Quantification 3D de la morphologie des grains d'or
dans les sédiments meubles
Thèse
François-Xavier Masson
Doctorat interuniversitaire en sciences de la Terre
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Quantification 3D de la morphologie des grains d’or
dans les sédiments meubles
Thèse de doctorat
François-Xavier Masson
Sous la direction de :
Georges Beaudoin, directeur de recherche
Denis Laurendeau, codirecteur de recherche
Résumé
La forme des grains d’or est un outil d’exploration communément utilisé pour estimer une distance de transport de la source à un milieu de dépôt afin de retracer la minéralisation primaire. Cette minéralisation est très souvent recouverte par des sédiments meubles, et l’or sert de minéral indicateur pour les gisements aurifères. L’évolution de la forme des grains d’or est principalement étudiée dans trois environnements sédimentaires (glaciaire, fluviatile et éolien). À l’heure actuelle, la morphologie est estimée de façon qualitative ou semi-quantitative et se focalise sur des observations en 2D.
Cette thèse de doctorat aborde la quantification en 3D de la morphologie des grains d’or dans les sédiments meubles avec l’intégration de nouveaux descripteurs de forme. La microtomographie aux rayons X et la photogrammétrie des images produites par le microscope électronique à balayage sont deux méthodes utilisées pour reconstruire la forme des grains d’or en 3D. Ces méthodes complémentaires ont permis d’analyser une large gamme de tailles de particules (entre 35,3 µm et 909,4 µm). Les dimensions, la surface et le volume sont des paramètres directement mesurés sur le modèle 3D du grain afin de calculer différents descripteurs de forme servant à caractériser la particule. Trois nouveaux descripteurs de forme basés sur des paramètres volumétriques sont proposés afin de décrire l’ellipticité (l’ellipticity shape descriptor et le convexity and ellipticity shape descriptor) et la sphéricité (l’inscribed sphericity). Finalement, des descripteurs d’aplatissement, d’arrondi, de convexité, de sphéricité et d’ellipticité sont utilisés pour estimer la morphologie des grains d’or.
L’évolution de ces descripteurs de forme est évaluée sur deux cas d’études. En terrain glaciaire (gisement d’or Amaruq, Nunavut, Canada), l’évolution morphologique des grains d’or varie en fonction de la taille des particules. Sur un transect de 2 km, où la source de la minéralisation est connue, les variations morphologiques montrent une légère diminution de l’arrondi, de la compacité, de la sphéricité et de l’ellipticité des particules fines (< 85 µm) avec la distance de transport, tandis que ces descripteurs de forme augmentent pour des particules grossières (> 85 µm). Cette étude appliquée sur un petit nombre de grains (n = 18) montre que la quantification morphométrique 3D permet de détecter de fines variations de la forme en fonction de la distance à la source. Dans le domaine fluviatile, l’évolution de la morphologie des grains d’or (n = 13) est établie le long de la Rivière du Moulin (Québec, Canada) s’écoulant sur 9 km. Dans ce cas d’étude, la source de la minéralisation est inconnue et rend l’interprétation de l’évolution des descripteurs de forme complexe. Les indices d’aplatissement, de convexité et de sphéricité ne montrent pas d’évolution significative le long de la rivière, cependant l'ellipticité diminue légèrement, tandis que l’arrondi augmente avec l'augmentation de la distance de transport.
Cette étude apporte de nouvelles perspectives en exploration minérale et en sédimentologie pour décrire la forme des particules fines de façon quantitative. Elle peut être adaptée pour d’autres minéraux afin de déterminer une évolution des caractères morphologiques et d’estimer une distance de transport entre une source et un lieu de dépôt.
Abstract
The shape of gold grains is an exploration tool commonly used to estimate a distance of transport from the source to the deposition site in order to trace the primary mineralization. Mineralization in bedrock is frequently covered by Quaternary sediments, and gold grains are used as an indicator mineral for gold deposits. The change of gold grains shape is mainly studied in three sedimentary environments (glacial, fluvial, and eolian). At present, the morphology of gold grains is estimated qualitatively or semi-quantitatively and focuses on 2D observations only.
This Ph.D. thesis investigates the 3D quantification of gold grains morphology in Quaternary sediments with the application of new 3D shape descriptors. X-ray microtomography and photogrammetry of scanning electron microscope images are two methods used to reconstruct the morphology of gold grains in 3D. These complementary methods allowed to analyze a wide range of particle sizes (between 35.3 µm and 909.4 µm). Dimensions, surface area, and volume are shape parameters directly measured on the 3D model of the grain in order to compute various shape descriptors used to characterize the particle. Three new shape descriptors based on volumetric parameters are proposed to describe ellipticity (ellipticity shape descriptor and convexity and ellipticity shape descriptor) and sphericity (inscribed sphericity). Finally, flatness, roundness, convexity, sphericity, and ellipticity descriptors are used to estimate the morphology of gold grains.
The change of these shape descriptors during transport is investigated in 2 case studies. In glaciated terrain (Amaruq gold deposit, Nunavut, Canada), the change of gold grains shape varies with the particle size. Along a 2 km transect, where the source of the mineralization is known, morphological variations show a slight decrease of roundness, compactness, sphericity, and ellipticity of smaller particles (< 85 µm) with increasing transport distance, whereas these shape descriptors increase for larger particles (> 85 µm). This study applied on a small number of grains (n = 18) shows that 3D morphometric quantification enables to identify slight variations of the shape according to the distance from the source. In the fluvial domain, the change of gold grains morphology (n = 13) is studied along the 9 km of the Rivière du Moulin (Quebec, Canada). In this case study, the source of the mineralization is unknown and the morphological change is complex. The flatness, convexity and sphericity indices do not show significant evolution along the river, however the ellipticity decreases slightly, while roundness increases with increasing transport distance.
