Fiche de révision : Caractéristiques des sols et géomatique

📋 Plan du Cours

1. Rôle et histoire des ressources minérales
2. Fondements de la métallogénie
3. Catégories de ressources minérales
4. Vocabulaire et code minier
5. Mines, carrières et substances exploitées
6. Concentration, teneur et gisement
7. Échelles et genèse des gîtes
8. Exploration, tonnage et rentabilité
9. Ressources et réserves minières
10. Morphologie des gîtes minéraux
11. Stratégie de l’exploration minière
12. Méthodes géophysiques et télédétection
13. Télédétection et traitement des images
14. Méthodes géochimiques et minéralogiques
15. Forages d’exploration minière
16. Ressources énergétiques et hydrocarbures
17. Sables bitumineux et clathrates
18. Cycle et eaux de surface

📖 1. Rôle et histoire des ressources minérales

★ À maîtriser

• La relation entre l’Homme et les ressources minérales a commencé il y a plus de 40 000 ans avec la taille du silex et de l’obsidienne au Paléolithique.

📌 Les ressources minérales sont des ressources non renouvelables caractérisées par une distribution géographique inégale et par leur rareté.

• La production minière annuelle de fer est passée de 750 000 tonnes en 1800 à plus de 500 millions de tonnes en 1980, puis à près d’un milliard de tonnes en 2007.

Compléments

• L’histoire des ressources minérales est divisée en trois périodes : de la Préhistoire au Moyen Âge, de la Renaissance à la Révolution industrielle, puis de la Révolution industrielle à aujourd’hui. - Sarcia, 1973

• Environ 155 000 tonnes d’or ont été extraites depuis l’origine de l’humanité, dont 64 % depuis 1950.

💡 Astuce mémo

Pierre → cuivre → bronze → fer

📖 2. Fondements de la métallogénie

🔑 Notions clés & Définitions

• Métallogénie : Louis de Launay, 1913 - Science qui cherche à expliquer les concentrations anormales d’un métal ou, plus largement, les concentrations minérales.
• Gitologie : Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), fin des années 1960 - Démarche naturaliste et descriptive fondée sur le contexte géologique des gisements minéraux.

📝 Points essentiels

• La Society of Economic Geologists a été fondée en 1920 par A. M. Bateman, W. H. Emmons, W. Lindgren et R. A. F. Penrose. - A. M. Bateman, W. H. Emmons, W. Lindgren, et R. A. F. Penrose

• La découverte des saumures métallifères de la mer Rouge en 1965 et des évents hydrothermaux sous-marins de la ride Est-Pacifique a confirmé l’hypothèse de dépôts hydrothermaux actuels.

💡 Astuce mémo

Tectonique et climat → formation et distribution des gisements

📖 3. Catégories de ressources minérales

🔑 Notions clés & Définitions

• Minéral : Solide naturel homogène possédant une composition chimique définie et une structure atomique ordonnée.
• Ressources minérales : Les ressources minérales regroupent cinq catégories : les minerais, les minéraux industriels, les matériaux de carrière, les ressources énergétiques et l’eau.

★ À maîtriser

• 🔄 La minéralurgie transforme le minerai selon les étapes suivantes : concassage et broyage, séparation physique ou chimique par flottation ou cyanuration, obtention du métal par une opération chimique, souvent une fusion

📌 Les minerais sont détruits pour libérer un élément, tandis que les minéraux industriels sont utilisés pour leurs propriétés et conservent leur structure naturelle, éventuellement aménagée.

Compléments

• Le ciment est obtenu par calcination vers 1450 °C d’un mélange contenant 75 % de calcaire, 20 % d’argiles et 5 % de gypse.

💡 Astuce mémo

Minerai détruit pour extraire un élément, minéral industriel conservé pour ses propriétés

📖 4. Vocabulaire et code minier

★ À maîtriser

📌 Dans la plupart des pays, une mine exploite principalement des substances concessibles, tandis qu’une carrière exploite des matériaux non concessibles.

• Les substances concessibles comprennent principalement :
  • les combustibles fossiles
  • l’uranium
  • les minerais métalliques
  • le sel
  • la potasse
  • la fluorine
  • le graphite
  • le diamant
  • les phosphates

Compléments

📌 L’étude d’un gîte minéral ou d’un gisement possède une dimension scientifique portant sur ses caractéristiques et sa genèse, ainsi qu’une dimension économique évaluant son potentiel et son exploitation.

