CHAPITRE 9 : GÉOLOGIE DES GISEMENTS DE MINERAI

Les minéraux que nous recherchons ont une valeur économique et peuvent parfois être présents en concentration et en quantité telles qu'ils peuvent être extraits avec profit et utilisés à diverses fins. La masse rocheuse contenant le minéral que nous recherchons constitue le gisement. Ce gisement contient les minéraux du minerai, ceux que nous recherchons, et les minéraux de gangue, ceux que nous ne recherchons pas. Les minéraux de minerai deviennent le produit de la mine, le métal ou le concentré. Les minéraux de gangue deviennent des résidus stockés dans une installation. Les autres roches et sols situés au-dessus et autour du gisement, et que nous devons déplacer, constituent des stériles et des dépôts de mort-terrain.

Les minéraux que nous voulons extraire de la mine ont une valeur, et cette valeur finance toute la protection environnementale nécessaire à la mine. Les minéraux dont nous ne voulons pas, car ils sont stockés dans une installation, altèrent l'environnement et peuvent avoir de graves impacts environnementaux. La géologie du gisement est donc extrêmement importante pour tous les aspects de la gestion environnementale d'une mine. Les caractéristiques et propriétés, la chimie et la minéralogie du gisement déterminent l'impact des stériles et des résidus sur l'environnement. Ces mêmes caractéristiques déterminent également la manière dont les ressources sont générées et mises à disposition pour la protection de l'environnement, la fermeture et la réhabilitation de la mine.

En plus des minéraux produits par la mine, sa principale vocation est de contribuer aux impôts, à l'emploi et au développement économique. La probabilité de ces avantages supplémentaires dépend également en grande partie de la géologie du gisement.

Nous extrayons de la croûte terrestre de nombreuses matières premières avec lesquelles nous construisons et entretenons notre société. Nous extrayons des minéraux et des roches des mines, des hydrocarbures liquides et gazeux et des eaux souterraines par pompage ou par leur remontée à la surface sous l'effet de leur propre pression, la chaleur des roches sous forme d'énergie géothermique, etc. Un gisement de minerai est « ce qui est exploité ». Cependant, toutes les ressources minérales ne sont pas exploitées : une partie de l'uranium est obtenue par lixiviation in situ, impliquant le pompage de solvants à travers des roches uranifères, notamment des grès, et certains métaux sont extraits de saumures salines pompées à partir des sédiments sous-jacents aux salars ou aux lacs salés. Les définitions précises de ce terme sont basées sur des considérations économiques plutôt que géologiques.

 

Qu'est-ce qu'un gisement de minerai ? “Un minerai est une roche qui peut être, est espérée d’être, sera, est ou a été extraite ; et à partir de laquelle quelque chose de valeur peut être (ou a été) extrait”. (Taylor, 1989, Ore reserves – a general overview. Mining industry international, vol. 990, pp. 5–12.)

Un gisement de minerai peut inclure des minerais de métaux (Cu, Zn, Pb, etc.) ; des minerais de pierres précieuses ; des minerais de minéraux utilisés comme matière première pour la production de produits chimiques industriels, par exemple des abrasifs contenant de l'aluminium et des produits réfractaires ; des minerais de minéraux utilisés dans des produits industriels, par exemple le diamant est à la fois une pierre précieuse et un minéral industriel ; des roches utilisées comme agrégat, comme pierre de construction ; du charbon et du schiste bitumineux.

Cathode de cuivre avec une teneur en cuivre de près de 99,995 % Cu métal. Photo : Jonathan Hamisi.

Gisement de minerai

Un gisement de minerai est constitué d'un ou plusieurs gîtes de minéraux. Un gîte de minéral est une masse rocheuse contenant du minerai et dont une matière première de valeur sera extraite. Le minerai contenu dans un gisement ne sera pas entièrement extrait. Les gisements sont divisés en réserves et ressources. Les réserves sont le minerai dont l'exploitation est économiquement viable et pour lequel il n'existe aucun obstacle juridique ou technique à l'exploitation, tandis que les ressources sont les minerais susceptibles d'être extraits ultérieurement. Les contraintes techniques sont l'un des facteurs qui influencent le choix du minerai dont l'exploitation est rentable (Fig. 1). L'exploitation d'un gisement peut se faire à partir d'un cours d'eau, d'une mine à ciel ouvert, d'une mine souterraine ou d'une combinaison des deux.

