The petrogenesis of magmatic Fe-Ti oxide ores associated with massif-type andesine anorthosites is investigated through detailed studies of the world-class Tellnes ilmenite deposit (SW Norway), the Grader layered intrusion (Quebec, Canada) and Fe-Ti ores from the Suwalki anorthosite (NE Poland). Extensive sampling in the field and in drill-cores reveals significant petrographical and compositional variations within a single ore body and between deposits from different anorthosite complexes. The composition of phases from bulk XRF analyses on mineral separates and from in situ LA-ICP-MS, Sr isotopic composition of plagioclase, bulk rocks major and trace element contents and the spatial variation of these data are used to understand controlling factors on ore composition. Phase diagrams and experimental data on ferrobasalts as well as comparisons with the well-documented Bjerkreim-Sokndal layered intrusion (SW Norway) are systematically used to further refine our understanding on the genesis of Fe-Ti ores. More than 100 samples from drill-cores in the Tellnes ilmenite deposit, part of the late-Proterozoic (930-920 Ma) Rogaland Anorthosite Province (SW Norway), reveal significant petrographical and compositional variations within the ore body. Four zones are defined, based on variations in modal proportions and cumulus mineral assemblages: the Lower and Upper Central Zones and the Lower and Upper Marginal Zones. Plagioclase and whole-rock compositions discriminate the zones and display patterns interpreted as a result of mixing of either plagioclase-ilmenite or plagioclase-ilmenite-orthopyroxene-olivine cumulates with a melt of ferrodioritic (jotunitic) composition. Its content decreases from 80 to 20 % from the margins to the central part of the ore body. Phase diagrams for a jotunitic parental magma reproduce the crystallization sequence at 5 kbar. Uniform Sr isotope ratios do not support magma mixing. The cryptic layering of the ore body precludes injection as a crystal mush but favours in situ crystallization from an evolving magma in a sill-like magma chamber. The present trough-shape and mineral orientations result from deformation during gravity-induced subsidence and by up-doming of the anorthosite. Major and trace element XRF and in situ LA-ICP-MS analyses of ilmenite in the Tellnes ilmenite deposit further constrain the two-stage fractional crystallization model of a ferrodioritic Fe-Ti-P rich melt. Stage 1 is characterized by ilmenite-plagioclase cumulates, and stage 2 by ilmenite-plagioclase-orthopyroxene-olivine cumulates. The concentration of V and Cr in ilmenite, corrected for the trapped liquid effect, (1) defines the cotectic proportion of ilmenite to be 17.5 wt.% during stage 1, and (2) implies an increase of during stage 2, most likely related to a shift in fO2. The proportion of 17.5 wt.% is lower than the modal proportion of ilmenite (ca. 50 wt.%) in the ore body, implying accumulation of ilmenite and flotation of plagioclase. The fraction of residual liquid left after crystallization of Tellnes cumulates is estimated at 0.6 and the flotation of plagioclase at 26 wt.% of the initial melt mass. The MgO content of ilmenite (1.4-4.4 wt.%) is much lower than the expected cumulus composition. It shows extensive postcumulus re-equilibration with trapped liquid and ferromagnesian silicates, correlated with distance to the host anorthosite. The Zr content of ilmenite, provided by in situ analyses, is low and uncorrelated with stratigraphy or Cr content. The data demonstrate that zircon coronas observed around ilmenite formed by subsolidus exsolution of ZrO2 from ilmenite. The U-Pb zircon age of 920 ± 3 Ma probably records this exsolution process. The Grader layered intrusion belongs to the Havre-Saint-Pierre anorthosite in the Grenville Province (Quebec, Canada). This intrusion has a basin-like morphology and contains significant resources of Fe-Ti-P in ilmenite and apatite. Outcropping lithologies are massive oxide alternating with anorthosite layers, banded ilmenite-apatite-plagioclase rocks and layered oxide apatite (gabbro-) norites. Several drill cores provide evidence for stratigraphic variations of mineral and bulk cumulate compositions controlled by fractional crystallization and importantly the successive appearance of liquidus phases: plagioclase and ilmenite followed by apatite, then orthopyroxene together with magnetite, and finally clinopyroxene. This atypical sequence of crystallization results in the formation of plagioclase-ilmenite-apatite cumulates or nelsonites in plagioclase-free layers. Fine-grained ferrodiorites