiée. Les lames minces sont particulièrement utiles pour identifier les textures et altérations des minéraux ainsi que les produits pouvant influencer l’interprétation des résultats des essais géochimiques. Cependant, pour certains minéraux, il est possible de les confondre à cause de propriétés optiques voisines. La
seule observation au MO ne suffit donc pas dans ce cas.

Microscope Électronique à Balayage (MEBJ 

le développement du microscope électronique eut lieu en 1932. Le MEB permet d’étudier la morphologie et la composition élémentaire chimique des matériaux. Les minéraux possédant un numéro atomique moyen élevé (sulfures par exemple) émettent plus d’électrons rétrodiffusés et sont ainsi plus brillants que ceux ayant un numéro atomique faible (les minéraux silicatés ou carbonatés ont généralement un numéro atomique moyen plus faible).
Lorsque le MEB est équipé d’un détecteur de rayons X, il permet alors l’analyse élémentaire de grains. L’analyse chimique peut se faire sur toute la surface balayée par le faisceau (analyse chimique globale ou cartographie élémentaire de rayons X) ou de manière ponctuelle (micro analyse). Les principales limites du MEB sont liées aux possibles interférences entre les raies spectrales de proche énergie et à la taille de la poire de microanalyse pouvant mener à des interactions avec les grains alentours et la limite de détection d’un tel équipement, muni d’un dispositif de détection des rayons X de type « EDS » (Energy Dispersive Spectrometer). Ce spectromètre effectue l’analyse des rayons X émis par dispersion d’énergie.

Microsonde électronique (MSE) 

la MSE est utilisée pour déterminer les compositions élémentaires des grains de l’échantillon. On peut par exemple identifier le minéral hôte d’un élément de valeur ou polluant, ou pour vérifier l’homogénéité, la pureté ou l’abondance d’un élément trace de phase(s) chimique(s) donnée(s). On peut également doser et obtenir la répartition spatiale d’un élément chimique en trace dans une phase minérale donnée. Tout comme le MEB, il est à noter que seuls les éléments de numéro atomique supérieur au bore (Z > 5) sont analysables avec cet outil. Semblable à
l’analyse au MEB, la MSE opére avec plusieurs spectromètres monochromateurs à cristaux de type « WDS » (W avelength Dispersive Spectrometer), fournissant une meilleure précision analytique des éléments (surtout à l’état de traces) grâce une meilleure résolution spectrale et des limites de détection plus faibles (de 1′ ordre de 100 IJ.glg et même moins, contre 1000 IJ.glg pour le MEB-EDS). Analyse chimique élémentaire ~ Calcul minéralogique: combinée aux calculs minéralogiques, l’analyse des éléments chimiques d’un échantillon permet la semi
quantification des phases minérales en présence. On détermine l’élément chimique majeur et unique pour chaque minéral (par exemple le zinc pour la sphalérite, en émettant 1′ hypothèse que le zinc n’est présent que dans la sphalérite ). Grâce au pourcentage de cet élément obtenu par analyse et sa teneur dans le minéral, on obtient alors la teneur de ce minéral dans l’échantillon. Les principales difficultés se trouvent dans la différenciation de minéraux porteurs des mêmes éléments sans autres traceurs spécifiques telles que pyrite/pyrrhotite : le calcul minéralogique ne permet plus de retrouver leur concentration dans l’échantillon à partir des teneurs élémentaires (Knight et al., 2002).

……….

