Évaluation environnementale de minerais sulfurés polymétalliques basée sur une approche minéralogique pluridisciplinaire

De nos jours, l’industrie minière est confrontée à de nombreux enjeux économiques, sociétaux et environnementaux. Celle-ci doit faire face à des problèmes environnementaux parfois longtemps après le démarrage de la mine, particulièrement à cause d’une mauvaise connaissance minéralogique du minerai exploité. Des phénomènes tels que le drainage minier acide et la mise en solution d’éléments contaminants (As, Cd, Co, Mn, Sb, Se, Tl…) sont liés à l’exploitation de gisements contenant des minéraux sulfurés. De plus, certains éléments pouvant être valorisés sont parfois occultés dans un gisement, principalement à cause de l’absence d’analyses chimiques et minéralogiques complètes ou parce que les résultats n’ont pas eu l’attention méritée. Cette thèse propose donc une méthodologie permettant de caractériser au mieux un minerai et évaluant l’impact environnemental des projets miniers dès l’étape d’exploration. Dix minerais polymétalliques à sulfures ont été soumis à des caractérisations physiques et chimiques ainsi qu’à une étude minéralogique poussée comprenant la diffraction des rayons X, les analyses aux microscopes optique et électronique et à la microsonde. Les échantillons ont été échantillonnés à l’alimentation des concentrateurs par les compagnies minières et sont censés avoir été échantillonnés de manière à demeurer représentatifs. Puis, les échantillons ont été soigneusement préparés afin de conserver la représentativité des résultats. Cinq des dix minerais ont été soumis à des essais géochimiques en mini-cellules d’altération. La méthodologie employée a été adaptée afin d’obtenir des résultats chimiques ne dépendant pas des minéraux en présence. Puis, la caractérisation minéralogique poussée des minerais a permis de connaître leur composition minéralogique quantitative - particulièrement la quantité de sulfures – puis de détecter les éléments traces polluants contenus dans ces sulfures. Au total, dix-sept éléments problématiques ont été repérés : As, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Ta, Te, Tl et Zn. Par exemple, Cd et Mn ont été trouvés dans la sphalérite, Bi dans la galène, Cd et Co dans la chalcopyrite, ou encore Co et Ni dans la pyrrhotite. De plus, de nombreux sulfosels ont été repérés grâce à la méthodologie tels que l’ullmannite, la tétrahédrite, la freibergite, l’aramayoite ou encore la gersdorffite. Cette approche minéralogique effectuée dès le début des cycles de développement des projets miniers permettra de déterminer les constituants polluants qui sous certaines conditions pourront être libérés pendant l’exploitation, ainsi que les éléments potentiellement valorisables. La méthodologie développée est basée sur des caractérisations minéralogiques dites traditionnelles. Depuis une trentaine d’années, des systèmes automatisés permettant l’identification et la quantification de phases minérales ont été développés. Ce sont de nouveaux logiciels de traitement d’images couplés à des microscopes électroniques à balayage (MLA®, QEMSCAN®, TESCAN® ou Mineralogic Mining®). Un grand nombre d’échantillons peut être analysé en haute résolution grâce à ces systèmes. Cependant, cette technique est très coûteuse et moins disponible que la microscopie optique, qui reste une technique plus abordable et peu utilisée du fait de l’expansion de ces systèmes automatisés. La microscopie optique reste une technique manuelle qui peut s’avérer longue et fastidieuse et qui nécessite une grande connaissance des nombreux minéraux ainsi que l’expertise d’un minéralogiste. Afin de développer l’acquisition et le traitement automatisés d’images acquises au microscope optique, quelques travaux ont été effectués ces dernières années sur l’analyse d’images multispectrales en lumière réfléchie et donnent des résultats intéressants. Dans cette thèse, un échantillon synthétique standard contenant les six sulfures les plus communs dans les gisements polymétalliques (arsénopyrite, chalcopyrite, galène, pyrite, pyrrhotite et sphalérite) a été conditionné en sections polies afin de mettre en place une procédure d’identification et de quantification automatique de ces six sulfures à l’aide du microscope optique. L’utilisation de filtres d’excitation a permis la différenciation automatisée des six phases minérales. Le logiciel GOCAD® a permis, grâce à une analyse en composantes principales suivies d’une analyse multivariée en nuées géodynamiques, l’identification des minéraux, puis leur quantification par analyse d’images. Le logiciel Clemex Vision PE® a également été capable d’identifier toutes les phases grâce à trois images multispectrales ainsi que d’acquérir et de traiter de manière routinière des images des sections polies en lumière réfléchie. Cette innovation vise à développer l’analyse d’images par microscopie optique dans l’industrie minière pour des applications métallurgiques et environnementales de routine. Enfin, les minéraux sulfurés réagissent différemment. Des essais géochimiques ont été effectués afin de comparer les taux d’oxydation de différents sulfures. Dix-huit essais en mini-cellules d’altération ont été réalisés sur deux sulfosels et onze sulfures différents. Les minéraux purs testés peuvent être classés par ordre décroissant de taux de réactivité : gersdorffite > pyrrhotite > arsénopyrite > Ni-pyrite > Ni-pyrrhotite > Fesphalerite > pyrite > galène > chalcopyrite. Par exemple, les résultats montrent que l’arsénopyrite a un taux d’oxydation trois fois plus élevé que la pyrite. Lorsque la pyrite contient du nickel, elle est 1,25 fois plus réactive. Aussi, plus la quantité de fer dans la sphalérite augmente, plus son taux d’oxydation augmente. Puis, cinq autres mélanges ont été réalisés afin d’évaluer l’influence de la pyrite sur les taux de réactivité de la sphalérite et de la chalcopyrite. Des mélanges ont été composés de grains libres de quartz/pyrite, quartz/chalcopyrite, quartz/sphalérite, quartz/pyrite/chalcopyrite, and quartz/pyrite/sphalérite. Des interactions galvaniques entre les grains libres de sulfures ont bien eu lieu lors de la lixiviation de ces mélanges de sulfures. La pyrite a été protégée grâce à l’effet galvanique tout au long de l’essai quartz/pyrite/chalcopyrite, et au début du test quartz/pyrite/sphalérite. De plus, les relargages du Cu dus à l’oxydation de la chalcopyrite ainsi que du Zn, Mn, et Cd dû à l’oxydation de la sphalérite ont été accélérés en présence de pyrite. Par ailleurs, pour améliorer le test statique minéralogique de Paktunc (1999), Bouzahzah et al. (2013) proposent une modification de l’équation pour calculer le potentiel de génération d’acide (PA) en prenant en considération le taux de réactivité des minéraux sulfurés, comme c’est déjà le cas pour les minéraux neutralisants dans la détermination du PN minéralogique. Dans cette thèse, on propose d’utiliser les taux de réactivité des différents sulfures et sulfosels testés (pyrite, pyrite-Ni, pyrrhotite, pyrrhotite-Ni, chalcopyrite, galène, sphalérite, arsénopyrite et gersdorffite) afin de calculer le taux de réactivité théorique de rejets miniers reconstruits avec des proportions de sulfures identiques à des rejets miniers réels. Ainsi, cinq rejets synthétiques ont été créés et soumis au test géochimique en mini-cellule d’altération. Le but de cette section est de contribuer à l’amélioration du calcul du PA dans le test statique en ajoutant un facteur cinétique dans le calcul. Ce facteur cinétique prend en compte le taux de réactivité relatif de chaque sulfure par rapport au taux de la pyrite. Le PA a été calculé pour chaque rejet synthétique selon les trois méthodes connues (Sobek et al. (1978), Paktunc (1999b), and Bouzahzah et al. (2013a)) et selon la nouvelle méthode développée dans la thèse. Les échantillons contenant de la pyrrhotite, de l’arsénopyrite et de la gersdorffite ont montré des différences significatives entre les résultats de chaque méthode. Le calcul du PA d’un matériau minier est une étape importante dans la prédiction du potentiel contaminant de ce matériau