Upstream geomineralurgical characterization of a sedimentary phosphate deposit for mine waste sustainable management and valorization purposes

Chlahbi, Safa (2024). Upstream geomineralurgical characterization of a sedimentary phosphate deposit for mine waste sustainable management and valorization purposes. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1661

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Résumé

RÉSUMÉ

L'industrie minière au Maroc joue un rôle primordial dans l'économie du pays, notamment grâce à l'extraction de minéraux tels que le phosphate, l'argent, l'or, le zinc, le cuivre, le cobalt, la fluorite, et la barite. Toutefois, cette industrie génère d'importantes quantités de déchets miniers qui doivent être gérés efficacement. Les déchets miniers comprennent des matériaux tels que les résidus, les roches stériles, les boues, les eaux minières et les produits chimiques qui restent après l'extraction des minéraux. Ce projet de thèse se focalise sur l'industrie minière des phosphates, un secteur connu pour produire des quantités substantielles de stériles rocheux des phosphates (SRP). Ces stériles, sous-produits de l'extraction du phosphate, sont souvent mélangés et stockés en surface sous forme de grandes haldes de stériles, ce qui les rend difficiles à réhabiliter. Les stériles sont principalement des couvertures et des intercalaires, composés essentiellement de carbonates, d'argiles, de marnes et de silex.

L'objectif principal du présent travail est de s'orienter vers l'étude des SRP en amont de la chaîne minière dans la mine de Benguerir, au Maroc, afin de caractériser chaque lithologie séparément. Cette approche vise à fournir une compréhension détaillée et complète de la composition, des caractéristiques et des applications potentielles des stériles, facilitant ainsi l'identification des opportunités de réutilisation ou de valorisation efficace de ces sous-produits. En conséquence, trois objectifs spécifiques ont été définis : i) comprendre les propriétés géologiques et géomécaniques des SRP en vue de leurs potentielles applications dans le domaine génie civil ; ii) évaluer la géochimie et le comportement environnemental des SRP ; iii) adopter une approche intégrée de l'utilisation durable des SRP (p. ex. remblais routiers). Trois hypothèses ont été formulées dans cette thèse : i) la caractérisation géominéralurgique en amont permet d'explorer les possibilités de valorisation des SRP, ii) la réalisation d'une évaluation géo-environnementale complète en amont des SRP permet d'identifier les risques potentiels et d'explorer les possibilités de récupération des ressources, et iii) la proposition de lignes directrices pour la valorisation des SRP permettra de les transformer en ressources précieuses, contribuant ainsi à la gestion durable des déchets et à l'utilisation efficace des ressources.

Pour atteindre ces objectifs, l'approche méthodologique a débuté par une étude bibliographique approfondie qui a servi de base aux étapes suivantes. Cette première phase a été suivie par des missions sur le terrain portant sur le carottage et la collecte d'échantillons. Une stratégie d'échantillonnage méticuleuse a été élaborée, combinant des méthodes aléatoires et ciblées afin de garantir un processus de collecte de données complet. Les échantillons prélevés ont ensuite fait l'objet de divers tests de caractérisation et d'analyses portant sur les aspects géologiques, géomécaniques, pétrographiques, minéralogiques, chimiques et environnementaux. Ces analyses ont permis d'obtenir une compréhension globale de la composition et des propriétés des intercalaires. L'intégration des paramètres géologiques (lithologie et épaisseur) dans un cadre de géomodélisation a permis d'estimer les volumes mais aussi de mettre en évidence la distribution du gisement. Enfin, cette approche méthodologique a permis de réaliser une analyse approfondie et multidimensionnelle essentielle à la prise de décision en matière de gestion des ressources et de conservation de l'environnement, en proposant des lignes directrices pour les voies de valorisation. Les résultats de chaque partie sont résumés dans ce qui suit.