Mine de cuivre de Skouriotissa – mine à ciel ouvert, Chypre. Photo : Jonathan Hamisi.

Traitement ou extraction du minerai

Les gisements de minerai contiennent des minéraux mélangés à d'autres minéraux « non valorisables », appelés minéraux de gangue, dont le minerai sera séparé par traitement. Ce traitement comprend le broyage, afin de séparer les différents minéraux constitutifs. Une séparation chimique, appelée flottation, permet ensuite de séparer les minéraux d'intérêt économique des minéraux de gangue. Les minéraux de minerais métalliques peuvent être « natifs », mais souvent il s'agit de composés chimiques dans lesquels les métaux sont liés à d'autres constituants dont ils doivent être extraits. De même, plusieurs minéraux industriels doivent être traités avant d'être vendus. Les méthodes de traitement du minerai par flottation, raffinage et extraction sont choisies en fonction de la minéralogie et des caractéristiques chimiques et physiques du minerai. Elles constituent l'objectif principal de la métallurgie extractive (Fig. 2). Minéraux importants comprennent les métaux natifs, les sulfures, les sulfosels, les oxydes et les hydroxydes, ainsi que certains silicates, carbonates et minéraux d'autres classes (Tableau 1).

Gisements de minerai – Une perspective géologique

Une roche devient « minerai » lorsqu'il est rentable de l'extraire d'un gisement donné. Les coûts d'extraction varient selon la localisation du gisement, sa position (fortement inclinée ou relativement horizontale), sa structure, le type de roche et sa minéralogie. Le coût d'exploitation d’une mine est proportionnel au volume de roches à déplacer et à traiter. Le bénéfice est réalisé en fonction du tonnage de matière première vendue. Les prix sont souvent fixés en tonnes, en kilogrammes, en grammes, en onces, etc. Toutes choses égales par ailleurs (par exemple, la minéralogie), les coûts d'extraction d'une matière première par masse sont, en première approximation, inversement proportionnels à la concentration (teneur) de l'élément dans la roche. En général, l'extraction la plus rentable est celle de minéraux à forte concentration en métal extraits de roches à haute teneur.

Tableau 1 : Tableau des minéraux communs sélectionnés. Modifié à partir de Ridley, J. (2013) “What is an ore deposit?”, in Ore Deposit Geology. Cambridge: Cambridge University Press.

L'importance de la taille du gisement de minerai

Les exploitations minières de petite taille et de courte durée, comme les stockworks filoniens étroits, représentent généralement des gisements d'environ 1 Mt. À titre d'exemple, cela équivaut à un cube de roche d'environ 75 m de diamètre ; le volume dépend de la densité de la roche. Les plus grands gisements de minerai pèsent généralement quelques gigatonnes, soit l'équivalent d'une mine à ciel ouvert de quelques kilomètres de long et de plusieurs centaines de mètres de profondeur. Quel que soit le type de métal et de gisement, la taille des gisements varie, souvent de deux à trois ordres de grandeur.

Facteurs géologiques affectant l'économie de l'extraction du minerai

La teneur et la taille du gisement ne sont pas les seuls facteurs déterminants pour l'exploitation d'un gisement. D'autres facteurs, tels que le contexte géologique et sociétal et le coût d'extraction d'un métal, sont importants et varient d'un gisement à l'autre. Un facteur important dans l’économie de l'exploitation minière est la quantité de morts-terrains ou de stériles à extraire pour accéder aux gîtes minéraux.

D’autres facteurs géologiques qui affectent l’économie comprennent :

Forme et profondeur du gîte

Les gisements plats et proches de la surface terrestre sont les moins chers à exploiter. Les gisements de forme subsphérique sont globalement plus faciles et moins coûteux à exploiter qu'un filon de stockwerk mince. De même, l'exploitation à ciel ouvert est moins coûteuse que l'exploitation souterraine. Cependant, si une exploitation entraîne un ratio stériles/minerai plus élevé (taux de décapage), le gisement sera généralement exploité à ciel ouvert plutôt qu'en souterrain. Il est cependant courant d'utiliser une méthode combine : l'exploitation à ciel ouvert pour la partie supérieure des gisements et l'exploitation souterraine pour les parties profondément enfouies.

