Caractérisation texturale : MEB et traitement d’image

Dans le but d’opérer une séparation sélective du minéral porteur de l’Uranium des minéraux de gangue du minerai de Trekkopje, faciès calcrète, plusieurs questions se sont posées en termes de caractérisation minéralogique et surtout texturale. Une caractérisation du minéral porteur de l’uranium et également la détermination de sa maille de libération était nécessaire. Enfin, dans le cas de la présence de particules mixtes comprenant le minéral porteur de l’uranium, une caractérisation texturale de ces dernières a été réalisée à l’aide d’un microscope électronique à balayage suivi d’un traitement de photographies MEB à l’aide du logiciel « NIS Element Basic Research ».

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3.1.4.1. Principe d’un microscope électronique à balayage

Un microscope électronique à balayage fonctionne selon le même principe qu’une microsonde électronique de Castaing (cf. Paragraphe 3.1.2.1). Les interactions du faisceau d’électrons avec la matière génère de nombreuses émissions telles que les électrons secondaires, les électrons rétrodiffusés, les électrons Auger, les rayons X et les photons.

Les électrons rétrodiffusés permettent l’analyse de la répartition spatiale des éléments chimiques, c’est une analyse chimique qualitative. Ces électrons rétrodiffusés proviennent de chocs élastiques des électrons incidents avec les noyaux atomiques de l’échantillon et inélastiques avec les électrons des couches électroniques des atomes. Ce sont des électrons primaires et ont une énergie proche de celle des électrons incidents.

Les électrons secondaires permettent d’obtenir des images en trois dimensions de l’échantillon sous forme de poudre. Ces derniers proviennent des chocs inélastiques des électrons incidents avec les électrons orbitaux des couches électroniques des atomes. Seuls les électrons secondaires formés au point d’impact du faisceau d’électrons peuvent être détectés. Ces électrons ont un champ d’action faible en profondeur. Il y a deux types d’électrons secondaires : les électrons secondaires provenant des électrons primaires et les secondaires provenant des électrons rétrodiffusés.

Les électrons Auger, les rayons X et les photons se forment selon le même principe que les rayons X formés lors de l’analyse en microsonde électronique de Castaing. L’analyse des rayons X et électrons Auger permet l’analyse chimique des éléments constitutifs du minéral analysés. Celle des photons est sensible aux impuretés et aux défauts cristallins.

3.1.4.2. Appareillage

Le microscope électronique à balayage JEOL JSM 7600F (cf. Figure 3-1) est composé d’un canon à électron (à cathode chaude), une colonne électronique, d’un dispositif interne permettant le balayage du faisceau d’électrons et des détecteurs propres à chaque émission électronique et électromagnétique tels que :

- Un détecteur Everhart-Thornley pour les électrons secondaires et les électrons rétrodiffusés.

- Un détecteur à diode de silicium 2 secteurs pour les électrons rétrodiffusés - Un spectromètre EDS type SDD et un spectromètre WDS pour les rayons X

Dans le cadre de cette recherche, deux détecteurs ont été utilisés : le détecteur à diode de silicium 2 secteurs et le spectromètre EDS.

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Figure 3-1 – Microscope électronique à balayage JEOL JSM 7600F.

3.1.4.3. Limites de la méthode

Pour l’ensemble des rayonnements électroniques ou électromagnétiques analysés, la limite de résolution est comprise entre 1 à 10µm. L’appareil JEOL JSM 7600F a une résolution spatiale d’image de surface allant jusqu’au nanomètre.

3.1.4.4. Préparation des échantillons

En sortie de préparation des échantillons du minerai de Trekkopje, faciès calcrète, trois types d’échantillons apparaissent à différentes mailles de broyage -1mm, -500µm et -200µm (CO1-1mm, CO1-500µm et CO1-200µm). Les échantillons analysés au MEB ont été obtenus en respectant la loi de Gy dans le but d’obtenir des échantillons représentatifs du minerai de Trekkopje de départ. Pour chaque maille de broyage, treize inclusions en résine époxy ont été réalisées, soit au total 36 inclusions en résine.

3.1.4.5. Méthode d’obtention de photographie à l’aide d’un microscope électronique à balayage

L’étude des sections polies a été effectuée suivant un zonage qui consiste à réaliser des clichés suivant un quadrillage virtuel (cf. Figure 3-2).

Spectromètre WDS Canon et colonne à électrons

Chambre sous vide Détecteur diode de silicium

Diode EDS SSD

Sas d’introduction des échantillons

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Figure 3-2 – Zonage d’une section polie (échantillon CO1-1mm –X1)

3.1.4.6. Principe du traitement d’images MEB

Les photographies MEB d’une particule mixte du minerai étudié (cf. Figure 3-3) subit un traitement d’image à l’aide du logiciel NIS Element Basic Research dans le but de déterminer la texture de celle-ci. Pour ce faire, l’image doit être convertie en composantes de couleur (cf. Figure 3-3) selon le protocole suivant :

- Exacerbation des contrastes de l’image afin d’individualiser les différentes espèces minérales définies par les différents niveaux de gris (et préalablement analysées en EDS)

- Création d’une couche binaire pour chaque phase minérale

- Conversion à partir des différentes couches binaires réalisées de la photographie MEB en composantes de couleur.