💡 Astuce mémo

Mine = substance concessible, carrière = matériau non concessible

📖 5. Mines, carrières et substances exploitées

★ À maîtriser

📌 Une mine exploite des substances concessibles, principalement les combustibles fossiles, l’uranium, les minerais métalliques et certains minéraux industriels, tandis qu’une carrière exploite des matériaux non concessibles.

Compléments

📌 Le gisement appartient à l’État, qui en concède l’exploitation à des sociétés minières moyennant une redevance versée au propriétaire du sol, tandis que les carrières appartiennent au propriétaire du sol et relèvent d’un simple droit d’exploitation.

💡 Astuce mémo

Mine = substance concessible ; carrière = matériau non concessible

📖 6. Concentration, teneur et gisement

🔑 Notions clés & Définitions

• Concentration minérale : Site où un ou plusieurs éléments ont été concentrés sous une forme minéralogique donnée, comme un sulfure, un oxyde ou un silicate.
• Teneur : Proportion d’un métal ou d’un minéral industriel contenue dans un minerai ou un gisement, mesurée par analyse chimique sur un échantillon représentatif.

★ À maîtriser

📌 Un indice signale la présence d’une minéralisation sans garantir sa valeur économique, un gîte est une concentration naturelle significative sans connotation économique, et un gisement est un gîte exploitable dans des conditions économiquement rentables.

• Du seul point de vue de la teneur, une concentration peut être considérée comme un gisement d’or au-delà de 1 g/t d’or, de plomb au-delà de 10 % de plomb et de fer au-delà de 50 % de fer.

📌 Un gisement syngénétique est contemporain de son encaissant, tandis qu’un gisement épigénétique est postérieur à la formation de l’encaissant.

Compléments

• Une teneur élevée s’exprime généralement en pourcentage, tandis qu’une teneur faible s’exprime en ppm, équivalents aux grammes par tonne de minerai.

📌 Le tout-venant comprend le minerai et les roches encaissantes abattus ensemble, tandis que le stérile regroupe les matériaux non commercialisables rejetés au traitement, notamment la roche encaissante, la gangue et le minerai pauvre.

💡 Astuce mémo

Indice → gîte → gisement

📖 7. Échelles et genèse des gîtes

★ À maîtriser

• Une époque métallogénique est une période géologique particulièrement favorable à la formation de gisements, souvent associée à un intense magmatisme ou hydrothermalisme, et sa durée est généralement de l’ordre du million d’années.

• Un champ minéralisé regroupe plusieurs gisements sur une étendue de 1 à 10 km, un district minéralisé regroupe plusieurs champs sur 10 à 100 km, et une province correspond à une zone de plus de 100 km.

• 🔄 La formation d’un gîte minéral suit trois étapes :

  1. Collecte des éléments et des fluides dans la source
  2. Transport des éléments dans un fluide
  3. Dépôt dans un volume restreint

• Les systèmes de transport clos limitent la mobilité des éléments par diffusion, les systèmes semi-ouverts assurent un transport épisodique, et les systèmes ouverts canalisent les fluides dans les zones de forte perméabilité.

• L’advection correspond à une circulation des fluides dans un seul sens, tandis que la convection correspond à la circulation répétée des mêmes fluides sous l’effet de différences de densité et de température.

• La précipitation hydrothermale peut être déclenchée par une variation de température, de pression, une interaction fluide-roche ou un mélange de fluides, qui déstabilise les complexes métalliques.

• Les gisements endogènes résultent de processus internes comme le métamorphisme, le magmatisme et l’hydrothermalisme, tandis que les gisements exogènes se forment en surface ou subsurface par érosion, sédimentation ou ferruginisation.

Compléments

📌 Les gîtes exogènes comprennent les gîtes détritiques, les gîtes chimiques et biochimiques, ainsi que les gîtes résiduels et d’altération.

💡 Astuce mémo

Source → transport → dépôt

📖 8. Exploration, tonnage et rentabilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Teneur de coupure : Teneur au-dessus de laquelle le matériau extrait est considéré comme minerai et envoyé au traitement, et en dessous de laquelle il est considéré comme stérile.
• Teneur marchande : Teneur du minerai vendu, exprimée en pourcentage de métal par tonne pour les minerais métalliques ou en pourcentage de substance pour les minéraux industriels.

★ À maîtriser

📌 La rentabilité d’un gisement dépend de facteurs intrinsèques liés à ses caractéristiques géologiques et de facteurs extrinsèques liés au marché, à la politique et aux conditions sociales.

