Caractérisations Minéralogiques

La diffraction des rayons X permet de faire l’identification et la semi-quantification des minéraux cristallisés (non amorphes) dans un échantillon.  C’est une technique rapide et peu coûteuse pour compléter l’analyse minéralogique par microscopie optique, particulièrement pour les échantillons à grains très fin (difficiles à étudier par microscopie optique). Les résultats obtenus par DRX peuvent être corrélés aux analyses chimiques pour faire une interprétation croisées des données chimiques et minéralogiques. Mincape a développé son propre algorithme qui permet une corrélation très fiable des données.

 

La précision de la méthode DRX est de l’ordre de ± 0,5 à 1% massique et nécessite une granulométrie très fine (inférieure à 10 µm).

 

Utilisation typique :

• •      – Permet d’identifier et de quantifier les minéraux (semi-quantification)
  •      – Permet d’étudier la cristallinité des minéraux
  •      – Méthode très largement utilisée pour l’analyse des argiles

 

Le diffractomètre consiste à bombarder l’échantillon par un faisceau de rayons X en faisant varier l’angle d’incidence (θ). Au contact de l’échantillon, les rayons X sont diffractés selon la loi de Bragg (nλ=2dsinθ) et recueillis par le détecteur de l’appareil. Connaissant la longueur d’onde (λ) du faisceau incident (généré en général par une anticathode de Co ou de Cu) et l’angle de diffraction (θ), on peut calculer les distances inter-atomiques (d) spécifique à chaque minéral, et ainsi identifier le ou les minéraux présents dans l’échantillon. En effet, un minéral est constitué d’un assemblage d’atomes disposés en plans qui se répètent dans les trois dimensions de l’espace et sont séparés l’un de l’autre par une distance (d). L’ensemble des plans constitue la maille cristalline qui est caractéristique à chaque minéral.

 

Les rayons X réfléchis sont enregistrés sous forme d’un diagramme appelé diffractogramme constitué de pics. Pour chaque minéral, on enregistre un ou des pics correspondant aux différents plans atomiques du minéral. La hauteur de ces différents pics est proportionnelle à l’intensité de la diffraction et donc à la concentration du minéral dans l’échantillon.

 

Avant que les échantillons soient soumis à l’analyse par diffraction des rayons X, une pulvérisation est réalisée dans de l’alcool isopropylique dans un microniseur à vibration avec des corps broyants en corindon. La tailles des minéraux est ainsi réduite à environ 10 µm.

Le microscope optique permet de faire une description qualitative de la composition minéralogique d’un échantillon et de sa texture.

 

Utilisation typique :

• •      – identification des minéraux
  •      – description de la texture des minéraux
  •      –  description des associations entre minéraux et estimation qualitative de leur libération

 

L’étude minéralogique est d’une importance capitale dans le domaine minier, c’est pourquoi elle se doit d’être très précise. Elle commence généralement par une étude au microscope optique pour le nombre important d’informations que cet outil est capable d’apporter (la compétence de l’expérimentateur est capitale). L’identification minéralogique est basée sur la capacité des minéraux à réagir avec la lumière. Dans le cas du microscope optique, il s’agit de la lumière transmise pour les minéraux transparents (silicates, carbonates, etc), et de la lumière incidente pour les minéraux opaques (sulfures, oxydes et hydroxydes). L’identification des minéraux sous le microscope optique consiste en la détermination de certaines propriétés des minéraux comme la couleur, la forme, le pléochroïsme, la (bi)réfringence, l’angle d’extinction, le signe optique (minéraux transparents), la (bi)reflectance, l’anisotropie et le pouvoir réflecteur (minéraux opaques). D’autres propriétés physiques sont exploitées comme le relief, le clivage, la dureté au polissage, les réflexions internes, etc.

 

Dans toute étude de caractérisation minéralogique, le microscope optique permet une étude préliminaire de grande importance qui conduit à une identification des phases minérales, de décrire leur taille et mixité et permet de cibler les zones d’intérêt (à l’échelle du minéral ou du site) à étudier plus en détail avec d’autres techniques de pointe qui permettent des caractérisations complémentaires et de dépasser les limites de l’étude microscopique qui est surtout qualitative.