Minéralogie et texture du minerai

Ces deux facteurs ont un impact significatif sur le coût d'extraction et traitement du minerai. Parfois, la présence d'éléments nocifs dans le minerai, comme le phosphore dans les minerais de fer, augmente le coût de traitement.

Gisements de minerais polymétalliques

La présence de coproduits et/ou de sous-produits affecte la rentabilité de l'exploitation minière. Les coproduits sont souvent définis comme les métaux supplémentaires qui ont un contrôle plus important sur la faisabilité économique d'une mine, tandis que les sous-produits sont les métaux extraits du minerai ou des déchets extraits et broyés si les coûts d'extraction métallurgique sont favorables, mais qui n'affectent pas de manière significative l'économie de l'exploitation minière dans son ensemble. Les sous-produits finissent souvent dans les résidus. La distinction entre ces deux catégories n'est pas clairement définie, mais de nombreuses mines produisent plusieurs matières premières, et certains métaux, extraits uniquement pour des marchés spécialisés à faible volume, le sont entièrement comme sous-produits (par exemple, Sc, Te).

Types et modèles de gisements de minerai

La recherche géologique a permis de définir des types génétiques de minerai ou des « modèles » génétiques de minerai, grâce à des observations empiriques et à l’interprétation des processus géologiques conduisant à la formation de gisements de minerai.

Un modèle de gisement de minerai est une norme conceptuelle et/ou empirique, idéalement une population de phénomènes naturels, incarnant à la fois les caractéristiques descriptives du type de gisement, l'environnement minéralisateur plus vaste et une explication de ces caractéristiques en termes de processus géologiques, et donc chimiques et physiques. Hodgson, 1987.

Les modèles génétiques visent à expliquer la formation des gisements (Fig. 5). Fruit d'une rationalisation des connaissances, ils constituent un moyen efficace d'organiser les données sous une forme qui améliore la compréhension, la prévision et la communication. Même si la genèse du minerai ou les processus géologiques conduisant à la formation d'un gisement affectent rarement l'exploitation d'un gisement une fois celui-ci est bien défini (position, teneur, tonnage et minéralogie), ces informations sont importantes pour l'industrie de l'exploration et de l'extraction minière lors des phases d'exploration et d'évaluation des gisements. Les modèles de gisements constituent un élément essentiel de la communication dans l'industrie et fournissent un outil pour l'exploration et l'évaluation des gisements.

Un modèle génétique explique la présence d'un gisement dans un contexte géologique et tectonique spécifique (fig. 5), ainsi que les processus géochimiques et structuraux impliqués dans sa formation. Les modèles servent d'outils pour guider la recherche d'un type de gisement donné sur l'ensemble de la Terre et, combinés avec la connaissance de la géologie et de l'histoire géologique locales, à une échelle beaucoup plus réduite dans le cadre d'un permis d'exploration. Un modèle fournit une description et une explication de l’apparence et formes des corps minéralisés. Ces informations sont nécessaires à l'évaluation efficace d'un prospect, notamment pour le positionnement optimal des forages. Un modèle prend en compte la minéralogie du minerai et fournit le cadre nécessaire pour évaluer, par exemple, les coproduits potentiellement présents, les teneurs attendues et la meilleure méthode d'extraction des métaux.