Figure 3-3 – Photographie MEB JEOL JSM 7600 CO1-1mm (a) ; Photographie en composante de couleur après traitement d’image par le logiciel NIS Element Basic Research (b)

Deux notions rentrent en jeu pour définir la texture d’une particule mixte : la notion de pourcentage d’inclusion et de pourcentage de surface exposée des inclusions (minéral par minéral) dans cette particule mixte (cf. Equations III-6, III-7).

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Avec : Pinclusion : pourcentage d’inclusion du minéral inclus

Sinclusion : surface totale du minéral inclus dans la particule mixte Sgrain : surface totale du grain (particule mixte)

Psurface exposée : pourcentage de surface exposée du minéral inclus Perinclusion : périmètre exposé du minéral inclus dans la particule mixte Pergrain : périmètre total de la particule mixte

La surface exposée d’une particule incluse, semi-incluse dans une particule mixte correspond à la surface de cette particule incluse qui est exposée à une éventuelle adsorption de réactifs. (cf. Figure 3-4).

Figure 3-4 – Surfaces exposées des minéraux inclus et de la phase minérale majoritaire d’une particule mixte.

Cette notion de surface exposée défini le caractère textural d’une particule suivant qu’elle soit libre, semi-incluse ou incluse dans une particule mixte (cf. Figure 3-5).

Figure 3-5 - Définition du caractère textural déduit du pourcentage de la surface exposée, (Coetzee et Theron, 2007).

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La précision du traitement d’image dépend de plusieurs paramètres :

- Elle dépend de la netteté de la photographie prise à l’aide du microscope électronique à balayage. Plus la photographie est nette et plus les contours du minéral seront détectés précisément par le logiciel. A ce niveau-là, il est difficile de quantifier l’erreur. L’optimisation des contrastes de l’image ne réduit que très peu ce biais. - Lors de la création des couches binaires, il est constaté au niveau des joints des

minéraux qu’une même surface peut être prise en compte dans plusieurs couches binaires différentes. Concernant ce biais, la quantification de l’erreur est réalisée en calculant le nombre de pixels pris plusieurs fois en compte. Elle est estimée à 1,3 %. - Lors du calcul de surface, le logiciel redéfinit pour chaque surface appartenant à une

couche binaire, la surface la plus proche du contour d’une phase minérale. Dans ce cas, il est aisé de mesurer le nombre le pixel d’écart entre ces deux surfaces. Concernant les petites surfaces (inférieure à 15 pixels carrés) ainsi que pour les surfaces complexes, le nombre de pixel d’écart est plus important. Cette mesure d’erreur a été menée sur 106 calcites. L’erreur moyenne de mesure des surfaces des phases minérales est estimée autour de 2 %.

En comparant cette méthode de traitement d’image avec celle qui peut être réalisée à l’aide du système QEMSCAN (Quantitative Evaluation of Mineralogy by Scanning Electron Microscopy), les résultats et la précision des erreurs dus au traitement d’image sont quasi-similaires. QEMSCAN a le réel avantage d’acquérir les mêmes données qu’avec la méthode précédemment utilisée mais dans un temps d’acquisition plus cours. L’acquisition des données est automatique et rapide (toutes les 10 millisecondes).

3.1.4.7. Limites des méthodes de caractérisation texturale et notion de stéréologie

Les méthodes d’estimation de la libération des particules (caractérisation texturale) ne permettent l’obtention que de mesures en 2D. Or, il s’agit en réalité d’un problème 3D puisqu’il est impossible d’identifier des particules sur une analyse 1D (ligne) ou 2D (sections) pour contrôler un circuit de broyage. En effet, un grain de nature polyphasée peut apparaître monophasé ; ceci dépend de la position de la section par rapport aux interfaces des différentes phases minérales (cf. Figure 3-6). Les informations obtenues par le traitement d’images sont donc biaisées.

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Figure 3-6 – Description d’une particule polyphasée pouvant être rendue monophasée au cours des observations 2D (Frandrich et al., 1998).

La Figure 3-7 rend compte d’un cas plus concret quant au problème de l’obtention d’analyses 2D. Elle illustre un solide contenant des particules sphériques binaires de taille et de composition uniformes : 50 % de minéral A (noir) et 50 % de minéral B (blanc). Ces particules sont disposées de façon aléatoire au sein du solide.

Figure 3-7 – (a) Description des relations entre le solide porteur de particules binaires et une ligne « test » ; (b) Description d’une ligne « test » (Jones et Horton, 1978)

Une ligne « test » et une surface « aléatoire » sont retenues ; la ligne « test » traverse 6 particules (cf. Figure 3-7-a)) :

deux particules libres constituées du minéral B, trois particules libres constituées du minéral A,

une particule de composition mixte paraissant différente de la composition initiale. Le dernier cas montre que des résultats biais sont obtenus, ce biais est appelé erreur stéréologique ; ceci est également observable pour les sections.

