Les formations du type Kalahari

Durant la longue période continentale qui a suivi le dépôt des dernières couches du système du Karroo, la surface continentale africaine, soumise à la pénéplanation, subit des actions érosives, des altérations superficielles et vit se déposer des formations lacustres, fluviales, colluviales et éoliennes dont l’épaisseur, qui peut atteindre exceptionnellement plus de 200 m, varie d’un endroit à l’autre. Ces dépôts qui ont une large extension dans tout l’intérieur du continent et qui ont dû se déposer dans des milieux très divers, ont été étudiés non seulement au Kalahari et au Botswana, mais aussi en Zambie, en Angola ainsi que dans le bassin du Congo. Le manteau assez discontinu constitué par ces formations est formé, d’une façon générale, par des sables supérieurs, parfois épais de plus de 100 m et dont l’origine est souvent éolienne. En dessous apparaît un étage des roches silicifiées; ce sont des dépôts calcaires et calcaro-gréseux, des sables et des grès souvent ferrugineux, des grès polymorphes, ayant subi une silicification plus ou moins intense. Il est généralement admis que l’étage silicifié du Kalahari pourrait être daté de l’Eocène et l’Oligocène. Quant à l’étage sableux supérieur, qui est une formation de climat sec à tendance désertique, il doit dater de la fin du Tertiaire, mais il devrait être antérieur à la période humide qui a coïncidé avec l’installation au centre Africain de la bande climatique équatoriale (Robert, 1956).

14 I.2 Evolution de la métallurgique du cuivre dans l’Arc Cuprifère du Katanga : considérations générales (Robert, 1956)

Depuis sa création en 1906, l’Union Minière du Haut Katanga (devenue, depuis 1966, la Gécamines) a éprouvé beaucoup de difficulté quant à la métallurgie à appliquer aux minerais que renfermait l’Arc Cuprifère du Katanga. En fait, Il ne s’agissait pas de découvrir un procédé de laboratoire ni un traitement qui puisse convenir à du minerai choisi, mais un ou des traitements qui puissent s’appliquer à la grande masse des minerais reconnus, avec les moyens dont on pouvait disposer dans la région et capables de produire économiquement du cuivre qui devait être exporté sur les marchés mondiaux.

Notons qu’en ces temps là, on ne connaissait que les minerais oxydés, carbonatés , silicatés et alumineux tandis que la deuxième minéralisation, celle du type Kipushi avec les minerais sulfurés qu’elle donnait en profondeur, était inconnue. Il ne pouvait évidemment pas être question de se livrer à une métallurgie élémentaire en traitant uniquement du minéral pur, tel que la malachite. L’exploitation industrielle, à développer, devait traiter la grande masse des minerais oxydés, ce qui nécessitait des fondants appropriés à la scorification des gangues.

Tout de suite, on se rendait bien compte que le minerai du Katanga était d’une nature particulière et que son traitement ne serait pas aussi aisé qu’il semblait devoir l’être à première vue. Relevons par ailleurs que le caractère le plus frappant de la métallurgie du cuivre pratiquée au Katanga par l’Union Minière depuis 1911 est certes l’évolution constante qu’elle a dû subir depuis les débuts pour surmonter les difficultés qui se sont présentées au fur et à mesure du développement des exploitations.

Il y a lieu de faire remarquer aussi que très peu d’exploitations minières dans le monde qui se soient trouvées devant autant de difficultés que celles devant lesquelles s’est trouvée l’Union Minière et qui puissent se targuer de les avoir surmontées rapidement, comme cette compagnie l’a fait encore en plein Centre de l’Afrique. C’est que la plupart des entreprises minières se trouvent soit devant une seule mine soit encore devant un nombre très limité de mines dont les caractéristiques peuvent être suffisamment bien définies dès l’origine de l’exploitation, le minerai que l’on a à traiter ayant une composition moyenne qui a pu être déterminée au préalable avec une approximation satisfaisante.

15 Mais en ce qui concerne l’Union Minière, la situation était tout à fait différente, par le fait que l’activité s’étendait sur un vaste domaine constitué par de nombreux gisements qui sont loin de présenter une grande uniformité, tant au point de vue de leur allure que de la composition de leurs minerais.

