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© Nadia El Mansour, 2019
Caractérisation physico-chimique de la carbonatation minérale des résidus miniers ultramafiques de la région
de Thetford Mines, Québec
Mémoire
Nadia El Mansour
Maîtrise interuniversitaire en sciences de la Terre - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Caractérisation physico-chimique de la carbonatation
minérale des résidus miniers ultramafiques de la
région de Thetford Mines, Québec
Mémoire
Nadia El Mansour
Sous la direction de :
Marc Constantin, directeur de recherche
Josée Duchesne, codirectrice de recherche
iii
Résumé
L’origine de la croissance très rapide des émissions des gaz à effet de serre est attribuée,
pour plus des ¾, au seul dioxyde de carbone (CO2). Ce dernier engendre d’importants
impacts sur l’équilibre thermique de la Terre, sur l’environnement et sur la biodiversité. Il
est donc nécessaire de mettre en oeuvre des actions d’envergure pour réduire ces émissions.
La carbonatation minérale est l’une des méthodes de la séquestration du CO2, qui participe
significativement à l’effort global de réduction des émissions d’origine anthropique dans
l’atmosphère. Plusieurs auteurs ont montré que le processus de carbonatation minérale se
produit naturellement en surface de la halde à résidus miniers de la mine LAB Chrysotile à
Thetford Mines, Québec (Canada).
L’objectif de ce projet est de trouver les évidences de la carbonatation minérale en sous-
surface de la halde à résidus miniers en caractérisant les phases minérales carbonatées des
échantillons d’un forage de 90 m de profondeur et en identifiant les horizons présentant un
fort potentiel de carbonatation minérale. Un total de 42 échantillons de forage a été prélevé
à différentes profondeurs puis tamisés, broyés et analysés par les méthodes suivantes :
analyseur élémentaire carbone-soufre, appareil infrarouge à transformée de Fourier-ATR,
microfluorescence des rayons X et le microscope électronique à balayage.
Les résultats ont montré la présence de l’artinite, la nésquehonite, la dypingite et
l’hydromagnésite dans tous les échantillons analysés cela prouve que les minéraux
carbonatés sont stable à l’intérieure de la pile de résidu. Cependant les minéraux ont peut-
être précipité à la surface puis avoir été subséquemment enfouis par d’autres résidus. La
corrélation entre les absorbances, la teneur en carbone, les mesures de la résistivité et de la
susceptibilité magnétique montre que la carbonatation minérale s'est produite d’une
manière très hétérogène tout au long du forage, mais que les horizons aux profondeurs entre
15-20 m, 24-29 m, 37-42 m, 57 m, 65-69 m, 80-84 m et à 89 m ont une concentration
significative en carbonates de magnésium hydratés.
iv
Table des matières
Résumé .................................................................................................................................. iii
Table des matières ................................................................................................................. iv
Liste des figures ...................................................................................................................... v
Liste des tableaux ................................................................................................................. vii
Remerciements .................................................................................................................... viii
Chapitre 1 : Introduction ........................................................................................................ 1
1.1 Cycle du carbone : ................................................................................................ 2
1.2 CO2 : principal gaz à effet de serre ...................................................................... 3
1.3 La carbonatation minérale .................................................................................... 5
Chapitre 2 : Les résidus miniers de Thetford Mines ............................................................ 15
Chapitre 3 : Matériel et méthodes......................................................................................... 22
3.1 Les données de forage et l’échantillonnage ...................................................... 22
3.2 Matériel .............................................................................................................. 24
3.3 Les techniques analytiques ................................................................................. 26
Chapitre 4 : Résultats ............................................................................................................ 32
4.1 Les résultats de mesures de carbone total .......................................................... 32
4.2 Résultats obtenus par la méthode d’Infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF)
............................................................................................................................ 34
4.3 Les résultats du micro xrf et du microscope électronique à balayage ................ 40
4.4 Discussion .............................................................................................................. 43
Chapitre 5 : Conclusion et recommandations ....................................................................... 49
Bibliographie ........................................................................................................................ 52
Annexe .................................................................................................................................. 59
v
Liste des figures
Figure 1 Schéma global du cycle du carbone. Source : (Bourque, 2010) ................................. 3
Figure 2 Concentration moyenne mensuelles du CO2 (NOAA; 03/2016) ................................ 4
Figure 3 Diagramme de phases dans le système MgO-CO2-H2O (Hänchen et al. 2008) ....... 13
Figure 4 Le log géologique du complexe ophiolitique de Thetford Mines (Laurent et Hébert,
1979) .................................................................................................................... 16
Figure 5 Contexte géologique des mines d’amiante de Thetford Mines (Laurent et Hébert,
1979) .................................................................................................................... 17
Figure 6 Halde à résidus miniers de la mine Black Lake, Québec, Canada ........................... 18
Figure 7 Photographie du site du forage réalisé à l’été 2014 sur la halde de résidus miniers de
la mine Black Lake (crédit photo, Ali Nowamooz) ............................................. 21
Figure 8 les échantillons de forage dans la boite de carottes .................................................. 21
Figure 9 Température dans le forage en fonction de la profondeur ........................................ 23
Figure 10 Concentration en CO2 dans le forage en fonction de la profondeur Ali Nowamooz,
2016 ...................................................................................................................... 23
Figure 11 Mesures pétrophysiques(Horswill, 2015) et les profondeurs échantillonnées ....... 24
Figure 12 Échantillons de forage couverts d’une couche de carbonates magnésiens ............. 25
Figure 13 Aperçu de la granulométrie très hétérogène des échantillons de forage ................ 25
Figure 14 Aperçu de la fraction <1 mm .................................................................................. 25
Figure 15 Échantillon pulvérisé .............................................................................................. 26
Figure 16 Teneur en carbone mesurée sur les différentes fractions granulométriques en
fonction de la profondeur ..................................................................................... 32
Figure 17 Moyenne pondérée de la teneur en carbone des résidus en fonction de la
profondeur ............................................................................................................ 34
Figure 18 Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur .................................................. 36
Figure 19 Résultats de l’IRTF en mode absorbance en fonction de la profondeur ................ 38
Figure 20 Distribution des intensités d’absorbance en fonction de la profondeur ................. 40
Figure 21 Cartographie chimique acquise au microXRF montrant les zones riches en Mg ... 42
Figure 22 Images en électrons rétrodiffusés des échantillons de forage prélevés à 40 et 82 m
de profondeur montrant la phase carbonatée ....................................................... 42
Figure 23 Spectre EDS de la phase carbonatée ...................................................................... 42
Figure 24 Comparaison entre le résultat global de la mesure en carbone en fonction de la
profondeur ............................................................................................................ 44
Figure 25 Distribution spatiale des produits de la réaction de carbonatation minérale détectés
dans les échantillons de forage en fonction de la profondeur en relation avec la
teneur en carbone, la résistivité électrique et la susceptibilité magnétique
mesurées le long du forage................................................................................... 48
Figure 26 Photographie aérienne de la halde de résidus miniers de la mine Black Lake,
Thetford Mines sur laquelle le forage a été réalisé (source Google Earth).......... 59
Figure 27 Photographie de la chaîne de thermistances utilisée pour le suivi et le monitoring
de la température dans le forage (crédit photo, Ali Nowamooz) ......................... 59
Figure 28 Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 4.5 et 35 m ...................... 74
Figure 29 Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 38 et 62 m ....................... 75
Figure 30 Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 67 et 90 m ....................... 76
vi
Figure 31 Histogramme de la porosité des échantillons de forage mesurée sur la fraction fine
<1 mm (Horswill et al., 2017) .............................................................................. 77
Figure 32 Courbe de la teneur en eau mesurée dans les premiers 40 m du forage (Horswill et
al., 2017) .............................................................................................................. 78
vii
Liste des tableaux
Tableau 1 Les principales formes hydratées de carbonates magnésiens .............................. 11
Tableau 2 Analyses en carbone/soufre des matériaux de référenceAR4018 utilisés pour
étalonnage. ......................................................................................................... 60
Tableau 3 Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence AR4017 utilisés pour
étalonnage. ......................................................................................................... 61
Tableau 4: Tableau 4Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence UBN-
serpentine utilisés pour étalonnage. ................................................................... 62
Tableau 5 Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence AR4017utilisés pour
étalonnage lors de l’analyse de l’échantillon SV-BL-1. .................................... 63
Tableau 6 Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence UBN-serpentine utilisés
pour étalonnage lors de l’analyse de l’échantillon SV-BL-1.............................63
Tableau 7 Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction <1
mm........................................................................................................................64
Tableau 8 Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 1-
9.5mm...................................................................................................................66
Tableau 9 Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 9.5-
19 mm. ............................................................................................................... 68
Tableau 10 Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction
>19mm...............................................................................................................70
Tableau 11 Teneur en carbone des échantillons de forage, regroupés selon la distribution
granulométrique ................................................................................................. 33
Tableau 12 Teneur en carbone de l’échantillon de résidu frais non consolidé prélevé en
2004 (SV-BL-1), regroupés selon la distribution granulométrique ................... 33
Tableau 13 Les valeurs d’absorbance des échantillons de forage, regroupés selon les quatre
types de carbonates de Mg hydratés .................................................................. 38
Tableau 14 Résultats d'absorbances d’IRTF en fonction de la profondeur. ......................... 73
viii
Remerciements
Avant d'entamer les différentes parties de ce mémoire, je tiens à exprimer ma
reconnaissance à tous ceux qui m’ont aidé, de près ou de loin, à réaliser ce mémoire
d’étude.
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de recherche, Marc Constantin, qui a dirigé
de près ce travail. Ses conseils et ses qualités humaines ont été pour moi très encourageants.
Ainsi, je le remercie pour le soutien et ses efforts fournis durant les deux années de
maîtrise. Je le remercie vivement pour sa disponibilité malgré ses multiples responsabilités.
Je témoigne aussi toute ma reconnaissance à ma co-directrice de recherche Josée Duchesne
pour ses qualités rationnelles, le support moral, l'encadrement sans failles et ses précieux
conseils qui m’ont permis de mener à bien ce projet,
Merci Marc, Josée d’avoir cru en moi et de m'avoir offert l'opportunité de réaliser ce
mémoire de maîtrise. Vos remarques enrichissantes ont été bénéfiques pour l'amélioration
de la qualité de ce travail.
Merci à Georges Beaudoin pour le soutien financier.
Mes remerciements s’adressent également à Martin Plante, pour son aide dans
l’échantillonnage et le prélèvement des échantillons dans la lithothèque située au sous-sol.
Je tiens à lui exprimer mes remerciements pour sa générosité en matière de formation et
d’explications dans les analyses en carbone/soufre. Je voudrais aussi remercier Micha
Horswill de m’avoir communiqué les données géophysiques utilisées dans ce travail.
Mes plus vifs remerciements s’adressent à toute l’équipe du département de géologie et de
génie géologique et plus spécialement à Guylaine Gaumond pour sa gentillesse et son aide
chaque fois que l'occasion se présente. Je remercie également Edmond Rousseau pour ses
explications concernant la confection des sections polies.
Mes remerciements les plus distingués à Mes Parents. A eux je dédie ce mémoire, je
n’aurais jamais pu le réaliser sans leur soutien et encouragements.
1
Chapitre 1 : Introduction
Problématique
Le projet de carbonatation minérale des résidus miniers s’avère incontournable. D’une part,
il constitue une approche peu coûteuse et naturelle pour la revalorisation et la gestion des
résidus miniers situés à Thetford-Mines au Québec (Canada). D’autre part, cela présente
une solution efficace pour réduire d’une manière significative les émissions de CO2. Le
processus de séquestration minérale du CO2 atmosphérique s’opère d’une manière naturelle
à la surface des parcs à résidus miniers de la mine Black Lake et se manifeste par la mise en
place d’une croûte minérale blanche qui cimente les grains de résidus miniers.
De nombreuses études se sont intéressées aux paramètres qui contrôlent la réaction de
carbonatation minérale dans la halde à résidus miniers de la mine Black Lake (Assima et
al., 2013 ; Tremblay J., 2013 ; Lechat et al., 2016, Zarandi et al., 2017). Parmi ces
paramètres, on trouve les caractéristiques minéralogiques et granulométriques, la
température, la pression partielle de CO2, la saturation en eau et la porosité des résidus
miniers. Ces facteurs ont une grande influence sur le type et la quantité de carbonates de
magnésium hydratés qui pourraient être formés dans la halde à résidus miniers. Pronost et
al., (2012) ont montré qu’à l’échelle globale de la halde à résidus miniers de la mine Black
Lake, 0,6Mt de CO2 par année peut être séquestrés passivement sous les conditions
environnementales naturelles du sud du Québec. En outre, des études ont indiqué que le
CO2 atmosphérique est piégé sous forme de pyroaurite, nesquehonite, dypingite et
hydromagnésite (Gras et al., 2015, Lechat et al., 2016). Toutefois, aussi détaillées soient-
elles, ces études étaient axées surtout sur le processus de carbonatation minérale opérant à
la surface de la halde de résidus miniers alors qu’en profondeur ce processus demeure mal
connu. Pour cette raison, le forage d’une profondeur de 90 m effectué en 2014 et
instrumenté en 2015 était d’une grande importance. Les mesures de la résistivité électrique
et de la susceptibilité magnétique réalisées par Horswill (2017) dans le sondage ont pu
identifier des horizons qui devraient être potentiellement carbonatés au sein de la pile à
résidus. Une des problématiques majeures concernant l’évaluation de la carbonatation
minérale à l’intérieur de la halde à résidus de la mine Black Lake, est que la réaction de
2
carbonatation minérale se déroule lentement, ce qui en résulte une précipitation en très
faible quantité de carbonates de Mg hydratés. Cela rend difficile la caractérisation et la
quantification par des techniques aussi précises que la diffraction des rayons X (DRX) et le
microscope électronique à balayage (MEB).
Objectif
L’objectif premier de l’étude est de caractériser les carottes du forage afin de mettre en
évidence des indices de la carbonatation minérale qui se situerait à l’intérieur de la halde à
résidus miniers de la mine Black Lake.
Il s’agit donc d’identifier les carbonates de Mg hydratés qui sont le produit de la
séquestration du CO2 puis de les quantifier afin d’en déduire leur distribution en fonction de
la profondeur le long du forage. Finalement, les résultats recueillis seront corrélés avec
d’autres propriétés pétrophysiques telles que la résistivité électrique et la susceptibilité
magnétique. Cette corrélation permettra de définir des horizons qui présentent des milieux
potentiels privilégiés pour la précipitation des carbonates de Mg hydratés.
1.1 Cycle du carbone
On retrouve le carbone sous deux formes principales : organique produit essentiellement
par les êtres vivants et inorganique comme le carbone du CO2 atmosphérique ou celui des
roches sédimentaires (calcaire). Le cycle des deux formes de carbone est complémentaire.