 

Il existe environ 300 minéraux opaques et parmi eux, une très grande majorité présente des teintes de gris voisines qui ne permettent pas l’identification des minéraux même par comparaison directe des grains côte à côte. Le problème est encore plus difficile dans le cas de minerais broyés et des rejets miniers où les minéraux ont une taille de l’ordre de quelques dizaines de microns et sont dispersés dans la résine. La taille des grains de ces matériaux rend l’étude de leur propriété optique difficile à cause de la faible résolution spatiale de l’optique des microscopes et leur grossissement limité (environ 1000X). Pour des grossissements plus élevés et l’observation de détails pertinents, il faut faire appel au microscope électronique qui atteint des grossissements nettement plus élevés (300 à 1 000 000 X).

 

Par ailleurs, le microscope optique traditionnel a récemment pu bénéficier de l’emploi de nouvelles techniques permettant d’exploiter d’autres propriétés de la matière que les seules propriétés optiques (spectrométrie infrarouge et Raman). Le microscope muni d’une caméra CCD reliée à un ordinateur, pour l’enregistrement des images et leur traitement informatique, peut aussi devenir un instrument de quantification minéralogique relativement puissant (imagerie multispectrale) mais les développements dans ce domaine restent encore non concluants.

 

Le microscope électronique permet d’aider à l’identification des minéraux par micro-analyses élémentaires à l’aide de spectromètres à dispersion d’énergie ou de longueur d’onde.

 

Utilisation typique :

• •      – identification des minéraux par détermination de leur stœchiométrie par micro-analyses élémentaires
  •      – détermination de la morphologie des minéraux
  •      – quantification des minéraux par des logiciels spécifiques très sophistiqués
  •      – la précision de la micro-analyse est de l’ordre de 0.1% massique

 

L’identification minéralogique au microscope optique peut parfois être imprécise quand certains minéraux sont très fins et présentent des propriétés optiques très difficiles à étudier. Dans ce cas, le MEB est souvent sollicité pour aider à l’identification minéralogique. Il est l’un des outils les plus utilisés en science de la terre et des matériaux. Son intérêt réside dans le fait qu’il permet d’étudier simultanément la morphologie et la composition chimique des matériaux.

 

Son principe de fonctionnement consiste à envoyer sur l’échantillon, placé dans une chambre sous vide, un faisceau d’électrons qui sont arrachés à un filament de tungstène ou d’hexaborure de lanthane (LaB₆) en lui appliquant une haute tension. Quand le faisceau d’électrons pénètre dans l’échantillon, il diffuse dans un volume appelé poire de diffusion (~1 µm³). Les électrons incidents peuvent subir deux types d’interactions au contacts de l’échantillon: i) élastique où ils entrent en collision avec les atomes de l’échantillon et en ressortent sans perdre d’énergie (ou faible perte). Il s’agit d’électrons rétrodiffusés qui proviennent d’une zone assez profonde de l’échantillon (100 à 200 nm,). En mode de visualisation par électron rétrodiffusés, les minéraux possédant un numéro atomique (Z) élevé (sulfures, sulfosels, métaux, etc) apparaissent plus brillants que ceux ayant un numéro atomique faible (minéraux de gangue tels que les silicates et les carbonates, etc). C’est ce contraste chimique qui est fortement apprécié pour la distinction des minéraux entre eux et sert à leur identification et quantification sous le MEB ; ii) inélastique : il se produit un transfert d’énergie des électrons incidents aux atomes de l’échantillon et on obtient: 1) les électrons secondaires qui proviennent des couches superficielles et permettent de visualiser la topographie de l’échantillon avec une grande profondeur de champ; 2) les électrons Auger et des Rayons X. En effet, lorsqu’un atome est bombardé par le faisceau d’électrons de forte énergie, il se produit une ionisation et un électron d’une couche profonde est éjecté. Ce dernier est remplacé par un électron d’une couche supérieure et un photon X est émis. L’analyse des rayons X permet d’obtenir des informations sur la composition chimique de l’échantillon. Parfois, une partie de l’énergie des photons X peut être transmise à un électron d’une orbite externe qui se retrouve éjecté, c’est un électron Auger. Il possède une très faible énergie et est caractéristique de l’atome qui l’a émis (exploité en Spectrométrie Auger).