D’ailleurs, la géologie de ces gîtes est très compliquée ; elle l’est bien plus qu’il apparaissait au moment où fut décidée leur mise en exploitation. En effet, en guise de rappel, on se trouve au Katanga en présence de deux sortes de gîtes. Les uns, stratiformes, se trouvent localisés dans la série des mines, tandis que les autres, comme Kipushi, ont une allure filonienne et se trouvent dans le calcaire du Kundelungu inférieur. Cette dernière minéralisation, caractérisée par l’association Cu-Zn-Cd-Pb-Ag, n’est apparue avec ses sulfures qu’en 1929, au-dessous du niveau hydrostatique, qui se trouvait à 80 m de profondeur. Quoique assez secondaire au Katanga, cette minéralisation est celle qui est la plus courante parmi les gîtes cuprifères africains, tout au moins dans la province métallogénique centre-africaine.

La minéralisation de la série des mines, avec son association minérale générale Cu-Co, etc.

est, par contre, propre au bassin katangais et à la partie nord de la Zambie (ex- rhodésien). Au Katanga, elle se trouve dans des paquets arrachés à des couches préalablement minéralisées, ces paquets ayant été mis en place par des phénomènes d’allure diapirique. Cette minéralisation a été soumise à l’altération et à des enrichissements et elle a, en de nombreux endroits du bassin katangais, été soumise à des charriages du deuxième genre. Cette minéralisation cuprifère, qu’on ne retrouve nulle part ailleurs en Afrique, est en réalité très complexe ; elle a fourni les minerais oxydés, carbonatés, silicatés et alumineux, déjà reconnus au cours des premières prospections, mais la gamme de ses minerais se développe de plus en plus, au Katanga, au fur et à mesure que se poursuivent les prospections, pour passer d’ailleurs en profondeur aux minerais sulfurés de cuivre et de cobalt.

En ce qui concerne le mode de traitement appliqué, nous pouvons considérer que deux procédés différents ont été à la base de la métallurgie cuprifère au Katanga, chacun d’eux s’appliquant à un type de minerai déterminé. Le premier procédé était employé pour traiter des minerais oxydés dont la teneur est relativement élevée, ainsi qu’à des minerais préalablement concentrés. C’est la fusion à l’aide de combustibles. Pendant longtemps, elle s’est faite uniquement dans des fours à cuves, à Waterjackets, ensuite, à partir de 1923, dans des fours à réverbère.

16 La fusion au four à cuve a aussi été appliquée aux minerais sulfurés, depuis qu’ils furent découverts à la mine de Kipushi. Le second procédé étant en usage que depuis 1929, traitait les minerais oxydés par la méthode hydrométallurgique. Ce procédé a depuis lors pris un développement de plus en plus grand et il convient surtout, lui aussi aux minerais oxydés riches.

De ce qui précède, nous pouvons donc dire que l’étude de l’évolution de la métallurgie du cuivre a été principalement dictée par la composition des minerais à traiter que nous pouvons classer de la manière chronologique suivante :

- Les minerais de la série des mine (Cu-Co-Au-etc.) : les minerais de la zone d’oxydation (carbonatés, siliceux, alumineux, etc.), les minerais de la zone plus profondes (sulfurés).

- Les minerais de la mine de Kipushi (Cu-Pb-Zn-etc.).

- Les minerais dans la zone de l’Ouest avec nappe charriée.

- Les minerais de la nappe : minerais oxydés de la zone superficielle, minerais sulfurés de la zone plus profonde.

- Les minerais des racines de la nappe qui doivent encore être trouvés.

Ainsi, nous pouvons dire, et cela en guise de conclusion, que si déjà à l’époque de l’Union Minière, des efforts ont été consentis et ont aboutit, il y a donc lieu d’affirmer que l’évolution de la composition des minerais qu’il faudra traiter dans l’Arc Cuprifère du Katanga, et pour lesquels il faudra trouver des métallurgies bien adéquates, n’est pas près d’être terminée.

17 I.3 Le minéral : carrolite

Figure 2 : Cristal de carrolite de la mine de Kamoya, Kambove, RDC (source : Wagner & Cook, 1999)

I.3.1 Composition

Espèce minérale composée de sulfure de cobalt, nickel et de cuivre de formule chimique Cu(Co,Ni)₂S₄ avec des traces de fer, la carrolite tire son nom du comté de Carrol en Maryland aux Etats-Unis où elle a été décrite pour la première fois par W.L.Faber en 1952. Cependant, la plupart des échantillons disponibles proviennent du Katanga en République démocratique du Congo(RDC) (Figure 2).

La carrolite est considérée jusqu’à nos jours comme le minéral le plus célèbre de la série linnaeïte, les collectionneurs partout dans le monde cherchent le trésor des magnifiques cristaux octaédriques.