Le carbone est échangé entre les quatre grands réservoirs terrestres sous diverses formes :
l’atmosphère : sous forme gazeuse (CO2, CH4)
la biosphère : sous forme organique (formule générique CH2O)
l’hydrosphère : sous forme aqueuse (CO2dissous, H2CO3, HCO3-, CO3
2-)
la lithosphère : sous forme minérale (CaCO3)
Le carbone existe dans la nature sous forme élémentaire en tant que diamant, graphite ou
charbon. La figure 1 résume le cycle global du carbone, en indiquant les processus
d’échange du gaz carbonique.
Naturellement, le cycle global du carbone est en équilibre. Cependant, dans les dernières
décennies plusieurs organismes météorologiques mondiaux ont rapporté que ce cycle est
3
désormais déséquilibré au niveau de l’atmosphère en raison de l’augmentation des
émissions de carbone générées par la combustion d’énergie fossile.
Les principaux gaz qui ont un grand impact dans le cycle du carbone et qui sont
responsables de l’effet de serre sont la vapeur d’eau (H2O), le méthane (CH4), le protoxyde
d’azote (N2O), l’ozone (O3), et le dioxyde de carbone (CO2). L’augmentation du taux de
libération de ces gaz dans l’atmosphère découle en premier ordre des activités
anthropiques, telles que la combustion de combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel,
charbon), etc.
1.2 CO2 : principal gaz à effet de serre
L’effet de serre est un processus naturel. Une partie du rayonnement électromagnétique
solaire traverse l’atmosphère et frappe la surface de la Terre en contribuant à
l’augmentation de sa température. Une fois réchauffée, la Terre émet des rayons
Figure 1Schéma global du cycle du carbone (Bourque, 2010).
4
infrarouges vers l’atmosphère. Une partie de ces rayons infrarouges traverse l'atmosphère et
se perd dans l'espace, alors que l’autre partie est emprisonnée dans l'atmosphère par les gaz
à effet de serre, dont le plus important est le gaz carbonique (CO2). L’élévation de la
concentration de ce dernier dans l’atmosphère fait augmenter la température globale de la
surface terrestre.
Le CO2 provient principalement des émissions de combustibles fossiles (charbon, pétrole et
gaz) qui représentent 87% de l'énergie utilisée dans le monde et émettent 8,4 Gt de carbone
par an dans le monde (GIEC, 2007). Il est également issu de certains procédés industriels,
de la déforestation (pour plus de 15% soit 1,5 Gt de carbone par an) et de l'agriculture
intensive (GIEC, 2007).
L’observatoire de Mauna Loa indique qu'en 2013, des niveaux de dioxyde de carbone
(CO2), ont atteint en moyenne 397,7 ppm. Au début de 2014, le seuil de CO2 a brièvement
franchi les 400 ppm dans l’hémisphère Nord (figure 2), puis montant progressivement à
nouveau dans le monde au début de 2015.
Au Canada, les émissions de dioxyde de carbone (CO2) en 2011 représentaient 79% des
émissions totales de gaz à effet de serre d'après le rapport d'inventaire national (GIEC,
2015).
Au titre de l'Accord de Copenhague, le Canada s’est engagé à ramener d'ici 2020 ses
émissions de gaz à effet de serre à 17% sous le niveau de 2005. Parmi les options
considérées pour aider à réduire l'effet des émissions anthropiques de CO2, se trouve la
Figure 2 Concentrations moyennes mensuelles du CO2 (NOAA; 03/2016).
5
carbonatation minérale. Elle a été proposée comme une alternative de séquestration
permanente du carbone.
1.3 La carbonatation minérale
La carbonatation minérale est une réaction exothermique. Les minéraux qui contiennent les
cations divalents Ca et Mg réagissent avec le CO2 pour produire des carbonates
chimiquement stables (Seifritz, 1990). Ce processus naturel permet un stockage pérenne du
CO2 le plus durable et le plus sûr (Lackner et al., 1995).
Parmi les matériaux qui sont potentiellement susceptibles d'être carbonatés, on trouve les
roches mafiques et ultramafiques, certains types de rejets industriels (les rejets de
cimenteries) et les résidus miniers riches en minéraux magnésiens et silicatés (par ex. ceux
de la serpentine).
Il existe deux types de carbonatation minérale, in-situ et ex-situ :
La carbonatation minérale in-situ consiste à injecter directement le CO2 supercritique dans
des formations géologiques contenant des silicates de Mg et Ca tels que les péridotites des
ophiolites ou les aquifères profonds associés à des roches mafiques. Des études ont
démontré que les péridotites pouvaient réagir rapidement avec le gaz carbonique (CO2)
dissous dans les eaux d’infiltration, pour former des veines riches en minéraux carbonatés
(Kelemen et Matter, 2008). Puisque les réactions sont exothermiques, elles libèrent de la
chaleur. L’augmentation de cette dernière provoque la fracturation des roches encaissantes,
ce qui favorise davantage la circulation des eaux météoriques riches en gaz carbonique
(CO2), et par conséquent accélère le processus de carbonatation minérale (Kelemen et
Matter, 2008). Les minéraux carbonatées produits selon ces réactions sont : la calcite, la
magnésite et la dolomite (Kelemen et al., 2011).
Par ailleurs, la carbonatation ex-situ est la carbonatation minérale des résidus miniers
ultramafiques et de quelques types de rejets industriels.
Les résidus miniers ultramafiques constituent un excellent choix pour la carbonatation. En
effet, ils ont des teneurs élevées en magnésium et calcium (Lackner et al., 1995). De plus,
leur accessibilité ainsi que leur abondance en très grandes quantités dans les sites miniers
abandonnés ou actifs, ont largement rendu la mise en œuvre du processus de la
carbonatation minérale facile et peu dispendieuse.
6
Les réactions se produisant dans le processus de carbonatation minérale, (Olajire, 2013),
sont énumérées ci-dessous :
Mg(OH)2 + CO2 + 2H2O → MgCO3 ·3H2O (nesquehonite)
5Mg(OH)2 + 4CO2 + H2O → Mg5(CO3)4(OH)2 ·5H2O (dypingite)
5Mg(OH)2 + 4CO2→ Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O (hydromagnésite)
La capacité de séquestration des résidus miniers ultramafiques dépend de plusieurs facteurs
tels que les caractéristiques minéralogiques et granulométriques des résidus miniers, les
conditions climatiques et les propriétés physico-chimiques des résidus miniers.
On peut citer à titre d’exemple, la carbonatation minérale passive découverte dans les
grandes quantités de résidus miniers et de stériles de la région minière de Thetford Mines,
Québec (Canada). La quantité des résidus miniers a été estimée à environ 2Gt et pourrait
séquestrer jusqu’à 700Mt du CO2 atmosphérique (Pronost et al., 2012). Le fort potentiel de
carbonatation minérale évalué pour les résidus miniers de la mine de nickel Dumont au
Nord-Ouest du Québec (Canada), qui sont d’un point de vue minéralogique composés
majoritairement de serpentine et de faible quantité de brucite, est un autre exemple
démontrant la capacité de séquestration des résidus (Gras et al., 2014). Les résultats des
essais cinétiques et le test de consommation en CO2 ont démontré que les résidus de la mine
de nickel Dumont ont un taux de séquestration du carbone dans les conditions ambiantes
variant entre 600 et 2200 g de CO2/m2/an (Awoh et al., 2013; Pronost et al., 2011).
Également, il a été rapporté que les résidus miniers de serpentine de la mine abandonnée
Clinton Creek à l’ouest du Yukon ont pu séquestrer jusqu’à 6200 g de CO2/m2/an (Wilson
et al., 2009a).
Généralement la carbonatation minérale des résidus miniers ultramafiques passe par une
série de réactions physico-chimiques (Power et al., 2014) impliquant :
i. la dissolution du dioxyde de carbone gazeux en phase aqueuse, (R1)
ii. l’hydratation du CO2 pour former l'acide carbonique (H2CO3) en favorisant ainsi
l’acidification de l’eau interstitielle, (R2)
iii. l’ionisation de l’acide carbonique qui consiste en la formation de l’ion bicarbonate/
carbonate, et des ions H+ capables de réagir avec certains silicates et la brucite, (R3)
7
iv. la dissolution des minéraux alcalins en libérant l’ion OH- et les composés chimiques
contenant du métal tels que le Mg2+
, (R4)
v. la précipitation des carbonates de Mg hydratés, (R5)
CO2(g) <=> CO2(aq) (R1)
CO2 (aq) + H2O (aq) <=>H2CO3(aq) <=> H+
(aq) + HCO3-(aq) (R2)
HCO3-(aq) <=> CO3
2-(aq) + H
+ (aq)
MgO(s) +H2O (aq) <=>Mg(OH)2(s) (R3)
Mg(OH)2 (s) + H+
(aq) → Mg2+
(aq) + H2O (aq) + OH−
(aq) (R4)
Mg2+
(aq) + HCO3−
(aq) + OH−
(aq) + 2H2O (aq) →
Mg(HCO3) (OH)·2H2O (s) (R5)
La dissolution minérale et la précipitation de carbonates représentent deux étapes limitantes
de la carbonatation minérale de résidus miniers ultramafiques.
1.3.1 La dissolution minérale
La cinétique de la dissolution minérale dépend des caractéristiques minéralogiques et
granulométriques des résidus miniers, de la température, de l’apport en CO2 et de la
saturation en eau (Power, et al., 2013).
De ce fait, plusieurs essais cinétiques (laboratoire et terrain) ont été réalisés (Assima et al.,
2013; Tremblay J., 2013, Assima et al., 2014a, 2014b; Zarandi et al., 2016; Gras et al.,
2017; Pronost et al., 2011; Lechat, 2016). Ces essais avaient pour objectif non seulement de
bien étudier l’effet direct de ces paramètres sur la dissolution minérale, mais aussi de
déterminer, à partir des résultats obtenus, des méthodes qui optimisent et accélèrent la
séquestration du carbone par les résidus miniers ultramafiques.
Le taux de carbonatation des différentes lithologies présentes dans les résidus miniers
mafiques et ultramafiques du projet Dumont (péridotites, dunite, gabbro et matériaux
volcaniques) ont été évaluées en laboratoire (Zarandi et al., 2017). Les résultats ont
démontré que les lithologies ultramafiques (dunite et péridotite) ont présenté un taux de
carbonatation remarquable par rapport au gabbro et aux matériaux volcaniques. Ces
8
derniers n’ont pas séquestré de CO2. Cela est principalement dû à leurs compositions
minéralogiques.
La dunite et la péridotite sont riches en minéraux séquestreurs de carbone tels que la
serpentine, l’olivine et la brucite. En effet, les résultats de différentes études réalisées sur la
vitesse de dissolution de la serpentine montrent que la réactivité de cette dernière est limitée
par le taux d’extraction de la brucite à partir de sa structure cristalline plus ou moins
complexe (Power et al., 2013). Par contre, la brucite native qu’on trouve associée aux
résidus miniers ultramafiques est le principal réactif impliqué dans la carbonatation
minérale en dépit de son abondance mineure. Dans les environnements naturels à basse
température, plus la teneur en brucite est élevée dans les résidus miniers ultramafiques, plus
la carbonatation de ces derniers se produit rapidement lorsqu'ils sont exposés à des fluides
contenant des concentrations élevées de CO2 dissous (Harrison et al., 2013). Par
conséquent, ces résidus pourraient séquestrer une proportion importante du CO2
atmosphérique (Assima et al., 2014c).
De même, la granulométrie, tout comme pour la composition minéralogique joue un rôle
très important dans le processus de carbonatation minérale. Par exemple, Assima et al.,
(2013) ont étudié l’impact de diverses fractions granulométriques (75, 150, 212, 425, 850,
1800 µm) sur la réactivité des résidus miniers. Les résultats ont montré qu’une taille fine
des grains permet l’accroissement de la surface spécifiquece qui accélère la dissolution des
particules fines contenant du Mg et augmente la précipitation des carbonates.
Le principal paramètre affectant la vitesse de carbonatation minérale est l’apport en CO2
(Power et al., 2009; Zhang et al., 2000). L’apport en CO2 agit sur le rapport acide/base des
résidus miniers. En condition ambiante, le CO2 atmosphérique pénètre dans le réseau poral
des résidus miniers ultramafiques, et agit comme un gaz qui se dissout dans les liquides
interstitiels pour former l'acide carbonique (H2CO3). Ce dernier se dissout en proton (ion
H+) et en ion bicarbonate (HCO3
-), ce qui tamponne l’acidification. En effet, un pH plus
acide favorise la dissolution des silicates magnésiens. Un pH basique est par contre
nécessaire à la précipitation de carbonates de magnésium hydratés (Teir et al., 2009). Bales
et Morgan, (1985) ont démontré que la solubilité du magnésium du chrysotile augmente
avec la baisse du pH de 10 à 7.
9
Harrison et al., (2013) confirment qu’augmenter la concentration en CO2 accroit le degré de
carbonatation en phase aqueuse de la brucite. Ainsi, Lechat et al., (2016) ont construit des
parcelles expérimentales afin d’évaluer l’impact de l’approvisionnement en CO2 ainsi que
d’autres facteurs physico-chimiques sur la carbonatation minérale des résidus miniers de la
mine Black Lake (Québec, Canada). Les résultats ont démontré que les carbonates
précipitent majoritairement dans la partie supérieure de la parcelle, près de la surface. Les
auteurs ont expliqué ce résultat par un apport insuffisant de CO2 à l’intérieur de la parcelle.
Plus la pression partielle de CO2 pénètre en profondeur des résidus à travers les pores, plus
le pH varie en fonction des modifications du taux de CO2 et plus la dissolution des résidus
est augmentée.
Ainsi, la saturation en eau et la température sont deux facteurs qui ont une grande influence
sur la dissolution minérale des résidus et la précipitation minérale des carbonates. L’eau
interstitielle accélère la diffusion des espèces dissoutes de CO2. Les résultats du test de
consommation de CO2 réalisé sur les résidus miniers de la mine de nickel Dumont par
Awoh et al., (2013) ont démontré que pour une carbonatation optimale, il faut un contenu
en eau variant entre 25 et 28 % poids.
De plus, la vitesse de dissolution des cations des minéraux silicatés augmente lorsque la
température augmente. En effet, des températures plus élevées permettent une solubilité
plus élevée du magnésium de la serpentine (Gerdemann et al., 2007). Par exemple, Wang et
Maroto-Valer(2011) ont étudié expérimentalement la dissolution de la serpentine dans un
acide fort à des températures très élevées (70, 80, 90 et 100°C). Les résultats ont démontré
que les températures de 90-100°C sont capables d'extraire 100% du magnésium de la
serpentine. La dissolution complète des minéraux réactifs augmente la concentration dans
la solution et favorise le processus de précipitation des carbonates.