 

Le MEB devient un outil d’analyse chimique quand il est équipé d’un détecteur qui enregistre les rayons X en dispersion d’énergie (EDS) ou de longueur d’onde (WDS). L’acquisition de la composition chimique de l’échantillon peut se faire sur toute la surface de l’image (analyse chimique globale ou cartographie élémentaire de Rayons X) ou de manière ponctuelle (micro-analyse).

 

Le système de minéralogie automatisée permet de quantifier plusieurs paramètres très utiles dans le traitement de minerai.

 

Utilisation typique :

• •      – Quantification minéralogique des minéraux d’intérêt et de la gangue (modal mineralogy)
  •      – Détermination de la chimie globale d’un échantillon (calculated assay)
  •      – Spéciation élémentaire des métaux cibles (element deportment)
  •      – Quantification des associations minéralogiques
  •      – Quantification de la libération (aire et périmètre) des minéraux d’intérêt 
  •      – Détermination de la granulométrie et de la granulominéralogie
  •       – Compréhension et résolution des problèmes rencontrés dans les circuits de traitement de minerai
  •      – Recherche des phases brillantes comme l’or, l’Ag et les métaux du groupe du platine (PGM)
  •     – Prédiction des impacts environnementaux
  •     – Identification des pénalisants critiques dans un minerai

La minéralogie automatisée fait référence à une solution analytique extrêmement sophistiquée basée sur un microscope électronique à balayage (SEM) couplé à un ou plusieurs spectromètres à dispersion d’énergie des rayons X (EDS ou EDX). Le système est piloté avec un logiciel spécifiquement développé pour fournir une analyse largement automatisée et quantitative des minéraux dans les roches et des minerais.

 

Le laboratoire Mincape offre un service de minéralogie automatisée à l’aide d’un système basé sur un microscope électronique Zeiss à effet de champs (FEG) de très haute résolution. Il est équipé de deux spectromètres EDS de type Silicon Drift Detector de marque Bruker xFlash 6 de 30 mm2 chacun. Le système est piloté par le logiciel « Mincape mining v1.06».

 

À l’aide de ce système de Minéralogie automatisée, le laboratoire Mincape assiste ses clients dans la planification stratégique de leurs mines et offre différents niveaux de service en fonction des exigences des projets. Les conseils fournis aident à prédire les performances opérationnelles de l’usine de traitement (augmentation de la récupération des matières premières), à identifier à l’avance la valeur potentielle des pertes minérales pour prendre à temps les décisions clés et faire progresser l’entreprise minière à l’aide de données fiables.

 

Aujourd’hui, la minéralogie automatisée est appliquée tout au long de la chaîne de valeur des matières premières quel que soit le domaine d’application tel que l’exploration, l’exploitation minière, la valorisation, la caractérisation environnementale, et la valorisation des rejets miniers. Dans le domaine de l’exploitation minière, le principal avantage de la caractérisation automatisée des matériaux réside dans la détermination précise des paramètres minéralogiques cités plus haut.

 

 

Quelques exemples de résultats obtenus par le système de minéralogie automatisée:

 

Quantification minéralogique:

Le système de minéralogie automatisée permet de quantifier les minéraux majeurs et en trace présents dans les échantillons sur la base de microanalyses élémentaires (Zeiss Mincape Mining) ou par comparaison de spectres EDS (QEMSCAN, MLA, TIMA).  Pour le système de minéralogie automatisée “Mincape Mining” de Zeiss qu’utilise le laboratoire Mincape , chaque analyse EDS sous forme de pourcentage élémentaire (stœchiométrie) est comparée à une base de données interne facilement ajustable. Le graphique ci-dessous montre un exemple de résultats de la quantification minéralogique.