This study provides new insights into mineral exploration and sedimentology to describe quantitatively the morphology of sedimentary particles. It can be applied to other minerals in order to determine the morphological change and to estimate the distance of transport from the source to the site of deposition.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Table des matières ... vi
Liste des figures ... ix
Liste des tableaux ... x
Liste des abréviations, sigles, acronymes ... xi
Remerciements ... xiv
Avant-propos... xvii
Introduction ...1
1. Quantification of the morphology of gold grains in 3D using X-ray microscopy and SEM photogrammetry ... 12 1.1. Résumé ... 13 1.2. Abstract ... 14 1.3. Introduction ... 15 1.4. Methods ... 16 1.4.1. Shape descriptors ... 16 1.4.2. Gold grains ... 18 1.4.3. Microtomography ... 18
1.4.4. 3D SEM and photogrammetry ... 20
1.5. Results ... 22
1.5.1. Estimates of shape parameters ... 22
1.5.2. Estimates of shape descriptors ... 27
1.6. Discussion ... 28
1.6.1. Comparison between the two 3D methods ... 28
2.2. Abstract ... 39
2.3. Introduction ... 40
2.4. Analytical methods and gold grains samples ... 41
2.5. Geological setting ... 42
2.6. 3D shape descriptors ... 43
2.7. Results ... 44
2.7.1. Variations of shape descriptors and geometry of gold grains ... 44
2.7.2. New shape descriptors... 47
2.7.3. Gold grains from surficial sediments and comparison of new shape descriptors ... 48
2.7.4. Application to mineral exploration: the Amaruq orogenic gold deposit ... 54
2.8. Discussion ... 57
2.8.1. Limitations of gold grains shape quantification... 57
2.8.2. Influence of the reconstruction method ... 58
2.8.3. Correlation of 3D shape descriptors ... 59
2.8.4. Change of 3D shape descriptors with distance from the Amaruq gold deposit ... 60
2.8.5. Classification and 3D shape descriptors ... 61
2.9. Conclusion ... 63
2.10. Acknowledgments ... 64
2.11. References... 64
3. Multi-method 3D reconstruction of evolving gold grains morphology in alluvial deposits: Rivière du Moulin (Québec, Canada) ... 67
3.1. Résumé ... 68
3.2. Abstract ... 69
3.3. Introduction ... 70
3.4. Geological setting ... 71
3.5. Methods ... 72
3.5.1. Gold grain selection ... 72
3.5.2. Shape descriptors ... 73
3.5.3. 3D reconstruction of gold grains ... 74
3.6. Results ... 78
3.7. Discussion ... 80
3.7.1. 3D quantification, shape parameters, and shape descriptors... 80
3.7.2. Change of gold grains shape along the Rivière du Moulin ... 81
3.9. Acknowledgments ... 85
3.10. References... 85
Conclusion ... 89
Liste des figures
Figure I. Images MEB de grains d'or provenant de till, illustrant la relation entre l'usure des grains et la distance de transport glaciaire (modifié d’après Averill, 2001).
Figure II. Images MEB de grains d'or provenant de la source et de sédiments fluviatiles (modifié d’après Youngson and Craw, 1999).
Figure III. Images MEB de grains d'or provenant de sédiments éoliens (modifié d’après Youngson, 2005).
Figure 1.1. Methodology for the construction of the µCT model.
Figure 1.2. Methodology for the construction of the 3D SEM photogrammetry model. Figure 1.3. Morphological parameters obtained with the µCT method on the gold grain 1.
Figure 1.4. Morphological parameters obtained with the 3D SEM photogrammetry method on the gold grain 1.
Figure 1.5. SEM images, 3D meshes, and shape parameters for SEM photogrammetry and µCT methods.
Figure 2.1. Quaternary geological map of the Amaruq gold deposit area (after Boulianne-Verschelden et al., 2019).
Figure 2.2. 3D reconstruction of four gold grains with different shapes using SEM photogrammetry and µCT methods (modified after Masson et al., 2020).
Figure 2.3. 3D reconstructions of the 48 gold grains from glacial, fluvial, and eolian sediments.
Figure 2.4. Correlations between common and new 3D shape descriptors applied to the 48 gold grains. Figure 2.5. 3D reconstructions of gold gains from the Amaruq gold deposit transect.
Figure 2.6. Change of shape descriptors according to the distance of transport from the Amaruq deposit area.
Figure 2.7. Normalized proportions of pristine, modified and reshaped grains along the Amaruq transect and changes of the main 3D shape descriptors.
Figure 3.1. Quaternary geological map (based on SIGÉOM data) of the Rivière du Moulin with the location of the samples.
Figure 3.2. Reconstruction of the morphology of a gold grain in 3D with the SEM photogrammetry method.
Figure 3.3. Reconstruction of the morphology of a gold grain in 3D with the µCT method. Figure 3.4. 3D reconstructions of the alluvial gold grains collected in the Rivière du Moulin.
Figure 3.5. Change of flatness, sphericity, roundness, convexity, a combination of convexity and ellipticity, and ellipticity shape descriptors according to distance along the Rivière du Moulin. Figure 3.6. Change of two roundness shape descriptors according to distance along the Rivière du
Liste des tableaux
Tableau I. Résumé des communications scientifiques.
Tableau II. Caractéristiques de l’évolution des grains d’or provenant d’environnements sédimentaires différents en fonction de la distance de transport (modifié d’après Townley et al., 2003). Table 1.1. Common shape descriptors (after Blott and Pye, 2008).
Table 1.2. Average shape parameters measured and standard deviations for gold grain 1.
Table 1.3. Average shape descriptors computed for gold grain 1 and the differences between the two methods expressed for gold grains 1 to 4.
Table 1.4. Comparison of shape parameters and computed shape descriptors between 2D SEM and 3D SEM, for gold grain 1.
Table 2.1. 3D shape descriptors.
Table 2.2. Difference between the µCT and SEM photogrammetry methods on the 3D shape parameters and descriptors estimates (Table 2.1) of four gold grains with various shapes (Fig. 2.2).
Table 2.3. New 3D shape descriptors.
Table 2.4. Difference between the µCT and SEM photogrammetry methods on the new shape descriptors estimates (Table 2.3) of four gold grains with various shapes (Fig. 2.2).
Table 2.5. Shape parameters of the 48 gold grains from glacial, fluvial and eolian deposits.
Table 2.6. Shape descriptors estimates of the 48 gold grains from glacial, fluvial and eolian deposits. Table 2.7. Shape parameters and descriptors for gold grains from the transect northwest of the
Amaruq gold deposit.
Table 3.1. Shape descriptors used to quantify the morphology of gold grains.
Table 3.2. Shape parameters and descriptors estimates of gold grains from the Rivière du Moulin (represented by distance in km).
