Enfin au Maroc ! L'expertise en caractérisation minéralogique pour optimiser vos ressources
Diffraction des rayons X - XRD
La diffraction des rayons X permet l'identification et la semi-quantification des minéraux cristallisés (non amorphes) présents dans un échantillon. Il s'agit d'une technique rapide et peu coûteuse qui vient compléter l'analyse minéralogique par microscopie optique, en particulier pour les échantillons à grains très fins (difficiles à étudier par microscopie optique).
Les résultats obtenus par diffraction des rayons X peuvent être corrélés avec les analyses chimiques afin de croiser les données chimiques et minéralogiques. MinExpert a développé son propre algorithme qui permet une corrélation très fiable des données. La précision de la méthode DRX se situe dans une fourchette de ± 0,5 à 1 % en masse et nécessite une granulométrie très fine (inférieure à 10 µm).
Utilisations typiques : – Permet l'identification et la quantification des minéraux (semi-quantification) – Permet d'étudier la cristallinité des minéraux – Méthode largement utilisée pour l'analyse des argiles
Le diffractomètre consiste à bombarder l’échantillon avec 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 captés par le détecteur de l’appareil. En connaissant la longueur d’onde (λ) du faisceau incident (généralement généré par une anticathode en Co ou en Cu) et l’angle de diffraction (θ), on peut calculer les distances interatomiques (d) spécifiques 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 les uns des autres par une distance (d). L’ensemble de ces plans constitue le réseau cristallin caractéristique de chaque minéral.
Les rayons X réfléchis sont enregistrés sous la forme d’un diagramme appelé diffractogramme, qui se compose de pics. Pour chaque minéral, un ou plusieurs pics correspondant aux différents plans atomiques du minéral sont enregistrés. La hauteur de ces pics est proportionnelle à l’intensité de la diffraction et donc à la concentration du minéral dans l’échantillon.
Avant que les échantillons ne soient soumis à l’analyse par diffraction des rayons X, une pulvérisation est effectuée dans de l’alcool isopropylique à l’aide d’un microniseur vibrant équipé de corps de broyage en corindon. Cela réduit la taille des minéraux à environ 10 µm.
Microscopie optique
Le microscope optique permet de décrire de manière qualitative la composition minéralogique d'un échantillon ainsi que sa texture. Utilisations courantes : – identification des minéraux – description de la texture minérale – description des associations minérales et estimation qualitative de leur libération
L’étude minéralogique est d’une importance capitale dans le domaine minier, d’où la nécessité d’une grande précision. Elle débute généralement par une observation au microscope optique, cet instrument fournissant une multitude d’informations (la maîtrise de l’expérimentateur est primordiale). L’identification minéralogique repose sur la capacité des minéraux à réagir à la lumière. Au microscope optique, on observe la lumière transmise pour les minéraux transparents (silicates, carbonates, etc.) et la lumière incidente pour les minéraux opaques (sulfures, oxydes et hydroxydes). L’identification des minéraux au microscope optique consiste à déterminer certaines de leurs propriétés, telles que la couleur, la forme, le pléochroïsme, la (bi)réfringence, l’angle d’extinction, le signe optique (pour les minéraux transparents), la (bi)réflectance, l’anisotropie et la réflectivité (pour les minéraux opaques). D’autres propriétés physiques sont exploitées, telles que 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 essentielle qui conduit à l’identification des phases minérales, à la description de leur taille et de leur mélange, et permet de cibler les zones d’intérêt (à l’échelle du minéral ou du site) pour une étude plus détaillée à l’aide de techniques avancées. Ces dernières permettent des caractérisations complémentaires et dépassent les limites de l’étude microscopique, essentiellement qualitative.
Il existe environ 300 minéraux opaques, dont une très large majorité présente des nuances de gris similaires qui ne permettent pas l’identification des minéraux, même par comparaison directe de grains côte à côte. Le problème est encore plus complexe dans le cas des minerais concassés et des rejets miniers, où les minéraux ont une taille de quelques dizaines de microns et sont dispersés dans la résine. La taille des grains de ces matériaux rend difficile l’étude de leurs propriétés optiques en raison de la faible résolution spatiale de l’optique du microscope et de son grossissement limité (environ 1000x). Pour obtenir des grossissements plus importants et observer des détails pertinents, il est nécessaire d’utiliser le microscope électronique, qui atteint des grossissements bien supérieurs (de 300 à 1 000 000 X).