 

Calcul de la chimie globale d’un échantillon (Calculated assay)

Une fois la quantification des minéraux est déterminée par le système de minéralogie automatisée, il est possible de calculer la chimie globale de l’échantillon en utilisant la stœchiométrie de chaque minérale préalablement déterminée par EDS. La concentration C(i,e) d’un élément (i) dans l’échantillon (e) est donnée par l’équation en bas qui représente la somme des produits de la concentration C(i,m) de l’élément (i) dans le minéral (m) par le pourcentage p(m) du minéral (m) dans l’échantillon.

C(i,e) = somme [ C(i,m) * p(m) ]

 

Spéciation élémentaire des métaux cibles (Element deportment)

La spéciation élémentaire ou distribution élémentaire (en anglais « element deportment ») consiste à déterminer la répartition d’un élément chimique d’intérêt (Cu, Pb, Zn, Ag, Sb, Sn, W, ect) entre les différents minéraux de l’échantillon.

Dans le graphique ci-dessous, obtenu par le logiciel “Mincape Mining”, on peut voir l’exemple d’une mine où le cuivre est partagé entre la cuprite (25%), la ténorite (20%), le cuivre natif (32%), la conichalcite (22%) et la tennantite (1%). Cette mine perd entre 20 à 25% du Cu qu’elle ne peut pas récupérer par flottation car il est associé à la conichalcite.

 

 

Libération des minéraux

la minéralogie automatisée permet de quantifier la libération des minéraux porteurs des éléments chimiques d’intérêt (Cu, Pb, Zn, Ag, Sb, Sn, W, etc) pour évaluer le potentiel de leur récupération dans un circuit de traitement.  La libération peut être exprimée en pourcentage de la surface exposée ou le périmètre exposé. Comme le montrent les deux graphiques ci-dessous, on peut visualiser la libération d’un minéral (ici la chalcopyrite) dans les différents échantillons d’un circuit de traitement, ou visualiser la libération de tous les minéraux dans un échantillon donné.

 

 

 

Association des minéraux

la minéralogie automatisée permet de quantifier les associations entre les différents minéraux dans un échantillon. Dans le graphique ci-dessous, on peut lire que dans 50% des observations, la chalcopyrite est associée à la pyrite.

 

 

Distribution granulométrique des minéraux

la minéralogie automatisée permet de déterminer la distribution granulométrique par particule qui est constituée de plusieurs minéraux (habituellement appelés grains en minéralogie automatisée), ou par grain (ou minéral) comme le montre la figure en bas. La distribution granulométrique par grain ou minéral donne ce qu’on appelle habituellement granulo-minéralogie.

 

 

Recherche de phase brillante (Bright Phase Search)

Le système de minéralogie automatisée permet de chercher de manière complètement automatisée les métaux précieux comme l’or, l’Ag et les métaux du groupe du platine (PGM). Le système est programmé de manière à ne laisser apparaître à l’écran que ces métaux de très haute brillance sous le microscope électronique en mode électrons rétrodiffusés, comme le montre la figure ci-dessous.  Pendant l’analyse, le système s’arrête à chaque fois qu’il rencontre une phase brillante, prends son image et l’analyse selon un mode prédéfini par l’utilisateur.

La microsonde électronique est spécifiquement dédiée à la micro-analyse des minéraux en utilisant jusqu’à spectromètres à dispersion de longueur d’onde qui permettent d’atteindre une précision d’analyse jusqu’à 50 fois plus précise que celle du MEB. 

 

Utilisations typique:

• •      –  Identification des minéraux par détermination de leur stœchiométrie avec une grande précision
  •      –  Permet des cartographies élémentaires avec une très haute résolution
  •      –  la précision de la micro-analyse est de l’ordre de 50 ppm massique

1ppm = 1 mg/kg = 1 gramme/tonne = 0,0001 % massique

 

Le laboratoire Mincape a la possibilité, à travers une longue collaboration avec ses partenaires spécialisés en micro-analyses par microsonde électronique, d’offrir  ce type d’investigation sur tout type d’échantillons miniers, en particulier les minerais aurifères.

