- De Neanderthal à nos jours la prodigieuse histoire de l’industrie minérale et minière -
Il y a 30 000 ans …… c'était l'âge de la pierre taillée. Et aujourd’hui …… ?
Combien y a-t-il de métaux et de minéraux différents dans une bicyclette…???
18 métaux et minéraux différents … !
> Dans votre casque : carbonate de calcium, talc, argiles
> Dans le guidon et tige de selle : acier, aluminium, carbone
> Le cadre : acier au chrome, titane, carbone
> Freins : aluminium, acier, magnésium
> Pneu : soufre, brome, iode
> Rayons : acier inox ou titane
> La chaussée : ciment, sable, gravier, goudrons …
Vous portez des lunettes et avez un ordinateur connecté à la maison ?
32 minéraux et métaux sont nécessaires
> Vos verres de lunette : carbonate de sodium, calcaire, feldspath
> Écran de votre ordinateur : silicium, bore, plomb, indium, strontium baryum, phosphore
> Boitier de l’ordinateur : calcaire, talc, argiles, soufre, mica
> Puces de l’ordinateur : silicium
> Circuits de l’ordinateur : or, cuivre, aluminium, fer, lithium, tungstène, chrome, titane, argent, cobalt, nickel, germanium, étain, zinc, plomb, tantale
> Batterie : cadmium, lithium, graphite
> Ligne téléphonique : cuivre
La recherche, l’exploitation, la valorisation des ressources minérales naturelles est une nécessité incontournable pour notre vie quotidienne, et cela depuis 30 000 ans !!!!!!
Si les technologies se sont améliorées, la problématique, cependant, est demeurée inchangée depuis 30 000 ans …
Que devait connaitre Neanderthal pour satisfaire ses besoins et ceux de sa tribu ?
La minéralogie : Savoir reconnaitre les minéraux qui convenaient
La pétrographie : Savoir reconnaitre les assemblages de minéraux qui constituent les roches
La géologie descriptive : L assemblage des roches entre elles et leurs relations dans un espace à trois dimensions
La gitologie ou métallogénie : Ceci afin de choisir les zones favorables
La géologie minière et la méthode d’exploitation : Afin de choisir les zones favorables dans le gisement et de les extraire si possible sélectivement
L’"enrichissement" pour débarrasser le produit extrait des ses éléments polluants.
Le lavage dans la rivière pour libérer les galets de leur éventuelle gangue argileuse.
La transformation du produit ainsi lavé afin de lui donner une forme répondant à une fonctionnalité précise.
Tout ceci est de la géologie, de la géologie appliquée.
Et pour arriver à ses fins il convient de maitriser l’ensemble des disciplines précitées.
Et en l’an 2021 comment cela se passe ?
Tous les atomes présents dans la classification de Mendeleïev sont obtenus à partir de l’exploitation de ressources minérales, sauf bien sur les gaz tels qu'hydrogène, oxygène, azote ….
Et en 2021, quelles connaissances nous faut il maitriser pour cela ?
> La minéralogie
> La pétrographie
> La géologie
> La gitologie
> L'extraction du minerai
> Le lavage du minerai
> La transformation du minerai lavé pour en faire un produit utilisable
Nous n’avons pas inventé grand-chose !!!!!
Comment est on passé du stade du "caillou" taillé à celui d'être capable de fournir tous les éléments dont nous avons besoin ?
Ce fut un long cheminement continu et permanent sous l’effet de deux contraintes majeures :
> La croissance de la population mondiale
> Le désir de puissance et aussi de bien être et sa conséquence : le développement de plus en plus technologique de notre civilisation.
Il y a 9 000 ans : le premier progrès significatif :
Le grillage des sulfures
La réduction des oxydes
Hormis l’or, la majorité des métaux ne se trouve pas naturellement dans la nature, sauf cas très exceptionnel, et on les retrouve alors dans les musées.
Le grillage :
Transformation du sulfure métallique en oxyde métallique sous l’effet de la chaleur et de l’oxygène de l’air
MS+O2==>MO+SO2 [M=Métal]
La réduction des oxydes :
Transformation de l’oxyde en métal sous l’effet de la chaleur dégagée par la combustion lente de bois dans un four fermé. En fait c’est le monoxyde de carbone dégagé pendant la combustion du bois qui réduit l’oxyde en métal.
MO+CO==>Métal liquide+CO2
Bien sûr, il y a 9 000 ans, les hommes ne connaissaient pas les formules chimiques et ces découvertes sont le plus souvent le fruit du hasard ou d’une expérience pour voir. Ensuite l’examen et l’analyse de ce qui s’est passé permet de reproduire les choses. C’est à ce moment là que l’intelligence humaine est nécessaire.