Types de gisements de minerai et exemples de considérations environnementales

Cadre tectonique	Type de gisement	Sous-type de gisement	Association métallique majeure	Cadre géologique ; principales roches associées	Taille du gisement	Problèmes environnementaux majeurs potentiels sélectionnés
Marge convergente	Systèmes de porphyres	Porphyre	Cu±Au±Mo	Arc continental et insulaire ; intermédiaire calco-alcalin à alcalin Arc continental et insulaire ; calco-alcalin intermédiaire, parfois arrière-arc (pauvre en sulfures), bimodal felsique-mafique Arcs continentaux et insulaires ; roches carbonatées Arc continental et insulaire ; séquences carbonatées Arc continental et insulaire	Souvent grand volume / faible teneur	DAR, réinstallation à grande échelle, volumes énormes de résidus et de déchets stockés
		Epithermal	Au-Ag-As-Hg- (Pb-Zn)		Différentes tailles	DAR
							Skarn	Fe, Cu, Au, Zn, W-Sn, Mo	Différentes tailles	DAR
		Remplacement en carbonate / Hébergé dans des carbonates limoneux (Carlin)	Zn-Pb-Ag Au-As		DAR
		Oxyde de fer – apatite (IOA)			Fe-P ± (U, REE)	Arc continental, bassins de rift d'arrière-arc/marges continentales en extension	Différentes tailles	Réinstallation à grande échelle, volumes énormes de résidus et de déchets stockés
	Oxyde de fer-cuivre-or (IOCG)	De nombreuses variantes	Fe±Cu-Au± U±REE	Contextes de transpression à extension (marges de craton complexes dans des gisements plus anciens ; variété de roches hôtes) Avant-arc, arrière-arc, coin d'accrétion ; (faciès des schistes verts)	Grand ou petit volume	DAR
	Or orogénique	Au-As	Au-As		Différentes tailles	DAR, , résidus très acides (pH bas), souvent à forte teneur en As
	Centre d'expansion et extension en marge convergente	Sulfures massifs hébergés en roches volcaniques (SMV)	Chypre / Kuroko	Cu-Pb-Zn ± Ag, Au	Dorsale médio-océanique (Chypre) ; mafique bimodale, mafique	Lentilles grandes ou petites	DAR, grande quantité de minéraux sulfurés
Arrière-arc (Kuroko) ; felsique bimodal, siliciclastique
Bassin d'avant-pays	Type Vallée du Mississippi (MVT)		Pb-Zn±Ba±F	Bassin d'avant-pays post-collision ; hébergée en carbonates de plateforme	Différentes tailles	DAR
Rifts, bassins d'affaissement, marges passives	Gisements Cu, U stratiforme hébergé en sédiments	Grès discordant	Cu±Co±Ag	Bassin de rift intracratonique ; lits rouges, unités carbonées, évaporites Bassin sédimentaire ; front redox, contacts	Différentes tailles	DAR, réinstallation à grande échelle, volumes énormes de résidus et de déchets stockés
						DAR
			U±Au±Co±Mo± Se±Ni U±V±Mo	Bassin fermé ; front redox, contacts Marge passive, arrière-arc et rift continental, bassin d'affaissement ; schistes et roches carbonatées	Différentes tailles	DAR
	Zn-Pb à prédominance clastique (ou SEDEX)		Pb-Zn±Cu± Ag±As±Bi		Différentes tailles	DAR
	Formation de fer rubanée (BIF)	BIF de type Algoma (Archéen/Néoprotérozoïque) BIF de type Supérieur (Paléoprotérozoïque) BIF de type Rapitan (Néoprotérozoïque)	Fe-(P)	Marge passive, bassin profonde ; roches volcaniques/grauwackes, sédiments clastiques à faciès carbonatés et siliceux	Grands gisements continus / souvent à haute teneur	D'énormes volumes de résidus et de déchets, transformation significative du paysage
	Sédiments riches en manganèse		Mn-(Fe)	Plateau marin ouvert	Différentes tailles
Plateforme de marge passive	Phosphorites		P-(U, REE, Se, Mo, Zn, Cr)	Plateforme ; mer épéirique	Différentes tailles
Grande province ignée (océanique ou continentale)	Sulfures de nickel	Komatiite	Ni±Cu±PGE	Ceinture de roches vertes ; panaches ultramafiques ; bassin sédimentaire	Différentes tailles	DAR
		Intrusion mafique	Ni-Cu-PGE±Co±Au			DAR
Craton ou marge de craton	Intrusion stratifiée		PGE-Ni±Cu ; Cr	Panache ultramafique, craton	Différentes tailles	DAR
	Cheminée		Diamant	Cratons ; kimberlites	Différentes tailles
Surface terrestre	Al et Ni latéritiques		Al	Granite-gabbro, arkose	Différentes tailles	D'énormes volumes de résidus et de déchets, transformation significative du paysage
			Ni-Co	Ultramafique	Différentes tailles	D'énormes volumes de résidus et de déchets, transformation significative du paysage
	Placer (paléoplacer)		Au±U ; Zr-Ti ; diamant	Fluvial, marin	Différentes tailles	Perturbation des sédiments dans les cours d'eau, mettant directement en danger la vie aquatique

 

 

 

 

Tableau 2. Modifié d’après Arndt et al. (2017) Future Global Mineral Resources. Geochemical Perspectives; 6 (1) : 1–2.

> Chapitre 10 : Échantillonnage

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