Le principe de fonctionnement de la Microsonde électronique est identique à celui du microscope électronique et permet les mêmes types d’investigations en utilisant les électrons secondaires, les électrons rétrodiffusés, et les rayons X permettant de dresser des cartographies élémentaires et des micro-analyses très précises. La microsonde électronique est essentiellement dédiée à l’analyse chimique élémentaire des minéraux avec une très bonne précision ayant une limite de détection qui peut descendre jusqu’à quelques dizaine de ppm. La précision de la microsonde est liée à i) l’utilisation d’un détecteur à dispersion de longueur d’onde (WDS) et ii) à l’utilisation d’étalons pour lesquels on effectue une acquisition juste avant l’analyse de l’échantillon pour calibrer la machine. Le spectromètre WDS exploite la loi de Bragg (nλ=2dsinθ) qui permet de déterminer la longueur d’onde (λ) des rayons X émis par le minéral analysé, connaissant le (d) du crystal monochromateur et son angle (θ).

 

La microsonde électronique, comme le microscope électronique, est utilisée pour l’exploration, l’exploitation minière, le traitement de minerai, la caractérisation environnementale, et la valorisation des rejets miniers. Elle permet des analyses avec des limites de détection nettement plus basse pour doser les éléments trace (Cd, As, Ni, Sb, etc.) dans les minéraux. C’est un outil d’analyse particulièrement intéressant pour l’analyse de l’or réfractaire dans les sulfures quand les teneurs sont de quelques dizaines à quelques centaines de ppm.

 

Le laboratoire Mincape offre une caractérisation très détaillée de l’or. Il peut faire le bilan des différentes statuts de l’or : libre, attaché, inclus et invisible comme le montre la figure ci-dessous.

 

 

L’ablation Laser couplée à une analyse ICP-MS, communément appelée LA-ICP-MS, permet de faire des micro-analyses avec plus de précision que la microsonde électronique pour la recherche de métaux en trace. La précision de la technique réside dans l’utilisation d’un spectromètre de masse.

 

Utilisation typique :

• •      –  Micro-analyse des minéraux pour la recherche des éléments précieux (Au, Ag, PGM)
  •      –  Cartographies élémentaires pour des teneurs en trace 
  •       – la précision de la micro-analyse est de l’ordre de quelques ppm à quelques ppb massique

1 ppm = 1 mg/kg = 1 gramme/tonne = 0,0001 % massique

1 ppb = 0,001 ppm = 0,001 mg/kg = 0,001 gramme/tonne = 0,0000001 % massique

 

Le laboratoire Mincape a la possibilité, à travers une longue collaboration avec ses partenaires spécialisés en micro-analyses par ablation Laser, d’offrir ce type d’investigation sur tout type d’échantillons miniers, en particulier les minerais aurifères.

Certains éléments chimiques trace peuvent être en quantité encore plus basse que la limite de détection de la microsonde électronique, donc de l’ordre de quelques ppm (partie par million) ou quelques ppb (Partie par milliard). Pour les détecter, on peut faire appel à des techniques de micro-analyse qui ont des limites de détection élémentaire très basses, comme la microsonde ionique ou l’ablation Laser, toutes deux couplées à un spectromètre de masse. La microsonde ionique est une technique très coûteuses et très peu disponible comparée à l’ablation Laser.

 

L’ablation Laser devient de plus en plus répondue et accessible dans les laboratoires d’analyse minéralogiques. Elle est donc beaucoup sollicitée pour le dosage des éléments trace dans les minerais pour l’exploration minière et la recherche de métaux précieux et pour les procédés métallurgiques. Cette technique consiste à bombarder le minéral par un faisceau Laser focalisé et de très haute énergie. Le minéral est donc pulvérisé au point d’impact du Laser (de quelques micron) et les micro-fragments du minérale (vapeur de particules) sont entrainés par l’argon dans une torche à plasma ICP et sont analysés par un spectromètre de masse (ICP-MS).