Les métaux produits à cette époque sont essentiellement :
Le plomb
Le cuivre
L’étain
Mais comment donc faisaient les hommes pour trouver des gisements intéressants ?
> La prospection….consistait à marcher dans la nature et à repérer les filons affleurant c’est-à-dire visibles depuis la surface
> Alors on creusait pour "suivre" le filon! Toutes les mines répertoriées dans les Vosges ont été trouvées et exploitées comme cela, y compris la mine de charbon de Ronchamps !!!!! Il y en a eu 450 !!!!!!
Le langage populaire est dérivé de cette expérience :
Le veinard il a trouvé un BON filon. C’est vraiment pas le BON filon
Cette démarche géologique a duré jusqu’au milieu du 19ème siècle soit prés de 8 000 ans !!!!
> Il y avait suffisamment de filons affleurant pour satisfaire les besoins
> La pression démographique était "faible"
> Le développement technologique n'était pas fortement demandeur
Alors pourquoi se fatiguer …?
La fabuleuse histoire du bronze
Le bronze est un alliage de cuivre et d’étain contenant entre 5 et 20% d’étain
Pourquoi l'âge du bronze a précédé l'âge du fer ? L’étain et le cuivre ont des points de fusion beaucoup plus bas que celui du fer !!!!
En Europe l’étain provenait de Cornouaille et le cuivre de Chypre et nous sommes 5 à 6 mille ans avant JC !!! À la même époque, en Asie du Sud-Est, l'étain provenait de Thaïlande et le cuivre de la Malaisie. Y a-t-il eu des échanges entre la Méditerranée orientale et l’Asie du Sud-Est ????
Que s’est il passé pendant plusieurs milliers d’années ?
> Géologie et prospection : pas grand-chose les gisements affleurant faciles à découvrir étant suffisants
> Exploitation minière : essentiellement des travaux souterrains
A noter quand même : l’arrivée de la poudre noire en tant qu’explosifs et la fabrication de pompes pour évacuer les eaux d’exhaure et la formalisation des règles de boisage pour puits et galeries.
> Traitement du minerai :
broyage grossier de l’ordre de quelques millimètres
lavage à l’eau
triage manuel (scheidage) ou gravimétrique permettant de séparer les sulfures plus denses que la gangue
maîtrise des fours et obtention de plus hautes températures (âge du fer) et des alliages métalliques simples
Le 31ème président des Etats Unis, Herbert Hoover et son épouse Lou
Herbert Clark Hoover fut président des USA de 1929 à 1933
Son épouse était ingénieure des Mines et lui ingénieur géologue. Après 1933, ils vont traduire du latin et commenter le "De Re Metallica", très important et premier traité de "l’art des mines", publié en 1556 par Georgius AGRICOLA (Georg Bauer). On peut en trouver la version anglaise encore de nos jours sans aucun problème.
Que se passe t il à partir du milieu du XIXème siècle ?
> Un accroissement considérable de la population mondiale qui passe de 1 à 2 milliards d’individus en un siècle
> Le développement de l'ère industrielle grande dévoreuse de métaux et de charbon.
> Les gisements filoniens ne suffisent plus à assurer la demande.
> Il est de plus en plus difficile de trouver de nouveaux gisements filoniens.
> Les techniques minières et de traitement du minerai ne permettent pas de récupérer correctement les gisements.
Géologues, ingénieurs géologues, ingénieurs en traitement du minerai, métallurgistes se sont mis au travail et il y a eu deux découvertes fondamentales à la fin du XIXème siècle.
Sans ces deux découvertes fondamentales, le développement de notre civilisation s’arrêtait NET !!!
En géologie et prospection minière : découverte de gisements non affleurant par un simple raisonnement géologique. En traitement des minerais, l’invention de la "flottation", technique qui permet de trier des minéraux de très petite taille, a permis de récupérer des sulfures métalliques jusqu’à une dimension de 100 μ
La prodigieuse découverte de la flottation des minerais
En 2005, s’est tenu à Brisbane (Australie) un symposium pour fêter le centième anniversaire de la mise en place de la première unité industrielle de flottation à Broken Hill.
Le Premier Ministre Australien , John Howard , a déclaré que la flottation est sans doute une percée technologique majeure, sinon la plus importante, du début du vingtième siècle! L’économie Australienne tout comme l’économie mondiale dans leur ensemble ne seraient sans doute pas ce qu’elles sont sans flottation !!!!