1.3.2 La précipitation des carbonates de Mg hydratés
Les carbonates de magnésium hydratés constituent le produit final de la réaction de
carbonatation minérale des résidus miniers ultramafiques. Leur précipitation est favorisée
dans un milieu réactionnel aqueux à pH basique et sursaturé en ions magnésiums et en ions
carbonate ou bicarbonate. La surface spécifique joue un rôle primordial dans le taux de
nucléation et de croissance des cristaux de carbonates magnésiens (Zhang et al., 2006).
10
Dans les conditions physico-chimiques variées que l’on trouve dans la nature, la
précipitation des carbonates de Mg hydratés se fait d’une manière très lente suivant les
réactions mentionnées ci-dessous
Mg(OH)2 + CO2 + 2H2O → MgCO3 ·3H2O (nesquehonite)
5Mg(OH)2 + 4CO2 + H2O → Mg5(CO3)4(OH)2 ·5H2O (dypingite)
5Mg(OH)2 + 4CO2→ Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O (hydromagnésite)
La morphologie de croissance des carbonates de Mg hydratés dépend de facteurs cinétiques
tels que la solubilité, la température et la vitesse de diffusion des molécules de soluté vers
le cristal. Certains auteurs ont indiqué que dans les conditions de laboratoire, la
nesquehonite cristallise d’une manière mince et allongée, enforme d'aiguilles (Wang et al.,
2008). La croissance de l’hydromagnésite et la dypingite est plutôt sous la forme
d’agglomérats constitués de cristaux allongés bien cristallisés (Pronost et al., 2011). Dans
les résidus miniers ultramafiques en conditions environnementales, les carbonates de Mg
hydratés précipitent sous forme d’un remplissage des fractures affectant des grains de
serpentine massive (Beaudoin et al., 2008).
Cependant, parmi les facteurs qui limitent le processus de précipitation notons l’apparition
d’une couche passive qui empêche la nucléation et la croissance des carbonates de Mg
hydratés (Assima et al., 2013). Autrement dit, la dissolution des résidus miniers
ultramafiques entraine la libération du Mg ainsi que d’autres éléments chimiques tels que le
Fe et le Si. Dans des conditions favorables, ces derniers peuvent précipiter en premier sous
forme de magnétite et/ou d’une phase d’altération silicatée qui entrave la formation et la
précipitation des carbonates de magnésium hydratés (Assima et al., 2012; Gerdemann et al.,
2007, Béarat et al., 2006; O’connor et al., 2000).
1.3.3 La stabilité des carbonates de Mg hydratés
Les minéraux de carbonate de magnésium hydraté ont longtemps été considérés comme des
minéraux secondaires résultant de l'altération de la serpentinite dans les conditions
naturelles et durant la serpentinisation (Power et al., 2013).
11
Selon les conditions ambiantes, la composition des produits de carbonatation minérale est
variable et peut être représentée par la formule empirique suivante :
xMgCO3.yMg(OH)2.zH2O.
Notamment, ces minéraux peuvent être classés en trois groupes selon le nombre d’ion
magnésium qu’ils contiennent dans leur structure (Rheinheimer et al., 2017). Les
principales formes de carbonates de Mg hydratés sont présentées dans le tableau 1.
La stabilité des carbonates de Mg hydratés relatives au système MgO-CO2-H2O a été
largement étudiée. En effet, la stabilité de ces minéraux est contrôlée par la teneur en eau,
la température et la concentration en CO2 (Hopkinson et al., 2012; Xiong et al., 2008). Par
ailleurs, la température joue un rôle très important dans la précipitation des carbonates de
Mg hydraté. En augmentant la température, il se produit une transformation d’un carbonate
de Mg plus hydraté et moins stable à un autre type moins hydraté et plus stable (Xiong et
al., 2008).
La magnésite (MgCO3) est la seule forme anhydre et la plus stable dans le système MgO-
CO2-H2O. Dans la nature, la cinétique de précipitation de la magnésite est très lente (Zhang
et al., 2000).
Des essais au laboratoire effectués par (Hänchen et al., 2008; Königsberger et al., 1999)
ont confirmé qu’à partir d’une solution aqueuse, la précipitation directe de la magnésite
sans apparition d’une phase intermédiaire telle que l’hydromagnésite est cinétiquement
complexe et ne peut se produire qu’à des températures nettement plus élevées (120-180°C)
que celles ambiantes à la surface de la Terre (Zhang et al., 2000) (figure 3a). Cela est dûe
Tableau 1Les principales formes hydratées de carbonates magnésiens.
Carbonates de Mg hydratés Formule chimique
Groupe I Nesquehonite
Lansfordite
MgCO3∙ 3H2O
MgCO3∙ 5H2O
Groupe II Artinite Mg2(CO3) (OH)2∙ 3H2O
Groupe III Hydromagnésite
Dypingite
Mg5(CO3)4(OH)2∙ 4H2O
Mg5(CO3)4(OH)2∙ 5H2O
12
aux très fortes vitesses d’échange entre les molécules d’eau et l’ion Mg2+
(Christ et
Hostetler, 1970). Toutefois, cette forte énergie d’hydratation de l’ion Mg2+
favorise
davantage la précipitation d’autres formes hydratées de carbonates de Mg relativement
instables.
La lansfordite et l’artinite constituent les phases les moins stables qui se forment à des
températures et pressions partielles très faibles. L’artinite est plus stable à 15°C alors que la
lansfordite précipite à une température inférieure à 10°C (Königsberger et al., 1999) (figure
3c). Par conséquent, à une température supérieure à 10°C, la lansfordite va se déshydrater
pour se transformer en nesquehonite (Ming et Franklin, 1985).
Plusieurs études ont révélé que dans une solution aqueuse, la nesquehonite est plus stable à
25°C et à une pression partielle de CO2 relativement faible, c'est-à-dire proche ou inférieure
à la pression partielle de CO2 ambiante (Kloprogge et al., 2003; Zhang et al., 2006) (figure
3d).
A une température plus élevée entre 50°C et 100°C, la nesquehonite perd son eau de
cristallisation et se transforme en hydromagnésite par l’intermédiaire de la dypingite
(Hopkinson et al., 2012; Power et al., 2007). L’hydromagnésite est un minéral moins
hydraté et plus stable que la nesquehonite.
13
La variabilité d’états d'hydratation des minéraux de carbonates de Mg se traduit par la
fixation des molécules d’eau autour de l’ion Mg2+
en formant une barrière ce qui facilite
leur incorporation dans la structure cristalline des carbonates. L’augmentation de la
température réduit l’activité chimique de l’eau dans le système en brisant le réseau de
liaisons des molécules d’eau autour de la sphère de coordination de l’ion Mg2+
(Christ et
Hostetler, 1970). Dans ce cas, un faible ratio [Mg2+
]/[CO32-
] est suffisant pour empêcher
tout type d’interaction entre les molécules d'eau et la surface du cristal (Hänchen et al.,
2008). Par conséquent, on obtient soit la précipitation directe soit une transformation vers
une phase moins hydratée mais plus stable. La stabilité des carbonates de magnésium
hydratés augmente de :
Lansfordite →Artinite →Nesquehonite → Dypingite → Hydromagnésite → Magnésite
Figure 3 Diagramme de phases dans le système MgO-CO2-H2O (Hänchen et al. 2008).
a- Les conditions d’équilibre de la brucite avec la magnésite, b- les conditions
d’équilibre de la brucite avec l’hydromagnésite, c- les conditions d’équilibre de la
brucite avec l’artinite→nesquehonite, d- conditions d’équilibre de la brucite avec la
nesquehonite.
14
Les domaines de stabilité des carbonates magnésiens hydratésdans la nature sont différents
de ceux précipités au laboratoire. L’hydromagnésite est le minéral le plus fréquemment
retrouvé dans les formations ultramafiques et dans les grands dépôts des résidus miniers de
serpentine (Bashir et al., 2009; Beaudoin et al., 2008; Wilson et al., 2006). Toutefois, la
nesquehonite et la dypingite sont très rares par rapport à l’hydromagnésite. Bien que la
nesquehonite est la plus susceptible de se former dans les conditions physico-chimiques
que l'on trouve dans la nature, plusieurs chercheurs suggèrent que la présence très
abondante de l’hydromagnésite dans la nature résulte fort probablement de la
transformation par déshydration de la dypingite et de la nesquehonite (Davies et Bubela,
1973; Wilson et al., 2006).
Comme exemple d'occurrences naturelles de la carbonatation minérale in situ des résidus
miniers en conditions environnementales, on cite la carbonatation minérale naturelle des
résidus miniers de la mine Black Lake, Thetford Mines (Québec, Canada) qui a conduit à la
formation de l’hydromagnésite étant la phase relativement stable à température ambiante
(Beaudoin et al., 2008). On cite également à titre d’exemple la mine de Clinton Creek, au
Yukon et de Cassiar, en Colombie-Britannique. L’altération à basse température de la
serpentine a conduit à la formation de la nesquehonite par évaporation sous forme d’une
croûte de cimentation sur les surfaces exposées à l’air de la pile de résidus miniers.
Également, la formation de l’hydromagnésite et de la dypingite a été observée dans un
milieu plus humide à quelques centimètres sous la surface de la halde de résidus (Wilson et
al., 2009a).
Ainsi, dans la mine de chromite abandonnée (Feragen) dans le sud-est de la Norvège, une
couche de lansfordite de presque 2 cm d’épaisseur a été formée durant le processus
d’altération à basse température des péridotites serpentinisées. Les résultats des mesures
des isotopes stables de l’oxygène et du carbone ainsi que les observations pétrologiques ont
confirmé que la lansfordite est formée exclusivement à partir du CO2 atmosphérique
(Beinlich et Austrheim, 2012).
15
Chapitre 2 : Les résidus miniers de Thetford
Mines
Thetford Mines est une ville de grande superficie située dans la région Chaudière
Appalaches, à environ 100 km au sud de la ville de Québec, Canada.
De point de vue géologique, le complexe de Thetford mines fait partie de la ceinture
ophiolitique du Sud du Québec, et il représente des fragments de la lithosphère océanique
imbriqués au sud de la marge continentale Laurentienne (Bédard al., 2004). Le complexe
ophiolitique de Thetford Mines est formé d’une séquence ophiolitique complète, où on
distingue une épaisse unité mantellique harzburgitique et une unité crustale (Figure 4).
Cette dernière est formée essentiellement par une partie plutonique (dunite, pyroxénite et
gabbro) et une partie sommitale dominée par un complexe filonien et des coulées massives
ou coussinées de laves associées à des roches pyroclastiques et sédimentaires (Schroetter et
al., 2003).
16
Les harzburgites de l’unité mantellique sont caractérisés par des concentrations élevées en
MgO (42.0-48.6 % poids) (Laurent, 1975a ; Pagé 2006). La partie inférieure de cette unité
est constituée par des péridotites cisaillées et affectées par des degrés variables de
serpentinisation. La serpentinisation devient de plus en plus intense en allant vers le contact
qui limite la partie mantellique et la base amphibolitique (Laurent et Hébert, 1979). En
approchant de ce contact, on trouve la présence mineure de quelques veinules de carbonates
et une abondance importante des veines de chrysotile (Cogulu et Laurent 1984) qui sont à
l’origine de grandes mines d’exploitation de ce minéral industriel de la province de Québec
(figure 5). L’une de ces grandes mines de chrysotile est l’immense mine Black Lake, située
à 10 km au sud-ouest de Thetford Mines.
Figure 4 Le log géologique du complexe ophiolitique de Thetford Mines (Laurent et
Hébert, 1979).
17
La mine de Black Lake avait toujours été reconnue parmi les plus importants sites miniers
producteurs de fibres de chrysotile du Canada. Les premières exploitations ont débuté en
1877 pour se terminer en 2012 à cause de son impact néfaste sur la santé humaine (ACSP,
1964). Durant plusieurs années d’exploitation, la mine Black Lake a accumulée une grande
halde à résidus miniers contenant 120 millions de tonnes de roches ultramafiques
serpentinisés broyées (Huot et al., 2003). La halde à résidus miniers de Black Lake s’étend
sur 130m de hauteur et 1,4 km de longueur (figure 6).
Figure 5Contexte géologique des mines d’amiante de Thetford Mines (Laurent et
Hébert, 1979).
18
La pile à résidus miniers de Black Lake est constituée de matériaux de granulométrie
variable allant de blocs de plusieurs mètres de diamètre, jusqu’à des grains très fins (<75
μm). Du point de vue minéralogique, les résidus miniers de Black Lake sont constitués à
plus de 90% de lizardite, antigorite et chrysotile (Mg3Si2O5(OH)4) (Beaudoin et al., 2008).
On retrouve aussi en faible quantité de la magnétite et de la brucite ainsi que la présence de
l’hydromagnésite en surface de la pile à résidus (Huot et al., 2003). La présence de
l’hydromagnésite a été un élément favorable à la poursuite d’études plus approfondies sur
le processus de carbonatation minérale.
De ce fait, les résidus miniers de Black Lake ont fait l’objet de plusieurs études par l’équipe
de recherche du département de géologie et de génie géologique de l’université Laval.
En 2003, Huot et al., ont découvert une couche indurée au niveau de la surface de la halde à
résidus miniers de la mine Black Lake qui permet de cimenter les particules des résidus
miniers entre elles. La couche de cimentation avait déjà été remarquée par les ouvriers de la
mine. La caractérisation minéralogique de cette couche a montré qu’il s’agit d’un carbonate
de magnésium hydraté : l’hydromagnésite (Huot et al., 2003).
En 2008, des études ont montré que la surface la plus exposée à l’air des résidus miniers de
chrysotile qui sont en contact direct avec les eaux météoriques a été cimentée, après un
certain temps, exclusivement par l’hydromagnésite. La couche contenant l’hydromagnésite
a précipité sous forme de lits obliques de faible épaisseur qui couvre les fibres du
chrysotile. Par ailleurs, la couche de cimentation précipite progressivement de la surface à
quelques centimètres de profondeur (45 cm) dans la halde, où l’on remarque une
diminution de la teneur en carbone inorganique (Beaudoin et al., 2008). La précipitation de
Figure 6Halde à résidus miniers de la mine Black Lake, Québec, Canada.
19
l’hydromagnésite dans la pile à résidus miniers contribue à la diminution du taux de
libération des fibres de chrysotile dans l’air.
Les études menées sur la carbonatation minérale spontanée dans la pile à résidus miniers
ultramafiques de Black Lake ont permis d’estimer que ces résidus miniers sont capables de
séquestrer naturellement 600 tonnes de CO2 par année (Pronost et al., 2012).