Les résultats de la caractérisation géologique obtenus grâce aux descriptions lithologiques et à l'analyse structurale ont révélé la présence de neuf couches de phosphate et huit intercalaires, en plus de la découverture. En outre, quatre catégories de SRP ont été identifiées : carbonate, siliceuse, argile/marne et phosphate. L'évaluation géomécanique des échantillons de sols a montré un indice de plasticité (IP) moyen de 50% et une valeur de bleu de méthylène (VBM) de 7,1, les classant ainsi dans la classification A3-A4 qui correspond à des sols marneux plastiques et argileux. D'autre part, les échantillons de roche présentent des propriétés mécaniques remarquables, en particulier en termes de résistance à la compression uniaxiale (UCS), de la valeur d'abrasion de Los Angeles (LA) et de valeur de micro-Deval (MD). Notamment, les valeurs moyennes de résistance à la compression sont de 104 MPa pour le silex, 35 MPa pour le silex phosphaté, 32 MPa pour la silexite, 26 MPa pour le calcaire, 11 MPa pour le phosphate induré et 8 MPa pour le calcaire marneux.

Les résultats de l'évaluation géochimique et environnementale des SRP ont révélé une composition principalement constituée de calcite, de dolomite, d'apatite et de quartz, avec la présence de phases mineures supplémentaires telles que des minéraux argileux. D'un point de vue chimique, les SRP sont dominés par les principaux oxydes suivants : CaO et MgO, SiO2 et P2O5. Les éléments traces présents dans les échantillons ont été classés en trois groupes distincts en fonction de leurs concentrations : un groupe comprenant Zn et Cr avec des concentrations supérieures à 150 ppm, un groupe contenant Ba, V, Ni, Zr, Y, U, Cu, Cd et Co avec des concentrations comprises entre 10 et 150 ppm, et un groupe d'éléments traces avec des concentrations relativement plus faibles (< 10 ppm), comprenant Rb, Pb, As, Mo, Se, Sc, Ga, Nb, Th, Hf, Sb, et Cs. Sur le plan environnemental, les résultats des tests de lixiviation ont indiqué que les lixiviats présentaient un pH neutre à alcalin de 6±0,6 à 9,1±0.3 pour tous les échantillons, ce qui indique un potentiel de neutralisation élevé de 38 à 991 kg CaCO3/t. En outre, la libération des éléments majeurs (Ca, Mg, K, Si, Sr et P) et des éléments traces (As, Ba, Cd, Cr, Se et U) est restée dans les limites des normes internationales, à savoir la réglementation de l'Agence américaine pour la protection de l'environnement (USEPA) et la norme universelle de traitement (UTS) ; ce qui confirme la nature non dangereuse des stériles phosphatés. Par conséquent, les SRP étudié peuvent être considéré comme matière première naturelle viable convenant à diverses applications civiles.

L'étude de la valorisation potentielle des SRP, en particulier les lithologies d'argile marneuse et de calcaire marneux dans les remblais routiers, une étude à multiples facettes qui combine l'expérimentation, l'analyse de la stabilité et l'évaluation économique. Une caractérisation détaillée a révélé que les échantillons sont principalement composés de CaO, SiO2 et MgO, avec des phases minérales dominantes comprenant du quartz, de la calcite, de la dolomite, de l'apatite et des minéraux argileux. Les évaluations environnementales ont classé les matériaux comme des déchets non dangereux, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation en toute sécurité. L'analyse géotechnique a classé le calcaire marneux et l'argile marneuse comme appartenant à des catégories spécifiques, ce qui indique qu'ils conviennent comme matériaux de remblai durables. En outre, l'analyse de la stabilité a confirmé ce fait en déterminant que des remblais d'une hauteur maximale de 10 mètres utilisant de l'argile marneuse sont réalisables avec des facteurs de sécurité satisfaisants. Pour le calcaire marneux, un soutien supplémentaire, tel qu'un banc d'enrochement, peut permettre des remblais de hauteur similaire avec des marges de sécurité adéquates. En outre, une évaluation économique a souligné la rentabilité de l'utilisation des matériaux SRP dans un rayon de 28 km autour du site minier, ce qui en fait une alternative viable aux matériaux traditionnels pour les projets de construction.