Sans la flottation nous :
* ne pourrions pas nourrir les humains faute d’engrais (potasse, phosphates)
* ne pourrions pas construire d’automobiles sauf en nombre limité et à un cout exorbitant
* ne pourrions pas avoir d’ordinateurs, de téléphones, de téléviseurs
* ne pourrions pas transporter et utiliser le courant électrique (cuivre…)
* etc. etc.
La découverte de gisements cachés : exemple le bassin houiller Lorrain
Le gisement houiller Sarro-Lorrain se trouve sous la forme d’un anticlinal érodé en son centre et de pendage globalement Nord-Sud. Ce gisement affleure en Sarre mais est recouvert par une couche de grès d’environ 50 m ou plus sur l’ensemble de la Lorraine. Connaissant l’angle et la direction du pendage de cet anticlinal, il a été alors possible de déterminer où et à quelle profondeur il convenait de creuser un puits pour rencontrer les couches de charbon !
La géologie … ça sert à quelque chose. De nombreux autres gisements ont ainsi été découverts.
LA FLOTTATION
Le principe de base de la flottation consiste à séparer les minéraux "avides d’air" de ceux qui sont "avides d’eau" lorsque ces minéraux sont en suspension dans l’eau.
Si vous créez des bulles d’air certains minéraux vont se coller aux bulles et monter à la surface avec les bulles même s'ils sont plus lourds que les autres.
Comme Monsieur Jourdain qui faisait de la prose sans le savoir, vous faites dans votre cuisine une expérience de flottation à chaque fois que vous cuisez du riz dans une marmite !!!!!
La première flottation … ou presque
En 1877 en Allemagne, les frères Bessel fabriquent et vendent des creusets en graphite pour l’industrie. Ils ont des difficultés d’approvisionnement en graphite pur (>90% C) en provenance de la seule mine connue en Sibérie. Ils ont l’idée de réduire la granulométrie d’un graphite impur (40% C) en le broyant à sec. La poudre ainsi obtenue est mélangée avec des acides gras puis diluée dans de l’eau.
Ils mettent "la marmite" sur le feu jusqu’à ébullition! Les mousses qui flottent à la surface contiennent plus de 90% de graphite !!!
Est-ce pour cela que l’on dit que la flottation c’est de la cuisine ?
La flottation des minerais, comment ça marche ?
Le principe consiste à rendre :
* certains minéraux "avides" d’air
* d’autres minéraux "avides" d’eau
Pour ce faire on va utiliser des molécules organiques qui vont aller se fixer sélectivement sur le minéral que l’on veut "flotter". On injecte de l’air dans une pulpe agitée (mélange d'eau et de minerai broyé). Le minéral que l’on veut récupérer va se fixer sur les bulles d’air et atteindre la surface en suivant les bulles dans leur ascension.
Les vrais débuts de la flottation
> Pays de Galles, 1896, Frank Elmore.
> Broken Hill, Australie, 1905.
On considère que l’installation de Broken Hill marque les vrais débuts de la flottation industrielle.
A partir de cette date le procédé de flottation "froth flotation" s’est répandu extrêmement rapidement, d’abord en Amérique du Nord (USA puis Canada) puis dans le reste du monde.
Actuellement plus de 80% en poids des minerais extraits dans le monde sont traités par flottation.
Mais pour séparer les minéraux, il faut qu’ils soient "libres", c’est-à-dire que par broyage on va faire en sorte que la roche devienne un sable dans lequel les minéraux sont séparés les uns des autres dans le mélange eau minerai. La flottation permet de produire un "concentré" qui sera ensuite envoyé dans les usines métallurgiques qui produiront le métal.
Mais les choses ne se sont pas arrêtées là et géologues, ingénieurs, chimistes, physiciens ont continué à travailler avec ardeur
L’incroyable découverte des Xanthates
Même si la flottation se répandait à une très grande vitesse, les performances étaient médiocres :
* on ne récupérait qu'environ 70% des métaux contenus dans les minerais.
* la flottation n’était pas très sélective et les concentrés avaient quelque peine à être transformés en métal dans les usines métallurgiques.
Au milieu des années 20 le gouvernement Américain a mandaté deux laboratoires avec pour mission de tester systématiquement tous les produits chimiques connus pouvant améliorer les performances.
Un laboratoire a commencé ses travaux avec les produits dont le nom commençait par A pour ensuite passer à B, etc. et le second avec ceux dont le nom commençait par un Z pour ensuite passer à Y etc.… En quelques semaines le deuxième laboratoire a trouvé les Xanthates qui permettaient d’améliorer la récupération de plus de 30% ainsi que la sélectivité.
Cette découverte a immédiatement augmenté de 30% et plus toutes les réserves minières connues !!!!!