which cross-cut the coarse cumulates are shown to be in equilibrium with the noritic rocks. The high TiO2 and P2O5 contents of these liquids explain the early saturation of ilmenite and apatite before Fe-Mg silicates, which implies that nelsonites actually represent cumulates rather than Fe-Ti-P-rich immiscible melts. The location of the most evolved mineral and bulk cumulates compositions at several tens of meters below the top of the intrusion, forming a sandwich horizon, suggests crystallization both from the base and top of the intrusion. The concentrations of V and Cr in ilmenite display a single fractionation path for the different cumulus assemblages and define the cotectic proportion of ilmenite to 21 wt.%. This corresponds to bulk cotectic cumulates with ca. 8 wt.% TiO2, which is significantly lower than what is commonly observed in the explored portion of the Grader intrusion. The proposed mechanism of ilmenite-enrichment is lateral removal of plagioclase due to its buoyancy in the dense ferrodiorite. This plagioclase has probably accumulated in other portions of the intrusion or has not been distinguished from the host anorthosite. Fe-Ti deposits in the Proterozoic Suwalki massif-type anorthosite (NE Poland), recognized through geophysical exploration, have been sampled in deep cores reaching 2800 m depth. Bulk cumulate analyses and liquidus phases composition of 70 Fe-Ti ores support their cumulate origin. The sequence of crystallization is: plagioclase, orthopyroxene, Ti-magnetite and ilmenite (64:36 on average), apatite and clinopyroxene. Fe-Ti-rich cumulates are commonly layered and display continuous relation with the host anorthosite. They do not represent well-defined intrusions such as the major Fe-Ti Tellnes and Lac Tio deposits. Fe-Ti oxides microtextures show conspicuous subsolidus re-equilibration, particularly external granule exsolution of pleonaste from Ti-magnetite. The composition of associated fine-grained ferrodiorites reveals relatively low Ti content and similar Mg# compared to jotunitic rocks associated with hemo-ilmenite ores in the Rogaland Anorthosite Province. Geochemical characteristics of these plausible parental magmas can account for the high Ti-magnetite/ilmenite ratio in cumulates. The diapiric emplacement of anorthositic plutons clearly influences the crystallization of Fe-Ti ores and is responsible for crystal sorting controlled by the density contrast of liquidus phases. Polybaric crystallization is evidenced by the high and variable Al2O3 content of orthopyroxene and by the occurrence of olivine corona around orthopyroxene interpreted from phases diagram to result from adiabatic decompression. The comparatively low V content in Ti-magnetite results from highly oxidized crystallization conditions. It thus emerges that principal controlling factors on the formation of Fe-Ti ore and on their characteristics are parental magma composition, sequence of crystallization, crystal sorting, crystallization of trapped liquid, oxygen fugacity and postcumulus re-equilibration. Indeed, fine-grained rocks of Fe-Ti-P-rich ferrodioritic (jotunitic) composition, interpreted as parental melt composition, are responsible for atypical sequence of crystallization with ilmenite as an early liquidus mineral and apatite saturation for high fraction of residual liquid. The trace element content of ilmenite, particularly V and Cr, has been used to calculate cotectic proportion of ilmenite during fractional crystallization of ferrodiorites. These proportions are usually lower than those observed in Fe-Ti ores, which implies ilmenite sorting. This occurs by plagioclase flotation due to its buoyancy in the dense ferrodiorite. This plagioclase may have accumulated in other portions of the intrusion or has not been distinguished from the host anorthosite. Extensive postcumulus re-equilibration with trapped liquid and ferromagnesian silicates strongly modifies the primary liquidus composition of Fe-Ti oxides. The data also demonstrate that zircon coronas commonly observed around ilmenite in Fe-Ti ores formed by subsolidus exsolution of ZrO2 from ilmenite. The basin-like morphology of most Fe-Ti ores hosting intrusions results from the deformation during gravity-induced subsidence and by up-doming of the anorthosite. As immiscibility of a Fe-Ti-P-rich melt and magma mixing have not been evidenced in the studied Fe-Ti ores, early ilmenite saturation accompanied by ilmenite sorting due to plagioclase buoyancy are thus the only mechanisms responsible for the formation of Fe-Ti deposits in Proterozoic massif-type anorthosites.