Plusieurs auteurs ont étudié expérimentalement la cinétique de la réaction de carbonatation
des résidus miniers de la mine Black Lake (Assima et al., 2014a; Pronost et Beaudoin 2010;
Pronost et al., 2011, 2012; Tremblay, 2013). Ces travaux expérimentaux ont été réalisés soit
en eudiomètre, soit dans un réacteur à lit fixe en variant les facteurs qui contrôlent la
réaction de carbonatation minérale tels que : la pression partielle du gaz carbonique (CO2),
la granulométrie, la teneur en eau, et la température.
Les résultats ont démontré que la phase de dissolution des silicates magnésiens, est l’étape
limitante du processus de la carbonatation minérale, et que la structure brucitique native des
serpentines est la plus susceptible de réagir à un taux élevé avec le CO2, en obtenant une
carbonatation quasi-complète sous la forme de carbonates de magnésium hydratés tels que
la nesquéhonite et la dypingite (Pronost et al., 2011). Ces carbonates précipitent sous forme
d’agglomérats constitués de cristaux allongés et bien cristallisés (Pronost et al., 2011).
Ainsi, l’efficacité de la carbonatation minérale des résidus miniers dépend grandement de la
granulométrie; les matériaux à grains plus fins entre 1 mm et 0,15 mm semblaient avoir un
taux de carbonatation quatre fois plus élevé que les matériaux grossiers de plus de 5 mm de
diamètre (Assima et al., 2014a; Pronost et Beaudoin, 2010).
De plus, la saturation en eau est parmi les facteurs qui contrôlent la cinétique de la
carbonatation minérale des résidus miniers. Un milieu réactionnel humide facilite la mise
en solution des ions Mg, tandis qu’une quantité minimale ou très élevée d’eau entrave la
diffusion du CO2. Tremblay, (2013) a montré qu’une teneur en eau entre 20 et 60% favorise
les conditions optimales pour une réaction de carbonatation complète et rapide. Également,
Assima et al., (2013) ont montré que la présence de la magnétite dans les résidus miniers
limite la réaction de la carbonatation minérale. Cela est dû au fait que l’oxygène contenu
dans l’air et/ou dissout favorise l’oxydation de la magnétite en hydroxyde de fer (III). Ce
dernier précipite sous forme d’une couche passive sur la surface des grains de serpentine en
empêchant la précipitation des carbonates de Mg hydratés.
20
Zarandi et al., (2016) ont effectué des essais dans un réacteur à lits fixes sur un échantillon
de résidus miniers provenant de la mine de nickel Dumont (Royal Nickel Corp.), sous des
conditions de température très variable [35 ± 1 °C, 23 ± 2 °C, 5 ± 1°C et-5 ± 2 °C].
L’objectif était de reproduire les conditions environnementales du nord du Québec et
d’évaluer l’effet de la température sur la carbonatation passive des rejets miniers
ultramafiques. Les résultats obtenus sont similaires à ceux trouvés par (Assima et al.,
2014c). Les basses températures [5 ± 1 °C et -5 ± 2 °C] ont réduit la réactivité de la
serpentine. Toutefois, l’augmentation de la température [35 ± 1 °C, 23 ± 2°C] a accéléré
significativement la dissolution de la serpentine et par conséquent, a favorisé la
précipitation des carbonates de Mg sous forme de nesquehonite.
Ainsi, vu que la réaction de carbonatation minérale est exothermique, pendant la période
hivernale des évents d’air chaud où la neige avait fondu ont été découverts à la surface de la
pile à résidus miniers de la mine Black Lake. A la sortie de ces évents, l’air était appauvri
en CO2 et présentait une température supérieure à la température ambiante ( Pronost et al.,
2012). Cette découverte est en soi une preuve qu’une réaction de carbonatation minérale se
produit à l’intérieur de la halde. Un modèle conceptuel a été développé à partir des
observations de terrain. D’abord, l'air riche en CO2 pénètre à l’intérieur de la halde à résidus
miniers à travers les flancs escarpés, puis réagit avec les minéraux riches en magnésium et
précipite des carbonates de Mg hydratés. Puisque la réaction est exothermique, la
carbonatation génère de la chaleur en réchauffant l'air appauvri en CO2 qui remonte ensuite
vers la surface de la halde provoquant des mouvements convectifs de gaz qui contribuent à
alimenter la pile de résidus en CO2 (Pronost et al., 2012).
Afin d’approfondir les connaissances sur le processus de carbonatation minérale à
l’intérieur de la pile à résidus miniers, un forage vertical de 90 m de profondeur et de 6
pouces (15,2 cm) de diamètre a été réalisé à l’été 2014 sur la pile à résidus miniers à la
mine de Black Lake, Thetford Mines (figure 7).
21
Les échantillons recueillis lors du forage ont été placés dans des sacs de plastique et
conservés dans les boites de carottes (figure 8) à la lithothèque du département de géologie
et de génie géologique.
À l’été 2015, le forage a été instrumenté avec une chaîne de thermistances et des ports
d'échantillonnage de gaz qui permettent d’effectuer des mesures systématiques de la
température et la concentration en CO2.
Figure 8Les échantillons de forage dans la boite de carottes.
Figure 7 Photographie du site du forage réalisé à l’hiver 2015 sur la halde de résidus
miniers de la mine Black Lake (crédit photo, Ali Nowamooz).
22
Chapitre 3 : Matériel et méthodes
Dans ce chapitre nous allons présenter la méthodologie suivie pour la réalisation de ce
projet de recherche. En effet, la première étape concerne l’analyse des données de forage
disponibles sur lesquelles nous nous sommes basés pour sélectionner les échantillons. La
deuxième étape, nous allons décrire les différentes techniques analytiques utilisées pour la
caractérisation minéralogique des échantillons de forage sélectionnés, en mentionnant la
méthode de préparation des échantillons propre à chacune des techniques analytiques que
sont l’analyseur carbone-soufre, l’infrarouge à Transformée de Fourier en mode Réflexion
Totale Atténuée et le Microscope Électronique à Balayage.
3.1 Les données de forage et l’échantillonnage
Les figures 5 et 6 présentent les résultats des mesures de température et de concentration en
CO2 en fonction de la profondeur dans le forage. Les mesures ont été prises à différents
moments entre 2015 et 2016 par Ali Nowamooz. Ces résultats préliminaires représentent
les zones à anomalie thermique (figure 9) et permettent de constater le comportement
réactif du CO2 en fonction de la profondeur (figure 10) et par conséquent, permettent
d’identifier les zones propices à la carbonatation minérale.
23
La figure 11 présente les résultats de mesures de résistivité électrique et de susceptibilité
magnétique mesurées en fonction de la profondeur par Micha Horswill, (2015). L’analyse
de ces deux paramètres montre des zones marquées par une augmentation de la résistivité
électrique tandis que la susceptibilité magnétique a tendance à diminuer. La tendance
observée entre ces paramètres est une aide à l’identification de la présence des carbonates
de Mg hydratés issus de la carbonatation minérale.
Figure 9Température dans le forage en fonction de la profondeur.
Figure 10Concentration en CO2 dans le forage en fonction de la profondeur (Ali
Nowamooz, 2016).
24
C’est à la lumière de ces renseignements, que nous avons sélectionné 42 échantillons dans
les différentes profondeurs le long du forage (figure 11) pour présenter plus de résultats sur
les évidences de la carbonatation minérale à l’intérieur de la halde à résidus miniers de la
mine Black Lake.
3.2 Matériel
Les observations macroscopiques des échantillons de forage révèlent, en effet, la présence
des zones indurées par une croûte blanche. Cette couche indurée couvre la surface des
grains de serpentine massive et des fibres de chrysotile (figure 12). Elle ressemble à celle
Figure 11Mesures pétrophysiques (Horswill, 2015) et les profondeurs échantillonnées.
Profondeurs
échantillonnées (m)
25
précédemment décrite et identifiée comme des carbonates de Mg hydratés dans les travaux
de Beaudoin et al., (2008) et de Pronost et al., (2011).
Les échantillons récupérés du forage montrent une distribution granulométrique très étalée
marquée par la présence de particules dont la taille varie de quelques dizaines de
micromètres à quelques centimètres (figures 13, 14). Par ailleurs, lors du tamisage, les
échantillons recouverts par la couche blanche de cimentation ont été abrasés, ce qui est
responsable de la concentration particulière de cette couche dans la fraction <1 mm.
Avant l’analyse, et de manière à obtenir des aliquots homogènes et à en ôter les plus fines
particules, l’ensemble des échantillons sélectionnés ont été soumis à un tri en 4 classes
Figure 12Échantillons de forage couverts d’une couche de carbonates magnésiens.
Figure 13Aperçu de la granulométrie très hétérogène des échantillons de forage.
Figure 14Aperçu de la fraction <1 mm.
26
granulométriques [>19 mm, 19–9 mm, 9–1 mm, et <1 mm]. Le but était d’utiliser les
mêmes gammes granulométriques que celles utilisées par Huon (2016) et Lechat et al.,
(2016). Ensuite, les échantillons sous la forme de fragments volumineux de taille entre 9-19
mm et >19 mm ont été broyés à l’aide d’un broyeur à mâchoire. Finalement, l’ensemble des
échantillons séparés en différentes fractions granulométriques ont été délicatement
pulvérisés pendant une demi-heure pour chaque échantillon dans un broyeur planétaire
utilisant des portes-échantillons et des billes en agate. La poudre obtenue a été analysée
sans aucune modification.
3.3 Les techniques analytiques
3.3.1 La technique Carbone-Soufre
Appareil
Les teneurs en carbone des échantillons ont été effectuées au laboratoire de géochimie au
département de géologie et de génie géologique de l’université Laval avec un appareil
Carbone/Soufre ELTRA-CS 800 Carbon/Sulfur Determinator. C’est un analyseur
élémentaire C-S équipé d’une fournaise à induction de haute fréquence et de cellules
infrarouges. Il permet de quantifier le carbone total présent dans l’échantillon par
absorption du rayonnement infrarouge.
Figure 15 Échantillon pulvérisé.
27
Le mode opératoire
L’appareil est d’abord calibré par analyse d’un blanc pour régler la valeur zéro du signal.
Ensuite, des mesures sont prises sur des standards de référence de composition similaire à
celle de nos échantillons, afin d’évaluer la justesse et la reproductibilité analytique : AR
4017 (%C= 0.47 ±0.03), AR4018 (% C = 1.30 ±0.05) et serpentine UB-N (%C = 0.106 ±
0.08) (voir les tableaux en annexe : 2, 3, 4, 5 et 6).
En pratique, une quantité minimum de 5 mg de tungstène et de fer est placée dans un
creuset en céramique. Ces accélérateurs ont une température de fusion appropriée à la
température de combustion de l’échantillon. Ensuite, 60 à 70 mg de l’échantillon est ajouté
au creuset en céramique préalablement taré. Le poids de l’échantillon est transféré
automatiquement de la balance au logiciel de contrôle. Le creuset est déposé sur le socle de
la fournaise à induction qui assure la combustion complète de l’échantillon dans une
atmosphère d'oxygène pur. Lors de la combustion, le carbone et le soufre présents dans
l’échantillon sont dégradés en CO2 et SO2. Puis, ces deux gaz sont par la suite détectés par
les cellules infrarouges. L'évaluation des signaux et l'affichage des résultats se font
automatiquement par un système informatisé. Le temps d'analyse est de 40 à 50 secondes.
Après un lot de dix analyses, une mesure est prise sur un échantillon standard de référence
pour vérifier la reproductibilité analytique de l’appareil.
Ce mode opératoire a été appliqué sur tous les échantillons de forage, pour chaque classe
granulométrique.
3.3.2 Infrarouge à Transformée de Fourier
Appareil
L’Infrarouge à Transformée de Fourier en mode Réflexion Totale Atténuée (ATR) est une
technique semi-quantitative qui permet d’identifier et de différencier entre les différents
minéraux présents dans l’échantillon analysé.
L’appareil utilisé pour les analyses en IRTF-ATR est un spectromètre à transformée de
Fourier de type Nicolet iS50-FT-IR (Thermo Scientific). L’appareil est équipé d’un
dispositif de réflexion total atténuée du diamant intégré (ATR) permet d’obtenir des
spectres IR en quelques secondes dans le domaine moyen infrarouge (de 750 à 4000 cm-1
).
28
L’appareil situé au département de chimie de l’Université Laval est accompagné du logiciel
OMNIC pour l’acquisition et le traitement des données spectrales.
La préparation d’échantillon
Dans le cadre de ce projet, les échantillons broyés de classe granulométrique <1 mm sont
analysés par cette technique. Les poudres ont été préparées de la même manière que pour
les analyses de la teneur en carbone décrites précédemment.
Le mode opératoire
Avant de commencer l’analyse, une acquisition d’un spectre du bruit de fond sans
échantillon est nécessaire pour calibrer l’appareil. La méthode consiste à placer une
quantité de l’ordre de quelque mg de l’échantillon à analyser sur le porte-échantillon qui est
sous la forme d’un cristal ATR diamant. Puis à l’aide d’un dispositif de serrage on ferme et
on applique une pression de manière à garantir un contact optimal entre l’échantillon et le
cristal. Ensuite, à l’aide d’un interféromètre de Michelson, l’échantillon est exposé à une
gamme de rayonnements électromagnétiques du moyen infrarouge (entre 400 et 4000 cm-1
).
Par conséquent, l’échantillon absorbe une partie de ces rayonnements. L’absorption se
produit lorsque la fréquence de la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique
correspond à l’énergie d’un mode de vibration particulier (d’élongation et/ou de
déformation) d’un groupement moléculaire présent dans l’échantillon. Finalement, le
logiciel OMNIC permet d’afficher les données spectrales de la quantité d’énergie absorbée
en fonction de la longueur d’onde.
Après chaque analyse d’un échantillon, le cristal diamant doit être nettoyé avec de l’alcool
isopropanol pour éviter les contaminations.
3.3.3 Microfluorescence à rayonsX (Micro-XRF)
Appareil
La Micro-XRF est une technique rapide, non destructive et largement utilisée pour
déterminer la composition et la distribution spatiale des éléments majeurs et traces qui
composent un échantillon de roche. Dans le cadre de ce projet, les analyses à la Micro-XRF
29
ont été effectuées au laboratoire de microanalyse de l’université Laval. L’appareil utilisé est
de type Micro-XRFM4 TORNADO fabriqué par Bruker. Il est équipé d'un grand plateau
mobile qui permet de réaliser une analyse bidimensionnelle et donc de réaliser des cartes de
répartition spatiale des éléments chimiques avec une excellente résolution spatiale. Le
faisceau de rayon X était programmé à 20 kV, l’intensité à 200 μA et à 50 μm de diamètre.
Le temps d’analyse était de 200 ms. L’analyse des échantillons se fait sous vide afin de
réduire l'absorption par l'air des rayons X de faibles énergies.
Préparation des échantillons
Les échantillons ont été prélevés à 42 m et 82 m de profondeur. Les échantillons étaient
bien cimentés et recouverts d’une couche blanche de carbonates. Les analyses à la Micro-
XRF ont été réalisées sur des sections polies.