📌 Lorsque la teneur de coupure augmente, le tonnage exploité diminue, tandis que la teneur moyenne des blocs retenus augmente.

📐 Formule - À la teneur de coupure optimale, la teneur de coupure est égale à la teneur limite : $t_c^* = t_l$.

Compléments

• La teneur limite est le seuil à partir duquel la vente du concentré permet de couvrir les frais opératoires et les frais généraux de l’exploitant.

• L’évaluation d’un gisement consiste à échantillonner le gîte par tranchées, sondages et galeries, à le diviser en blocs supports, puis à estimer la teneur de chaque bloc par des méthodes géostatistiques.

💡 Astuce mémo

Teneur de coupure plus élevée → tonnage exploité plus faible

📖 9. Ressources et réserves minières

🔑 Notions clés & Définitions

• Ressource minérale : Selon la classification de la CIM (2000), une concentration de matériel naturel solide, inorganique ou fossilisé dans la croûte, dont la forme, la quantité et la teneur ou la qualité pourraient permettre l’extraction économique.
• Réserves minérales : La partie économiquement exploitable des ressources mesurées et indiquées, démontrée au moins par une étude de faisabilité préliminaire intégrant les paramètres techniques et économiques.

★ À maîtriser

• Les ressources minérales sont classées en :
  • ressources mesurées
  • ressources indiquées
  • ressources inférées

Compléments

• 🔄 La chaîne d’enrichissement comprend notamment :
  1. le broyage
  2. le tamisage
  3. la flottation
  4. la pelletisation

💡 Astuce mémo

Ressource = potentiel géologique ; réserve = part économiquement exploitable

📖 10. Morphologie des gîtes minéraux

🔑 Notions clés & Définitions

• Filon : Une fissure ou une faille, généralement verticale ou fortement inclinée, colmatée par une roche magmatique ou des minéraux hydrothermaux.
• Gîte stratiforme : Contrôlé par la stratigraphie et suivant plus ou moins régulièrement certains horizons porteurs sédimentaires ou volcaniques.
• Stockwerk : Un réseau relativement dense de petits filons, d’une puissance allant de quelques millimètres à quelques décimètres, qui donne l’impression d’un minerai disséminé.
• Cheminée : Un volume cylindrique vertical ou sub-vertical, de diamètre allant de quelques centimètres à plusieurs centaines de mètres, parfois rempli de brèches minéralisées.

📝 Points essentiels

• Les cinq grands types morphologiques sont :
  • les filons
  • les gîtes stratiformes
  • les amas
  • les disséminations et stockwerks
  • les cheminées

📖 11. Stratégie de l’exploration minière

★ À maîtriser

• L’exploration minière peut représenter 2 à 5 % de la valeur totale du gisement à découvrir, et environ un projet d’exploration sur 100 conduit à une étude de préfaisabilité.

📌 L’approche analogique recherche des gisements ressemblant à des gisements connus, tandis que l’approche par processus recherche les environnements correspondant aux mécanismes de concentration d’une substance. - Hodgson, 1990, 1990

• 🔄 Les phases de l’évaluation géologique sont :
  1. la reconnaissance
  2. la prospection
  3. l’exploration générale
  4. l’exploration détaillée

Compléments

• 🔄 La prospection au marteau consiste à : rechercher les travaux anciens et les affleurements minéralisés, repérer les altérations et les blocs erratiques, récupérer des échantillons de roches, éliminer les zones sans potentiel économique

💡 Astuce mémo

Données combinées → cibles hiérarchisées → forages et décision minière

📖 12. Méthodes géophysiques et télédétection

🔑 Notions clés & Définitions

• Résistivité électrique : L’aptitude d’une roche ou d’un minerai à s’opposer au passage d’un courant électrique, et elle est l’inverse de la conductivité.
• Télédétection : L’ensemble des techniques qui acquièrent des images pour obtenir des informations sur la surface terrestre sans contact direct avec celle-ci.

★ À maîtriser

• Les principales propriétés exploitées sont :
  • la conductivité ou résistivité électrique
  • la densité
  • la susceptibilité magnétique
  • l’élasticité mécanique
  • la radioactivité

Compléments

📌 La sismique réflexion étudie les ondes réfléchies par une interface et renseigne surtout sur la frange superficielle, tandis que la sismique réfraction exploite les changements de trajectoire et de vitesse pour informer sur la structure profonde.

• L’intensité du champ magnétique terrestre est maximale aux pôles, à 70 000 nT, et minimale à l’équateur, à 20 000 nT.