Les roches du secteur du lac Minowean appartiennent aux Groupes de Seward et de Pistolet, entités correspondant aux séquences fluviatiles et de plate-forme du premier des deux grands cycles volcanosédimentaires de la Fosse du Labrador (2,17-2,14 Ga). L'empilement est constitué, de la base au sommet, d'arkoses et de conglomérats rouges, surmontés par des siltites grises et de rares dolomies, puis de puissants grès quartzeux, de grès dolomitiques et de dolomies, unités porteuses des minéralisations. Les rives du lac Minowean et spécialement les hauts topographiques situés à l'est sont hôtes de roches basaltiques et/ou gabbroïques et de sédiments argileux noirs, constituant des unités à corrélation stratigraphique incertaine. La relation entre les roches de plate-forme continentale, des séquences volcanogéniques de milieu marin plus profond et des brèches associées démontre l'existence probable d'une nappe de charriage dans la région. En effet, les résultats des travaux récents définissent une klippe de volcanites et de siltites riches en matière carbonée occupant le cœur du lac Minowean, avec un prolongement possible jusqu'aux roches mafiques et aux parcelles de socle connues à plus de 30 km au nord. Le cycle orogénique polyphasé trans-hudsonnien survenu à environ 1,87 Ga, a d'abord généré la mise en place d'une nappe de charriage (D1) chevauchant les roches mafiques et les sédiments pélitiques sur les unités de plate-forme continentale selon un transport du NE vers le SW. Cette déformation s'exprime par une très forte schistosité S1, à faible pendage, limitée à ces roches. Cet épisode a également occasionné un phénomène de bréchification sous la semelle (mélange tectonique) et la mise en place de méga-brèches hydrauliques par l'injection de dolomie. La tectonique de nappe a de plus généré le développement de structures cassantes à ductile-cassantes de second ordre au sein des roches de plate-forme, ayant possiblement contribué à un premier stade minéralisateur en U-Cu. Une déformation (D2) a plissé la nappe de charriage créant des plis P2 avec un léger déversement vers l'ouest des séquences du côté est du lac Minowean, plus précisément à l'endroit des minéralisations en U-Cu. Il est possible que ce déversement ait été initialisé par l'imbrication d'une importante masse gabbroïque située à l'est des indices (tardi-D2). L'accommodement de la déformation s'exprime ici par le développement d'une schistosité S2 orientée NW-SE à NNW-SSE dans les séries gréseuses et dolomitiques. Cet épisode de déformation s'accompagne d'une seconde mobilisation hydrothermale et d'une bréchification associée. L'uranium s'associe à ces failles et une remobilisation probable de celui préalablement piégé dans les brèches syn-D1 sur les sites indiciels. Une déformation D3 cassante tardive conjuguée, N040° et Nl00°, affecte la région et renferme à l'occasion des minéralisations de moindre envergure. Les minéralisations uranifères semblent donc étroitement associées aux processus de mise en place d'une nappe constituée essentiellement de roches volcaniques apparentées à celles situées à l'est de l'ancienne limite des nappes allochtones mafiques, soit la faille de chevauchement d'Argencourt. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : uranium, grès, matière carbonée, cuivre, nappe de charriage, mélange tectonique, allochtone, bréchification, Fosse du Labrador, orogène trans-hudsonien, Paléoprotérozoïque.