Les données brutes doivent être modifiées. Pour cela, les résultats 1D et 2D sont ajustés mathématiquement par des méthodes stéréologiques.

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Dans le cas où les analyses 2D obtenues à l’aide d’un microscope électronique à balayage sont réalisées sur un nombre conséquent de particules (de l’ordre de la centaine de particules) cette erreur stéréologique peut être considérée comme faible. Il est possible de s’affranchir de cette erreur. L’étude de caractérisation texturale a été réalisée sur environ une centaine de particules pour chaque phase minérale et pour chaque type d’échantillon.

Une description de certaines méthodes stéréologiques est cependant décrite ci-après. 3.1.4.8. Les méthodes stéréologiques

Une variété de méthodes stéréologiques peuvent être employées :

- les simulations de Monte-Carlo (Jones et Horton, 1978 ; Barbery et al., 1979), décrite ci-dessous.

- les méthodes de back-calculation et foward-calculation permettant la prédiction de modèles de libération de particules, (Klimpel, 1984)

- les méthodes géométriques stochastiques selon Barbery et Leroux, (1986), permettant la prédiction de la distribution de la composition des particules suite à un broyage - la méthode de répétition de Gay selon Fandrich et al., (1998), basée sur un système de

neuf équations de probabilités géométriques reliant la composition des différentes sections possibles à la composition réelle de la particule.

La transformation de mesures 1D (linéaire) à des valeurs 3D (volumétriques) peut être réalisée à l’aide des simulations de Monte-Carlo. Cette méthode est appliquée sur un lot d’échantillons de particules binaires ; elle vise à estimer la forme des particules grâce aux simulations probabilistes ; un grand nombre de tirages aléatoires est effectué dans les distributions de probabilité des pentes linéaires afin de trouver la probabilité d'occurrence la plus élevée.

Pour cela, des lignes « tests » sont simulées et traversent un certain nombre de particules binaires géométriquement simples (cf. Figure 3-8).

Figure 3-8 – Visualisation des lignes « tests » traversant la section (Barbery et al. 1979)

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Ces lignes, traversant la section polie, peuvent recouper à plusieurs reprises le minéral d’intérêt, l’autre minéral et la matrice (en noir) ; une transformation est réalisée afin d’unifier toutes les traversées d’une même phase (cumulation des unités) (cf. Figure 3-9).

Figure 3-9 – Transformation d’une ligne « test » traversant la section en différents segments en des segments ne comportant qu'une seule phase (Barbery et al., 1979).

La proportion de chaque ligne « test » passant à travers le minéral d’intérêt est calculée selon l’Equation (III-8) :

Avec Ltest : la proportion de chaque ligne « test » passant à travers le minéral d’intérêt La : la longueur du segment traversant le minéral A

Lb : la longueur du segment traversant le minéral B (La + Lb) : la longueur du segment traversant la particule.

La distribution linéaire des pentes est déterminée par le graphique représentant la proportion de chaque ligne test en fonction du quotient .

Un abaque relatif à la distribution linéaire des pentes de particules binaires en fonction de la forme des particules est établi. Il rend compte de la forme des particules, ainsi que du type de frontière ; une estimation volumétrique 3D de la particule est possible. Cette estimation se fait en plusieurs étapes :

- lorsque la distribution linéaire est déterminée, les paramètres relatifs à cette distribution peuvent être calculés. Il s’agit de la moyenne, ν1^L et de la variance µ2^L, elles-mêmes calculées à partir des longueurs de traversées des particules et du coefficient de la pente linéaire.

- Quant à la définition du type de frontière entre phase minérale, elle rend compte d’une équation mathématique servant à la construction de cartes de corrélation entre les moyennes et les variances de la distribution de la pente linéaire et de la distribution de la pente volumétrique (cf. Figure 3-10).

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Figure 3-10 – Carte de corrélation entre la moyenne et la variance de la distribution de la pente volumétrique (en rouge, valeurs de la moyenne : ν1^L = 0.488 et de la variance : μ2^L = 0.059 de la distribution de la pente linéaire – en bleu, valeurs de la moyenne : ν1^V = 0.45 et de la variance : μ2^V = 0.07 de la distribution de la pente volumétrique), (Jones et Horton, 1978).

Cette carte permet, à partir de la moyenne et de la variance de la distribution de la pente linéaire, de déterminer graphiquement la moyenne et la variance de la distribution de la pente volumétrique. Ces paramètres permettent le calcul de :

- la proportion de grains A libérés - la proportion de grains B libérés - la proportion de particules composites

- la distribution de la composition volumétrique des particules composites définie par la fonction densité de probabilité

- A partir de mesures linéaires et de cartes de distributions, la détermination de la libération quantitative de particules au sein d’un fragment de roches et la distribution de la composition volumétrique des particules non libérées en 3D est possible.

Les méthodes stéréologiques visent à prédire la distribution des minéraux au sein de particules sous une perspective 3D afin de contrer tout problème lié au manque de représentativité des données 1D ou 2D.

3.1.5. Identification de la localisation de l’Uranium : analyse au