Prédiction du comportement géochimique des rejets miniers porteurs de terres rares

Edahbi, Mohamed (2018). Prédiction du comportement géochimique des rejets miniers porteurs de terres rares. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Repéré dans Depositum à https://depositum.uqat.ca/id/eprint/767

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Résumé

Les éléments de terres rares (REE), appelés aussi lanthanides, désignent un groupe de 17 éléments chimiques (lanthane (La) jusqu'au lutétium (Lu), plus scandium (Sc) et l'yttrium (Y). Ils sont associés essentiellement à des phases minérales de types carbonates, silicates, et/ou phosphates. Les REE sont devenus de nos jours des matières premières hautement stratégiques et indispensables à certaines industries (i.e., véhicules électriques et hybrides, systèmes de radar, batteries rechargeables, téléphones cellulaires, écrans LCD, produits électroniques, etc.). Ils sont contrairement à ce que suggère leur appellation, ils ne sont pas des «t erres » mais plutôt des métaux et ils ne sont pas « rares » car ils sont assez répandus dans l'écorce terrestre. Ils sont présentsdans la nature sous forme de minéraux d'aspects terreux. Ils s'y retrouvent en quantité plus abondante que le plomb, et que l'argent mais ils sont rarement trouvés dans des concentrations rentables à exploiter (ils demeurent dilués dans la croûte terrestre). Le qualificatif « rare » signifie la rareté des technologies pour les extraire et les séparer. Parmi leurs particularités, on peut mentionner leur association fréquente avec d'autres éléments (i.e., Zr, Th, U, Ba, F, etc.), et ils sont difficiles à séparer les uns des autres. Pour l'instant, la Chine est le premier producteur mondial des REE (environ 97 % de la production mondiale). Face à ce constat, plusieurs compagnies minières à travers le monde ont renforcé leurs activités d'exploration pour répondre aux besoins mondiaux qui ne cessent d'augmenter et, par conséquent, atténuer les effets du monopole chinois.
Les gisements des REE font partie des gisements dits à faible teneur et fort tonnage, ce qui génère beaucoup de rejets solides et liquides (roches stériles, rejets de concentrateur, autres effluents miniers). Les rejets solides, sans valeur commerciale, sont souvent entreposés en surface dans les sites miniers. L'eau de pluie et de fonte des neiges percolant à travers ces rejets miniers est susceptible d'être contaminée via les réactions géochimiques ayant lieu naturellement au contact de l'eau et de l'oxygène. À l'échelle du Québec, la législation minière en vigueur oblige les entreprises à engager des garanties financières pour couvrir l'ensemble des coûts liés à la phase d'après-mine afin de réhabiliter les sites exploités en respectant l'environnement. À l'égard de toutes ces contraintes, le développement d'un projet minier nécessite la prédiction du comportement géochimique des rejets miniers qui seront produits durant les exploitations minières, entreposés en surface et exposés aux conditions atmosphériques. En plus de favoriser l'acceptabilité sociale des projets miniers, la prédiction permet, d'une part, d'anticiper le potentiel de génération de contaminants à partir des futurs empilements de rejets miniers et, d'autre part, vu d'élaborer des stratégies saines de gestion et d'entreposage des rejets miniers. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent projet.