Ce travail a pour but d'enquêter sur les modalités d'exploitation des ressources minérales pendant la Préhistoire récente, dans le bassin de la Méditerranée occidentale. L'étude débute par l'observation des instruments lithiques - outils macrolithiques - produits par les groupes humains préhistoriques, qui les ont utilisés dans les phases d'extraction. Ces outils sont analysés par la méthode morphologique et techno-fonctionnelle, par observation microscopiques, à grossissement faible et élevé. Toutes les étapes de cette activité sont abordées, permettant de traiter de la complexité qui tourne autour de l'extraction des minéraux. Les étapes de la chaîne opératoire sont analysées, depuis l'identification des sources d'approvisionnement - des hydroxydes de fer et de cuivre - à la production d'outils ; la recherche de matières premières lithiques, les techniques d'extraction, jusqu'aux premiers stades de transformation des minéraux. Le problème de l'exploitation du cuivre et des oxydes et hydroxydes de fer durant la Préhistoire, est un problème actuellement très discuté parce que cette activité a eu un effet important sur l'organisation des groupes préhistoriques. Une question posée est importante : comment les collectivités ont répondu à la question croissante de matières premières minérales ? Pouvaient-elles être utilisées par un seul groupe ? Obligeaient-elles à une série d'échanges et de relations sociales complexes ? Étaient-elles exploitées à des fins économiques ou liées au prestige social ? Nous ne négligeons pas pour autant certaines hypothèses en ce qui concerne les mines de cuivre et la première métallurgie qui se développe à la fin du Néolithique. / The purpose of this project is to investigate the modalities of exploitation of mineral resources during the recent Prehistory in the Western Mediterranean area. The study starts to the observation of lithic instruments - macrolithic tools - produced by prehistoric human groups, and used in the extraction and processing phases. Studied through the morphological and techno-functional method, with low and high power microscope approach. I investigated all the stages of this activity and the complexity around mineral extraction. The steps of the "chaîne opératoire", from the identification of the sources of supply - of iron ore and copper - to the production of tools ; the search for lithic raw materials, extraction techniques, up to the early stages of mineral processing. The problem of the exploitation of copper and iron ore in prehistory is a theme currently discussed, because this activity has had a major effect on the organization of the production of prehistoric groups. I ask how communities have responded to the growing request of mineral raw materials, which could be used by a single group, or produce a series of complex social relationships for economic or social prestige purposes. I don’t neglect certain hypotheses regard to the copper mines and the first metallurgy that develops into the late Neolithic.

Les exploitations minières sont confrontées à des marchés concurrentiels difficiles, avec des prix des matières premières plutôt en décroissance sur le long terme et pour certains particulièrement instables. Ceci conduit les opérateurs à rechercher de nouvelles approches de l'exploitation, avec deux objectifs : d'abord tirer un meilleur profit de leur gisement; ensuite disposer d'une capacité de réaction, d'adaptation à des conditions changeantes.<br/>Ces deux objectifs conduisent à s'intéresser à la teneur de coupure. Ce paramètre essentiel définit la limite entre minerai et stérile. Il est utilisé au stade de l'étude du projet minier et sert alors à la définition des contours du gisement industriel.<br/>L'ide développée dans ce document repose sur le fait que lorsque ce paramètre est appliqué à un volume de petite dimension, il peut être ajusté à court terme et permet une sélection plus efficace (en ce sens qu'à un niveau équivalent de récupération de métal, il permet d'écarter un tonnage plus important de matière). Cette idée conduit à proposer un modèle, dérivé des modèles par étapes limitantes, de détermination de la teneur de coupure optimale pour ce type d'exploitation, qualifiées ici de sélectives. Les difficultés de la mise en œuvre, qu'il s'agisse de difficultés liées à l'estimation géologique ou à la planification à court terme de l'exploitation, sont également abordées.

Afin de mieux comprendre les processus d’endommagement des roches sollicitées mécaniquement, nous avons mené une étude « micro-macro » de l’endommagement au sens où nous avons réalisé des mesures microscopiques et macroscopiques de son évolution durant un essai mécanique. Cette étude a ainsi comporté : - des mesures de modules élastiques avant la rupture macroscopique ; - des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques et d’atténuation ; - des mesures d’activité acoustique (événements d’EA). De cette étude expérimentale, se dégagent les résultats suivants : - Il existe une remarquable cohérence entre les trois types de mesures effectuées. - L’endommagement de roches aux comportements macroscopiques différents découle de micromécanismes eux aussi différents. Pour des roches dilatantes, on observe des micromécanismes en extension (Mode I). L’endommagement de roches non-dilatantes résulte de micromécanismes en cisaillement. - Une corrélation entre le contenu fréquentiel des événements d’EA et le type de micromécanismes est observée. Les micromécanismes en extension (Mode I) ont le contenu fréquentiel le plus élevé. Les micromécanismes en compression (fermeture de microfissures, de vides inter-granulaires) ont un contenu fréquentiel basse fréquence. Les micromécanismes de cisaillement ont un contenu fréquentiel intermédiaire aux deux