Les roches vulcanogéniques de la Mine de Seival appartiennent à la Formation Hilário du Bassin de Camaquã, d’âge Néoprotérozoique. Ces roches contiennent six mines inactives avec diverses prospections de cuivre–argent. Les minéralisations semblent associées à un contrôle structurel intense du régime ruptile. La compréhension de la transformation chimique de l’hydrothermalisme associé aux paléo-contraintes est assez faible dans la région. Nous proposons de caractériser la chimie des minéraux des phases magmatiques, tardi–magmatiques et hydrothermales ainsi que de comprendre les contraintes structurales et la géochimie des veines tardives de barytine et calcite. Pour ce faire, nous avons effectué des analyses minéralogiques, et chimiques des phases magmatiques et d’altération. La chimie minérale associée à la modélisation thermodynamique a permis de caractériser l’altération comme tardi– magmatique. L’albitisation (650 à 350 °C) s’est produite en association avec une chloritisation (312 à 120 °C) et avec de la pyrite et de la chalcopyrite. Les températures les plus basses (150 à 50 °C) ont été reliées à la formation de smectite et d’inter-stratifié de chlorite/smectite et avec de la chalcocite–covellite, chalcocite–bornite ou barytine. Nous effectuons les analyses structurales des mesures de cinématique et de la direction des failles/fractures. L’analyse structurale a montré trois contraintes principales survenant dans la Mine Seival et dans le District Minier de Lavras do Sul : compression NW–SW ; compression NE–SW ; distension ENE–SWS. La contrainte NW–SE est la principale direction de contrainte associée à la minéralisation et aux filons minéralisés dans ces deux régions. / The volcanogenic rocks of the Seival Mine belong to Hilário Formation from Camaquã Basin, with ages Neoproterozoic. These rocks contain six inactive mines with various prospects of copper-silver. Mineralization are associated with intense structural control in brittle regime. Chemical transformation of hydrothermal alteration associated with paleostress is not very well understood in the region. We propose a characterization of mineral chemistry of the magmatic phases, tardi–magmatic and hydrothermal as well as understand the paleostress and geochemistry of late veins. For this, we realized analyses of mineral chemistry of magmatic and alteration phase. Mineral chemistry coupled with thermodynamic modeling allowed to characterize the alteration as tardi–magmatic. The albitization (650 to 350 °C) occurred in association with chloritization (312 to 120 °C), and with pyrite and chalcopyrite. The lowest temperatures (150 to 50 °C) were related to formation of smectite and interlayered chlorite/smectite, and with chalcocite–covellite, chalcocite–bornite or barite. We perform structural analyzes through kinematic measures and failure/fracture directions. The analysis on faults, fractures and mineralization showed three main stresses occurring in the Seival Mine and Lavras do Sul Mining District: NW–SE compression; NE–SW compression; ENE–SWS distension. The NW–SE paleostress is the main effort related to the dikes and mineralization in both areas.

Ce travail de thèse est consacré à la modélisation du procédé de réduction directe du minerai de fer, un procédé alternatif intéressant dans le contexte de la réduction des émissions de CO2 de la sidérurgie. Le four à cuve, réacteur central du procédé, est divisé en trois zones (réduction, transition et refroidissement). Le modèle mathématique mis au point pour simuler l’ensemble repose sur une description détaillée et fidèle des principaux phénomènes physico-chimiques et thermiques intervenant. C’est un modèle bidimensionnel, en régime permanent et multi-échelle. Le lit mobile est constitué de boulettes, elles-mêmes supposées composées de grains et de cristallites. Huit réactions chimiques hétérogènes et deux réactions chimiques homogènes sont prises en compte. Les équations de conservation locales de la masse, l'énergie et de la quantité de mouvement ont été résolues numériquement en utilisant la méthode des volumes finis. Ce modèle a été appliqué avec succès pour simuler le four à cuve de deux usines de réduction directe de capacités différentes. Les résultats obtenus renseignent sur le fonctionnement interne du four et mettent en évidence des zones aux performances inégales. Le modèle a ensuite été exploité, après l’ajout et le couplage d’un modèle du reformeur, pour des calculs paramétriques, en particulier lorsque les caractéristiques des gaz réducteurs sont modifiées. Enfin des pistes sont présentées pour optimiser une installation de réduction directe en augmentant la capacité de production et le degré de métallisation du produit / This thesis is dedicated to the modelling of the iron ore direct reduction process, an attractive alternative process for making steel in the context of the reduction in CO2 emissions. The shaft furnace, the core reactor of the process, is divided into three sections (reduction, transition and cooling). The mathematical model developed to simulate this reactor is based on a detailed and faithful description of the main physical-chemical and thermal phenomena involved. The model is a two-dimensional, steady state and multi-scale. The moving bed is comprised of pellets of grains and crystallites. Eight heterogeneous chemical reactions and two homogeneous chemical reactions were taken into account. The local mass, energy and momentum balances were solved numerically using the finite volume method. The model was successfully applied to simulate the shaft furnace of two direct reduction plants of different capacities. The results obtained provide new insights on the internal behaviour of the furnace and highlight zones of uneven performance. After the addition and coupling of a reformer model, the shaft furnace model was used for parametric calculations, in particular when considering changes in the composition of the reducing gases. Finally, new possibilities are presented for optimizing the direct reduction process, e.g. for increasing the production capacity and the degree of metallization of the produced iron