Présentement, des lacunes importantes sur les impacts environnementaux des rejets m1mers porteurs des REE ont été notées dans la littérature, en particulier en ce qui concerne : (i) la réactivité des phases porteuses des REE, (ii) les processus géochimiques contrôlant la mobilité et le fractionnement des REE lors des interactions eaux-roches (l'adsorption, la précipitation et/ou coprécipitation, etc.), (iii) la spéciation des REE dans les gisement naturels les plus communs, (iv) la séparation minéralurgique et métallurgique des REE, et (v) la toxicité des REE. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement géochimique des rejets miniers issus de deux types de gisements porteurs de terres rares (carbonates et silicates) afin de mieux comprendre les processus géochimiques qui seront responsables d'une contamination éventuelle des eaux de drainage. L'atteinte de cet objectif passe par la prédiction de la qualité des eaux de drainage à partir de l'étude d'échantillons d'exploration pour les projets Montviel, de la compagnie Ressources Géoméga, et Kipawa, de la compagnie Matamec explorations. Le projet Montviel (Lebel-sur-Quévillon, Canada) vise une mine à ciel ouvert pour exploiter un gisement de terres rares légères estimé à 250 millions de tonnes (Mt) de carbonatites de REE-Nb avec une teneur en terres rares de 1.47% d'oxydes de terres rares (OTR). Les dépôts du gisement sont associés à une intrusion alcaline protérozoïque datée de 1894 Ma. Quant au projet Kipawa, Témiscamingue, Canada, il vise l'exploitation d'un gisement de terres rares lourdes de 19 Mt avec une teneur moyenne de 0.41% de OTR sur une période de 15 ans sous forme d'une mine à ciel ouvert. Le travail concernant ces deux gisements de terres rares a été fait sur des échantillons issus des carottes d'exploration en guise de stériles à Montviel, et sur des échantillons en vrac représentant différentes lithologies de la fraction stérile du gisement Kipawa. Pour mieux caractériser les minéraux porteurs de terres rares et augmenter les réponses géochimiques durant les essais cinétiques sur les échantillons des deux gisements, les phases porteuses de terres rares ont été concentrées via une combinaison de techniques gravimétriques, séparation magnétique, flottation, et par liqueur dense. Ces échantillons préconcentrés ont été soumis à des essais en mini-cellules d'altération afin d'évaluer la mobilité des terres rares et autres contaminants associés. Les échantillons post démantèlements issus des différents essais cinétiques ont été caractérisés pour :
(i) établir les bilans géochimiques, (ii) élucider les mécanismes d'altération des minéraux porteurs
de REE, et (iii) déterminer les minéraux secondaires précipités et la spéciation des REE une fois
lixiviés. L'atteinte de ces objectifs s'effectue vm une approche méthodologique en plusieurs phases, consistant d'abord en une caractérisation physique, physico-chimique et minéralogique détaillée d'échantillons représentatifs des futurs stériles miniers. Ces échantillons ont été soumis à des essais cinétiques de percolation et de lixiviation en batch (SPLP, TCLP, et CTEU-9). La détermination de la teneur solide en REE a été effectuée via une digestion suivie de l'analyse par ICP-MS pour une vingtaine d'éléments chimiques, ainsi que le soufre par analyse ICP-AES. L'analyse de roche totale (éléments majeurs et mineurs) a été effectuée par XRF. La teneur en soufre total et en carbone total a été déterminée au four à induction dans 1 'objectif de déterminer le potentiel de neutralisation et le bilan acide-base. La composition minéralogique des échantillons a été évaluée par une combinaison d'observations de sections polies au microscope optique (MO), au microscope électronique à balayage (MEB), par QEMSCAN, ainsi que par analyse par diffraction des rayons X (réconciliée aux analyses chimiques). Afin de préciser la composition de certains minéraux (éléments en trace), des échantillons ont été analysés par microsonde électronique en WDS (wavelength dispersive spectroscopy), permettant d'analyser les compositions minérales avec une limite de détection de l'ordre de 20 à 100 ppm à l'échelle du grain.
Le traitement et l'interprétation des résultats obtenus à partir des différents essais cinétiques et de lixiviation de laboratoire indiquent que les eaux percolant à travers les lithologies du projet Montviel sont alcalines, avec des pH respectant en général les limites exigées par les législations en vigueur. Les éléments F et Ba peuvent présenter des préoccupations environnementales dans le cas d'absence d'une atténuation naturelle (sorption ou précipitation). Or, le Ba précipite vraisemblablement in situ sous forme des sels insolubles (i.e. barytine) et le pH demeure inférieur aux limites réglementaires grâce à l'effet des pluies acides de la région de Lebel-sur-Quévillon (teneur en sulfates inférieure à 10 mg/!) et la dissolution du C02 dans les eaux de drainage minier.