précédents. / Our aim is here a better understanding of damage process of stressed rocks. We have therefore conducted a “micro-macro” study of the rock damage in the sense that we have realized microscopic and macroscopic measurements of its evolution during mechanical tests. This study has consisted of : - measurements of elastic modulus before the macroscopic rupture ; - measurements of the velocity of elastic waves and attenuation ; - measurements of acoustic activity (AE events). This study led to the following results : - Results from the three types of measurements are consistent. - Damage of rocks which have different macroscopic behaviours follows from micro-mechanisms which are also different. For dilative rocks, we observe tensile micro-mechanisms (Mode I). For not dilative rocks, damage results from shear microscopic process. - A correlation between micro-mechanisms type (compressive, tensile, shear) and the frequency of AE events is observed. Compressive microscopic process such as microcrack closure ar low frequency. Tensile AE sources are high frequency. Shear micromechanisms are characterized by intermédiate frequency

L’épuisement des gisements de phosphate riches en P2O5 et à gangue silicatée, faciles à traiter par broyage/classification et/ou par flottation conduit de plus en plus à exploiter des gisements de phosphates à gangue carbonatée, qui sont les plus abondants, mais les plus difficiles à valoriser par flottation. En effet, les similitudes entre leurs propriétés physico-chimiques superficielles entraînent des réponses similaires face aux collecteurs pendant la flottation, rendant ainsi leur séparation difficile. La flottation inverse en milieu acide est la méthode qui semble donner le meilleur contraste de séparation entre les carbonates de la gangue (e.g. calcite, dolomite) et l’apatite. Mais les mécanismes proposés régissant cette séparation sont hypothétiques, en raison des connaissances non approfondies sur les phénomènes déterminants qui les gouvernent. L’objectif de cette thèse est d’étudier la réactivité de la calcite et de l’apatite dans des solutions aqueuses d’acide phosphorique selon la concentration et le temps de réaction. Pour cela, diverses techniques analytiques (spectroscopies Raman, infrarouge et photoélectronique-X, diffraction des rayons-X et microscopie électronique à balayage) ont été utilisées pour déterminer la nature des espèces adsorbées ou formées à la surface de la calcite et de l’apatite. Grâce à la spectroscopie Raman, il a été possible de mesurer directement in-situ les changements qui s’opèrent à la surface du minéral en présence de l’acide phosphorique, ceci permet d’éviter l’artefact de formation de tous produits qui pourraient résulter du séchage des échantillons pour d’autres méthodes analytiques. Le premier résultat majeur obtenu sur la réactivité de deux minéraux après 15 minutes de contact avec la solution d’acide met en évidence le phénomène de passivation de la surface déduit à partir de la variation de la consommation des protons avec la concentration en acide. En effet, toutes les techniques analytiques (in-situ et ex-situ) utilisées ici ont montré la présence d’un phosphate de calcium (brushite) sur la calcite et de la calcite sur l’apatite après contact avec l’acide phosphorique, et une augmentation de leur proportion avec la concentration en acide. En outre, la concentration en acide au début de la détection du phosphate de calcium sur la calcite et le début de la passivation (diminution de la consommation en acide) coïncident, ce qui implique que la présence du phosphate de calcium est responsable de la passivation. Pour l'apatite, bien que la concentration en acide en début de la détection du carbonate de calcium sur l'apatite et le début de la passivation coïncident, le carbonate de calcium a été éliminé à des concentrations d'acide phosphorique plus élevées. Toutefois, les études cinétiques in-situ effectuées en utilisant la spectroscopie Raman à plusieurs concentrations d'acide phosphorique et à un pH fixe de 4,5 ont confirmé la présence de carbonate de calcium sur l'apatite mais ont également révélé qu'une nouvelle phase de phosphate de calcium était aussi présente après seulement 2 minutes de contact avec l'acide phosphorique et l’augmentation de sa concentration avec le temps de contact. De manière surprenante, la présence de phosphate de calcium et sa croissance sur l'apatite sont transitoires. Elles durent 5-6 minutes avant de disparaître rapidement et réapparaissent de nouveau pendant plusieurs cycles. Ces cycles de croissance et de disparition du phosphate de calcium sur l'apatite peuvent résulter de la précipitation de phosphate de calcium suivie de son élimination dans des conditions chimiques et/ou mécaniques. Des études cinétiques in-situ similaires pour la calcite, et utilisant la spectroscopie Raman dans les mêmes conditions qu'avec l'apatite ont confirmé la présence de phosphate de calcium (brushite) sur la calcite, mais seulement après 4 minutes de contact avec l'acide phosphorique, [...] / Because of the depletion of high grade phosphate deposits, usually associated with silicate gangue minerals, which are easy to treat by grinding/classification and/or by flotation, the industry has to rely more on carbonate gangue phosphate ores which are more abundant but more difficult to beneficiate by flotation. Most of the minerals contained in these phosphate ores are semi soluble, which results in a similar chemistry of their surface and a poor separation by flotation between the phosphate minerals such as apatite (calcium phosphate) and the gangue minerals such as calcite (calcium carbonate). The reverse flotation method in acid medium has been found to produce a better contrast of separation