Table des matières

AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
ABBREVIATIONS AND ACRONYMS LIST
LISTE DES SYMBOLES- SYMBOLS LIST
RÉSUMÉ
ABSTRACT
CHAPITRE I INTRODUCTION
CHAPITRE II REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Les techniques minéralogiques dans 1 ‘industrie minière
2.2 Drainage minier, géochimie des minéraux et tests de prédiction environnementale
2.2.1 Drainage minier et géochimie des minéraux sulfurés
2.2.2 Tests de prédiction environnementale
2.3 Caractérisation des produits miniers, géométallurgie et géoenvironnement
CHAPITRE III PROBLÉMATIQUE, HYPOTHÈSES ET OBJECTIFS
CHAPITRE IV MATÉRIEL ET MÉTHODES
4.1 Description des sites miniers et des minerais
4.1.1 Localisation des sites miniers
4.1.2 Géologie et minéralisation
4.2 Description des minéraux purs
4.2.1 Origines
4.2.2 Préparation et caractérisations
4.2.3 Résultats de caractérisation des minéraux purs
4.2.4 Propriétés optiques
4.3 Techniques de caractérisations des solides
4.3.1 Caractérisations physiques
4.3.2 Caractérisations chimiques
4.3.3 Caractérisations minéralogiques
4.3.4 Réconciliation des données chimiques avec les résultats minéralogiques
4.4 Méthodologie d’évaluation environnementale et choix de l’essai cinétique
4.4.1 Description de 1 ‘essai géochimique standard en mini-cellule d’altération
4.4.2 Mise en place des essais en mini-cellule d’altération modifiée
4.4. 3 Critères de sélection de 1 ‘essai géochimique
4.5 Utilisation des matériaux, méthodologie de la thèse
CHAPITRE V SELECTION OF CHEMICAL METHODS FOR ANALYZING ORES
5.1 Abstract
5.2 Résumé
5.3 Introduction
5.4 Material and methods
5.4.1 Material
5.4.2 Methods
5.4.3 Chemical analysis on the solid sample
5.4.4 Digestion procedures
5.4.5 Digestion effectiveness test methodology
5.4.6 Chemical analysis
5.4. 7 Mineralogical and chemical data reconciliation
5. 5 Results and discussion
5. 5.1 Importance of choosing the most appropriate chemical method
5.5.2 Volatile elements
5.5.3 Recommended Methodology
5.6 Case study: LaRonde
5. 7 Conclusions and perspectives
5.8 Acknowledgments
5.9 References
5.10 Inline Supplementary Material
CHAPITRE VI AUTOMATED SULFIDES QUANTIFICATION BY MULTISPECTRAL OPTICAL MICROSCOPY
6.1 Abstract
6.2 Résumé
6.3 Introduction
6.3.1 Applied mineralogy
6.3.2 Automated and quantitative analysis of minerais
6.4 Material and methodology
6.4.1 Standard preparation
6.4.2 Optical microscopy images acquisition
6.5 Multivariate image processing and channel selection
6.6 Identifying minerais through cluster analysis
6. 7 Identifying minerais through grey thresholding
6.8 Mineral quantification and comparisons
6.8.1 Use of UV images
6.8.2 Simplification of the procedure and routine analysis
6.9 Conclusions and perspectives
6.10 Acknowledgments
6.11 Appendices
6.11.1 Appendix 1: Coordinates of the cluster centers of the supervised cluster analysis
6.11.2 Appendix 2: Clemex Vision PE® routine
6.12 References
CHAPITRE VII KINETIC TESTS TO EVALUATE THE RELATIVE OXIDATION RATES OF V ARIOUS SULFIDES AND SULFOSAL TS
7.1 Abstract
7.2 Résumé
7.3 Introduction
7.4 Methodology
7.4.1 Materials
7.4. 2 Solid material characterization
7.4.3 Modified kinetic testing
7.5 Results and discussion
7.5.1 pH
7.5.2 Reactivity rates
7.6 Conclusions and further work
7.7 References
CHAPITRE VIII GEOCHEMICAL INVESTIGATION OF THE GALVANIC EFFECTS DURING OXIDATION OF PYRITE AND BASE-METALS SULFIDES
8.1 Abstract
8.2 Résumé
8.3 Introduction
8.4 Material & methods
8.4.1 Quartz, pyrite, chalcopyrite, and sphalerite pure samples characterization
8.4. 2 Weathering cells
8.4.3 Modeling
8.4.4 Surface characteristics: pHpzc
8.5 Results
8. 5.1 Geochemical behavior of chalcopyrite with and without pyrite coup ling
8.6 Discussion
8. 6.1 Chalcopyrite – Pyrite coup ling
8.6.2 Sphalerite- Pyrite coupling
8.6.3 Galvanic couples and rest potentials
8. 7 Conclusions and perspectives
8.8 Acknowledgtnents
8.9 References
CHAPITRE IX A CONTRIBUTION TO IMPROVE THE CALCULATION OF THE ACID GENERA TING POTENTIAL OF MINING W ASTES
9.1 Abstract
9.2 Résumé
9.3 Introduction
9.4 Material and methods
9.4.1 Pure sulfides
9.4.2 Synthetic tailings
9.5 Methods : weathering cells
9.6 Results
9.6.1 Leachates: pH, Eh, conductivity and acidity
9.6.2 Punctual metal and sulfur concentrations in the leachates of the s yntheti c tailings
9.6.3 Cumulative sulfur concentrations in the leachates
9.7 Discussion
9. 7.1 Oxidation rates calculation
9. 7. 2 Results of weathering cells compared to ABA results and new AP calculation
9.8 Conclusions and perspectives
9.9 Acknowledgtnents
9.10 References
CHAPITRE X ENVIRONMENTAL IMPACT OF MINE EXPLOITATION: AN EARLY PREDICTIVE METHODOLOGY BASED ON ORE MINERALOGY AND CONTAMINANT SPECIATION
10.1 Abstract
10.2 Résumé
10.3 Introduction
10.4 Material and methods
10.4.1 Material
10.4.2 Methods
1O.5 Results and discussion
10.5.1 Chemical characterization
10.5.4 Geochemical results
10.6 Acid mine drainage estimation
1 O. 7 Conclusions and perspectives
10.8 Acknowledgments
10.9 References
10.10 Inline Supplementary Material
CHAPITRE XI DISCUSSION
11.1 La minéralogie appliquée au sein du cycle de vie minier
11.2 L’importance de la minéralogie multitechnique
11.3 Guide d’évaluation environnementale des minerais à l’étape d’exploration
11.3.1 Échantillonnage et préparation des échantillons
11.3.2 Caractérisations minéralogiques et chimiques
11.3.4 Valeurs seuils des réglementations environnementales
CHAPITRE XII CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
12.1 Résumé des chapitres
12.1.1 Chapitre 5
12.1.2 Chapitre 6
12.1.3 Chapitre 7
12.1.4 Chapitre 8
12. 1.5 Chapitre 9
12.1.6 Chapitre 10
12.1. 7 Chapitre 11
APPENDICE A TESTS STATIQUES
APPENDICE B CARTES GÉOLOGIQUES DES 10 MINERAIS ÉTUDIÉS
APPENDICE C LOCALISATION DES PRÉLÉVEMENTS POUR LARONDE ET KITTILÀ
APPENDICE D PLANS DE BROYAGE POUR GOLDEX ET WESTWOOD
APPENDICE E PROTOCOLE DE PRÉPARATION DES SECTIONS POLIES POUR ÉVITER LA SÉDIMENTATION ET LA SÉGRÉGATION DES GRAINS DENSES
APPENDICE F SÉPARATION PAR LIQUEUR DENSE
APPENDICE G RÉSULTATS DE CARACTÉRISATION DES MINÉRAUX PURS
APPENDICE H PROGRAMMES DE MICROSONDE
BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE

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