La comparaison des résultats géochimiques issus des différents essais (cellules humides, minicellules, essais de lixiviation TCLP, SPLP, et CTEU-9) montre des différences significatives entre les essais cinétiques et les essais de lixiviation. Le type d'essai a un impact direct sur les taux de lixiviation des terres rares et les métaux associés. La différence entre les différents essais est due principalement aux paramètres suivants : la granulométrie, le ratio solide-liquide, la durée des essais, et le type de solution de lixiviation. Les essais CTEU -9 demeurent les seuls essais qui génèrent des résultats plus proches de ceux des essais en cellules humides. Par ailleurs, la comparaison des résultats du laboratoire avec ceux des essais de terrain indique la présence d'un effet d'échelle supérieur pour les essais in situ. Cet effet d'échelle est causé principalement par les effets de température, la dissolution de C02, la granulométrie, le ratio-solide/liquide.
Les résultats des essais cinétiques de laboratoire montrent une faible lixiviation des REE avec une mobilité élevée des terres rares lourdes versus les terres rares légères. Les calculs thermodynamiques effectués par Vminteq et Phreeqc, ainsi que les caractérisations postdémantèlement, indiquent que le faible taux de relargage des REE est dû essentiellement aux phénomènes de sorption, de précipitation sous forme de minéraux secondaires (i.e., REEP04) et/ou de coprécipétation par d'autres minéraux secondaires de Fe, S04, Ca, F, et P043·. Ces processus géochimiques réduiraient significativement la mobilité des REE en favorisant leur fractionnement à l'intérieur des rejets miniers. Les phosphates de terres rares (REEP04) sont les principaux minéraux secondaires impliqués dans le fractionnement des REE.
La comparaison entre les essais de laboratoire et les barils du terrain indique une augmentation significative de la dissolution des carbonates dans les essais in situ. Malgré l'augmentation de la dissolution des carbonates in situ, les concentrations élémentaires associées aux carbonates (Ca,
Ba, Sr, REE, Th, U) restent sous les limites permises au Québec. Cette réactivité importante des carbonates in situ pourrait assurer un important potentiel de neutralisation à long terme des futurs stériles de Montviel. La comparaison de la réactivité des carbonates et celle des silicates des terres rares montre une différence d'un à 2 ordres de grandeur supérieure pour les carbonates de REE.
Comme les deux échantillons ont les mêmes caractéristiques (i.e. la granulométrie, le rapport liquide/solide, le degré de libération, etc.), les différences pourraient être dues principalement à la différence de réactivité entre les deux matériaux.
Pour assurer une gestion intégrée des stériles pour les futures mines en question dans cette thèse, un modèle conceptuel de la future halde à stérile pour Montviel est proposé. La base de la halde à stérile devrait être compactée et inclinée pour favoriser les écoulements latéraux des eaux, et sera composée de matériaux de la lithologie la moins problématique, appelée silicocarbonatites. Une fois cette base construite, le reste des stériles pourrait être déposé par-dessus. Les effluents liquides récoltés autour de la halde devraient passer à travers un drain calcaire constitué par les matériaux les plus carbonatés, appelés calciocarbonatites, pour assurer un traitement passif efficace. Cette méthode d'entreposage permettrait d'assurer une meilleure stabilité géochimique des rejets miniers porteurs des REE. Les résultats de ce présent projet, parmi les premiers à combler la lacune de données scientifiques au sujet du comportement géochimique de minéraux porteurs des terres rares, permettra de contribuer à l'essor de l'industrie des terres rares du Canada en fournissant des réponses nécessaires à une gestion saine des rejets miniers de ces types d'exploitations. Les connaissances développées dans cette thèse sur la prédiction du comportement géochimique de rejets miniers de terres rares pourraient contribuer à faciliter 1 'exploitation des gisements des terres au Canada, faisant actuellement face à une réticence sociale et environnementale.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur de mémoire/thèse:	Plante, Benoît
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Benzaazoua, Mostafa
Mots-clés libres:	gisements de terres rares; stériles miniers porteurs des terres rares; fractionnement et mobilité des terres rares; minéraux secondaires de REE; carbonates et silicates de REE; prédiction de la qualité des eaux de drainage; essais cinétiques de laboratoire; essais de lixiviation; essais de terrain; effet d'échelle; approche d'entreposage des rejets miniers porteurs de REE.
Divisions:	Génie > Doctorat en génie géologique
Date de dépôt:	12 juin 2018 18:26
Dernière modification:	12 juin 2018 18:26
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/767

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