Liste des abréviations, sigles, acronymes
Méthodes analytiques
MEB – SEM Microscope Électronique à Balayage - Scanning Electron Microscope MRX – XRM Microscope à Rayons-X – X-Ray Microscope
µCT Microtomographie aux rayons X – Micro-Computed Tomography 2D Deux dimensions – Two-dimensions
3D Trois dimensions – Three-dimensions keV Kiloélectronvolt - Kiloelectronvolt µA Microampère - Micro-ampere µm Micromètre – Micrometer
Paramètres de forme
L Axe long – Long axis
I Axe intermédiaire – Intermediate axis S Axe court – Short axis
M Axe maximal – Maximum axis
Dic Diamètre de la plus grande sphère inscrite – Diameter of the largest inscribed sphere
Dsc Diamètre de la plus petite sphère circonscrite – Diameter of the smallest circumscribed sphere Ri Rayon de la plus grande sphère inscrite – Radius of the largest inscribed sphere
Rc Rayon de la plus petite sphère circonscrite – Radius of the smallest circumscribed sphere A Aire de la particule – Surface area of the particle
En Aire d’un ellipsoïde – Surface area of an ellipsoid V Volume de la particule – Volume of the particle
Vch Volume de l’enveloppe convexe – Volume of the convex hull
Vcs Volume de la sphère circonscrite – Volume of the circumscribed sphere
Vs Volume de la sphère de diamètre S – Volume of a sphere with a diameter equal to S Vel Volume d’un ellipsoïde – Volume of an ellipsoid
Descripteurs de forme
Fr Ratio d’aplatissement – Flatness ratio Er Ratio d’allongement – Elongation ratio Eqr Ratio d’équancy – Equancy ratio
FI Indice d’aplatissement de Wentworth – Wentworth flatness index CSF Facteur de forme de Corey – Corey shape factor
E Facteur de forme de Janke – Janke form factor
F Facteur de forme d’Aschenbrenner – Aschenbrenner shape factor W Facteur de forme de Williams – Williams shape factor
O-P Indice Oblate-Prolate – Oblate-Prolate index
Hr Indice de vitesse de sédimentation – Settling velocity index Ψ.k Sphéricité de Krumbein – Krumbein sphericity
Ψ.m Sphéricité de projection maximum – Maximum projection sphericity Ψ.a Sphéricité d’Aschenbrenner – Aschenbrenner sphericity
Ψ Degré de sphéricité exacte – Degree of true sphericity Ψ.op Sphericité opérationnelle – Operational sphericity Ψ.ic Sphéricité du cercle inscrit – Inscribed circle sphericity Ψ.is Sphéricité inscrite – Inscribed sphericity
I.sph Indice de sphéricité – Sphericity index Es Indice Es – Es index
Ir Indice d’arrondi Ir – Ir roundness index Xs Indice d’arrondi Xs – Xs roundness index Co Indice de convexité – Convexity index
Esd Descripteur de forme d’ellipticité – Ellipticity shape descriptor
CE Descripteur de forme de compacité et d’ellipticité – Convexity and ellipticity shape descriptor I.vd Indice de déviation de volume – Volume deflection index
Remerciements
« … Tu vas voir quand il te reste que les remerciements c’est que la thèse est finie ! En plus, c’est le chapitre que tout le monde lit hein. » Pression Frankick ! Eh bien voilà c’est mon tour. J’entame donc cette partie délicate en déposant un premier vinyle sur ma table tournante : Kruder & Dorfmeister – The K&D session afin de résumer ces 5 années de thèse de doctorat semées de joie, de détresse (ça va mieux), de discussions et de rencontres.
Face A-B. Le commencement : nous sommes le 22 septembre 2015, il est 16h44, je reçois un courriel de
Georges, ayant pour objet : Projet de recherche - mesure quantitative de la forme des grains d’or. La suite vous la connaissez, ou en tout cas vous allez la connaitre en découvrant ce manuscrit. Je commence donc ces remerciements par un énorme merci à Georges d’avoir développé ce projet ainsi qu’à Denis en acceptant d’être mon co-directeur, avec tous les défis qui en découlent. Mais que serait un projet de doctorat sans défis, sans idées saugrenues à réaliser, sans sortir de réunions en ayant plus d’interrogations que de réponses ? Je me le demande encore. Le jeune chercheur qui a posé ses valises en janvier 2016 n’en sort que grandit par cette expérience tantôt géologique tantôt numérique et visuelle. Ce projet défini en une phrase dans le premier courriel reçu s’est transformé en un manuscrit d’une centaine de pages et montre bien le chemin parcouru grâce à votre soutien et d’intenses discussions. Jouer avec des grains d’or microscopiques n’est pas facile surtout quand ils se font la malle en les piquant sous une loupe binoculaire (ou quand ils ne s’envolent pas dans la chambre d’observation du MEB…), mais la persévérance est la clé du succès, je peux maintenant valider cette expression. J’ai beaucoup appris à vos côtés durant toutes ces années et je vous en remercie.
Face C-D. Cette thèse est également le fruit de plusieurs collaborations et de corrections pour améliorer
l’écriture des articles présents dans ce manuscrit. Je remercie Pierre Francus, Isabelle McMartin et Éric Pirard pour leurs corrections, conseils et suggestions afin d’améliorer le rendu de cette thèse ainsi que d’avoir accepté de l’évaluer. Je poursuis en remerciant tous les membres permanents du Département de Géologie et de Génie Géologique de l’Université Laval qui m’ont permis d’avancer dans mon projet de recherche. Martin et Edmond, merci pour votre patience, car un étudiant qui demande à multiples reprises
Face E-F. Mais comment analyser des grains d’or sans les avoir récoltés ? En les demandant ? Non non,
par expérience, cette méthode fonctionne rarement. Le meilleur moyen est de les récolter directement sur le terrain le bonheur du géologue. De ce fait, je remercie Victor et Nicolas pour votre échantillonnage en terrain nordique d’une efficacité exceptionnelle. J’insiste sur le terme exceptionnel, car vu le nombre de grains d’or récoltés il n’y a pas d’autres mots. Je tiens également à remercier Émilie et Roman pour leur aide précieuse durant l’échantillonnage de cette fameuse Rivière du Moulin. Que ce soit pour porter les multiples chaudières de 30 kg en terrain vallonné, mais aussi et surtout pour avoir découvert l’art de l’orpaillage. Enfin, je remercie Hugo pour son aide dans l’échantillonnage des dunes autour de Val-d’Or, ce fut un franc succès. Je remercie aussi Donald de m’avoir « sauvé » en m’accompagnant pour mon dernier jour d’échantillonnage. La prochaine fois, je penserai à apporter mon permis de conduire, c’est tout de même plus pratique pour louer un char… Les bières du prospecteur étaient méritées !
Face G-H. En parlant de bières, je ferais bien de remercier la Nord-Est dès maintenant avant de l’oublier,
et merci à Foub’, Bill, Jules et Jim de m’avoir initié à cette douce et enivrante boisson. Plus sérieusement, je remercie mes compagnons de bureaux et du corridor au troisième étage du bâtiment Adrien-Pouliot : Ana, Adina, Alex, Antoino, Chao, Donald, Fred, Haiming, JD, JP, Marcus, Marjorie, Micha, Nelly, PH, Renato, Rod, Roman, Sophie, Tony, Victor on en a bavé pour ces grains d’Amaruq, mais quand vient la poutine du vendredi on les oublie vite. Ces longues pauses-midi à partager nos aventures et réaliser que tout le monde est dans le même bateau c’est tout de même rassurant. Heureusement que les activités extra-scolaires ne manquaient pas, j’en citerais quelques-unes : pétanque, curling, 5 à 7 souvent 3, hockey let’s goo Blues, réalisation de plusieurs déguisements dont le kit-kat ou le crush soda, chalets, ski et luge nocturne sur pistes fraichement damées…Bref, pas le temps de niaiser ! Je remercie également mes compagnons du chapitre étudiant SEG. J’ai pu découvrir : la géologie de Sudbury ainsi que les techniques pour jouer au Risk à l’arrière d’un van sur les routes de l’Ontario; la géologie de différents gisements en Arizona-Nevada-Utah. J’ai perdu 30$ à Vegas, mais les tacos ont su me réconforter « daaammn ». Je remercie mes compagnons de congrès qui m’ont accompagné : aux Voûtes à Québec-Mines « mais assuuume !! »; à Vancouver intense ce barbecue sur le rooftop; aux congrès SGA à Québec les 3 Brasseurs et la Ninkasi s’en souviennent et à Glasgow fameux whisky.