• 🔄 Le traitement numérique comprend : les corrections géométriques et radiométriques, le rehaussement de l’image, les transformations de l’image, les classifications et analyses

📖 13. Télédétection et traitement des images

★ À maîtriser

• Depuis 1972, la télédétection s’effectue surtout depuis des satellites équipés notamment de radiomètres et de radars.

📌 Le rayonnement infrarouge se divise en infrarouge réfléchi et infrarouge émis ou thermique.

Compléments

• En 2008, plus de 50 satellites d’observation de la Terre étaient en orbite et la résolution des images civiles était de l’ordre du mètre.

💡 Astuce mémo

Corriger → rehausser → transformer → classer

📖 14. Méthodes géochimiques et minéralogiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Anomalie géochimique : Teneur anormalement élevée ou basse par rapport au fond géochimique moyen de l’environnement régional.

★ À maîtriser

• La dispersion géochimique peut être primaire lors de la mise en place de la minéralisation ou secondaire lors de son érosion en surface.

• Le transport mécanique ou clastique déplace les particules, tandis que le transport chimique ou hydromorphique déplace les éléments dissous.

• La prospection alluvionnaire à la batée récupère dans les sédiments de ruisseaux les grains grossiers supérieurs à 50 μm de minéraux lourds de densité supérieure à 2,9.

Compléments

• La recherche d’anomalies en arsenic peut aider à découvrir l’or, la recherche d’anomalies en cuivre peut aider à découvrir le nickel et la présence de thallium peut discriminer les gisements d’or disséminé.

• Les sédiments de ruisseaux sont généralement étudiés avec une granulométrie inférieure à 200 μm, voire à 64 μm, car elle est sensible au transport hydromorphique.

• En minéralogie d’exploration, les minéraux lourds sont généralement étudiés pour des grains d’au moins 100 μm, puis identifiés à la loupe binoculaire et parfois analysés au microscope électronique ou à la microsonde.

💡 Astuce mémo

Érosion et altération → dispersion → anomalie géochimique

📖 15. Forages d’exploration minière

🔑 Notions clés & Définitions

• Forage d’exploration : Fournit la vérité-terrain, vérifie les hypothèses des explorateurs et donne des données sur la taille des objets et la nature des anomalies et minéralisations.

★ À maîtriser

📌 Les forages destructifs sont généralement plus rapides et moins chers que les forages carottés, mais ils fournissent des échantillons moins représentatifs et dépassent rarement 100 à 150 m de profondeur.

• Les forages carottés fournissent des carottes permettant un échantillonnage rigoureux, la constitution de carothèques et l’interprétation géologique détaillée du gisement.

Compléments

• Les principales méthodes de forage destructif sont :
  • La tarière
  • Le marteau fond de trou
  • La roto-percussion

📌 Après les premières phases d’exploration, une grille régulière de forages est développée et sa maille est adaptée à la variabilité du gisement par une approche géostatistique.

💡 Astuce mémo

Destructif : rapide et économique ; carotté : précis et archivable

📖 16. Ressources énergétiques et hydrocarbures

🔑 Notions clés & Définitions

• Charbon : Roche sédimentaire combustible fossile d’origine organique, issue du démantèlement et de l’accumulation de végétaux terrestres.

★ À maîtriser

📌 Une ressource énergétique renouvelable n’est pas détruite lors de son utilisation ou se renouvelle naturellement au moins aussi vite qu’elle est utilisée, tandis qu’une ressource non renouvelable est détruite ou se renouvelle plus lentement.

• En 2020, les réserves mondiales prouvées d’énergie fossile étaient estimées à 40 517 exajoules, dont 55 % de charbon, 25 % de pétrole et 19 % de gaz naturel. - Agence fédérale allemande pour les sciences de la Terre et les matières

• 🔄 La carbonification transforme les débris végétaux selon la séquence :

  1. Lignite
  2. Houille
  3. Anthracite

• La formation optimale du pétrole se produit entre 95 et 120 °C, dans la fenêtre à huile correspondant à une profondeur d’environ 2300 à 3500 m pour un gradient géothermique moyen.

• 🔄 La formation d’un gisement d’hydrocarbures comprend :

  1. Génération dans la roche-mère
  2. Migration primaire vers la roche-réservoir
  3. Migration secondaire dans la roche-réservoir
  4. Accumulation sous la roche-couverture

Compléments

• Le gaz naturel est un mélange gazeux dominé par le méthane CH4 et accompagné notamment d’éthane, de propane, de pentane, d’azote, de dioxyde de carbone et de sulfure d’hydrogène H2S.