Elle forme avec la polydymite, la siegénite, la violarite et la linnaeïte, une série où les différents éléments (Co, Ni, Fe, Cu) se remplacent isomorphiquement dans de large proportion. Son groupe d'appartenance est celui de la linnaeïte. Dans ce groupe, un certain nombre de solutions solides existent entre les différents minéraux. Comme on peut le voir sur la Figure 3, la carrolite forme des solutions solides avec la linnaeïte (Co3S4).

18 Le statut de cette espèce a été approuvé par l' I.M.A (International Mineralogy Association) en 1980 comme un minéral de cobalt.

Figure 3 : Diagramme de composition des minéraux du groupe de linneaite cr =carrolite, sg = siegenite, fl = fletcherite, vio = violarite, ln=linnaeite, gr= greigite, pd = polydymite (source : Rispens, G., 2002)

I.3.2 Structure

Figure 4 : Modèle de la structure d’un cristal de carrolite (Source: Rispens, G., 2002)

19 La carrolite a une structure de thiospinelle normale avec la moitié des sites octaédrique occupés par des atomes de cobalt et un huitième de sites tétraédriques occupé par les atomes de cuivre (Figure 4).

La formule générale de thiospinelle est A[B2]S4, les parenthèses indiquant la position octaédrique. D’autres minéraux de la série ont, cependant, la formule générale B[AB] S4 et sont appelé de spinelles inverses, la fraction d’atomes B se trouvant sur les sites tétraédriques et caractérisés par le facteur d’occupation noté λ, lequel λ est égal à 0 pour la structure spinelle normale et 0,5 pour la structure spinelle inverse.

I.3.3 Propriétés physiques

Au cours des années 1950 et 1960 beaucoup de travaux se rapportant à l’étude des propriété physiques des minéraux de la série des linnaeïte ont été effectués. Ainsi, selon Goodenough, 1969, la carrolite est métallique et pauli-paramagnétique mais n’est pas surperconducteur. Il se retrouverait entre la classe des minéraux superconducteurs et celle des minéraux ayant un magnétisme spontané. Les travaux de Furukawa (1967) ont montré que la carrolite était métallique et antiferromagnétique. De même, ils ont montré aussi que lorsque le cobalt est remplacé par le cuivre en certaine proportion, la carrolitte devient superconducteur (Figure 5).

Figure 5 :Susceptibilité et résistivité électrique de la carrolite en fonction de la température (source Furukawa, 1967).

20 La carrolite est de couleur grise, rouge cuivre ou gris acier selon le degré d’altération superficielle et devient légèrement rose et ensuite franchement rougeâtre et violet. Elle a une densité de 4,5 à 4,8 g/cm3 et une dureté de 4,5 à 5,5.

Son système cristallographique est cubique isométrique et elle appartient à la classe de symétrie à holoédrie cubique dont les réseaux de bravais sont à faces centrées . Ces cristaux se présentent sous forme octaédriques ou cuboctaedriques et ces macles sont parfois polysynthétique sur (111), les agrégats sous forme compact, grenue et massive. Par ailleurs, son clivage varie de l’imparfait à l’indistinct et sa fracture de l’irrégulière à subconchoidale.

La carrolite est un minéral isotropique et non- pléochroique ayant un pouvoir réflecteur de 41,9%. Il appartient à la classe chimique des sulfures, groupe des linnaeite et au sous-classe des sulfures, séléniures ou tellures selon qu’on y trouve respectivement une partie de soufre, sélénium ou tellure. De sa formule chimique Cu (Co,Ni)2S4 , on y retient qu’en fonction des concentrations, il y a trois éléments essentiels : le cuivre, le cobalt et le soufre.(Riley, 1980).

Sa masse moléculaire est de 309,55 g/ mole.

C'est un minéral des veines hydrothermales. Cette espèce apparaît en début de la métasomatose des gisements de cuivre constitués principalement de sulfures. Parmi les gisements remarquables, nous pouvons citer :

- Etats-Unis : Mine de Patapsco, Finksburg, Comté de Caroll , Maryland ;

- France : Les Clausis, Saint-Véran, Hautes-Alpes, Provence-Alpes-Côte d'Azur ; Mine de la Finosa (Fontana Rossa), Ghisoni, Corte, Haute-Corse, Corse.

- République Démocratique du Congo : la mine de Kamoya Sud II, Kambove ; Musonoï et Kamoto, Kolwezi, Katanga.