Les résultats géomécaniques, géochimiques, minéralogiques et environnementaux ont révélé que les SRP présentent un potentiel important de réutilisation bénéfique. Les résultats suggèrent que les SRP peuvent être efficacement réutilisés dans des secteurs tels que le génie civil, l'industrie du ciment, la construction de routes, la récupération du phosphate résiduel et la neutralisation du drainage minier acide. Un guide structuré des voies de valorisation des SRP a été proposé, offrant un cadre structuré pour l'exploration des voies de valorisation potentielles des stériles phosphatés. Le présent projet a permis de faire progresser les connaissances sur les déchets des mines de phosphate en amont et de mettre en évidence l'importance des pratiques durables et de l'optimisation des ressources dans diverses applications industrielles.

ABSTRACT

The mining industry in Morocco plays a crucial role in the country's economy, mainly through the extraction of minerals like phosphate, silver, gold, zinc, copper, cobalt, fluorite, barite, etc. However, this industry generates substantial quantities of mining waste that must be effectively managed. Mining waste includes materials such as tailings, rock, sludge, and mine water left over after the extraction of minerals. This thesis project focuses on the phosphate mining industry, a sector notorious for producing substantial amounts of phosphate waste rock (PWR). This waste rock, a byproduct of phosphate extraction, is often mixed and stored on the surface as large waste rock piles (WRPs), which makes it difficult to rehabilitate. The PWRs are mainly overburden and interburdens, primarily composed of carbonates, clays, marls, and flints.

The main aim of the present work is to provide a detailed and comprehensive understanding of the waste rock's composition, characteristics, and potential applications from phosphate exploitation, facilitating the identification of opportunities for effectively reusing or valorizing these by-products. Accordingly, three specified objectives were defined: i) understanding the geological and geomechanical properties of PWR given their potential civil applications, ii) assess the geochemistry and environmental behavior of PWR, and iii) Integrated approach to sustainable utilization of PWR in road embankments. Three hypotheses were drawn in the thesis: i) upstream geomineralurgical characterization allows exploring opportunities for PWR valorization, ii) conducted a comprehensive upstream geo-environmental assessment of PWR allows for the identification of potential hazards and exploration opportunities for resource recovery, and iii) proposing guidelines for the valorization of PWR will successfully convert it from a previously discarded by-product into a valuable resource, contributing to sustainable waste management and resource efficiency.

To achieve these objectives, the methodological approach began with an extensive bibliographic study that laid the foundation for subsequent steps. This initial phase was followed by field missions focused on core drilling and sample collection. The sampling strategy consisted of combining random and targeted methods to ensure a comprehensive data collection process. Various characterization tests and analyses were then conducted on the collected samples, encompassing geological, geomechanical, petrographic, mineralogical, chemical, and environmental aspects. These analyses provided a global understanding of the interburdens composition and properties. The integration of the geological parameters (lithology and thickness) into a geomodeling framework allowed for volume estimations but also illuminated deposit distribution. Finally, this methodological approach ensured a thorough, multidimensional analysis essential for informed decision-making in resource management and environmental conservation by proposing guidelines for valorization pathways. The results of each part are summarized in the following.

The geological characterization results obtained through lithological descriptions and structural analysis have revealed the presence of nine phosphate layers in addition to the overburdens and eight interburdens in the studied area. Furthermore, four distinct types of PWR have been identified: carbonate, siliceous, marly clay, and phosphate. The geomechanical assessment of soil-like samples has shown an average plasticity index (PI) of 50% and a methylene blue value (MBV) of 7.1, thus categorizing them within the A3–A4 classification as plastic and clayey marl soils. On the other hand, the hard rock samples exhibit remarkable mechanical properties, particularly in terms of their uniaxial compressive strength (UCS), Los Angeles abrasion value (LA), and micro-Deval value (MD). Notably, the average compressive strength values stand at 104 MPa for flint, 35 MPa for phosphate flint, 32 MPa for silexite, 26 MPa for limestone, 11 MPa for indurated phosphate, and 8 MPa for marly limestone, showcasing the diverse mechanical characteristics of the rock formations present in the studied area.