💡 Astuce mémo

Renouvelable : se reconstitue au rythme d’utilisation ; non renouvelable : se détruit ou se reconstitue plus lentement

📖 17. Sables bitumineux et clathrates

🔑 Notions clés & Définitions

• Sables bitumineux : Roches sédimentaires à faiblement métamorphiques imprégnées de bitume, un pétrole dense et visqueux solidifié, qui jouent à la fois le rôle de roches-mères et de roches-réservoirs.
• Clathrates : Solides composés d’eau et de gaz naturel, surtout du méthane, formés à faible température et forte pression lorsque des molécules d’eau constituent des cages cristallines qui piègent le gaz.

📝 Points essentiels

• Les trois principaux champs de sables bitumineux de l’Alberta couvrent près de 60 000 km² et leurs réserves sont estimées à 332 Gbbl, soit 52,8 × 10^9 m³.

• Un mètre cube de clathrate peut contenir 170 m³ de méthane gazeux, et les réserves internationales de méthane des hydrates de gaz sont estimées à 104 Gt de carbone. - Max et al., 2006

💡 Astuce mémo

Bitume immobile dans la roche, méthane piégé dans la glace

📖 18. Cycle et eaux de surface

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle de l’eau : Circulation permanente de l’eau entre ses états liquide, solide et gazeux à la surface de la Terre et dans l’atmosphère.

• Bassin versant : Surface drainée par un ensemble d’affluents ou de tributaires d’une même rivière, limitée par des lignes de partage des eaux.
• Aquifère : Structure géologique perméable contenant de l’eau, caractérisée notamment par sa géométrie, sa profondeur, sa lithologie, sa porosité et sa perméabilité.
• Nappe phréatique : Nappe souterraine de faible profondeur, traditionnellement utilisée par les puits et les sources, mais particulièrement exposée aux pollutions de surface.
• Barrage : Ouvrage construit au travers d’une rivière ou d’une vallée pour accumuler, maîtriser ou stocker l’eau.
• Barrage-poids : Ouvrage massif en maçonnerie ou en béton dont la stabilité sous la poussée de l’eau est assurée par son propre poids.

📝 Points essentiels

• L’eau terrestre se répartit entre 97,5 % d’eau de mer et 2,5 % d’eau continentale, dont seulement 30 % de l’eau douce est utilisable.

• 🔄 Le cycle de l’eau comprend les étapes suivantes :

  1. Évaporation
  2. Condensation
  3. Précipitations
  4. Écoulement

📌 La porosité mesure le volume des vides d’une roche, tandis que la perméabilité mesure sa capacité à laisser circuler un fluide sous l’effet d’un gradient hydraulique.

📐 Formule - Le débit d’eau dans un milieu poreux vérifie $Q = KAi$, avec $i = \frac{\Delta H}{L}$, où Q est le débit, K la perméabilité, A la section et i le gradient hydraulique.

📌 Les nappes libres peuvent varier sans couche imperméable sus-jacente, tandis que les nappes captives sont confinées sous un toit imperméable et peuvent devenir artésiennes lorsque leur surface piézométrique dépasse le niveau du sol.

• Les retenues d’eau peuvent servir à produire de l’hydroélectricité, irriguer les cultures, réguler les crues, alimenter les usages potables et industriels, lutter contre les incendies, soutenir les étiages et maintenir la navigation.

📌 La connaissance du contexte géologique et géotechnique est capitale pour choisir le meilleur site et le type de barrage adapté aux caractéristiques du terrain.

• Les retenues d’eau servent notamment à : la production hydroélectrique, l’irrigation, l’écrêtement des crues, l’alimentation en eaux potables et industrielles, la lutte contre les incendies, le soutien des étiages, le maintien de la navigation

• L’étude géologique et géotechnique d’un barrage sert à choisir le site, le type d’ouvrage, les matériaux de construction, la stabilité des versants et l’aléa sismique, tout en évaluant la nature et la structure de la fondation.

📌 Un barrage-voûte reporte la poussée de l’eau sur les massifs latéraux et exige un rocher de fondation présentant de très bonnes caractéristiques mécaniques.

💡 Astuce mémo

Évaporation → condensation → précipitations → écoulement

📊 Tableaux de synthèse

Minerais et minéraux industriels

Indice, gîte et gisement