Face I-J. S’en viennent les Ami(e)s ! La seconde famille dirons-nous. Ah la vache ! Il y aurait beaucoup à
dire, mais je vais tenter d’être concis en évoquant quelques événements marquants. Tout d’abord, je remercie Arnaud qui, en plus de la liquid drum and bass et du jeu dumble, m’a fait découvrir Québec à mon arrivée. Puis en découle une longue série de rencontres… Adèle, Alan, Andrea, Charlotte, Elsa, François, Helios et Mab « la musique est incroyable », Marie-Claude, Nast, Vivien, mais également… Alice, Anne So, Bastien, Blandine, David, Guillaume, Hugo, Jean-Jacques, Kuz, Laura, Manon, Manu, Marius, Nisho, Pierre, Pénélope, Raph, Romain, Romaing, Steffie, Tom, Vincent, Victor… j’en oublie certainement, les remerciements sont aussi source d’angoisse quand il s’agit de faire une liste nominative. Sans mettre les pieds dans le plat, je voudrais ajouter une mention spéciale à Antoine (Pseudosection P-T-t pathhh), Sophie (aka Nuts), Benoît (aka Gras d’Pitt), Marie Jo (Ça craint !), et Steph(anitoos)… Chaudard. Je peux enfin dire que j’ai pu « jeter mon caillou dans l’immeuble » en déposant cette thèse. Un énorme merci à vous tous de m’avoir soutenu au cours de ce long périple. Ce n’est pas facile de combiner travail, plein air et découverte de la vie nocturne de Québec et Montréal… Puis un chalet, une rando ou canot-camping, une session de ski au Massif de Charlevoix, 10 jours de Festival d’Été de Québec (en enchainant sur une finale de coupe du monde au Billig) n’auraient bien évidemment pas eu la même saveur sans vous. Pour conclure, je remercie les Géos de tout horizon, entre Grenoble et Rennes, qui m’ont accompagné durant mes 11 années universitaires, les Saint-Louisard meusiens ou ma passion pour la géologie a débuté en haut du Chenaillet et des glaciers alpins et bien évidement ma famille qui continuent à me supporter bien que je sois le seul collectionneur et « lécheur » de cailloux de la famille.
Il est maintenant temps de terminer ces remerciements, d’envoyer ce manuscrit et de changer de vinyle. Hé Fini !
Avant-propos
Ce doctorat fait partie des projets de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-Agnico Eagle en exploration minérale qui a pour objectif le développement de nouveaux outils pour l’exploration minérale. Le projet vise à utiliser l’or natif comme minéral indicateur des gisements d’or. L’étude de la morphologie et de l’évolution de la forme permet d’identifier la source et l’objectif est de quantifier cette déformation dans les sédiments meubles.
L’introduction présente l’état de l’art, la problématique et les objectifs de cette thèse. Les chapitres 1, 2, et 3 présentent les articles scientifiques des travaux réalisés au cours de ce projet afin de répondre à la problématique. La conclusion présente le détail des objectifs réalisés et une réponse à la problématique initiale, en incluant des éléments de perspectives.
Ce projet de doctorat est le fruit d’une collaboration entre mon encadrant principal Georges Beaudoin et mon co-encadrant Denis Laurendeau. J’ai réalisé la récolte des échantillons fluviatiles dans la Rivière du Moulin (Québec, Canada) avec Émilie Bédard et Roman Hanes, ainsi que des échantillons éoliens dans des dunes de sable dans la région de Val-d’Or (Québec, Canada) avec Hugo Dubé-Loubert. La récolte des échantillons glaciaires dans le gisement d’or Amaruq (Nunavut, Canada) a été réalisée par Victor de Bronac de Vazelhes et Nicolas Boulianne-Verschelden. L’acquisition des analyses avec le microscope à rayons X 3D provient d’une collaboration avec Rui Tahara (Université McGill). J’ai réalisé l’assemblage de tous les grains d’or récoltés pour les manipulations ainsi que l’analyse des sept premiers grains afin d’améliorer l’installation. Rui a analysé le reste des échantillons. L’acquisition au microscope électronique à balayage a été réalisée avec Stéphane Gagnon (Université Laval). J’ai réalisé l’installation des grains et assisté Stéphane dans la manipulation de l’appareil pour l’acquisition des images. J’ai réalisé le traitement des analyses, les interprétations et l’écriture des trois articles, avec l’aide et la relecture de mes encadrants ainsi que des collègues de l’Université Laval. Je suis l’auteur principal de ces articles et mes encadrants sont co-auteurs de ces publications scientifiques.
Le chapitre 1, intitulé Quantification of the morphology of gold grains in 3D using X-ray microscopy and SEM photogrammetry, par François-Xavier Masson, Georges Beaudoin et Denis Laurendeau, est un article publié dans le journal Journal of Sedimentary Research, du mois de mars 2020 et diffusé en ligne le 23 mars 2020. Cet article présente et compare les résultats des deux méthodes d’analyse sur un grain d’or et ouvre la perspective de la quantification des autres grains pour développer l’application dans les environnements quaternaires. Le chapitre 2, intitulé Quantitative 3D shape descriptors of gold grains from Quaternary sediments: application to mineral exploration in glaciated terrain, Amaruq orogenic gold deposit (Nunavut, Canada), par François-Xavier Masson, Georges Beaudoin et Denis Laurendeau, est un article en cours de soumission pour un journal spécialisé dans
l’exploration minérale. Cet article présente la quantification morphologique de tous les grains d’or récoltés sur le terrain et intègre deux nouveaux descripteurs de forme pour compléter les descripteurs 3D existants. Une application de la méthode d’exploration en milieu glaciaire est réalisée sur le gisement d’or d’Amaruq.
Le chapitre 3, intitulé Multi-method 3D reconstruction of evolving gold grains morphology in alluvial deposits : Rivière du Moulin (Québec, Canada), par François-Xavier Masson, Georges Beaudoin et Denis Laurendeau, est un article en cours de révision pour le volume spécial « Recent advances in understanding gold deposits : from orogeny to alluvium » de la Geological Society of London. Le titre et les auteurs ont été validés par le comité de soumission. Cet article présente la quantification morphologique des grains d’or fluviatiles avec les deux méthodes d’analyse ainsi que l’évolution de la forme des particules dans la rivière du Moulin.
J’ai également eu l’opportunité de présenter les résultats de ce travail à travers la réalisation d’affiches et de présentations orales pour des ateliers et des conférences locales et internationales (Tableau I).
Introduction
État de l’art
L’or est un métal précieux très convoité pour sa valeur comme monnaie de référence, mais aussi pour ses propriétés physiques et chimiques. Il est essentiellement utilisé pour la joaillerie, mais sert également dans l’électronique, la nanotechnologie, la chimie et la médecine. L’or natif est peu fréquent et les pépites retrouvées dans les sédiments comportent un taux non négligeable d’argent et de cuivre. Il existe plusieurs alliages fabriqués à partir d’or et des proportions de cuivre, d’argent, de palladium, de nickel, de rhodium et de zinc pour améliorer leurs propriétés mécaniques ou chimiques. C’est un matériel qui a, avec les éléments du groupe du platine, la densité la plus importante (Garnett and Bassett, 2005), avec une valeur de 19,28 g/cm3. Sur l’échelle de Mohs, la dureté de l’or est comprise entre 2.5 et 3.0. L’or
est malléable et peut donc facilement se déformer à la moindre interaction avec des roches plus dures. Les grains d’or dans la minéralisation comportent une forme primaire, mais ils sont soumis à des déformations physiques et des processus de dissolution-précipitation lors de sa libération depuis la roche mère jusqu’à la diagenèse dans les sédiments. L’étude de la morphologie de l’or est utilisée dans la prospection pour estimer une distance à la source en fonction d’un mode de transport (e.g. Hérail et al., 1990; Grant et al., 1991; Knight et al., 1999; Townley et al., 2003) tandis que la chimie permet de retracer le type de la source (Hérail et al., 1990; Townley et al., 2003 ; Liu et al., 2019).
