Ressources minérales

(1)

Ressources minérales

et types de gisements

(2)

L’objectif  se familiariser avec les caractéristiques géologiques (gîtologie) et les modes de formation (métallogénie) de base des principaux types de gîtes minéraux, et ce, en relation avec l’évolution des roches encaissantes.

Ressources minérales

et types de gisements

(3)

Introduction :

 Définitions générales,

 Ressources minérales naturelles

 Gîtes minéraux

 Démarche

Matériaux et minéraux : type de minerais Répartition géographique

Les grands types de gisements :

 Nature des processus

 Type

Organisation

(4)

Introduction

Les gîtes minéraux sont des objets géologiques très variés.

Les projets de recherche pour la caractérisation de sites miniers s’organisent autour des étapes fondamentales de la genèse d’un gisement :

• source des métaux,

• modalités de transfert des fluides et métaux dans la croûte (impact des caractéristiques géométriques et structurales du district),

• caractéristiques physico-chimiques du magma et des fluides minéralisateurs (rôle des ligands, spéciation des métaux…)

• et processus de dépôt.

L’objectif étant in fine de situer ces minéralisations dans leur contexte géodynamique et de les relier aux processus de croissance crustale (évènements magmatiques et tectoniques), mais également aux processus de surface qui contrôlent la formation et la modification de nouveaux gisements.

(5)

Les ressources minérales naturelles : 3 sortes de substances  - L’eau

- Les matériaux

- Les minerais : matières premières de l’industrie Introduction

(6)

Les ressources minérales naturelles : 3 sortes de substances  - L’eau

- Les matériaux

- Les minerais : matières premières de l’industrie

Matière première Gîtes minéraux

Exploitation minière Métallogénie

Géologie appliquée Études des processus de formation des concentrations minérales

Introduction

(7)

Démarche :

- 1

^er

stade : la prospection,

 études géologiques (cartographie, analyses structurales)

- 2

^ème

stade : recherche du mode de formation (les caractères) et de l’origine du gisement,

 interface entre recherche appliquée et fondamentale (métallogénie)

- 3

^ème

stade : estimation de l’intérêt économique du gisement,  exploitation envisageable (facteur économique)

dans ce cas, le « dépôt » devient un « gisement »

Introduction

(8)

Introduction

(9)

 matériaux

 minerais Matériaux et minerais

(10)

Matériaux et minerais

(11)

(12)

Carte de répartition des gisements dans le monde

(13)

Lien entre répartition des gisements dans le monde et la position des bouclier protérozoïques (craton)

(14)

En résumé  minerais regroupés en 3 ensembles :

1- Les combustibles : substances énergétiques 2- Substances métalliques :

- métaux sidérurgiques (Mn, Cr, Ni, Co, W, … par exemple), - métaux « de base » (Cu, Pb, Zn, Al, Mg, Ti, Fe),

- métaux précieux (Au, Ag, Pt),

- métaux spéciaux (U, Cs, Rb, Ce, Th, …) 3- Substance non-métalliques :

- minerais chimiques (soufre, pyrite, sel gemme, carbonate, gypse, anhydrite),

- engrais (phosphates, nitrates, potasse), - isolants (graphite, magnésite, micas…), - pierres précieuses

Types de minerais

(15)

Regroupés en 3 ensembles :

1- Gisement métamorphique

2- Gisement magmatique :

• sédimentation magmatique,

• ségrégation magmatique,

• hydrothermalisme

3- Gisement sédimentaire

Types de gisements

(16)

Types de gisements

Gisement hydrothermal :

Les sulfures massifs se forment dans un contexte de volcanisme sous-marin, au niveau des fonds océaniques et à une profondeur supérieure à 500 mètres. Ceux-ci se concentrent dans des zones propices à l'hydrothermalisme.

Ces endroits peuvent être très variables, allant de zones de subduction à des zones de rifts océaniques.

Les fluides hydrothermaux proviennent essentiellement de l’infiltration de l’eau de mer dans les roches

encaissantes. En pénétrant celles-ci, l’eau de mer lessive les roches volcaniques et cause un échange des ions de magnésium et de calcium entre les fluides et le basalte (basalte enrichi en Mg et appauvri en Ca).

Cela indique la présence de cellules de convection qui ont fait remonter les fluides après leur infiltration.

(17)

Types de gisements

(18)

Origine et répartition des minerais Origine et répartition des gîtes minéraux

(19)

Pyrite (py) + chalcopyrite (ccp) + pyrrhotite (po) + sphalérite (sp)

CuFeS₂ (sulfure)

FeS₂ (sulfure) FeS (sulfure).