21 CHAPITRE II : BIOLIXIVIATION DES SULFURES METALLIQUES : REVUE

BIBLIOGRAPHIQUE

II.1 Introduction

La biolixiviation en tant que processus de mise en solution des métaux à partir des sulfures métalliques a été observée et utilisée longtemps avant qu’il ne soit établi clairement que les microorganismes étaient impliqués dans ce processus. En effet, lorsqu’on a observé des concentrations élevées d’ions ferriques dans les eaux de la rivière Rio Tinto à Séville en Espagne, on l’a attribué à un phénomène magique et à une pollution des eaux de la rivière. Et lorsque ces eaux étaient mises en contact avec des roches contenant des métaux comme le cuivre, on a observé qu’elles en contenaient en fortes concentrations traduisant ainsi une mise en solution (Jayesh, 2007).

L’isolement des espèces bactérienne acidophiles du type Acidithiobacillus ferrooxidans et Acidithiobacillus thiooxidans par Colmer et Hinkel en 1947 à partir des drainages miniers a permis d’établir une relation de cause à effet entre l’observation du caractère acide des effluents miniers et la présence de bactéries très acidogènes. Ainsi, une nouvelle technologie utilisant la capacité de certains microorganismes à catalyser l’oxydation des sulfures métalliques naîtra et sera répandu sous le nom de biolixiviation ou biomining ou encore biohydrométallurgie.

Depuis lors, de nombreuses possibilités sont aujourd'hui envisagées face aux traitements des minéraux à faible teneur en métaux et face aux problèmes engendrés par le drainage minier acide (DMA) ainsi que le drainage rocheux acide (DRA) par l'utilisation de la biolixiviation.

En effet, l'utilisation des bactéries permet la récupération de métaux dans des minerais à faible teneur ou des résidus miniers qui ne pourraient pas être traités efficacement par la pyrométallurgie dont l'utilisation tend à diminuer à cause de l'augmentation des coûts liés à l'énergie et aux contrôles de pollution de plus en plus contraignants.

En somme, la biolixiviation est une technique sans impact sur l'environnement, nécessitant moins d'énergie et un faible coût d'opération comparativement aux techniques physiques conventionnelle (Picher, 2002).

22 II.2 Microorganismes impliqués dans la biolixiviation des sulfures métalliques

Les microorganismes sont représentés par diverses formes de vies dont les bactéries, les champignons, les archéobactéries, et les protistes (des plantes microscopiques appelées algues vertes et des animaux tel que le plancton, le planaire et l'amibe). Mais de toutes ces formes de vie, les bactéries sont les plus importantes, c’est ainsi qu’on assimile les microorganismes aux bactéries (Dupont, 2010).

II.2.1 Bactéries

La bactérie est un organisme vivant unicellulaire procaryote. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les bactéries les plus grosses mesurent plus de 2 µm et on considérait que les plus petites mesuraient 0,2 µm, mais il y a peu on a découvert des ultramicrobactéries (Courcol, 2009).

Les bactéries sont ubiquistes et sont présentes dans tous les types de biotopes rencontrés sur terre. Elles peuvent être isolées du sol, des eaux douces, marines ou saumâtres, de l’air, des profondeurs océaniques, des déchets radioactifs, de la croûte terrestre, sur la peau et dans l’intestin des animaux. Il y a environ 40 millions de cellules bactériennes dans un gramme de sol et 1 million de cellules bactériennes dans un millilitre d’eau douce.

Parmi les différents types de bactéries, ce sont les bactéries dites chimiolithotrophes qui vont être utilisées dans la biolixiviation des sulfures métalliques. Ces bactéries utilisent, en absence de la lumière, l’oxydation de certaines substances minérales comme sources d’énergie pour leur synthèse et leur croissance. Suivant le type de substrat métabolisé, le mode d’utilisation du carbone et l’habitat, il existe une diversité parmi les bactéries chimiolithotrophes et parmi celles-ci, les types Acidithiobacillus ont été reconnus comme responsables de la biolixiviation des sulfures métalliques. Le type Acidithiobacillus a comme caractéristique principale de croître dans certaines conditions d’acidité (parfois extrême), d’où le qualificatif

« acidophiles ».

Les bactéries chimiolithotrophes acidophiles peuvent être isolées dans des sources sulfureuse géothermiques acides, dans des anciens terrils miniers, dans des eaux acides de mines.

23 Elles peuvent être réparties, en fonction de leur température optimale de croissance, en trois groupes : les bactéries mésophiles, les bactéries thermophiles modérées et les bactéries thermophiles extrêmes. Ci-après, nous donnons un résumé descriptif de celles qui ont un potentiel important d’application dans la biolixiviation des sulfures métalliques, par leur capacité à catalyser l’oxydation du soufre et du fer.