Cycle de l’or
Les grains d’or natif retrouvés dans les sédiments meubles peuvent avoir plusieurs sources : (i) l’érosion des roches du socle enrichies en or, comme la destruction des veines de quartz ou des sulfures tels que la pyrite, la chalcopyrite, l’arsénopyrite et la galène, (ii) l’érosion et la remobilisation des paléoplacers. Le cycle de l’or et sa concentration dans la croûte terrestre sont contrôlés par les interactions entre la composition de l’atmosphère (pression partielle de O2, S, CO2 et CH4), l’évolution du manteau
et la biologie terrestre. D’après Frimmel and Hennigh (2015), les premières concentrations d’or résulteraient de l’évolution biologique et atmosphérique durant le Mésoarchéen et la formation d’or orogénique durant le Néoarchéen. Heinrich (2015) propose qu’un volume important de gaz sulfureux serait à l’origine de pluies acides qui, en interaction avec le sol, vont dissoudre et transporter l’or dans les eaux de surface, sous forme de complexe or-soufre. La précipitation de cet or serait contrôlée par la réduction de ces complexes dans la matière organique contenue dans les lacs et les bassins. L’écoulement de ces eaux de surface et l’action des vents retravaillent l’or pour former des placers. À partir de 2.6 Ga, les cycles orogéniques participent à la concentration d’or. La destruction par érosion des placers et des
gisements d’or orogénique conduit à la dispersion de l’or dans des placers plus jeunes (Frimmel and Hennigh, 2015). Ce sont durant ces processus, que la morphologie du grain d’or primaire est susceptible de varier.
À l’origine, l’or est disséminé dans une matrice, associé à des phases sulfurées, oxydées ou en associations avec des silicates. La taille des grains dans la minéralisation est très variable. Elle est généralement comprise entre 1 µm et 100 µm, mais peut atteindre 500 µm (Bonev et al., 2002; Craw et al., 2015; Zhou et al., 2016; Izaguirre et al., 2017). La morphologie de l’or est aussi très variée dans un gisement et les observations en lames minces ne procurent qu’une partie de l’information sur la forme globale du grain. À cause de l’angle de coupe en lame mince, la reconnaissance de la forme et la taille est subjective et apparente. Les grains d’or dans la minéralisation peuvent être ramifiés, irréguliers et allongés avec des bordures généralement franches (Bonev et al., 2002; Zhou et al., 2016; Izaguirre et al., 2017). Les placers formés par concentrations de sédiments à forte densité sont aussi une source des grains transportés. La taille des grains d’or peut atteindre l’ordre du millimètre et est généralement supérieure à la minéralisation primaire (Craw et al., 2013; Melchiorre and Henderson, 2019). Ces critères ne sont pas représentatifs de tous les gisements aurifères, mais ils montrent la diversité des morphologies, quel que soit le type de gîte.
La forme d’un grain détritique est facteur de son environnement de dépôt en fonction de la distance et du mode de transport, qu’il soit glaciaire, fluviatile ou éolien. Ainsi, les textures en surface, les contours, les inclusions minérales et l’indice d’aplatissement sont mesurés pour estimer une distance à la source aurifère (Tableau I). Des inclusions (quartz, pyrite et oxydes de fer), un indice d’aplatissement élevé (> 4), des surfaces qui deviennent plus régulières, polies et martelées sont les signes d’un accroissement de la distance à la source (Townley et al., 2003). Ces estimations dépendent en grande partie de l’agent de transport, de l’environnement de dépôt du grain d’or, de la diagenèse et du moment de libération de l’or de sa gangue primaire (Groen et al., 1990 ; Eyles, 1995; Townley et al., 2003; Craw et al., 2016).
Morphologie des grains d’or dans le domaine glaciaire
Le till est caractérisé par des sédiments non stratifiés, peu ou non triés, transportés ou déposés par un glacier (Nichol and Bjorklund, 1973). Ils sont classés selon leur granulométrie, leur degré de compaction, leur structure sédimentaire et la lithologie des clastes. Il existe deux principaux types de till: 1) les tills de fond sont des diamictons compacts, massifs et pseudo-foliés formés à la base du glacier et issus des roches du socle érodé. Ce till peut contenir des débris directement déposés par (i) traction sous le lit du glacier, (ii) la fonte sous glaciaire, (iii) la déformation et l’assimilation des sédiments (iv) dépôt dans des cavités basales (Bennett and Glasser., 2009). La distance parcourue par le till de fond est très variable ce qui n’exclue pas une source distale de ces diamictons (Evans et al., 2006). 2) les tills d’ablation sont des rudites meubles déposées de façon irrégulière et aléatoire lors de la fonte du glacier (Bennett and Glasser., 2009). Lors des épisodes de glaciation, l’action des glaciers qui recoupent et érodent des zones minéralisées participe à l’accumulation des grains d’or dans les sédiments en aval des sources (Hérail et al., 1989). Le système tend à disperser l’or préexistant au cours de son évolution (Eyles and Kocsis, 1989). Miller (1984) suggère un modèle simplifié de dispersion glaciaire, évoluant sur plusieurs kilomètres et variant selon l’orientation de la source et l’écoulement glaciaire. La granulométrie moyenne de l’or dans le till se trouve généralement entre 5 et 150 µm et 80 à 90 % des grains sont silteux, ce qui représente une taille inférieure à 63 µm (Averil, 2001).
Fig. I. Images MEB de grains d'or provenant de till, illustrant la relation entre l'usure des grains et la distance de transport glaciaire
(modifié d’après Averill, 2001).