Le montage de section polie comprend deux étapes : l’enrobage et le polissage. Après avoir
placé une quantité optimale de l’échantillon avec une épaisseur de 24 mm ou moins vers le
bas d’un moule pour section polie, une résine époxy est coulée jusqu’à environ 5 mm du
dessus du moule afin d’épaissir la section et faciliter son polissage. Ensuite, on laisse le tout
reposer à environ 20°C de température pendant 24 heures et on démoule l’échantillon.
L’étape du polissage consiste à retirer la fine pellicule de fond de l’enrobage pour
l'obtention d'une surface la plus lisse possible. On réalise 3 étapes de polissage à l’aide du
papier abrasif respectivement 180, 400 et 600 Mesh pour adoucir la surface, et ce en
vérifiant au microscope après chaque étape si la surface est adéquatement polie. Ensuite, on
passe l’échantillon au bain à ultra-son pour environ 2 minutes pour bien nettoyer la surface.
La dernière étape consiste à polir la surface de l’échantillon à l’aide de trois types
d’abrasifs diamantés constitués de grains de diamant de tailles différentes. Le polissage se
fait de façon successive avec des pâtes diamantées dont la taille des grains de diamant est
de 6 µm, ensuite de 3 µm et de 1 µm. Après chaque étape, on passe l’échantillon au bain à
ultra-son (2min.) pour obtenir une belle surface de plus en plus claire et propre.
La section polie est finalement rendue conductrice par dépôt d’une couche mince d’un
alliage or/palladium sur la surface, permettant l’analyse et l’observation à la Micro-XRF et
au microscope électronique à balayage.
30
Le mode opératoire
Le mode opératoire consiste à placer l’échantillon dans la grande chambre sous vide. Cette
dernière est munie d’une caméra optique à balayage linéaire qui facilite l’identification
précise de la zone que l’on veut analyser. Ensuite, l’échantillon est bombardé par des
rayonsX à partir d’une source d’excitation primaire. Sous l’impact de ces rayons très
énergétiques, des rayonnements de fluorescence X émis par l’échantillon sont alors détectés
grâce à un détecteur à dispersion en énergie (EDS). L’acquisition et le traitement des
spectres de rayons X caractéristiques de la composition chimique de l'échantillon se font
par l’intermédiaire d’une chaine électronique d’acquisition qui est directement connectée à
un ordinateur pour la visualisation et le traitement de résultats.
Pour cette étude, deux éléments chimiques ont été retenus afin d’identifier les phases de
carbonates de Mg et/ou les silicates de Mg et qui sont le Si et Mg. À l’aide du logiciel
AMICS, on attribue une couleur à chaque élément pour avoir une cartographie chimique.
Finalement, des zones à forte intensité en Mg et/ou de Si ont été déterminées sur les
sections polies qui devront ensuite être analysées par le microscope électronique à
balayage.
3.3.4 Microscope électronique à balayage
Appareil
Le microscope électronique à balayage (MEB) de type JEOL-840A, couplé à un
spectromètre en énergie dispersive à rayons X (EDS) a été utilisé pour l’identification des
carbonates de magnésium.
Préparation des échantillons :
Les observations au MEB ont été réalisées sur les sections polies déjà analysées par la
Micro-XRF.
Le mode opératoire
Après avoir placé l’échantillon dans la chambre d’analyse, il est exposé à un faisceau
d'électrons accélérés. Les couches d’électrons des atomes qui composent l’échantillon
31
interagissent avec le faisceau électronique. Par conséquent, des électrons rétrodiffusés et
électrons secondaires sont alors émis par l'échantillon et sont captés par des détecteurs. De
même, des radiations X caractéristiques émises par l’échantillon sont captées et analysées
par le détecteur (EDS). Les détecteurs sont reliés à un ordinateur pour la visualisation et la
prise de vues photographiques. Les électrons rétrodiffusés fournissent des images de
composition qui reflètent les numéros atomiques moyens des minéraux sous forme de
teintes de gris. Alors que les électrons secondaires permettent d’avoir des images de haute
résolution et un contraste qui reflète le relief de l’échantillon. Finalement, les spectres EDS
permettent de connaître la composition élémentaire des points d’analyse.
32
Chapitre 4 : Résultats
4.1 Les résultats de mesures de carbone total
La figure 16 montre une représentation graphique des mesures en carbone en fonction de la
profondeur pour les quatre classes granulométriques étudiées. Les résultats obtenus après
analyse indiquent que les teneurs en carbone exprimées en pourcent sont généralement
comprises dans l’intervalle 0-1% (voir les tableaux en annexe : 7, 8, 9 et 10).
Dans le tableau 11, on trouve la moyenne et l'écart type ainsi que les valeurs minimales et
maximales pour chaque classe granulométrique. On remarque que la fraction fine (<1 mm)
présente en moyenne les teneurs en carbone les plus élevées variant entre 0,15 et 0,71 %
avec un écart type de 0,12. Alors que c’est la fraction grossière (>19 mm), qui a plutôt les
Figure 16Teneur en carbone mesurée sur les différentes fractions granulométriques en
fonction de la profondeur.
33
plus faibles teneurs en carbone, variant entre 0,06 et 0,30% avec un faible écart type de
0,07 et une moyenne de 0,13%.
Un échantillon de résidu frais non consolidé avait été prélevé en 2004, il a été échantillonné
directement à la sortie du convoyeur après traitement à l’usine de Black Lake. Cet
échantillon non carbonaté présente la composition initiale en carbone des résidus miniers.
L’échantillon contient 0,150 % de carbone (tableau 12), cette valeur est très proche de la
concentration initiale du carbone mesurée en 2008 sur le même échantillon par le groupe de
recherche (0,162± 0,016 %C), ainsi que sur un échantillon prélevé de la mine Jeffrey (0,120
± 0,010 % C).
Pour la fraction fine, presque la totalité des échantillons qui ont fait l’objet d’analyse ont
marqué des valeurs de % C mesurées qui s’éloignent considérablement de 0,16%. Les
échantillons qui contiennent plus de 0,30% de carbone ont été identifiés aux profondeurs
de37, 41, 51, 56, 64, 89 m (figure 16).
Tableau 12 Teneur en carbone de l’échantillon de résidu frais non consolidé prélevé en
2004 (SV-BL-1), regroupés selon la distribution granulométrique
Taille des particules en (mm) %Carbone
<1 0,163
[1-9,5] 0,141
[9,5-19] 0,153
>19 0,144
La moyenne 0,150
Ecart-type 0,010
Tableau 11Teneur en carbone des échantillons de forage, regroupés selon la distribution
granulométrique
Taille des particules en (mm) Écart type Moyenne (%C) Maximum (%C) Minimum (%C)
<1 0,12 0,27 0,71 0,15
[1-9,5] 0,11 0,20 0,59 0,09
[9,5-19] 0,14 0,24 0,61 0,08
>19 0,07 0,13 0,30 0,06
34
La teneur pondérale en carbone % C des échantillons qui est le rapport entre le total de la
teneur en carbone des quatre classes granulométriques pondérée par rapport à la masse de
chacune des fractions, montre que les moyennes pondérées de la teneur en carbone varient
d’une manière hétérogène avec la profondeur le long du forage, et les valeurs ont tendance
à être plus élevées à 41 m de profondeur (figure 17).
4.2 Résultats obtenus par la méthode d’Infrarouge à Transformée de Fourier
(IRTF) :
La structure des carbonates de Mg hydratés repose fortement sur les groupements carbonate
et bicarbonate (CO32-
, HCO3-), groupement hydroxyle OH et le groupe de la molécule H2O.
Ces groupes moléculaires sont actifs dans l’infrarouge à transformée de Fourier et
facilement détectés même en faible quantité. La position exacte de la bande d’absorption de
ces groupements renseigne sur la nature du minéral (Clark et al., 1990).
Figure 17Moyenne pondérée de la teneur en carbone des résidus en fonction de la
profondeur.
35
Dans le cadre de ce projet, les spectres IRTF ont été prises en mode transmittance et
absorbance.
La figure 18 présente les spectres IRTF-ATR en mode transmittance de six échantillons qui
contiennent plus de 0,30% de carbone. Le spectre montre la présence d’une bande
d’absorption caractéristique du chrysotile vers 940 cm-1
, attribuée aux vibrations
d’étirements (ν3) du Si-O-Si, qui chevauchent la bande d’absorption caractéristique de la
brucite vers 1017 cm-1
, dû aux vibrations de déformation du groupe hydroxyle et de la
liaison métal-OH (Mg OH) (Frost et al., 2009). Le chrysotile présente également un autre
pic caractéristique vers 3686 cm-1
, attribué aux vibrations du groupe hydroxyle OH de la
structure brucitique (Nakagaki et al., 2006).
Par ailleurs, concernant les pics caractéristiques des carbonates de Mg hydratés, les spectres
sont dans l’ensemble dominés par trois bandes d’absorption attribuées aux modes
vibrationnels caractéristiques de l’ion carbonate et bicarbonate (entre 1071 et 1470 cm-1
),
deux bandes de vibration relatives aux molécules d’eau de cristallisation (à 1643 cm-1
), et
une bande attribuée aux groupements hydroxyle OH (à 3647 cm-1
).
La bande d’absorption faible et fine de la dypingite située à 1071 cm-1
est attribuée aux
vibrations d’élongation totalement symétriques (ʋ1) de l’ion carbonate CO32-
(Frost et al.,
2009). Alors que, les pics situés vers 1420 cm-1
et 1470 cm-1
assignés respectivement à
l’hydromagnésite/dypingite et à la nesquehonite, correspondent à la vibration d’élongation
antisymétrique (ʋ3) doublement dégénérée des ions CO32-
et HCO3-
(Botha et Strydom,
2003; Frost, 2011). Ce type de bandes d’absorption provenant de la vibration doublement
dégénérée d’élongation est dû à l’abaissement de la symétrie du bicarbonate dans la
structure cristalline de la nesquehonite.
Pour l’artinite, une bande d’absorption est détectée à 1643 cm-1
, elle est associée au mode
de vibration de valence de la molécule H2O pratiquement libre. Par ailleurs, la bande
d’absorption sous forme d’un épaulement à 3647 cm-1
est attribuée à la vibration de valence
du groupement hydroxyle OH et elle est caractéristique de la dypingite (Frost et al., 2009).
L’allure des bandes d'absorption IRTF pour l’ensemble des échantillons est semblable, sauf
pour le spectre IRTF de l’échantillon prélevé à 89 m qui met en évidence la présence d’une
bande d’absorption de la dypingite à 3380 cm-1
, large et doublement dégénérée. Cette
36
bande de combinaison est attribuée aux vibrations d’élongation de la molécule H2O
fortement liée (Frost et al., 2009).
Les bandes d’absorption caractéristiques de la dypingite et de l’artinite indiquent que la
présence de groupes hydroxyles OH autres que ceux de la molécule H2O sont nécessaires
pour la stabilité de ces minéraux.
L’étude des spectres IRTF en mode absorbance permet de réaliser une estimation semi-
quantitative de la proportion relative de chacun des carbonates de Mg hydratés détectés
dans les échantillons analysés. En effet, l’absorbance et la largeur d’une bande d’absorption
à une longueur d’onde déterminée dépend du nombre de molécules (concentration) et de la
structure moléculaire (la force des liaisons intermoléculaires). L’analyse semi-quantitative
repose sur la loi de Beer-Lambert :
A = log [I0/I] =Ɛ .l . C
Figure 18Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur.
Ar : artinite, N : nesquehonite, Dy : dypingite, HM : hydromagnésite, Ch : chrysotile, B
: brucite.
37
A : Absorbance maximale de la bande d’absorption à une longueur d’onde déterminée (sans
unité)
I0 : Intensité du faisceau incident
I : Intensité du faisceau sortant de l’échantillon
Ɛ : coefficient d’extinction spécifique de la bande (mol-1
cm-1
)
l : distance parcourue par le faisceau dans l’échantillon (cm) (l’épaisseur de l’échantillon)
C : Concentration de l’espèce étudiée dans l’échantillon (mol).
À une longueur d’onde déterminée, l’absorbance ou l’intensité maximale de la bande
d’absorption caractéristique d’un minéral donné est proportionnelle à la quantité relative de
ce minéral dans l’échantillon (Xu, et al.,s.d.).
Dans le cadre de ce projet, les résultats d’absorbance ont permis d’identifier la présence de
différents carbonates de magnésium que sont la dypingite, l’hydromagnésite, la
nesquehonite et l’artinite avec des proportions variables et généralement faibles. En plus
des carbonates de magnésium, les pics attribués à la brucite confirme aussi d’une manière
générale sa présence en faible quantité dans les résidus miniers. Dans tous les cas, le
chrysotile constitue la phase majeure dans les échantillons avec une proportion beaucoup
plus élevée.
La comparaison entre l’absorbance des bandes d’absorption attribuées aux carbonates de
Mg hydratés montre bien que la dypingite, à la différence des trois autres carbonates de Mg
hydratés, présente trois bandes nettes et distinctes. Ses deux bandes d’absorption situées
vers 1071 et 3380 cm-1
représentent les valeurs d’absorbance les plus élevées (figure 19).
Cette observation implique que la dypingite est présente dans les échantillons en quantité
élevée par rapport à l’hydromagnésite, la nesquehonite et l’artinite.
38
Dans le tableau 13, on trouve la moyenne et l'écart-type ainsi que les valeurs minimales et
maximales des valeurs d’absorbance pour chaque type de carbonates de Mg hydratés. On
remarque que la dypingite présente en moyenne les valeurs d’absorbance les plus élevées
variant entre 0,07 et 0,146 avec un écart type de 0,01.
Tableau 13:Les valeurs d’absorbance des échantillons de forage, regroupés selon les
quatre types de carbonates de Mg hydratés.
Les carbonates de Mg
hydratés
Écart type Moyenne Maximum Minimum
artinite 0,005 0,014 0,046 0,009
nesquehonite 0,004 0,017 0,038 0,010
dypingite 0,01 0,111 0,146 0,070
hydromagnésite 0,005 0,018 0,043 0,011
Figure 19Résultats de l’IRTF en mode absorbance en fonction de la profondeur.
Ar : artinite, N : nesquehonite, Dy : dypingite, Hy : hudromagnésite, Chy : chrysotile, Br
: brucite.
39
Afin de bien visualiser les variations importantes dans les intensités relatives des bandes
d’absorption en fonction de la profondeur, nous avons rapporté sur la figure 20 les
intensités des maxima d'absorption IRTF qui ont été relevés pour les quatre types de
carbonates de Mg hydratés. Ces résultats montrent que les intensités de la dypingite,
l’hydromagnésite, la nesquehonite et l’artinite changent en fonction de la profondeur. Ainsi,
il est à remarquer que la dypingite reste l’espèce majoritaire pour l’ensemble des
échantillons, suivi par l’hydromagnésite et la nesquehonite en faible concentration. De plus,
l’artinite est la phase qui se trouve en plus faible concentration sauf pour l’échantillon
récupéré à une profondeur de 89 m. Pour cet échantillon, la concentration de l’artinite est
supérieure à celles de l’hydromagnésite et de la nesquehonite.