La constante recherche de gisements cachés
L’apport de la géophysique couplée à l’analyse géologique dans la découverte de gisements cachés
Le développement de la géophysique a été très important a partir des années 1930
La "géophysique" qu’est ce que c’est?
La géophysique regroupe les techniques de mesures qui, faites depuis la surface permettent de définir la structure géologique de ce qu’il y a sous nos pieds. Ces techniques sont :
La mesure de la radioactivité naturelle
Les "sondages" électriques
La sismique
La gravimétrie
Le magnétisme
Et autres
La géophysique seule ne permet pas de trouver un gisement. Le raisonnement géologique est fondamental, pour interpréter, analyser les données de la géophysique et à partir de là poursuivre les investigations permettant de découvrir, ou pas, un gisement.
La découverte des gisements d’uranium en France après la seconde guerre mondiale
Les dates clés :
Fin 1945 : création du CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) par le général de Gaulle
1948 : le Professeur Francis Perrin, directeur général du CEA, crée la "direction des productions" [DP] dont l’objectif est d’explorer le sous-sol français afin d’y trouver des gisements d’uranium et de les mettre en exploitation. Le professeur Marcel Roubault, alors directeur de l’ENSG (École nationale supérieure de géologie, Nancy) est nommé directeur de la DP.
1952 : fonçage du premier puits (puits Henriette) sur le gisement des Bois Noirs dans le Forez.
Pour le Professeur Roubault, l’Uranium va se trouver concentré de manière filonienne à la périphérie des massifs granitiques intrusifs. C’est donc dans cet environnement géologique qu’il convient de prospecter ! La méthode consiste à balayer systématiquement les zones a priori intéressantes en avion, puis en voiture et enfin à pied, et de cartographier les zones pour lesquelles la radioactivité naturelle est nettement supérieure à la radioactivité moyenne de la zone. C’est ce que l’on appelle les "anomalies radiométriques". Ceci est valable uniquement si le gisement est à une faible profondeur : quelques dizaines de mètres.
Une étude géologique complétée sur chaque anomalie est alors suivie par des sondages et éventuellement des puits et des galeries.
C’est ainsi que fut trouvé le gisement d'Inguiniel en Bretagne
Au milieu des années 80, la COGEMA (filiale du CEA) était le premier producteur mondial d’uranium !!!!!!!
Et maintenant où va t’on?
> La demande en matières premières minérales croit à peu près comme le PIB mondial !
Cela signifie qu'avec un PIB mondial en croissance de 3% par an seulement il faudra dans 30 ans extraire et valoriser chaque année deux fois et demie plus de minerais qu'aujourd'hui.
> Le recyclage des métaux à durée d’utilisation longue comme par exemple le cuivre, l'aluminium, le fer, le zinc, etc. ne représente à ce jour que 10% des besoins et ce avec un taux de recyclage supérieur à 50%. Et ce pourcentage de 10% ne peut que décroitre dans le futur.
> Il faut absolument trouver et exploiter de nouveaux gisements !!!!!!!!!
Les axes du développement de l’industrie minière
> Géologie et métallogénie.
> Prospection de zones vierges.
> Recherche de nouveaux procédés de traitement permettant de valoriser des gisements complexes.
> Réduction des couts par
- une automation poussée
- la course au "gigantisme".
Ceci permet d’exploiter de manière rentable des gisements de plus en plus pauvres donc d’augmenter les réserves disponibles.
> Politique de prix des métaux et des minéraux.
Géologie : utilisation de photos satellites avec filtres infrarouges ou pas.
Métallogénie : branche de la géologie qui permet de comprendre comment se forment les gisements.
La démarche métallogénique est fondamentale pour trouver des gisements. Cette science évolue rapidement notamment grâce à la tectonique de plaque et à l’observation de ce qui se passe dans les rides océaniques. La démarche métallogénique a permis de découvrir des gisements d’uranium "hyper riches" au Saskatchewan Canada. Alors que la teneur moyenne des gisements exploités était de 1 à 3 kg/T on a trouvé des gisements à plus de 250 kg/T.
> Sur la rive nord du lac Athabasca découverte de gisements "classiques" fin des années 60 dans la région de Uranium City Beaverlodge (teneur moyenne : 2kg/T)
> Découverte par des géologues Français (Cogema</Mokta) du gisement "anormal" de Cluff Lake sub-affleurant (prospection aéroportée; anomalie radiométrique; teneur moyenne : 350 kg/T)
> Modélisation métallogénique
La pechblende (minéral porteur de l’uranium) est d’origine hydrothermale et date d'un milliard d’années environ. La pechblende s’est mise en place grâce à des zones de failles en présence de graphite.