between calcite and apatite. This method relies on the addition of an acid such as phosphoric acid which acts as a selective depressant of apatite. However, the mechanisms governing this mineral separation and in particular the reactions occurring at the surface of these minerals are not very well understood. The objective of this thesis is to study the reactivity of calcite and apatite in aqueous solution as a function of phosphoric acid concentration and reaction time. For this, several analytical techniques (Raman, infrared and X-ray photoelectron spectroscopies, and X-ray diffraction and scanning electron microscopy) are used to measure the nature of the species adsorbed or formed at the surface of calcite and apatite. In particular, with Raman spectroscopy it was possible to measure directly in-situ the changes occurring in solution and at the mineral surface in the presence of phosphoric acid, which should eliminate any possible artefact caused by the drying of the samples when using the other analytical techniques. The first major result was on the reactivity of the two minerals measured after 15 min of contact with an acid solution reveals the phenomenon of passivation of the surface deduced from the variation of the consumption of the protons with the concentration of acid. Indeed, all the in-situ and ex-situ analytical techniques used in this study have shown the presence of calcium phosphate (brushite) on calcite and of calcium carbonate on apatite after contact with phosphoric acid, and with a concentration which increases with acid concentration. Moreover, the acid concentration for the onset of detection of calcium phosphate on calcite and for the start of passivation (decrease in acid consumption) coincides, which implies that the presence of calcium phosphate is responsible for the passivation. For apatite, although the acid concentration for the onset of detection of calcium carbonate on apatite and for the start of passivation coincides, calcium carbonate was removed at higher phosphoric acid concentrations. However, kinetic in-situ studies using Raman spectroscopy performed at several phosphoric acid concentrations and at a fixed pH of 4.5 all confirmed the presence of calcium carbonate on apatite but also revealed that a new phase of calcium phosphate was also present after only 2 min of contact with phosphoric acid and its concentration increased with contact time. Surprisingly, the presence of calcium phosphate and its growth on apatite were transient, lasting 5-6 min before quickly vanishing and then reappearing again for several cycles. These cycles of calcium phosphate growth and disappearance on apatite may be the result of precipitation of calcium phosphate followed by their removal in the chemical and / or mechanical conditions. Similar kinetic in-situ studies of calcite using Raman spectroscopy under the same conditions as with apatite confirmed the presence of calcium phosphate (brushite) on calcite but only after 4 minutes of contact with phosphoric acid, indicating a slower kinetic of calcium phosphate formation than on apatite [...]

L'objectif de cette thèse est de bâtir un modèle prédictif d'une unité industrielle continue de dissolution de minerai de nickel/ et précipitation de fer simultanées. La méthodologie adoptée consiste dans un premier temps à réaliser des expériences en réacteur fermé ou semi-fermé pour identifier et modéliser séparément les différents phénomènes en jeu, puis dans un second temps à construire un modèle d'unité continu les rassemblant tous. Ce travail a permis certaines avancées tant sur le système retenu que sur les méthodes et modèles adoptés. Tout d'abord la thermodynamique des solutions Na-Fe(III)-H2SO4 aux alentours de 100°C a été clarifiée et la constante de solubilité de la natrojarosite Na0,84H0,16Fe2,90(SO4)2(OH)5,7 a été déduite. Ensuite les paramètres influant sur les précipitations des jarosite de sodium et potassium ont été mis en évidence et leur cinétiques de croissance ont pu être déterminées grâce à l'utilisation originale de la méthode des caractéristiques. Puis les cinétiques de dissolution des minerais ont été obtenues, en prenant en compte différentes phases du minerai et leurs granulométries. Après avoir déduit tous les paramètres nécessaires, un modèle original, permettant de simuler une cascade de réacteur de dissolution/précipitation avec recyclage a été construit puis validé. Cet outil de conception, couplé à une étude technico-économique peut permettre d'optimiser le procédé. / The goal of this thesis is to build a predictive model for a continuous industrial unit combining simultaneously nickel ore dissolution and iron precipitation. A two steps method was used. First experiments in batch or semi-batch reactors were done in order to understand and model separately the different phenomenon that take place. Then all the equations and associated constants were used to build a model. This work allowed some advances both on the system studied and on the methods used. First thermodynamics of Na-Fe(III)-H2SO4 solutions in the 70-100°C temperature range was clarified and natrojarosite solubility constant Na0,84H0,16Fe2,90(SO4)2(OH)5,7 was deduced. Secondly parameters acting on sodium and potassium jarosite precipitation were highlighted and their growth kinetics were deduced through an original use of caracterisctics method. Then ore dissolution kinetics were found, taking into account different ores phases and their granulometry. After deducing all the necessary parameters, an original model allowing to simulate a cascade of dissolution/precipitation reactors with recyling loop was build and validated. This conception tool, coupled with a technico-economic study allows the optimisation of such a process.