Par ailleurs, le microscope optique traditionnel a récemment bénéficié de nouvelles techniques permettant d’exploiter d’autres propriétés de la matière que les propriétés optiques (spectrométrie infrarouge et Raman). Le microscope équipé d’une caméra CCD reliée à un ordinateur, pour l’acquisition et le traitement informatique des images, peut également devenir un instrument relativement performant de quantification minéralogique (imagerie multispectrale), mais les progrès dans ce domaine restent encore à approfondir.
Microscopie électronique
Le microscope électronique peut faciliter l'identification des minéraux grâce à la microanalyse élémentaire réalisée à l'aide de spectromètres à dispersion d'énergie ou à dispersion de longueur d'onde.
Utilisations courantes : – identification des minéraux par la détermination de leur stœchiométrie au moyen de la microanalyse élémentaire – détermination de la morphologie des minéraux – quantification des minéraux à l'aide de logiciels hautement sophistiqués – la précision de la microanalyse est de l'ordre de 0,1 % en masse
L’identification minéralogique par microscope optique peut parfois manquer de précision, notamment pour les minéraux très fins présentant des propriétés optiques difficiles à étudier. Dans ce cas, le MEB est souvent sollicité. C’est l’un des outils les plus utilisés en sciences de la Terre et des matériaux. Son intérêt réside dans sa capacité à permettre l’étude simultanée de la morphologie et de la composition chimique des matériaux.
Son principe de fonctionnement repose sur l’envoi d’un faisceau d’électrons sur l’échantillon, placé dans une chambre à vide. Ces électrons sont produits par l’application d’une haute tension à partir d’un filament de tungstène ou d’hexaborure de lanthane (LaB6). Lorsque le faisceau d’électrons pénètre dans l’échantillon, il se diffuse dans un volume appelé bulbe de diffusion (~1 µm³). Les électrons incidents peuvent subir deux types d’interactions au contact de l’échantillon : i) une interaction élastique, où ils entrent en collision avec les atomes de l’échantillon et ressortent sans perte d’énergie (ou avec une faible perte). Il s’agit d’électrons rétrodiffusés provenant d’une région relativement profonde de l’échantillon (100 à 200 nm). En mode électrons rétrodiffusés, les minéraux à numéro atomique élevé (Z) (sulfures, sulfosels, métaux, etc.) apparaissent plus brillants que ceux à numéro atomique faible (minéraux de gangue tels que les silicates et les carbonates, etc.). Ce contraste chimique est essentiel pour distinguer les minéraux et est utilisé pour leur identification et leur quantification au MEB. ii) Inélastique : il y a transfert d’énergie des électrons incidents aux atomes de l’échantillon, ce qui donne : 1) des électrons secondaires provenant des couches superficielles et permettant la visualisation de la topographie de l’échantillon avec une grande profondeur de champ ; 2) des électrons Auger et des rayons X. En effet, lorsqu’un atome est bombardé par le faisceau d’électrons de haute énergie, une ionisation se produit et un électron d’une couche profonde est éjecté. Cet électron est remplacé par un électron d’une couche supérieure et un photon X est émis. L’analyse par rayons X renseigne sur la composition chimique de l’échantillon. Parfois, une partie de l’énergie des photons X est transmise à un électron d’une orbite externe qui est éjecté : il s’agit d’un électron Auger. Cet électron, de très faible énergie, est caractéristique de l’atome qui l’a émis (utilisé en spectrométrie Auger).
Le MEB devient un outil d’analyse chimique lorsqu’il est équipé d’un détecteur enregistrant les rayons X par dispersion d’énergie (EDS) ou par dispersion de longueur d’onde (WDS). L’acquisition de la composition chimique de l’échantillon peut être réalisée sur toute la surface de l’image (analyse chimique globale ou cartographie élémentaire par rayons X) ou de manière ponctuelle (microanalyse).
Système de minéralogie automatisé
Le système de minéralogie automatisée permet la quantification de plusieurs paramètres essentiels au traitement des minerais. Utilisations typiques : – Quantification minéralogique des minéraux d’intérêt et de la gangue (minéralogie modale)
– Détermination de la composition chimique globale d’un échantillon (analyse calculée)
– Spéciation élémentaire des métaux cibles (distribution des éléments)
– Quantification des associations minéralogiques
– Quantification de la libération (surface et périmètre) des minéraux d’intérêt
– Détermination de la granulométrie et de la minéralogie des grains
– Compréhension et résolution des problèmes rencontrés dans les circuits de traitement des minerais
– Recherche de phases brillantes telles que l’or, l’argent et les métaux du groupe du platine (MGP)
– Prédiction des impacts environnementaux
– Identification des pénalisateurs critiques dans un minerai
La minéralogie automatisée désigne une solution analytique très sophistiquée basée sur un microscope électronique à balayage (MEB) couplé à un ou plusieurs spectromètres à rayons X à dispersion d’énergie (EDS ou EDX). Le système est piloté par un logiciel spécifiquement développé pour fournir une analyse quantitative et largement automatisée des minéraux dans les roches et les minerais.