Découverte des gisements d’uranium profonds dans le nord du Saskatchewan au Canada :
Découverte du gisement de Cigar Lake au Canada à 500 m de profondeur.
Actuellement réserves prouvées de 250 000 T d’uranium à une teneur de 25%.
Prospection de zones vierges
A votre avis quelles sont les zones vierges à prospecter ?
La première zone vierge à prospecter est le sous sol des terres émergées !!!!!
> On ne connait vraiment ce qu’il y a sous nos pieds que sur 200 m de profondeur !
> Les techniques actuelles permettent de prospecter jusqu’à 2 000 m de profondeur !
> Le potentiel de découvertes est immense.
> Ceci est en cours.
Sous l’impulsion de la Commission, l’Europe est en train de redevenir un grand pays minier !
On peut citer la découverte récente de 4 gisements d’or de taille mondiale sur le territoire Européen :
Eupen en Belgique
Hanovre en Allemagne
Caceres en Espagne
Le Sud-Ouest du Groenland
Quid de la France ? RIEN
La société Minière Variscan ne peut même pas prospecter … en Bretagne
Exploration des fonds marins : exemple des nodules polymétalliques. Dans quelques siècles peut-être.
L’évolution des procédés de traitement des minerais
> Traitement et valorisation de produits minéraux de plus en plus fins. On est désormais capable de broyer et de séparer des minéraux à des granulométries inférieures à 2 μ voire 1 μ !
> L’apport de l’hydrométallurgie pour les métaux de base mais aussi et surtout les "petits métaux" comme par exemple les terres rares.
Exemple du Gisement de Nickel de Kopeto en Nouvelle-Calédonie :
> Exploitation traditionnelle. On peut récupérer à partir de ce gisement 200 kT de Nickel dans un minerai ayant une teneur de 2,4% Ni.
> Nouveau procédé et technologie; démarrage en 1994 : on va récupérer 500 kT de Nickel dans un minerai ayant une teneur de 2,85% Ni.
La réduction des coûts de production
Dans l’industrie minière la réduction des coûts ne signifie pas seulement une augmentation des bénéfices et de dividendes versés aux actionnaires mais aussi et surtout une augmentation significative des réserves disponibles. En effet cela permet d’exploiter des minerais de plus en plus pauvres avec profit. L'exemple du cuivre est particulièrement significatif :
Années 50 : teneur moyenne des minerais, 2%
Années 70 : teneur moyenne des minerais, 1%
Années 2000 : teneur moyenne des minerais inférieurs à 1%, voire 0,25% pour la mine d'Aitik en Suède.
Automation des activités sur mine et dans les usines de traitement
L’industrie minière mondiale n'a pas attendu la "révolution numérique" pour intégrer toutes les possibilités de l’informatique et ce de manière continue depuis plus de 50 ans. L'automation permet :
> De réduire les couts
> D’améliorer la récupération des produits de valeur
> De mettre en œuvre des procédés de traitement impossibles avec les seules interventions humaines
> Donc d’augmenter les réserves disponibles
L’automation sur mine :
> Utilisation depuis plus de 25 ans de logiciels de description et de simulation minière. Les outils de l’ingénieur géologue ou de l’ingénieur des mines en 2018, c’est bien sûr un marteau et une carte mais aussi un ordinateur et des logiciels spécifiques.
La société Française "GEOVIA", filiale à 100% de Dassault Systèmes, est devenu en quelques années le leader mondial des logiciels pour l’industrie minière.
> Gestion des flottes de camions et de pelles par des logiciels spécifiques
> Camions miniers automatiques sans chauffeurs, ce qui permet de fonctionner la nuit, par temps de brouillard, etc. …
> Utilisation depuis plus de 5 ans de drones pour des travaux de surveillance, de mise en sécurité du personnel, de cubatures, etc. …
L’automation dans les usines :
> Début des années 50 : mise en place de boucles de régulation simples par PID [Proportionnel, Intégral, Dérivé].
> Début des années 80 : mise en place et développement rapide des automates programmables industriels.
> Début des années 90 : mise en réseau des automates existants sur un même site leur permettant de converser entre eux et de prendre des décisions sans interventions humaines.
> Début des années 2000 : mise en place de régulations prédictives (Jacques Richalet).
La course au "gigantisme"
Et pour finir, quelle fut la première activité de Neil Armstrong et de ses successeurs qui ont marché sur la Lune ?
Faire de la géologie et collecter des échantillons de roche et de poussière !
LA GEOLOGIE …
UNE SCIENCE ÉTERNELLE !!!!