Traces de Co, Ni, et Mn

ZnS (sulfure) Phases minérales

I. BOUR

(20)

Pyrite (py) + chalcopyrite (ccp) + sphalérite (appelé également blende)

CuFeS₂ (sulfure) FeS₂ (sulfure)

Phases minérales

(Zn,Fe)S (sulfure)

I. BOUR I. BOUR

(21)

chalcopyrite (ccp) + sphalérite (appelé également blende) + Chlorite

CuFeS₂ (sulfure) (Zn,Fe)S (sulfure) ClO₂(oxyde)

Phases minérales

LPNA LPA

I. BOUR

(22)

Chalcopyrite (ccp) + bornite (bn) + digenite (dg) + covellite (cv)

CuFeS₂ (sulfure) Cu₅FeS₄ (sulfure) Cu₉S₅ (sulfure) CuS (sulfure) Phases minérales

I. BOUR

(23)

Chalcopyrite CuFeS

₂

(sulfure)

Phases minérales

I. BOUR

(24)

Pyrite FeS

₂

(sulfure)

Phases minérales

I. BOUR

(25)

Barytine sur blende

Phases minérales

(Zn, Fe)S (sulfure)

BaSO₄ (sulfate)

Remarque : la barytine est utilisée dans le papier, les plastiques, les peintures, les vernis. Dans l'industrie pétrolière, elle est employée comme boue lourde pour augmenter la densité des fluides de forages et éviter les fuites des gaz. Elle peut également entrer dans la composition du béton afin d'augmenter considérablement sa densité et son impénétrabilité aux rayons gamma. Ce type de béton est généralement utilisé pour la construction de bâtiments servant pour des tirs radiologiques, ou certains bâtiments des centrales nucléaires.

I. BOUR

(26)

Galène : PbS

Phases minérales

I. BOUR

(27)

Sphalérite : ZnS

Phases minérales

(28)

Argentite : Ag

₂

S

Phases minérales

I. BOUR

(29)

Le minerai d'uranium est appelé uraninite, ou pechblende.

Ce minerai, extrait notamment au Canada, en Russie, au Kazakhstan, en Namibie et au Niger, est néanmoins trop peu concentré pour être utilisé directement dans les centrales nucléaires. C'est la raison pour laquelle il doit être purifié sous forme de yellowcake puis enrichi en uranium 235.

Uraninite : UO

₂

Phases minérales

(30)

Phases minérales

SudBury Mines Exemple de mines

(31)

Dunite à Chromite, x20, LPNA

Phases minérales SudBury Mines

I. BOUR

Chromite :

 FeCr₂O₄ avec des traces de

magnésium, manganèse, zinc et aluminium,

 à 90 %, transformée en ferrochrome, lui même utilisé à 80 % pour

l'élaboration d'aciers inoxydables, pour lesquels il est irremplaçable.

(32)

Chromite : FeCr

₂

O

₄

Phases minérales

(33)

x20, LPNA

Phases minérales

Pentlandite :

 Sulfure de fer et de nickel de formule (Fe,Ni)₉S₈.

 rapport fer/nickel est très proche de 1,

 utilisées pour en extraire le nickel SudBury Mines

I. BOUR

(34)

x20, LPNA

Phases minérales

Magnétite :

 oxyde de fer(II,III), ferrimagnétique, de formule Fe₃O₄ (parfois écrit FeO·Fe₂O₃),

 avec des traces de magnésium Mg, de zinc Zn, de manganèse Mn, de nickel Ni, de chrome Cr, de titane Ti, de vanadium V et d'aluminium Al.

 minéral ubiquiste commun, que l'on trouve dans de nombreux types de roches.

 un des principaux minerais de fer.

SudBury Mines

I. BOUR

(35)

Phases minérales

Appalaches  Aperçu sur le manteau supérieur de lithosphère océanique de l’océan Iapétus…

 Géologie structurale, pétrologique et gîtologique du Mont Caribou, exemple d’une ancienne mine artisanale de chromite (mine du Grand-Père) :

La chromite (FeCr₂O₄) est associée à la dunite serpentinisée et réunie dans des poches sous forme de laminations ou d’amas discontinus. La forte concentration naturelle de la chromite est liée à un phénomène de « sédimentation » magmatique gravitaire au sein de la chambre par effet de densité des phases minérales cristallisant précocement dans le liquide magmatique. La chromite est associée ici à de la scyénite blanche (-20% de quartz).

Concentration du minerais par sédimentation magmatique

I. BOUR

I. BOUR I. BOUR

(36)

Bingham, LPNA.

Phases minérales

Molybdenite sur Quartz (Moly Hill Mine, La Motte Township, Quebec, Canada)

Utah

Exemple de mines Bingham Mines

I. BOUR

(37)

Bingham, LPNA.

Phases minérales

Utah

Minerai de molybdène :

 MoS₂ avec des traces de rhodium, rhénium, argent, or et sélénium,

 utilisé comme élément d'alliage pour les aciers, la molybdénite est aussi utilisée comme additif dans les lubrifiants.

Quantification des réserves via forage

(38)

Bingham, LPNA.