Le laboratoire MinExpert propose des analyses minéralogiques automatisées grâce à un système basé sur un microscope électronique à effet de champ (FEG) Zeiss à très haute résolution. Il est équipé de deux spectromètres EDS à détecteur à dérive de silicium de 30 mm² de marque Bruker xFlash 6. Le système est piloté par le logiciel « MinExpert mining v1.06 ».
Grâce à ce système d'analyse minéralogique automatisée, le laboratoire MinExpert accompagne ses clients dans la planification stratégique de leurs mines et offre différents niveaux de service selon les exigences de chaque projet. Les conseils prodigués permettent d'anticiper les performances opérationnelles de l'usine de traitement (augmentation du taux de récupération des matières premières), d'identifier en amont la valeur potentielle des pertes minérales afin de prendre des décisions clés en temps opportun et de faire progresser l'activité minière grâce à des données fiables.
Aujourd'hui, l'analyse minéralogique automatisée est appliquée tout au long de la chaîne de valeur des matières premières, dans tous les domaines d'application tels que l'exploration, l'exploitation minière, le traitement des minerais, la caractérisation environnementale et la réhabilitation des sites miniers. Dans le secteur minier, le principal avantage de la caractérisation automatisée des matériaux réside dans la détermination précise des paramètres minéralogiques mentionnés ci-dessus.
Quelques exemples de résultats obtenus par le système de minéralogie automatisée :
Quantification minéralogique :
Le système de minéralogie automatisée permet de quantifier les minéraux principaux et les oligo-éléments présents dans les échantillons, soit par microanalyse élémentaire (Zeiss MinExpert Mining), soit par comparaison des spectres EDS (QEMSCAN, MLA, TIMA). Pour le système de minéralogie automatisée Zeiss « MinExpert Mining » utilisé par le laboratoire MinExpert, 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 quantification minéralogique.
Calcul de la composition chimique globale d’un échantillon (analyse théorique)
Une fois que la quantification des minéraux a été déterminée par le système de minéralogie automatisée, la composition chimique globale de l’échantillon peut être calculée à l’aide de la stœchiométrie de chaque minéral préalablement déterminée par EDS. La concentration C(i,e) d’un élément (i) dans l’échantillon (e) est donnée par l’équation ci-dessous, 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 (répartition élémentaire)
La spéciation élémentaire ou répartition élémentaire consiste à déterminer la distribution d’un élément chimique d’intérêt (Cu, Pb, Zn, Ag, Sb, Sn, W, etc.) parmi les différents minéraux de l’échantillon.
Dans le graphique ci-dessous, obtenu à l’aide du logiciel « MinExpert Mining », nous pouvons voir l’exemple d’une mine où le cuivre est réparti entre la cuprite (25 %), la ténorite (20 %), le cuivre natif (32 %), la conichalcite (22 %) et la tennantite (1 %). Cette mine perd entre 20 et 25 % du Cu qu’elle ne peut pas récupérer par flottation, car celui-ci est associé à la conichalcite.
Libération minérale
La minéralogie automatisée permet de quantifier la libération des minéraux contenant des éléments chimiques d’intérêt (Cu, Pb, Zn, Ag, Sb, Sn, W, etc.) afin d’évaluer leur potentiel de récupération dans un circuit de traitement. La libération peut être exprimée en pourcentage de la surface exposée ou du 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 minérale
La minéralogie automatisée permet de quantifier les associations entre différents minéraux dans un échantillon. Le graphique ci-dessous montre 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, composée de plusieurs minéraux (généralement appelés « grains » en minéralogie automatisée), ou par grain (ou minéral), comme le montre la figure ci-dessous. La distribution granulométrique par grain ou par minéral correspond à ce que l’on appelle généralement la granulo-minéralogie.
Recherche de phases brillantes (Bright Phase Search)
Le système de minéralogie automatisée permet une recherche entièrement automatisée de métaux précieux tels que l’or, l’argent et les métaux du groupe du platine (MGP). Le système est programmé pour n’afficher que ces métaux très brillants au microscope électronique en mode d’électrons rétrodiffusés, comme le montre la figure ci-dessous. Au cours de l’analyse, le système s’arrête dès qu’il détecte une phase brillante, en prend une image et l’analyse selon un mode défini par l’utilisateur.