II.2.1.1 Bactéries mésophiles

Dans cette catégorie de bactéries chimiolithotrophes acidophiles, se trouvent principalement le type Acidithiobacillus et le type Leptospirillum dont la température optimale de croissance se situe en-dessous de 45°C. Dans le type Acidithiobacillus, on peut retrouver des sous-groupes, principalement Acidithiobacillus ferrooxidans et Acidithiobacillus thiooxidans (Karavaiko et al., 1995). Ces bactéries tirent leur énergie de l’oxydation des plusieurs composés de soufre : soufre élémentaire, thiosulfate, sulfure, polythionates et sulfite mais aussi de l’oxydation du fer.

a) Acidithiobacillus ferrooxidans

Cette espèce constitue sans doute la plus abondante et la principale en biolixiviation des sulfures métalliques. Ce sont des tiges gram-négatives, soit polairement ou non flagellées (Bosecker, 1997). Elles sont autotrophes puisqu’elles n’utilisent que le CO₂ comme source de carbone et chimiolithotrophes puisqu’elles tirent l’énergie nécessaire à leur croissance par l’oxydation des composés minéraux de fer et de soufre. Quand elles oxydent les composés soufrés, sulfure d'hydrogène, thiosulfate, polythionates ou le soufre élémentaire, elles produisent des ions H⁺ et abaissent, ainsi, le pH du milieu, souvent en dessous de pH 2 et dans certains cas, le pH atteint des valeurs inférieures à 1.

Il existe, dans cette espèce de bactéries mésophiles, différentes souches caractérisées par des différences de physiologie, de morphologie ou de croissance en fonction de la cinétique d’oxydation du fer. Au cours de l’oxydation du fer, il se trouve que l’accepteur initial d’électron est une petite protéine contenant un atome de cuivre et appelée rusticyanine tandis que l’accepteur final est l’oxygène. Dans cette chaîne de transport, il se trouve aussi impliqués un cytochrome C périplasmique et un cytochrome a1 membranaire.

24 En effet, deux modèles de chaîne de transport d’électron ont été proposés, d’une part, par Rowerder et al. (2003) et, d’autre part, par Blake et al. (2001). Dans le premier modèle, (Figure 6a), le transport d’électron se fait via les substances acides glucuroniques (G^-) contenues dans les EPS (Substances Polymériques Extracellulaires) et illustrant ainsi le mécanisme indirect tandis que dans le deuxième modèle, le transport d’électron se fait directement à travers une protéine appelée l’aporusticyanine (Figure 6b) qui faciliterait le transfert d’électron de la pyrite vers la cellule bactérienne.

Notons qu’il a été démontré aussi que l’oxydation du soufre et/ou des composés soufrés

fournit plus d’énergie aux bactéries comparée à celle fournie par l’oxydation du fer (Yu et al., 2001).

Soufre S⁰ + H20 + 3/2 02 →SO4

+ 2 H⁺ ∆GO = - 786 kJ / mol (II.1) Fer Fe²⁺ + H⁺ + 1/4 O2 →Fe³⁺ +1/2 H20 ∆GO = -33 à - 45 kJ/mol (II.2)

Certaines caractéristiques spécifiques à cette espèce bactérienne à savoir son adaptabilité aux différentes conditions de milieu et aux hautes concentrations de métaux en solution couplée à sa capacité à oxyder la plupart des sulfures d’intérêt métallurgique font de cette bactérie la plus importante et la plus utilisée dans les applications de biolixiviation à l’échelle industrielle.

a) b)

Figure 6 : Modèles de chaînes de transport d’électron au cours de l’oxydation de la pyrite (source : Rowerder et al., 2003 ; Blake et al., 2001)

25 b) Acidithiobacillus thiooxidans

Cette espèce bactérienne fait partie comme Acidithiobacillus ferrooxidans de la catégorie de bactéries mésophiles. Sa morphologie et sa taille ressemble beaucoup à celles de Acidithiobacillus ferrooxidans mais la différence réside dans le fait que cette espèce bactérienne ne catalyse pas l’oxydation du fer mais plutôt celle du soufre élémentaire et ou de ces composés (Picher, 2002).

c) Leptospirillum ferrooxidans (Figure 7)

Cette espèce bactérienne, spiralé et acidophile, utilisant le carbone du CO2 atmosphérique, ne

Cette espèce bactérienne, spiralé et acidophile, utilisant le carbone du CO2 atmosphérique, ne