Les profondeurs qui ont enregistré les plus fortes intensités en dypingite pour tous les
échantillons analysés sont respectivement : 67, 39, 57, 24.5, 27 et 51 m. Tandis que pour
l’artinite, la nesquehonite et l’hydromagnésite, les profondeurs de fortes intensités sont
respectivement : 89, 67, 27, 51, 57 et 39 m.
40
4.3 Les résultats du micro-xrf et du microscope électronique à balayage
Les observations au MEB étaient effectuées sur des échantillons prélevés à 40 et 82 m.
Compte tenu du mode de préparation des sections polies qui consiste à figer l’échantillon
dans la résine époxy, il est important de signaler qu’il est souvent difficile d’estimer la
composition chimique des carbonates lors des observations au microscope électronique à
balayage couplé à l’EDS. C’est l’un des inconvénients majeurs dans notre étude, puisque le
carbone constitue le composant de base de la résine epoxy. De ce fait, dans tous les spectres
où l’on peut voir des pics caractéristiques du carbone, cela pourrait être dû à la présence de
la résine epoxy. Il est donc difficile de faire la différence entre le carbone qui provient des
carbonates de magnésium et celui de la résine epoxy. D’après Tremblay (2013), lorsqu’on
détecte un spectre avec des pics plus ou moins élevés de Mg, Si, O, et C, cela suggère que
Figure 20Distribution des intensités d’absorbance en fonction de la profondeur.
41
le minéral observé est plutôt un silicate de magnésium et que le pic du carbone provient de
la résine epoxy. Par contre, la présence d’un spectre montrant des pics élevés de Mg, O et
C, alors que le pic de Si est de faible intensité pourrait être attribué aux carbonates de
magnésium.
Il est très difficile d’identifier des carbonates de magnésium au MEB. Afin de faciliter
l’identification des carbonates de Mg hydratés, une cartographie à la micro-XRF a été
réalisée pour les mêmes sections polies. La figure 21 montre l’aspect général de deux
sections polies analysées par le micro-XRF sous forme de cartes chimiques des deux
éléments majeurs Mg et Si caractéristiques des minéraux silicatés des résidus miniers
ultramafiques de la mine Black Lake. Les zones rouges se caractérisent par un
enrichissement en Mg relativement au Si, et les zones vertes représentent les zones riches
en Si. Le but est de localiser les zones riches en Mg qui correspondent potentiellement aux
carbonates de magnésium et de les observer au MEB/EDS.
Donc, après avoir localisé les zones d’intérêt, ces dernières ont été vérifiées par l’analyse
chimique acquise en EDS au microscope électronique à balayage. Les images en électrons
rétrodiffusés acquises au MEB ont mis en évidence la présence d’une phase (figure 22)
dont le spectre EDS associé montre des pics de Mg et O très élevés alors que le pic de Si est
très faible ainsi qu’un pic de C, celui-ci a une intensité relativement plus prononcée par
rapport au pic de Si (figure 23), ce qui suggère qu’il s’agit d’une phase d’un carbonate de
Mg hydraté.
42
Figure 21 : La cartographie chimique acquise
au micro-XRF montrant les zones riches en
Mg.
Figure 22 : Les images en électrons rétrodiffusés
des échantillons de forage prélevés à 40 et 82 m de
profondeur montrant la phase carbonatée.
Figure 23 : Le spectre EDS de la phase carbonatée.
43
4.4 Discussion
Macroscopiquement, les échantillons de forage ont été recouverts par une couche dure et
blanche sous forme d’un revêtement qui cimente les grains de serpentine. Cette couche
illustre le processus de carbonatation minérale qui se déroule en surface et en profondeur de
la halde à résidus miniers de la mine Black Lake. D’après les résultats de mesures en
carbone effectuées sur un échantillon prélevé directement du convoyeur après traitement en
usine en 2004 et sur les 42 échantillons de forage, on observe une évolution très nette de la
teneur en carbone depuis 2004 de 0,16% à des teneurs qui varient entre 0,5 et 0,71% avec
une moyenne de 0,27 et un écart type de 0,1, pour la fraction fine <1 mm. Les échantillons
prélevés à 37, 41, 51, 56, 64, 89 m ont enregistré les teneurs en carbone les plus élevées
entre 0,30 et 0,71%.
La figure 24 regroupe les résultats obtenus de la mesure de la teneur en carbone dans le
cadre de ce projet ainsi que les résultats obtenus par Huon en 2016 sur les mêmes
échantillons en montrant que les concentrations en carbone varient entre 0 et 0,45% avec
une moyenne de 0,17 et un écart type de 0,10 (Huon, 2016). Les deux résultats constituent
un argument supplémentaire confirmant l’évolution de la teneur en carbone depuis 2004 et
la séquestration du CO2 atmosphérique à l’intérieur de la pile à résidus miniers. Cependant,
les concentrations en carbone ne sont pas assez représentatives pour déterminer les horizons
potentiellement carbonatés puisqu’ils ne représentent quequelques échantillons prélevés
dans un seul forage.
44
L'analyse des échantillons de forage par spectroscopie IRTF a révélé la présence du
chrysotile et de la brucite ainsi que des carbonates de magnésium hydratés. En fait, les
carbonates sont identifiés par des pics caractéristiques de faibles intensités qui permettent
de distinguer la dypingite, l’hydromagnésite, la nesquehonite et l’artinite. De plus, l’analyse
IRTF semi-quantitative en mode absorbance des échantillons a montré que la présence de
ces phases minérales est marquée par une variation remarquable des intensités avec la
profondeur, et une prédominance de la dypingite avec des valeurs d’absorbance qui varient
entre 0,07 et 0,146.
Figure 24 : Comparaison entre le résultat global de la mesure en carbone en fonction de
la profondeur.
SV-BL-1 : fraction <1 mm échantillon de résidus frais non consolidés, sortant
directement du convoyeur de la mine Black Lake.
(Huon, 2016)
(El Mansour, 2017)
45
L’hydromagnésite, nesquehoniteet artinite se présentent toutefois en faible quantité avec
des valeurs d’absorbance qui varient respectivement entre : 0,011 et 0,043, 0,010 et 0,038,
0,009 et 0,046. En se basant sur cette analyse semi-quantitative, on peut apprécier une
variation de la composition le long du forage qui varie de l’artinite à la nesquehonite à la
dypingite qui constitue la phase majoritaire, et finalement à l’hydromagnésite. Cette
composition chimique renseigne sur les conditions physico-chimiques des réactions de
carbonatation minérale à l’intérieur de la halde à résidus miniers de la mine Black Lake. La
présence de l’artinite suggère que les carbonates de Mg hydratés détectés dans les
échantillons se sont formés à partir de la dissolution de la brucite (Sato, 2001). Dans le
domaine de stabilité des carbonates de Mg hydratés, l’artinite est formée à partir d’une
solution à pH=10,2, une faible pression partielle de CO2 et à des températures inférieures à
15°C (Königsberger et al., 1999; Sato et al., 2001). À des températures supérieures à 15°C,
l’artinite devient instable et se transforme rapidement en nesquehonite.
La coexistence de la dypingite avec l’hydromagnésite dans les échantillons de forage
indique que la dypingite est une phase intermédiaire qui s’est formée lors de la
transformation de la nesquehonite en hydromagnésite. La prédominance de la dypingite le
long du forage confirme sa stabilité à long terme sous les conditions climatiques et physico-
chimiques qui contrôlent le processus de carbonatation minérale dans la halde à résidus
miniers de la mine Black Lake. Selon Raade (1970) et Canterford (1984), la dypingite se
trouve souvent en association avec l’hydromagnésite, généralement dans les climats les
plus froids inférieurs à 20°C, car les températures élevées accélèrent la transformation de la
dypingite en hydromagnésite. En effet, plusieurs facteurs peuvent entraver la progression
de la transformation de la dypingite en hydromagnésite comme la disponibilité de CO2
dissout dans le fluide pour influencer le pHet la température de transition (Hopkinson et al.,
2008).
La figure 24 illustre la distribution spatiale des produits de la réaction de carbonatation
minérale détectés dans les échantillons de forage en fonction de la profondeur. En se basant
sur cette figure, on peut remarquer une certaine corrélation entre les concentrations en
artinite, nesquehonite, dypingite, hydromagnésite, la teneur en carbone, la résistivité
électrique et la susceptibilité magnétique mesurée dans le forage par (Horswill et al., 2017).
En effet, le suivi de la susceptibilité magnétique est une mesure intéressante car les résidus
46
miniers, provenant des roches ultramafiques de Thetford Mines, possèdent un fort contraste
de cette propriété. Par contre, avec la présence des carbonates issus du processus de
carbonatation minérale, les résultats de la susceptibilité magnétique devraient être très
faibles voire même négatifs. Il est donc d’intérêt de définir la variabilité de la susceptibilité
magnétique par rapport à la profondeur dans la halde à résidus le long du forage, ce qui
peut aider à identifier les zones susceptibles à la précipitation des minéraux de carbonate de
magnésium hydratés lors du processus de carbonatation minérale. De plus, la mesure de la
résistivité électrique est une méthode géophysique extrêmement intéressante pour trouver
les carbonates néoformés compte tenu du caractère résistif de ces derniers. Par ailleurs, le
traitement et l’analyse des mesures de la résistivité électrique effectuées sur le forage,
permetteront d’identifier les profondeurs où l’on a une résistivité électrique élevée et donc
d’identifier les zones où le processus de carbonatation minérale est plus avancé au niveau
de la pile à résidus miniers. De ce fait, la corrélation entre les résultats de la susceptibilité
magnétique, la résistivité électrique et les données d’absorbance IRTF (figure 24), montre
que les profondeurs qui ont une concentration élevée respectivement en dypingite,
hydromagnésite, nesquehonite et artinite correspondent aux profondeurs où des valeurs de
résistivité électrique élevée et de susceptibilité magnétique faible ont été enregistrées
(figure24). Par conséquent, il semble envisageable de localiser quelques horizons
présentant un fort potentiel de carbonatation minérale aux profondeurs de15-20 m, 24-29
m, 37-42 m, 57 m, 65-69 m, 80-84 m et à 89 m. Ces profondeurs sont des milieux
réactionnels privilégiés de précipitation de carbonates de Mg hydratés. Par ailleurs, à 89 m
la valeur d’absorbance attribuée à l’hydromagnésite est la plus élevée par rapport aux autres
profondeurs (figure 24). Cette occurrence en concentration plus élevée de l’hydromagnésite
à 89 m révèle que les réactions de transformation de l’artinite à la dypingite et la
déshydratation de la dypingite pour former l’hydromagnésite sont accélérées à cette
profondeur où le gradient géothermique moyen est d’environ 45°C/km (Beaudoin et al.,
2017).
Il apparait sur la figure 24 que les carbonates de magnésium hydratés issus du processus de
carbonatation minérale présentent une répartition hétérogène le long du forage. Cette
variabilité spatiale est attribuée à des facteurs physico-chimiques. Parmi ces facteurs, la
teneur en eau et la porosité des résidus miniers sont importants. Tel que présenté dans la
47
partie bibliographique, ces deux facteurs contrôlent grandement le mode d’écoulement et de
transport des eaux chargées en CO2 à l’intérieur de la pile de résidus et la précipitation des
carbonates de Mg hydratés. La halde à résidus miniers de la mine Black Lake est d’un point
de vue granulométrique très hétérogène. Une forte variabilité granulométrique entraine une
forte variabilité de la porosité et de la perméabilité. La variation de la concentration des
carbonates de Mg hydratés est fortement liée avec la teneur en eau. La mesure de la teneur
en eau réalisée dans les premiers 40 m du forage a permis de constater que la teneur en eau
évolue très peu entre 0.05 et 0.20 m3/m
3 (voir annexe figure 32) inférieure à la valeur
déterminée expérimentalement nécessaire pour une carbonatation minérale idéale qui est
entre 20 et 60% (J. Tremblay, 2013). Cela appuie le fait que dans le cas où la quantité d’eau
initiale disponible est faible, cela peut limiter la progression de la réaction de carbonatation
et par conséquent avoir un impact sur la précipitation des carbonates de Mg hydratés.
Par ailleurs, les mesures de la porosité prises sur les particules fines <1 mm des résidus
miniers de la mine Black Lake par (Horswill et al., 2017) montrent une variation de la
porosité généralement entre 5 et 18% (voir annexe figure31). Ainsi, Lechat et al., (2011),
avaient déjà mesuré la porosité pour les différentes fractions granulométriques de la pile à
résidus miniers de la mine Black Lake. Ils ont démontré qu’en fonction de la variation
granulométrique des résidus miniers [<0,5 mm, 1-0,5 mm, 9,5–1 mm, 19–9,5 mm et >19
mm], la porosité peut varier entre 6 et 32%. Les zones à faible quantité de carbonates de
Mg hydratés correspondent aux zones à faible porosité. Notons bien que les profondeurs à
forte porosité facilitent la circulation des fluides riches en CO2 dissout et donc ces zones
apparaissent comme des milieux réactionnels particulièrement réactifs où la cinétique des
réactions de dissolution/précipitation est accélérée.
Finalement, l’identification des bandes d’absorption par IRTF caractéristiques de la brucite
dans les résidus miniers montre que ce minéral n’a pas réagi entièrement avec les eaux
chargées en CO2. Cela pourrait s’expliquer par la précipitation d’une couche de passivation
qui limite la dissolution de la brucite telle qu’observée par Assima et al., (2012). De plus,
une faible teneur en eau peut laisser la surface minérale réactive insuffisamment saturée
pour que des réactions de dissolution-précipitation se produisent (Harrison et al., 2014).
48
Figure 25Distribution spatiale des produits de la réaction de carbonatation minérale détectés dans les échantillons de forage en
fonction de la profondeur en relation avec la teneur en carbone, la résistivité électrique et la susceptibilité magnétique
mesurées le long du forage.