Phases minérales

Utah

Contexte géologique et structural du gisement

I. BOUR

(39)

Quelques exemples de gisements

Contexte géologique de grands gisements

(40)

Concentration du minerais par sédimentation

magmatique

Gisement de type magmatique

(41)

Exemple du gisement de Sudbury (Ontario, Canada)

Concentration du minerais

par

ségrégation magmatique Gisement de type magmatique

(42)

Environnements géodynamiques propices aux VMS Les sulfures massifs volcanogènes (VMS)

Gisement de type hydrothermal Gisement de sulfure

(43)

Environnements géodynamiques propices aux SMV

Les sulfures massifs volcanogènes (VMS)

Le fluide hydrothermal (association d'eau en phase liquide et vapeur avec des éléments minéraux saturés en solution), en raison de sa densité faible, et des pressions importantes, remonte très rapidement vers la surface.

Se produit alors une réaction de précipitation due à un changement brusque de température et de pH du milieu:

• l'eau de mer est en effet légèrement basique, quasi neutre, et à une température avoisinant les 3°C.

• Les métaux transportés par ce fluide hydrothermal sont le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le calcium, le silicium, le baryum.

• Exemple de quelques réactions de précipitation qui se produisent à cet instant:

Fe²+ + S²-  FeS Zn²+ + S²-  ZnS etc...

Des sulfures métalliques retombent en pluie autour de la source (endroit par lequel sort le fluide), ce qui crée, au fil du temps, une cheminée au pied de laquelle ces sulfures viennent se poser.

(44)

Schéma illustrant les différentes sources des fluides hydrothermaux

(45)

Presque tous les gisements de sulfures, les sulfures de fer prédominent. Dans les gisements VMS, la pyrite (FeS₂) ou la pyrrhotite (Fe1-xS) forment près de 90 % de l’assemblage de sulfures qui peut également contenir de la :

• chalcopyrite : CuFeS₂,

• sphalérite : (Zn,Fe)S

• galène : PbS,

• bornite : Cu5FeS4,

• arsénopyrite : FeAsS,

• magnétite : Fe₃O₄,

• et notamment des métaux natifs tels que l’or.

D’après Hannington, 1999

Assemblage minéralogique en fonction de la T°C et de la profondeur :

Les sulfures volcanogènes massifs ou Volcanogenic Massive Sulfides (VMS)

(46)

Caractéristiques typiques d’une cheminée

hydrothermale d’un fumeur noir Gisement de type hydrothermal

Gisement de sulfure

(47)

Décharge hydrothermale

et formation de la cheminée Collapse des anciennes cheminées et renouvellement par de nouvelles

Accumulation d’un talus de débris de cheminées,

dispersion de la décharge hydrothermale

Talus imperméable et précipitation interne Remplacement et mobilisation

Fumeur noir

(48)

Sedex : Fumeur noir, x50, LPNA.

• 1:plancher de pillow lava

• 2:cheminée riche en Zn (pyrite, sphalerite, pyrrholite, isocubanite)

• 3:sulfures massifs riches en Fe (pyrite, marcassite)

• 4:sulfures massifs riches en Cu (pyrite, chalcopyrite)

• 5:sulfures riches en Cu (base + partie centrale de la cheminée; isocubanite, chalcopyrite)

• 6:faille normale

Gisement de type hydrothermal

I. BOUR

(49)

Sedex : Fumeur noir, x50, LPNA.

Gisement Sedex

Gisement de type hydrothermal

I. BOUR

(50)

Gisement de type hydrothermal Autres mécanismes

Formation des corps massifs sulfurés

(51)

(52)

(53)

Gisement de sulfure fossile

Amulet C

Amulet A

Exemple du gisement des Mines Amulet A et C

Lentilles de sulfures massifs fossilisées D’après Gibson et Galley, 2007.

(54)

Gisement de type sédimentaire Altération, transport

(55)

Les gisements de cuirasses latéritiques

(56)

Modèles génétiques des gisements d'uranium du type discordance (à gauche) et du type Plateau du Colorado (à droite).

(57)

Formation d’un gîte d’uranium :

 Lessivation de socles magmatiques (uranium sous forme de U⁶⁺),

 les eaux météoriques oxydantes altèrent la roche contenant l’uranium et détruisent les minéraux magmatiques,

 l’uranium se fait apporté par des eaux de surface et des eaux souterraines oxydantes vers des milieux poreux, comme des grès grossiers,

 Finalement, l’uranium se dépose, ou précipite, lorsque le fluide oxydant qui le transportait rencontre un milieu réducteur. L’uranium devient alors U⁴⁺.

Remarque :

- Un climat semi-aride est plus favorable à l’accumulation de la minéralisation uranifère. Si le climat est trop humide et qu’il y a beaucoup de précipitations, les eaux souterraines s’écouleront trop vite et lessiveront les minéralisations déjà accumulées.

- pour que l’écoulement des eaux de surface et souterraines s’effectuent de façon fluide et efficace, les grès dans lesquels circulent ces eaux doivent être bordés de roches imperméables, contraignant ainsi les fluides dans un espace restreint.