La forme et la texture des grains d’or dans le till sont classées selon trois morphologies (DiLabio, 1990; DiLabio, 1991; Averill, 2001; McClenaghan, 2001) : délicat, modifié et remodelé (Fig. I). Le grain
« délicat » ou intact est la forme représentative d’un grain proche de la source minéralisée (0 à 500 m) et qui n’a pas, ou peu, subi de transformations pendant le transport glaciaire. Il est caractérisé par une forme en baguette, en bloc angulaire ou en feuillet (DiLabio, 1991). L’abondance de cette morphologie indique une proximité de la source. Cependant, le transport sur de grandes distances d’agrégats de minéraux aurifères tels que des sulfures, des silicates et des carbonates peut libérer des grains de forme primitive loin de la source et donc l’estimation de la distance de transport peut être biaisée (DiLabio, 1991). Le grain « modifié » conserve la forme et la plupart des textures d’un grain délicat. Cependant l’ensemble du grain est dégradé, plissé, recroquevillé, chiffonné, émoussé et modérément strié. La texture devient feutrée et l’aspect lisse est perdu. Toutes ces différences résultent des impacts entre les grains et du phénomène d’abrasion au cours du transport. Une distance moyenne de transport entre 100 m et 1 km de la source est avancée selon les régions et les auteurs (Averill and Zimmerman, 1986; DiLabio, 1991; Grant et al., 1991; Averill, 2001). Le grain « remodelé » ne conserve pas la forme ni la texture d’un grain délicat. Il a des contours arrondis sous la forme discoïdale, de bloc, de baguette, de pépite ou de feuille plissée. Le résultat final de cette forte déformation se caractérise par une forme de paillette ou de disque, avec des marques d’écrasement et d’aplatissement (Hérail et al., 1989; DiLabio, 1991). Les stries en surface sont rares et l’aspect feutré et écailleux est davantage présent. Le grain développe une apparence spongieuse et les inclusions d’éléments tels que les oxydes de fer, de titane et de quartz se logent dans ses cavités (Hérail et al., 1989; DiLabio, 1991; Saarnisto et al., 1991). L’estimation de la distance de transport de ces grains remodelés est supérieure à 1 km. La proportion de grains trouvée dans les sédiments donne une estimation sur la distance à la source même si ce facteur reste qualitatif.
Morphologie des grains d’or dans le domaine fluviatile
Les alluvions transportées dans les cours d’eau sont composées de galets, de graviers, de sable, de silt et d’argiles. Le transport des particules (en solution, en suspension et de fond) en domaine fluviatile dépend du diamètre, de la densité et du type d’écoulement (Hjulström, 1935). L’hydrodynamique du cours d’eau concentre par tri mécanique les minéraux lourds tels que le diamant, le rutile, la monazite, le zircon et l’or. La taille et la forme des grains d’or changent durant le transport fluviatile en fonction de la
L’évolution typique de la morphologie d’un grain fluviatile est décrite comme (Fig. II) : irrégulière et peu arrondie à ou proche de la source ; très arrondie en bordures et peu abrasée (5,1 km) ; aplatie et abrasée (75 km) ; plate avec des structures plissées et replissées (180 km).
Fig. II. Images MEB de grains d'or provenant de la source et de sédiments fluviatiles (modifié d’après Youngson and Craw, 1999).
Le premier provient de la source, et les trois suivants montrent l’évolution de la morphologie en fonction de la distance de transport, avec un grain plus arrondi sur les bords (5,1 km), un grain aplati (75 km) et un grain plissé et replissé (180 km).
La forme et la texture des grains sont utilisées pour quantifier l’évolution de la morphologie au cours du transport fluviatile (Giusti, 1986; Hérail et al., 1990; Knight et al., 1999; Youngson and Craw, 1999; Barrios., 2015) : 1) les indices d’aplatissement de Wentworth (1922), et de Corey (1949) montrent une augmentation de l’aplatissement des grains avec la distance de transport. Cette augmentation est principalement due au martelage des particules sédimentaires dans la rivière (Knight et al., 1999). À titre d’exemple, l’indice d’aplatissement de Wentworth peut augmenter de 1,8 proche de la source à > 11 pour des grains après un transport de 75 km et 180 km (Youngson and Craw, 1999). L’aplatissement atteint une valeur limite avec la distance en fonction des propriétés hydrodynamiques du cours d’eau et de la granulométrie (Hérail et al., 1990) ; 2) La sphéricité et l’arrondi augmentent également avec la distance de transport. Ils sont évalués grâce à la charte visuelle de Powers (1953). Les textures en surface, telles que les bordures arrondies et les figures d’abrasion, sont également plus marquées quand la distance de transport augmente (Youngson and Craw, 1999). Le martelage est un processus de déformation majeur qui émousse les bordures des particules de taille comprise entre 60 et 8000 µm (Tishchenko, 1981).
L’abrasion est un phénomène de frottement présent dans le cours d’eau qui affecte l’arrondi et la rugosité du grain pour des particules supérieures à 32 µm (Utter, 1980). Ces deux processus sont également liés à l’augmentation de l’aplatissement du grain et la réduction de taille au cours du transport (Knight et al., 1999) ; 3) les formes de contour (ramifié, irrégulier, équant et allongé) sont aussi utilisées pour estimer une forme globale de la particule.
Morphologie des grains d’or dans le domaine éolien
Le transport des grains dans le domaine éolien est similaire au domaine fluviatile. Cependant, la faible densité et viscosité de l’air par rapport à l’eau contraint le système à déplacer des particules plus petites, mais de façon plus énergique (Pye, 1995). La granulométrie de l’or est comprise entre 2 µm et 1000 µm, avec des déplacements par glissement, roulement, saltation et suspension à long et court terme. Durant la formation d’un lœss, le degré de turbulence et de dispersion augmente proportionnellement à la vitesse du vent (Pye, 1995). En effet, selon les modèles de Tsoar and Pye (1987), pour une atmosphère aux conditions neutres (sans variations de température selon un mouvement vertical), la distance moyenne de transport augmente en fonction de la diminution de la taille du grain. Typiquement, sous des conditions de tempête, une distance de déplacement de quelques dizaines à des centaines de kilomètres est prédite pour les silts moyens (16 à 31 µm) et grossiers (31 à 62 µm) (Pye, 1995). Cette distance de transport importante explique la présence habituelle d’or éolien dans d’autres environnements de dépôt (Smith et al., 1993; Youngson, 2005; Craw et al., 2006).
entre les particules et le martelage de l’or par saltation des grains de sable (Youngson, 2005). Un descripteur d’aplatissement de Corey égal à 0.08 dans le Witwatersrand (Minter et al., 1993) démontre que les grains sont extrêmement aplatis. Les formes lamellaires, en flocons avec des bordures gonflées et retroussées, subsphériques, arrondies, massives en haltère et moutonnées, sont également présentes, pour des granulométries généralement supérieures à 100 µm (Nikiforova, 2003). La texture de surface des grains est polie et finement poreuse (Youngson, 2005). Il n’y a pour l’instant aucune relation démontrée entre une morphologie et la distance à la source dans le domaine éolien, d’autant plus que des centaines de kilomètres peuvent être parcourues par un nuage de poussière rempli de particules sédimentaires (Pye, 1995).
Problématique et objectifs
La forme des grains d’or est étudiée depuis le début des années 70, seulement, elle n’est connue que de façon qualitative ou semi-quantitative et basée sur des images en 2D. La sphéricité et l’arrondi sont deux descripteurs de forme qui sont estimés à l’aide d’une charte visuelle. Les indices d’aplatissement utilisent les dimensions (longueur, largeur, épaisseur) de la particule, cependant l’épaisseur est un paramètre difficile à mesurer sur une surface en 2D. Cette thèse de doctorat vise à élaborer une méthode pour reconstruire la morphologie des grains d’or en 3D afin de quantifier plusieurs descripteurs de forme sur des particules provenant de sédiments meubles (glaciaire, fluviatile et éolien). Elle a pour objectif :
1. Utiliser deux méthodes d’analyse (la microscopie électronique à balayage et la microtomographie aux rayons X 3D) pour reconstruire la morphologie en 3D des grains d’or de taille micrométrique.