Le Burkina Faso, comme d'autres pays africains, a connu une métallurgie primaire de fer il y a des millénaires. Dans l'état actuel des recherches, la plus ancienne date se situe autour du VIIIe siècle avant notre ère, dans le Bwamu, à Douroula, dans l'Ouest du Burkina Faso. Dans presque toutes les régions du pays, les vestiges relatifs à la production ancienne du fer sont visibles et constituent aujourd'hui, des témoins tangibles des savoirs et savoir-faire des anciens métallurgistes. La province du Bam, notre zone d'étude, est localisée dans la région du centre-nord du Burkina Faso et couvre une superficie de 3931 km2. Nos prospections archéologiques y ont permis de répertorier plus d'une centaine de vestiges et sites résultant directement de cette production sidérurgique. Les investigations ethno historiques, archéologiques et archéométriques de ces vestiges ont permis d'élucider les origines de la sidérurgie dans cette partie du Burkina Faso et de caractériser les traditions techniques qui furent utilisées par les anciens métallurgistes. Ainsi, cinq tradition techniques ont été identifiées et décrites (Bl , B2, B3, B4, BS). Elles se sont développées à de périodes différentes. En plus des aspects techniques, les implications socioculturelles et économiques engendrées par l'industrie locale du fer, ont été appréhendées afin de mieux cerner la place qu'occupaient le artisans du fer dans la société traditionnelle de la province du Bam. / Burkina Faso, like other African countries, experienced a primary iron metallurgy millennia ago. In the current researches, the earliest date is around the eighth century BC, in the Bwamu at Douroula, in western Burkina Faso. In almost all regions of the country, vestiges relating to the former iron production are visible and are now tangible witnesses of knowledge and the ability of ancient metallurgists. Bam province, our study area is located in the region of north-central Burkina Faso and covers an area of 3931 km2. Our archaeological surveys have enabled to identify more than a hundred sites and remains resulting directly from the steel production. Ethno historical, archaeological and archaeometric investigations of these remains have elucidated the origins of the steel industry in this part of Burkina Faso and permitted to characterize the technical traditions that were used by the ancient metallurgists. Thus, five technical traditions have been identified and described (B1, B2, B3, B4, B5). They have been developed at different times. Besides the technical aspects, socio-cultural and economic implications caused by the local iron industry were apprehended to better understand the place occupied by the iron artisans in the traditional society of Bam province

Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d'origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l'hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L'approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d'expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d'échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l'échelle d'une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l'évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d'un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l'utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l'influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé.

Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d’origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l’hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L’approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d’expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d’échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l’échelle d’une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l’évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d’un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l’utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l’influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé / In an effort to find new ways to drastically reduce the CO2 emissions from the steel industry (ULCOS project), the reduction of iron ore by pure hydrogen in a shaft furnace was investigated. The work consisted of literature, experimental, and modelling studies. The chemical reaction and its kinetics were analysed on the basis of thermogravimetric experiments and physicochemical characterisations of partially reduced samples. A specific kinetic model was designed, which simulates the successive reactions, the different steps of mass transport, and possible iron sintering, at the particle scale. Finally, a 2-dimensional numerical model of a shaft furnace was developed. It depicts the variation of the solid and gas temperatures and compositions throughout the reactor. One original feature of the model is using the law of additive characteristic times for calculating the reaction rates. This allowed us to handle both the particle and the reactor scale, while keeping reasonable calculation time. From the simulation results, the influence of the process parameters was assessed. Optimal operating conditions were concluded, which reveal the efficiency of the hydrogen process