Microsonde électronique
La microsonde électronique est spécialement conçue pour la microanalyse des minéraux à l'aide de spectromètres à dispersion de longueur d'onde, qui permettent d'obtenir des analyses jusqu'à 50 fois plus précises que celles réalisées par MEB.
Utilisations typiques :
– Identification des minéraux par la détermination de leur stœchiométrie avec une grande précision – Permet la cartographie élémentaire avec une très haute résolution – la précision de la microanalyse est de l'ordre de 50 ppm en masse 1 ppm = 1 mg/kg = 1 gramme/tonne = 0,0001 % en masse
Le laboratoire MinExpert a la possibilité, grâce à une longue collaboration avec ses partenaires spécialisés dans la microanalyse par microsonde électronique, de proposer ce type d’analyse sur tout type d’échantillons miniers, en particulier les minerais d’or.
Le principe de fonctionnement de la microsonde électronique est identique à celui du microscope électronique et permet les mêmes types d’analyses utilisant les électrons secondaires, les électrons rétrodiffusés et les rayons X, autorisant ainsi une cartographie élémentaire et une microanalyse très précises. La microsonde électronique est essentiellement dédiée à l’analyse chimique élémentaire des minéraux avec une excellente précision, sa limite de détection pouvant atteindre quelques dizaines de ppm.
La précision de la microsonde est liée à deux facteurs : i) l’utilisation d’un détecteur à dispersion de longueur d’onde (WDS) et ii) l’utilisation d’étalons pour lesquels une acquisition est réalisée juste avant l’analyse de l’échantillon afin de calibrer l’appareil.
Le spectromètre WDS exploite la loi de Bragg (λ = 2d sin θ) qui permet de déterminer la longueur d’onde (λ) des rayons X émis par le minéral analysé, connaissant le coefficient d du monochromateur à cristal et son angle (θ).
La microsonde électronique, tout comme le microscope électronique, est utilisée pour l’exploration, l’exploitation minière, le traitement des minerais, la caractérisation environnementale et la réhabilitation des sites miniers.
Elle permet des analyses avec des limites de détection beaucoup plus basses pour la détermination des éléments traces (Cd, As, Ni, Sb, etc.) dans les minéraux. C’est un outil analytique particulièrement intéressant pour l’analyse de l’or réfractaire dans les sulfures lorsque sa teneur est de quelques dizaines à quelques centaines de ppm.
Le laboratoire MinExpert propose une caractérisation très détaillée de l’or. Il est en mesure d’évaluer les différents états de l’or : libre, lié, inclus et invisible, comme le montre la figure ci-dessous
Ablation laser couplée à la spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS)
L'ablation laser couplée à l'analyse ICP-MS, communément appelée LA-ICP-MS, permet une microanalyse plus précise que la microsonde électronique pour les métaux en traces. La précision de cette technique réside dans l'utilisation d'un spectromètre de masse. Applications typiques :
– Microanalyse de minéraux à la recherche d'éléments précieux (Au, Ag, PGM)
– Cartographie élémentaire à l'échelle des traces
– La précision de la microanalyse se situe dans une fourchette allant de quelques ppm à quelques ppb en masse
1 ppm = 1 mg/kg = 1 gramme/tonne = 0,0001 % en masse 1 ppb = 0,001 ppm = 0,001 mg/kg = 0,001 gramme/tonne = 0,0000001 % en masse Le laboratoire MinExpert a la possibilité, grâce à une longue collaboration avec ses partenaires spécialisés dans la microanalyse par ablation laser, de proposer ce type d’analyse sur tout type d’échantillons miniers, en particulier les minerais d’or.
Certains éléments chimiques à l’état de traces peuvent être présents en quantités inférieures à la limite de détection de la microsonde électronique, de l’ordre de quelques ppm (parties par million) ou ppb (parties par milliard). Pour les détecter, on peut utiliser des techniques de microanalyse à très faible limite de détection élémentaire, telles que la microsonde ionique ou l’ablation laser, toutes deux couplées à un spectromètre de masse. La microsonde ionique est une technique très coûteuse et peu répandue, contrairement à l’ablation laser.
L’ablation laser est de plus en plus utilisée et accessible dans les laboratoires d’analyse minéralogique. Elle est ainsi très sollicitée pour le dosage des éléments traces dans les minerais, tant pour la prospection minière et la recherche de métaux précieux que pour les procédés métallurgiques. Cette technique consiste à bombarder le minéral avec un faisceau laser focalisé de très haute énergie. Le minéral est alors pulvérisé au point d’impact du laser (quelques microns) et les microfragments du minéral (vapeur de particules) sont entraînés par l’argon dans une torche à plasma ICP et sont analysés par un spectromètre de masse (ICP-MS).
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