The results of the geochemical and environmental assessment of PWR revealed a composition primarily comprised of calcite, dolomite, apatite, and quartz, with additional minor phases like clay minerals. Chemically, the PWRs are dominated by the following major oxides: CaO, MgO, SiO2 and P2O5. Trace elements within the samples were categorized into three distinct groups based on their concentrations: a group including Zn, and Cr with concentrations exceeding 150 ppm, a group containing Ba, V, Ni, Zr, Y, U, Cu, Cd, and Co with concentrations ranging between 10 to 150 ppm, and a group of trace elements with relatively lower concentrations (< 10 ppm), including Rb, Pb, As, Mo, Se, Sc, Ga, Nb, Th, Hf, Sb, and Cs. Environmentally, the leachates exhibited a neutral to alkaline pH range of 6±0.6 to 9.1±0.3 across all samples, indicating a high neutralizing potential of 38 to 991 kg CaCO3/t. Furthermore, the leaching test results indicated that the release of major (Ca, Mg, K, Si, Sr, and P) and trace (As, Ba, Cd, Cr, Se, and U) elements remained within international standard limits such as the United States Environmental Protection Agency (USEPA) regulations and the universal treatment standard (UTS); this is confirming the non-hazardous nature of the PWR. Consequently, the studied PWR is a viable natural raw material suitable for various civil applications.

The investigation into the potential use of PWR, particularly marly clay and marly limestone lithologies in road embankments, is a multi-faceted study that combines experimentation, stability analysis, and economic evaluation. Detailed characterization revealed that the samples are primarily composed of CaO, SiO2, and MgO, with dominant mineral phases including quartz, calcite, dolomite, apatite, and clay minerals. Environmental assessments categorized the materials as non-hazardous waste, paving the way for their safe utilization. Geotechnical analysis classified marly limestone and marly clay as belonging to specific categories, indicating their suitability as embankment materials. Furthermore, the stability analysis supported this by determining that embankments up to 10 meters in height using marly clay are feasible with satisfactory safety factors. For marly limestone, additional support, such as a rock-fill bench, can allow for embankments of similar height with adequate safety margins. Moreover, an economic evaluation underscored the cost-effectiveness of using PWR materials within a radius of 28 km from the mine site, making them a viable alternative to traditional materials for construction projects.

Through the geomechanical, geochemical, mineralogical, and environmental findings, it has been revealed that PWR holds significant potential for beneficial reuse. The findings suggest that PWR can be effectively repurposed in sectors like civil engineering, cement industry, road construction, phosphate recovery, and acid mine drainage neutralization. A structured guideline of the valorization pathways of PWR was proposed, offering a structured framework for exploring the potential valorization avenues of PWR. The present project progressed the knowledge of upstream characterization of phosphate mine waste and set up promising underscores the importance of sustainable practices and resource optimization in various industrial applications.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Belem, Tikou
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Elghali, Abdellatif et Benzaazoua, Mostafa
Informations complémentaires:	Institutions en extension : Polytechnique Montréal affiliée à l'Université de Montréal et Mohammed VI Polytechnic University. / Cette thèse contient des articles publiés dans des revues. Voici les liens vers les versions officielles : l’article « Geological and Geomechanical Characterization of Phosphate Mine Waste Rock in View of Their Potential Civil Applications: A Case Study of the Benguerir Mine Site, Morocco » a été publié par MDPI dans la revue « Mineralsa » en 2023 : https://doi.org/10.3390/min13101291; l’article « Integrated approach to sustainable utilization of phosphate waste rock in road embankments: Experimental insights, stability analysis, and preliminary economic evaluation » a été publié par Elsevier dans la revue « Case Studies in Construction Materials » en 2024 : https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e03222; l’article « Interlayers geo-environmental assessment of phosphate waste rock for sustainable management practices » a été publié par Springer Nature’s dans la revue «Environmental Geochemistry and Health » en 2025 : https://doi.org/10.1007/s10653-024-02329-0.
Mots-clés libres:	Phosphate waste rock, Core drilling, Geomineralurgical characterization, Sustainable management, Valorization purposes
Divisions:	Mines et eaux souterraines > Doctorat en génie minéral
Date de dépôt:	28 mars 2025 18:59
Dernière modification:	28 mars 2025 18:59
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1661

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