49
Chapitre 5 : Conclusion et recommandations
Dans le cadre des efforts faits pour lutter contre le phénomène du réchauffement
climatique, la carbonatation minérale est considérée comme une solution alternative
efficace de réduction des émissions de CO2 dans l’atmosphère. La carbonatation minérale
consiste à lier chimiquement le cation divalent Mg2+
avec le CO2 atmosphérique pour
produire des carbonates de Mg hydratés. Dans les résidus miniers ultramafiques de la mine
Black Lake, Thetford Mines, Québec(Canada), la réaction de carbonatation minérale
s’effectue naturellement à la surface de la halde. Le résultat de cette réaction est marqué par
le dépôt d’un ciment en couche mince entre les grains de serpentine. Pour étudier l’étendue
en profondeur de la réaction de carbonatation minérale au sein de la halde à résidus miniers
de la mine Black Lake, un forage de 90 m a été réalisé puis instrumenté avec 22
thermistances et neuf ports d'échantillonnage de gaz, pour assurer en continu
l’enregistrement de la variation de la température et de la concentration de la pression
partiel de CO2 à l’intérieur du forage. L’analyse minéralogique des échantillons prélevés
lors du forage a fait l’objet des travaux présentés dans ce mémoire.
Les études in situ faites sur la halde à résidus miniers au cours des dernières années ont mis
en évidence la présence de l’hydromagnésite essentiellement dans la partie supérieure de la
halde. Grâce à la combinaison de deux techniques analytiques, l’analyse du carbone/soufre
et l’infrarouge à transformée de Fourier en mode réflexion totale atténuée, le présent travail
a permis d’apporter plus d’informations sur la distribution des carbonates de Mg hydratés
en profondeur dans la pile à résidus miniers le long du forage, ainsi que de reconstituer les
phases carbonatées précipitées sous l’influence des conditions physico-chimiques
caractérisant la halde à résidus miniers de la mine Black Lake.
Les analyses en carbone/soufre des échantillons de forage ont démontré que les
pourcentages poids du carbone varient entre 0,5 et 0,71% avec une moyenne de 0,27 % et
un écart type de 0,1 %, pour la fraction fine <1 mm. Pour fin de comparaison, le
pourcentage du carbone de la fraction fine <1 mm de l’échantillon prélevé directement du
convoyeur après traitement en usine en 2004 est de 0,16%. Cela prouve que la
concentration en carbone a évolué d’une manière hétérogène dans la halde à résidus miniers
de 0,16 à 0,71% pour la fraction fine <1 mm. L’analyse en infrarouge à transformée de
Fourier a permis d’identifier quatre phases carbonatées dans les échantillons de forage ;
50
l’artinite, la nesquehonite, la dypingite et l’hydromagnésite. La coexistence de ces quatre
phases suggère que l’artinite a précipité à partir de la brucite puis s’est transformée en
nesquéhonite en fonction du temps puis en dypingite et en hydromagnésite. Toutefois, il
existe plusieurs facteurs qui entravent la précipitation directe ou la transformation d’une
phase de carbonate de magnésium hydraté en une autre dans la halde à résidus miniers tel
que la faible teneur en eau et la température.
Ainsi, les résultats IRTF en absorbance ont montré que la dypingite, l’hydromagnésite, la
nesquehonite et l’artinite présentent des valeurs d’absorbance qui varient respectivement
entre [0,07-0,146], [0,011-0,043], [0,010-0,038] et [0,009-0,046]. En se basant sur ce
résultat, on peut conclure que les concentrations des quatre phases de carbonates de Mg
hydratés sont marquées par une variation remarquable en fonction de la profondeur avec
une prédominance de la dypingite qui est la phase carbonatée la plus abondante dans les
échantillons de forage. La corrélation entre les données IRTF et les concentrations en
carbone ainsi que les résultats de la résistivité électrique et la susceptibilité magnétique
mesurées par Horswill (2017) ont montré que les horizons entre 15-20 m, 24-29 m, 37-42
m, 65-69 m, 80-84 m et à 89 m sont les zones les plus riches en carbonates de Mg hydratés
mesurées le long du forage. Ces zones sont considérées comme des milieux qui présentent
un potentiel de carbonatation minérale.
Recommandations
Dans le cadre de l’identification minérale des carbonates de Mg hydratés dans les 42
échantillons de forage, l’utilisation de la technique IFTR était la méthode la plus appropriée
alors que la technique carbone/soufre n’était pas suffisamment significative. Toutefois,
pour améliorer l’analyse quantitative, il serait particulièrement intéressant d’effectuer des
analyses en IRTF sur des minéraux de références d’artinite, de nesquehonite, de dypingite
et d’hydromagnésite. En comparant l'absorbance des spectres IRTF des composés de
référence avec ceux des produits de carbonatation minérale détectés dans les échantillons
de forage, une analyse quantitative approximative des carbonates de Mg hydratés détectés
en fonction de la profondeur pourrait être faite, en se basant sur la loi de Beer-Lambert.
L’analyse semi-quantitative a révélé que la dypingite constitue la phase la plus abondante
dans les échantillons de forage analysés. La stabilité de cette phase dans la halde à résidus
51
miniers est contrôlée par plusieurs paramètres, dont les plus importants sont l’apport en
CO2, la température et la teneur en eau. Par ailleurs, le couplage entre les résultats de
l’IRTF et la teneur en carbone ainsi que les données géophysiques ont permis d’identifier
des horizons au sein du forage qui ont un fort potentiel de carbonatation. Il serait très
important d’effectuer un suivi de la température et de la teneur en eau au niveau de ces
horizons durant les périodes chaudes et les périodes les plus froides de l’année, cela
permettrait de mieux comprendre le mode de formation des carbonates de Mg hydratés,
ainsi que le processus de transformation d’une phase moins stable et plus hydratée à une
autre plus stable et moins hydratée.
Finalement, afin de bien étudier la relation microstructurale entre la chrysotile et ces
différentes phases, il est recommandé de réaliser plus de sections polies sur des échantillons
qui seront prélevés au niveau des horizons potentiellement carbonatés mentionnés ci-dessus
pour les observations au microscope électronique à balayage en mode électrons
rétrodiffusés et électrons secondaires.
52
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59
Annexe
Figure 26Photographie aérienne de la halde de résidus miniers de la mine Black Lake,
Thetford Mines sur laquelle le forage a été réalisé (source Google Earth).
Figure 27Photographie de la chaîne de thermistances utilisée pour le suivi et le monitoring
de la température dans le forage (crédit photo, Ali Nowamooz).
60
Tableau 2Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence AR4018 utilisés pour étalonnage.
date/temps Id /échantillon Carbone Soufre Poids(mg) Analyse(s)
21/09/2017 02:37 AR4018 1,257 0,803 61,1 60
21/09/2017 02:41 AR4018 1,306 1,037 65,1 60
21/09/2017 02:44 AR4018 1,307 1,111 74,4 60
21/09/2017 02:47 AR4018 1,222 0,906 60,6 60
21/09/2017 02:50 AR4018 1,350 1,090 62,9 60
21/09/2017 02:54 AR4018 1,342 0,892 60,7 60
21/09/2017 02:58 AR4018 1,312 1,033 60,8 60
21/09/2017 03:00 AR4018 1,267 1,018 62,5 60
11/09/2017 08:26 AR4018 1,236 0,742 60,9 60
11/09/2017 08:31 AR4018 1,269 1,127 61,2 60
11/09/2017 08:36 AR4018 1,298 0,997 61,2 60
moyenne 1,288 0,978
écart type 0,041 0,126
Valeur recommandée 1.30 ±0.05 0.98 ±0.06
61
Tableau 3Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence AR4017 utilisés pour étalonnage.
date/temps Id /échantillon Carbone Soufre Poids(mg) Analyse(s)
11/09/2017 08:41 AR4017 0,414 0,277 60,4 60
11/09/2017 08:45 AR4017 0,508 0,512 60,8 60
11/09/2017 08:51 AR4017 0,430 0,489 60,9 60
11/09/2017 08:55 AR4017 0,485 0,553 60,8 60
11/09/2017 08:59 AR4017 0,464 0,534 60 60
21/09/2017 03:03 AR4017 0,419 0,463 62 60
21/09/2017 03:07 AR4017 0,455 0,509 63,1 60
21/09/2017 03:11 AR4017 0,450 0,530 64,5 60
21/09/2017 03:15 AR4017 0,514 0,530 62 60
21/09/2017 03:19 AR4017 0,441 0,610 62,6 60
21/09/2017 03:22 AR4017 0,462 0,589 62,7 60
21/09/2017 03:25 AR4017 0,484 0,524 60,8 60
21/09/2017 06:10 AR4017 0,456 0,505 60,9 60
21/09/2017 07:37 AR4017 0,438 0,502 62,5 60
22/09/2017 01:54 AR4017 0,391 0,346 60,5 60
22/09/2017 01:58 AR4017 0,488 0,608 68 60
22/09/2017 02:02 AR4017 0,437 0,483 62,6 60
22/09/2017 02:05 AR4017 0,449 0,560 64 60
22/09/2017 02:08 AR4017 0,453 0,540 64,3 60
22/09/2017 02:11 AR4017 0,451 0,544 67,5 60
22/09/2017 02:15 AR4017 0,457 0,564 65 60
moyenne 0,455 0,513
écart type 0,030 0,078
Valeur recommandée 0,47 ±0.03 0,52 ±0.03
62
Tableau 4Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence UBN-serpentine utilisés pour étalonnage.
date/temps Id /échantillon Carbone Soufre Poids (mg) Analyse(s)
11/09/2017 09:02 UBN-serpentine 0,146 0,053 62,5 60
11/09/2017 09:08 UBN-serpentine 0,122 0,010 73,3 52
11/09/2017 09:12 UBN-serpentine 0,123 0,014 62,8 49
11/09/2017 09:16 UBN-serpentine 0,121 0,003 63,7 49
11/09/2017 09:18 UBN-serpentine 0,126 0,009 70,3 50
11/09/2017 09:21 UBN-serpentine 0,130 0,009 71,1 52
11/09/2017 09:25 UBN-serpentine 0,140 0,010 65,2 53
21/09/2017 03:28 UBN -serpentine 0,128 0,112 74,4 60
21/09/2017 03:32 UBN -serpentine 0,128 0,033 75,2 60
21/09/2017 03:37 UBN -serpentine 0,125 0,036 65,3 60
moyenne 0,129 0,029 Nom : Serpentine
Référence : UB-N
Source :From the col des Bagenelles (Vosges), France
SARM : Service d’Analyse des Roches et des Minéraux (K. Govindaraju and
I. Roelandts, 1989).
écart type 0,008 0,033
Valeur proposée 0.106 ±0.022 0.02
63
Tableau 5Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence AR4017 utilisés pour étalonnage lors de l’analyse de l’échantillon
SV-BL-1.
date/temps Id /échantillon Carbone Soufre Poids (mg) Analyse(s)
27/04/2017 08:19 AR 4017 0,432 0,404 39,2 60
27/04/2017 08:21 AR 4017 0,453 0,714 39,2 39,2
27/04/2017 08:24 AR 4017 0,432 0,382 41,7 41,7
27/04/2017 08:26 AR 4017 0,439 0,559 89,5 89,5
27/04/2017 08:29 AR 4017 0,479 0,511 109,4 109,4
moyenne 0,447 0,514
écart type 0,020 0,134 Valeur recommandée 0,47 ±0.03 0,52 ±0.03
Tableau 6Analyses en carbone/soufre des matériaux de référence UBN-serpentine utilisés pour étalonnage lors de l’analyse de
l’échantillon SV-BL-1.