2. Quantifier des paramètres de forme sur les reconstructions 3D afin de calculer des descripteurs de forme qui représentent la morphologie de la particule.
3. Appliquer la méthode sur des cas d’étude afin d’établir une relation entre l’évolution de la morphologie du grain et la distance de transport depuis la source.
Les chapitres de ce manuscrit présentent les résultats de ces trois objectifs. Le chapitre 1 décrit les résultats des deux méthodes d’analyse. Le chapitre 2 présente l’application de deux nouveaux descripteurs de forme en 3D ainsi que d’une étude de cas dans le domaine glaciaire. Le chapitre 3 porte sur l’application de ces méthodes dans le domaine fluviatile.
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Chapitre 1
1.
Quantification of the morphology of gold grains
in 3D using X-ray microscopy and SEM
photogrammetry
François-Xavier Masson
1,3, Georges Beaudoin
1,3, Denis Laurendeau
2,3, 2020,
Quantification of the morphology of gold grains in 3D using X-ray
microscopy and SEM photogrammetry: Journal of Sedimentary Research,
v. 90, p. 286-296.
1. Université Laval, Département de géologie et de génie géologique, Université Laval, Québec, QC, Canada
2. Université Laval, Département de génie électrique et de génie informatique, Université Laval, Québec, QC, Canada
1.1. Résumé
La forme de l'or est utilisée dans l'exploration minière et en sédimentologie pour estimer la distance de transport de la source au lieu de dépôt. Cependant, l'estimation de la morphologie est basée sur des observations qualitatives ou sur une quantification en 2D. Cette étude compare le microscope à rayons-X et la photogrammétrie MEB pour reconstruire la forme des grains d'or en 3D d’une taille comprise entre 85 et 300 µm. Les paramètres de forme de la particule sont mesurés afin d'en estimer des descripteurs de forme tels que les indices d’aplatissement, d’oblate-prolate, de sphéricité et d’arrondi. La plupart des paramètres et des descripteurs de forme estimés sur un même grain d'or à géométrie simple sont similaires entre les deux méthodes. Ce résultat valide ces méthodes pour la description 3D des particules d'or à morphologie simple et fournit une méthodologie pour la description de grains à géométrie plus complexe.
Mots clés: Grains d’or - Morphologie 3D – Tomographie – Reconstruction de surface – Minéraux Indicateurs - Sédiments
1.2. Abstract
The shape of gold is widely used in mineral exploration and in sedimentology to estimate the distance of transport from the source to the site of deposition. However, the estimation of the morphology is based on qualitative observations or on the quantification of the shape in 2D. The 3D analysis of the grain shape is useful for accurate morphometric quantification and to evaluate its volume, which is related to the particle size. This study compares the X-ray 3D microscope and 3D SEM photogrammetry to reconstruct the shape of gold particles. These new methods are exploited to quantify the shape of gold grains of 85 to 300 µm in size. The shape parameters, such as axial lengths, surface area, volume, diameter of curvature of all corners, and diameter of the largest inscribed sphere and smallest circumscribed sphere are measured on a particle in order to estimate shape descriptors such as the flatness ratios, the shape indices, the sphericity, and the roundness. Most of shape parameters and shape descriptors estimated on the same gold grain with simple geometry are similar between the two approaches. This result validates these methods for the 3D description of gold particles with simple morphology, while providing a methodology for describing grains with more complex geometry.
1.3. Introduction
In detrital environments, the shape of a gold grain is commonly used for mineral exploration (Averill, 2001; Giusti, 1986; Grant et al., 1991; Hérail, 1988; Minter et al., 1993; Townley et al., 2003), but grain description remains qualitative and subjective. It is accepted that the shape of a gold grain provides information about the distance of transport relative to the source (Averill, 2001; Craw et al., 2017; Dilabio, 1991; Hallbauer and Utter, 1977; Hérail et al., 1990; Kerr et al., 2017; Knight et al., 1999; Townley et al., 2003). The evolution of gold grains morphology is used to estimate the distance of transport from the primary source in various surficial deposits (Craw et al., 2017; Hérail et al., 1989; McClenaghan, 2001; Youngson and Craw, 1999).
In the fluvial environment, some authors have used the flatness index (Cailleux, 1945; Wentworth, 1922) and the Corey shape factor (Corey, 1949) to quantify the particle flatness as a proxy for the distance of transport of the gold grain (Barrios et al., 2015; Giusti, 1986; Hérail et al., 1990; Townley et al., 2003; Youngson and Craw, 1999). However, for glacial and eolian environments, the classification depends on the shape and the surface texture of gold grains determined by scanning electron microscope (SEM) observation (DiLabio, 1990; Minter et al., 1993; Smith et al., 1993). In sedimentology, additional factors are used to quantify a particle shape (Blott and Pye, 2008). The sphericity is commonly calculated using the three principal axes to yield the intercept sphericity (Krumbein, 1941), the maximum sphericity (Folk, 1955; Sneed and Folk, 1958), and the working sphericity (Aschenbrenner, 1956). Some sphericity factors are calculated using the ratio of the diameter of the largest inscribed circle to the diameter of the smallest circumscribed circle (Aschenbrenner, 1956; Wadell, 1933) or using the volume and surface area of the particle (Aschenbrenner, 1956; Wadell, 1932). Other factors such as the Janke (1966), Williams (1965), Aschenbrenner (1956), and oblate-prolate (Dobkins and Folk, 1970) form factors help describe particle morphology. According to Blott and Pye (2008), the most representative value of roundness and angularity is estimated using the average ratio of the diameter of curvature of all corners and the diameter of the largest inscribed circle (Wadell, 1932).
The physical characteristics, especially the malleability, of natural gold grains can yield a complex shape, and the quantification of the morphology remains problematic in two dimensions (2D). A 2D characterization of the shape of gold grains can be performed using software tools (Crawford and Mortensen, 2009). The SEM image scale is approximate and overlooks the topographic variations at the surface of the grain such that the estimation of 2D measurements is not accurate. The thickness of a particle is used in many shape-factor estimates, and this parameter is difficult to quantify on 2D images with binocular-microscope or SEM images. Three-dimensional (3D) quantification provides a better way to estimate shape descriptors. In addition, the volume of a grain, quantified in 3D, is the only parameter
unaffected by the shape of the grain; unlike the long axis, for example, it can thus give an accurate estimate of the particle “size” (Wadell, 1932). In addition, 2D characterization covers a particle’s visible surface, and the results can differ from one face to another, especially for malleable gold grains. The 3D methods are therefore necessary to measure the particle dimensions with greater precision, the surface area and the volume.
This study presents two methods to quantify the shape of gold grains using 3D reconstructions: (1) 3D high-resolution X-ray microscopy (XRM); and (2) SEM photogrammetry to produce a 3D mesh of the grain surface. Both methods yield measurements such as triaxial lengths, surface area, and volume that can be used to quantify particle shape descriptors, which are compared to four gold grains recovered from fluvial, glacial, and aeolian sediments.
1.4. Methods
1.4.1. Shape descriptors
In sedimentary environments, morphological factors are used to characterize and classify particle shape (Table 1.1). These morphological features were defined in 2D and were applied in 3D through the development of image processing, but it remains complicated to evaluate them accurately (Blott and Pye, 2008). Many shape descriptors are based on the long (L), intermediate (I), and short (S) axes, considering L > I > S, where each is orthogonal to the other two axes. The Wentworth flatness index (Wentworth, 1922), also called Cailleux flatness index (Cailleux, 1945), is commonly used for the characterization and classification of particle flatness in fluvial environments. The Corey shape factor is also used to describe flatness in alluvial particles (Barrios et al., 2015; Giusti, 1986). The Janke form factor (Janke, 1966) is related to a flatness ratio and yields results similar to those of the Corey shape factor. The Aschenbrenner (Aschenbrenner, 1956) and the Williams (Williams, 1965) shape descriptors are based on the degree of flatness (S/I) and degree of elongation (I/L) to describe disk-like or rod-like particles, while the oblate-prolate index proposed by Dobkins and Folk (1970) is based on the degree of equancy (S/L), to describe platy and elongate particles. The Krumbein intercept sphericity (Krumbein, 1941), the maximum projection sphericity (Folk, 1955),
Table 1.1. Common shape descriptors (after Blott and Pye, 2008).
Abbreviations: L = long axis; I = intermediate axis; S = short axis; V = volume of the particle; Vcs = volume of the circumscribed sphere; M = maximum axis length; A = surface area of the particle; Dis = diameter of the largest inscribed sphere; Dcs = diameter of the smallest circumscribed sphere; Dr = diameter of the curvature of the particle corners; Di = diameter of the inscribed circle of the particle; n = number of corners of the particle.
1.4.2. Gold grains
Various shape of gold grains from various sedimentary deposits were compared in this study: (1) gold grain 1 is an elongated block and has a simple geometry. It comes from fluvial sediments and was collected with a prospecting pan; (2) gold grain 2 is well rounded and has a cavity on its surface. It was collected in glacial sediments and extracted by mineral separation; (3) gold grain 3 has a complex geometry and is curled up. It was collected under the same conditions as grain 2; (4) gold grain 4 is a flat particle with a smooth surface texture; it was collected in eolian sediments and extracted by mineral separation. Grain 1 is considered as a reference gold grain, and the methodology is described for this one. The guideline is consistent for the analysis of the other grains. However, some software parameters may vary depending on the nature and positioning of the particle.
1.4.3. Microtomography
In this study, a Xradia 520 Versa X-ray microscope (Carl Zeiss AG) was used to scan gold grains to quantitatively reconstruct their shape in 3D. X-ray tomography is non-destructive and splices the grain perpendicular to the spinning axis. The gold grain is placed in a plastic tube filled with silica powder to maintain it in the middle part of the tube and enable the grain to be recovered after analysis. The matrix supporting the gold grain must be stable and strong enough so that the grain remains immobile in order to reduce noise during scanning. For this study, an X-ray energy of 140.1 keV, a current of 68.9 µA, and a LE6 filter placed between the sample and the source are used in order to penetrate the dense gold grain. A total of 3,201 projections are required to obtain high-contrast images. The exposure time is set at 2 seconds to minimize processing time. The grain is turned for 360° and the detector measures X-ray absorption. A 4x optical magnification yields a spatial resolution of 0.73 µm. A set of 1,983 grayscale density-contrast images are produced, which represent the image of the grain slices. Dragonfly (Object Research Systems), a quantitative visualization software, was used to create a model of the particle in 3D, according to the grayscale apparent-density (attenuation) images.
Fig. 1.1. Methodology for the construction of the µCT model. A) Histogram of apparent density (attenuation) values for the dataset of
the gold grain 1. The density boundary between the background and the silica matrix is at 10,279, whereas the density of the gold grain is set at 37,770. B) Gold grain 1 mesh in orthographic projection with three axial planes (X, Y, Z) at density above 37,770. C) X, Y, and Z planes that compose the dataset, with a longitudinal transect representation on the X plane. D) Longitudinal transect of 300 µm in the gold grain with a drop of density that corresponds to an inclusion or a void inside the gold grain.
Dragonfly ORS reconstructs the grain in 3D with a gold boundary at apparent density (attenuation) of 37,770 and up to 60,076 (Fig. 1.1B). The background noise and the silica matrix are thus removed from this 3D model to yield the particle shape (Fig. 1.1B). The grain can be sliced in planes to analyze cross sections and generate a density profile through the grain (Fig. 1.1C). The profile shows the apparent-density (attenuation) values across the boundary between silica and gold (Fig. 1.1D). The gold apparent-density values are roughly of 50,000, and a drop of density inside the grain indicates a void or heterogeneity in the particle (Fig. 1.1D). Finally, a region of interest is determined by the density of gold grain, and a
normal mesh is produced. A Laplacian smoothing filter (one iteration) is used to remove the noise on this mesh while maintaining its roughness. MeshLab (Cignoni et al., 2008) is used to obtain the surface area, the volume, and the long, intermediate, and short axes of the grain. A minimal bounding box that contains the particle is acquired by rotation, and translation, and the dimensions of this box are correlated to the axes of the grain. To estimate the maximum length axis, the mesh is imported into the PolyWorks inspection software (InnovMetric), which is used to compare the normal direction for each point of the polygonal mesh. The software produces a thickness map along the whole grain. The length is calculated according to the maximum distance between two surfaces of opposite orientations. The MATLAB package entitled A suite of minimal bounding objects (D'Errico, 2014) is used to measure the diameter of the largest inscribed sphere, and the package entitled Exact minimum bounding spheres and circles (Semechko, 2019) is used to obtain the diameter of the smallest circumscribed sphere. The MATLAB package entitled Particle Roundness and Sphericity Computation (Zheng and Hryciw, 2015) is used to fit circles on the particle corners and yields a value for roundness on mesh projections in 2D, based on Wadell’s formula. The script parameters (tol = 0.3, factor = 0.98, span = 0.07) were kept constant as well as µCT mesh outlines so as not to influence the measurements.
1.4.4. 3D SEM and photogrammetry
Photogrammetry was used to reconstruct the 3D shape of nanoscale particles from SEM images (Gontard et al., 2016). The same process was used to reconstruct the morphology of microscopic gold grains (Fig. 1.2). A SEM Quanta-3D-FEG (FEI) was used to capture secondary-electron images of gold grains. Grain 1 surface texture is captured with SEM using a secondary-electron detector and a magnification of a striated surface (Fig. 1.2A). Sample preparation consists in placing the grain at the top of a wood stick on carbon tape, in order to have a conductive setup for high-quality secondary-electron images. For this study, the energy is set at 3 keV to yield highest resolution surface texture, at constant magnification of x500. In order to document the surface close to the stage for efficient 3D representation of each face of the grain, the stage is tilted at 70°. The grain is rotated for 360° with 18° steps, which yields 20 images, the minimum required for volume reconstruction. Overlap is necessary between image pairs for photogrammetric reconstruction. With more matching points, the software stitches the mesh