date/temps Id /échantillon Carbone Soufre Poids (mg) Analyse(s)
27/04/2017 08:31 UBN-serpentine 0,136 0,119 113,3 60
27/04/2017 08:34 UBN-serpentine 0,135 0,089 149,9 60
27/04/2017 08:37 UBN-serpentine 0,135 0,034 105,2 60
moyenne 0,135 0,081
écart type 0,0003 0,043 Valeur proposée 0.106 ±0.022 0.02
64
Tableau 7Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction <1 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Canaux Poids (mg) Analyse (s)
11/09/2017 11:15 4,5 0,220 0 01-mars 67,9 44
19/01/2015 04:10 2A* 0,168 0 01-mars 76,3 45
21/09/2017 04:47 7 0,163 0,173 01-mars 82,9 60
21/09/2017 05:51 9,5 0,206 0,199 01-mars 67,4 60
19/01/2015 04:48 3A* 0,127 0 01-mars 76,5 44
21/09/2017 05:24 17 0,268 0,067 01-mars 62,2 60
03/03/2015 00:46 9A* 0,163 0 01-mars 77,5 60
21/09/2017 06:23 19,5 0,172 0,201 01-mars 68,5 60
03/03/2015 01:08 10A* 0,126 0,083 01-mars 77,2 60
11/09/2017 12:40 21 0,252 0,030 01-mars 65 60
11/09/2017 12:10 22 0,225 0 01-mars 66,7 42
03/03/2015 01:46 11A* 0,158 0 01-mars 77,3 60
11/09/2017 10:58 24,5 0,237 0,004 01-mars 74,3 43
11/09/2017 12:02 26 0,225 0,004 01-mars 63,9 44
12A* 0,187 0 01-mars 76,4 60
21/09/2017 04:20 27 0,288 0,06584266 01-mars 70,9 60
11/09/2017 10:23 29 0,237 0 01-mars 77,9 42
13A* 0,099 0,014 01-mars 76,5 60
21/09/2017 06:30 31 0,162 0,072 01-mars 61,5 60
11/09/2017 10:13 32 0,185 0,003 01-mars 77,1 44
14A* 0,098 0,123 01-mars 76,7 60
21/09/2017 06:41 35 0,186 0,211 01-mars 72,1 60
15A* 0,049 0,035 01-mars 76,9 60
21/09/2017 05:06 37 0,422 0,211 01-mars 62,5 60
65
Tableau 7Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction <1 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Canaux Poids (mg) Analyse (s)
21/09/2017 05:18 38 0,392 0,211 01-mars 63,1 60
16A* 0,240 0,179 01-mars 76,8 60
21/09/2017 05:45 39 0,264 0,199 01-mars 62,3 60
17A* 0,071 0,125 01-mars 77,7 60
11/09/2017 11:44 41 0,747 0,001 01-mars 64,6 45
18A* 0,446 0,125 01-mars 77,3 60
21/09/2017 04:09 42 0,298 0,070 01-mars 66,4 60
11/09/2017 11:34 44 0,254 0,001 01-mars 63,9 40
19A* 0,124 0 01-mars 76,7 60
11/09/2017 12:19 47 0,235 0 01-mars 60,4 42
20A* 0,179 0 01-mars 76,5 60
21/09/2017 06:58 51 0,329 0,080 01-mars 62 60
22A* 0,277 0,091 01-mars 77,1 60
21/09/2017 06:02 52 0,267 0,056 01-mars 63,2 60
11/09/2017 10:45 56 0,379 0,002 01-mars 78,8 45
23/03/2015 04:04 24A* 0,160 0,101 01-mars 76,9 60
21/09/2017 07:48 57 0,259 0,219 01-mars 60,8 60
21/09/2017 05:39 61 0,163 0,179 01-mars 60,4 60
11/09/2017 10:05 62 0,217 0,001 01-mars 72,7 44
23/03/2015 04:43 26A* 0,116 0,157 01-mars 76 60
21/09/2017 06:39 64 0,362 0,250 01-mars 61,4 60
23/03/2015 04:55 27A 0,281 0,133 01-mars 76,9 60
11/09/2017 11:53 67 0,217 0,010 01-mars 64 46
25/03/2015 03:49 28A* 0,454 0,087 01-mars 76,6 60
66
Tableau 7Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction <1 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Canaux Poids (mg) Analyse (s)
21/09/2017 06:48 71 0,252 0,064 01-mars 65,3 60
25/03/2015 04:21 29A* 0 0,071 01-mars 76,5 60
21/09/2017 05:56 74 0,171 0,202 01-mars 63,3 60
25/03/2015 04:52 30A* 0 0,071 01-mars 76,6 60
11/09/2017 12:30 80 0,233 0,023 01-mars 72,3 60
25/03/2015 06:14 33A* 0,119 0,117 01-mars 76,6 60
11/09/2017 09:45 81 0,276 0,006 01-mars 78,3 60
21/09/2017 06:14 82 0,210 0,083 01-mars 75,5 60
21/09/2017 04:57 83 0,219 0,077 01-mars 60 60
25/03/2015 06:24 34A* 0,121 0,116 01-mars 76,9 60
11/09/2017 09:32 84 0,202 0,003 01-mars 64,7 48
11/09/2017 11:07 86 0,156 0 01-mars 78 42
25/03/2015 06:45 35A* 0,081 0,092 01-mars 76,7 60
21/09/2017 03:38 89 0,548 0,039 01-mars 71,2 60
21/09/2017 04:29 90 0,296 0,177 01-mars 65,2 60
25/03/2015 06:55 36A* 0,156 0,108 01-mars 76,2 60
Tableau 8Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 1-9.5 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Canaux Poids (mg) Analyse (s)
21/09/2017 08:19 29 0,142 0,073 01-mars 63,6 60
13B* 0,066 0,015 01-mars 76,2 60
22/09/2017 08:05 31 0,113 0 01-mars 66,2 60
21/09/2017 12:43 32* 0,107 0,055 01-mars 66,1 60
14B* 0,029 0,016 01-mars 76,8 60
67
Tableau 8Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 1-9.5 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Canaux Poids (mg) Analyse (s)
22/09/2017 06:20 35 0,124 0,030 01-mars 71,5 60
15B* 0,018 0,161 01-mars 77,2 60
22/09/2017 06:54 37 0,327 0,166 01-mars 61,6 60
22/09/2017 03:36 38 0,277 0,004 01-mars 76,7 60
16B* 0,126 0,179 01-mars 77 60
22/09/2017 06:34 39 0,265 0,016 01-mars 62,1 60
17B* 0,126 0 01-mars 76,5 60
22/09/2017 05:47 41 0,593 0 01-mars 62,3 60
18B* 0,422 0,134 01-mars 77,7 60
21/09/2017 08:31 42 0,246 0,096 01-mars 61,1 60
22/09/2017 05:09 44 0,164 0,001 01-mars 64,8 60
19B* 0,071 0 01-mars 76,6 60
22/09/2017 06:09 47 0,150 0,022 01-mars 69,9 60
20B* 0,184 0 01-mars 76,9 60
22/09/2017 08:13 51 0,271 0,033 01-mars 68,2 60
22B* 0,205 0 01-mars 76,5 60
21/09/2017 08:00 52 0,164 0,088 01-mars 65,5 60
21/09/2017 11:23 56 0,316 0,167 01-mars 66,9 60
23/03/2015 04:07 24B* 0,096 0,121 01-mars 77 60
22/09/2017 07:53 57 0,184 0,019 01-mars 66,4 60
21/09/2017 09:08 61 0,104 0,227 01-mars 61,2 60
21/09/2017 11:09 62 0,155 0,058 01-mars 62,1 60
23/03/2015 04:45 26B* 0,061 0,024 01-mars 76,5 60
22/09/2017 07:34 64 0,299 0 01-mars 64,7 60
68
Tableau 8Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 1-9.5 mm.
date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps
23/03/2015 04:57 27B* 0,141 0,001 01-mars 76,1 60
21/09/2017 11:30 67 0,151 0,153 01-mars 72 60
25/03/2015 03:57 28B* 0,174 0,052 01-mars 76,6 60
21/09/2017 08:38 71 0,177 0,080 01-mars 64,1 60
25/03/2015 04:25 29B* 0 0,070 01-mars 76,6 60
22/09/2017 06:16 74 0,129 0,016 01-mars 62,3 60
25/03/2015 05:25 30B* 0,072 0 01-mars 76,5 60
22/09/2017 07:40 80 0,182 0 01-mars 63,3 60
25/03/2015 06:16 33B* 0,061 0,102 01-mars 76,8 60
22/09/2017 05:15 81 0,169 0,016 01-mars 64,3 60
22/09/2017 07:31 82 0,144 0,027 01-mars 69,8 60
22/09/2017 06:41 83 0,144 0,018 01-mars 65,9 60
25/03/2015 06:26 34B* 0,073 0,110 01-mars 76,3 60
22/09/2017 03:27 84 0,145 0 01-mars 60,9 60
22/09/2017 02:27 86 0,093 0 01-mars 66,7 60
25/03/2015 06:47 35B* 0,029 0,089 01-mars 76,8 60
22/09/2017 02:47 90 0,226 0 01-mars 72,3 60
Tableau 9Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 9.5-19 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Poids (mg) Analyse (s)
22/09/2017 08:19 29 0,157 0,006 64,5 60
13C* 0,014 0,014 76,4 60
22/09/2017 06:48 31 0,141 0,016 63,6 60
21/09/2017 08:53 32 0,151 0,097 64 60
69
Tableau 9Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 9.5-19 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Poids (mg) Analyse (s)
14C* 0 0,003 76,7 60
22/09/2017 07:01 35 0,116 0 62,2 60
15C* 0 0,027 77,2 60
22/09/2017 02:40 37 0,411 0 63,9 60
21/09/2017 09:02 38 0,355 0,091 72,1 60
16C* 0,042 0,158 76,8 60
21/09/2017 08:16 39 0,069 0,083 68,1 60
17C* 0,065 0 76,4 60
21/09/2017 12:20 41 0,612 0,055 62,7 60
18C* 0,378 0,137 77 60
22/09/2017 07:11 42 0,188 0,029 64,3 60
22/09/2017 02:54 44 0,230 0 70,7 60
19C* 0,065 0 76,6 60
22/09/2017 03:42 47 0,129 0,013 75,9 60
20C* 0,055 0 76,7 60
21/09/2017 10:52 51 0,169 0,055 70,1 60
22C* 0,184 0 76,8 60
21/09/2017 12:14 52 0,311 0,071 74,4 60
22/09/2017 06:24 56 0,296 0,002 88,3 60
23/03/2015 04:11 24C* 0,097 0 76,5 60
22/09/2017 08:02 57 0,180 0 65 60
21/09/2017 11:59 61 0,094 0,051 67,5 60
22/09/2017 07:08 62 0,177 0,015 70,3 60
23/03/2015 04:48 26C* 0,051 0,146 76,3 60
70
Tableau 9Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction 9.5-19 mm.
date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps
21/09/2017 08:45 64 0,385 0,091 71,9 60
23/03/2015 04:59 27C* 0,021 0,101 76,5 60
21/09/2017 12:59 67 0,090 0,061 69,9 60
25/03/2015 04:08 28C* 0,254 0,065 76,5 60
22/09/2017 05:03 71 0,441 0,003 64,9 60
25/03/2015 04:44 29C* 0 0,076 76,4 60
22/09/2017 06:38 74 0,155 0,023 73,5 60
25/03/2015 05:28 30C* 0,083 0 76,7 60
22/09/2017 06:27 80 0,458 0,001 63,1 60
25/03/2015 06:18 33C* 0,051 0,092901 76,6 60
22/09/2017 06:58 81 0,098 0,024 76,9 60
22/09/2017 07:24 82 0,117 0 67,3 60
21/09/2017 12:09 83 0,157 0,057 62,7 60
25/03/2015 06:29 34C* 0,061 0,112 76,6 60
21/09/2017 11:38 84 0,128 0,049 68 60
21/09/2017 12:26 86 0,084 0,065 86,3 60
25/03/2015 06:49 35C* 0,008 0,087 76,6 60
22/09/2017 02:34 90 0,225 0 71,4 60
25/03/2015 07:00 36C* 0,034 0,099 76,7 60
Tableau 10Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction >19 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Poids (mg) Analyse (s)
22/09/2017 06:45 29 0,146 0 71,7 60
13D* 0 0,008 76,7 60
22/09/2017 07:57 31 0,111 0,002 77,5 60
71
Tableau 10Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction >19 mm.
date/temps Profondeur (m) Carbone Soufre Poids (mg) Analyse (s)
21/09/2017 11:53 32 0,129 0,160 64,3 60
14D* 0 0,112 77,3 60
22/09/2017 06:02 35 0,084 0,021 61,3 60
15D* 0 0,124 76,9 60
21/09/2017 13:04 37 0,171 0,168 64 60
21/09/2017 12:55 38 0,155 0,064 71,5 60
16D* 0,091 0,041 76,8 60
21/09/2017 08:12 39 0,069 0,064 61 60
17D* 0,021 0 77 60
22/09/2017 08:22 41 0,247 0,04743891 77,3 60
18D* 0,585 0,12639106 76,5 60
21/09/2017 08:25 42 0,127 0,08385494 62,4 60
21/09/2017 12:34 44 0,165 0,0444249 60,8 60
19D* 0,075 0,09982591 77,8 60
21/09/2017 11:15 47 0,068 0,1522669 74,6 60
20D* 0,067 0,00709282 76,8 60
22/09/2017 07:43 51 0,120 0,03708401 68 60
22D* 0,012 0 76,7 60
21/09/2017 11:44 52 0,185 0,060 73,7 60
22/09/2017 05:41 56 0,277 0,009 69,1 60
23/03/2015 04:15 24D* 0,071 0,113 76,8 60
22/09/2017 08:16 57 0,196 0,013 65,6 60
21/09/2017 11:02 61 0,119 0,054 63,5 60
22/09/2017 05:21 62 0,114 0,008 69 60
23/03/2015 04:51 26D* 0,004 0,024 76,6 60
72
Tableau 10Analyses en carbone/soufre pour l'ensemble des échantillons pour la fraction >19 mm.
date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps date/temps
22/09/2017 07:20 64 0,067 0,022 63,1 60
23/03/2015 05:02 27D* 0,016 0,007 76,3 60
21/09/2017 12:49 67 0,121 0,057 81 60
25/03/2015 04:12 28D* 0 0,045 76,5 60
22/09/2017 03:06 71 0,071 0 67,4 60
25/03/2015 04:48 29D* 0 0,077 76,7 60
22/09/2017 08:28 74 0,105 0,037 81 60
25/03/2015 05:30 30D* 0,051 0 76,6 60
22/09/2017 07:59 80 0,136 0,009 65,5 60
25/03/2015 06:21 33D* 0,010 0,080 76,6 60
22/09/2017 08:10 81 0,059 0,076 76,2 60
22/09/2017 07:50 82 0,197 0 62,8 60
22/09/2017 07:27 83 0,159 0,006 68,3 60
25/03/2015 06:33 34D* 0,027 0,094 76,5 60
22/09/2017 05:54 84 0,129 0,020 73 60
22/09/2017 06:51 86 0,061 0,002 65,2 60
25/03/2015 06:52 35D* 0 0,041 76,5 60
21/09/2017 08:06 90 0,303 0,176 70,8 60
25/03/2015 07:02 36D* 0,011 0,088 76,6 60
* : les résultats de mesures de la teneur en carbone effectuées par B., Huon, 2016
73
Tableau 14 Résultats d'absorbancesd’IRTF en fonction de la profondeur.
Profondeur (m) Dypingite Hydromagnésite Nesquehonite Artinite
4,5 0,1060964 0,01715496 0,01578972 0,0128606
7 0,09912261 0,01345261 0,01271042 0,01139719
9,5 0,09331424 0,01353594 0,01265904 0,01122473
17 0,1056245 0,01865876 0,01678017 0,01258372
19,5 0,1093409 0,01637704 0,0152706 0,01386128
21 0,08058395 0,01392211 0,01282691 0,01038017
22 0,1017293 0,01642349 0,01509619 0,01296573
24,5 0,1380696 0,02200346 0,02071521 0,01723742
26 0,1207932 0,01983526 0,0186122 0,01493481
27 0,1328665 0,02430232 0,02251757 0,01737169
29 0,1167414 0,01865893 0,01744587 0,01438519
31 0,1161827 0,01698682 0,01603667 0,01454137
32 0,108061 0,01579422 0,01485251 0,01326195
35 0,0707472 0,01154603 0,01073138 0,009705381
37 0,1242156 0,02124241 0,02095128 0,01521456
38 0,1005523 0,01759 0,01682518 0,01293945
39 0,1420475 0,02281643 0,02220923 0,01803219
41 0,09236544 0,01774012 0,01842825 0,01053871
42 0,1220848 0,01868466 0,0181393 0,01496481
44 0,08029106 0,01345931 0,0126016 0,01005991
47 0,1009004 0,01567655 0,01470925 0,01298447
51 0,1319825 0,02305822 0,02255484 0,01760115
52 0,1147055 0,01802096 0,01705611 0,01412548
56 0,1154639 0,01905719 0,01861936 0,01420634
57 0,1414441 0,02340662 0,02264305 0,01846393
61 0,1218228 0,01881817 0,01785905 0,01564804
62 0,1218062 0,01965997 0,01889697 0,01523398
64 0,1138582 0,01811744 0,01735003 0,01409139
67 0,1464861 0,030404 0,02856185 0,02377181
71 0,1236091 0,01885547 0,01801716 0,0157131
74 0,1220038 0,01691374 0,01591815 0,01433557
80 0,09283802 0,01356886 0,01279224 0,01082703
81 0,09045933 0,01504994 0,01395878 0,01178847
82 0,09874579 0,0148928 0,01404848 0,01231108
83 0,1056826 0,01450084 0,01362363 0,0124124
84 0,1115 0,01602 0,01536 0,01288
86 0,12158 0,01767 0,0168 0,01556
89 0,09398039 0,04324339 0,03878312 0,04616755
90 0,10013 0,0189 0,01788 0,01331
74
Figure 28Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 4.5 et 35 m.
75
Figure 29Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 38 et 62 m.
76
Figure 30Résultats de l’IRTF en fonction de la profondeur entre 67 et 90 m.
77
Figure 31Histogramme de la porosité des échantillons de forage mesurée sur la fraction
fine<1 mm (Horswill et al., 2017).
78
Figure 32Courbe de la teneur en eau mesurée dans les premiers 40 m du forage (Horswill et
al., 2017).