La récupération in situ (ISR) est une méthode d'exploitation minière qui consiste à extraire le minerai in situ par le biais de solutions d'attaque acides ou alcalines. Comme l'ISR a lieu en sous-sol, la gestion de l'ISR reste globalement empirique. La modélisation numérique de cette technique minière permettrait d'optimiser la conduite de ce type d'exploitation. Trois types de phénomènes doivent être pris en compte pour la modélisation de la lixiviation de l'uranium par ISR: (1) les réactions géochimiques; (2) les cinétiques de ces réactions et (3) l'influence du transport hydrodynamique sur ces réactions. Des tests de lessivage ont été menés sur des échantillons du site minier de Tortkuduk (Kazakhstan), où l'ISR de l'uranium est réalisée par voie acide. Deux types de tests de lessivage ont été menés en laboratoire : (1) des essais en batchs; (2) des essais sur colonnes. Les hypothèses concernant les mécanismes de lessivage ont été testées et validées en modélisant ces tests avec les codes de calcul CHESS et HYTEC, développés à Mines ParisTech. Un modèle 1D couplant géochimie et transport du procédé ISR à l'échelle du laboratoire a été proposé. Il permet de traduire la séquence des mises en solutions en une séquence de réactions géochimiques. Les facteurs contrôlant la dissolution de l'uranium et les précipitations secondaires ont été mis en évidence ainsi que leur importance relative.

Sur les bordures du Bassin parisien et leurs périphéries, plus particulièrement sur lessubstrats jurassiques et crétacés, on trouve des paléokarsts fossilisés par des dépôtsferrugineux.Plus de 60 sites aériens ou souterrains ont été étudiés au Sud de l'Ardenne, de laThiérache ardennaise au Pays-Haut ; sur le contact Jurassique-Crétacé aux confins de laLorraine et de la Champagne (Vallage, Barrois et Haut-Pays) ; au Nord du Massif Central,de la Champagne berrichonne au Montmorillonnais ; sur les plateaux crayeux deNormandie, du Pays d'Ouche et de la Plaine de Saint-André ; à la charnière entre Riftsbressan et rhénan (fossé de la petite Saône, plateaux de Vesoul, Collines préjurassiennes).Les analyses de près de 250 échantillons (macroscopie et microscopie, granulométrie etmorphoscopie, analyses chimiques et minéralogiques), ont montré que ces ferricrètesprésentent des faciès extrêmement variés tant sur le plan de la structure que sur ceux dela forme ou de la taille. Ces faciès peuvent résulter, soit d'un remaniement mécaniquedominant, soit d'un remaniement chimique dominant voire exclusif, ou encore alliant desremaniements à la fois mécaniques et chimiques.Les dépôts ferrugineux issus à l'origine de ferricrètes générées lors de grandes périodesd'altération ferralitiques qui ont affecté l'Europe occidentale entre le Crétacé inférieur et ledébut du Tertiaire ont évolué au gré de l'encaissement des vallées au Plio-Quaternaire.Par conséquent le karst est générateur de faciès spécifiques et contribue à amplifier lesprocessus de remaniement chimique ou mécanique. / That's on the board of the Parisian Basin and its surrounding, and more particularly on theJurassic as well as the cretaceous subterrane, we can find some paleokarsts fossilized.More of 60 underground or aerial sites have been studied in the South of the Ardenne,from the Thiérache ardennaise to the Pays-Haut ; on the contact of the Jurassic-Cretaceous to the limits of the Lorraine and the Champagne (Vallage, Barrois and Haut-Pays) ; to the North of the Massif Central, from the Champagne berrichonne to theMontmorillonnais ; on the chalky trays of Normandy (Pays d?Ouche, Plaine de Saint-André) ; at the hinge between bressan and rhenan Graben (fossé de la petite Saône,Plateaux de Vesoul, Collines pré-jurassiennes).Analyses made on 250 samples (macroscopic and microscopic analysis, granulometryand morphoscopy, mineralogical and chemical analyses), have shown that these ironcementation present facies extremely varied on both structure and size. These facies canresult, either in a dominant mechanical revision, or in a chemical revision dominatingperhaps exclusive, or in allying both chemical or mechanical reworking.The stemming ferruginous deposits coming from the ferricrusts generated during theperiods of ferralitic alteration having affected the Western Europe between the inferiorCretaceous and the beginning of the Tertiary, have evolved according to the collection ofvalleys during the Plio-Quaternary. Consequently the karst is generator of specific faciesand contributes to amplify chemical or mechanical revision processes.

L'augmentation des besoins en produits de haute technologie est responsable d'une demande croissante en minéraux de spécialité et conditionne très fortement la stratégie des grands groupes industriels. Cependant, la typologie de ces nouveaux minerais et la gîtologie de leurs gisements sont très mal connues. La silice ultra pure pour l'électrométallurgie du silicium, au coeur de cette vaste thématique, offre les meilleures opportunités d'étude. Un projet de thèse a donc été proposé par le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), en coopération avec l'Université Henri Poincaré (UHP) de Nancy, dans le but d'explorer quelques pistes d'importance en ce qui concerne ce minerai et ses gisements. Ce travail a permis de proposer, à partir de l'étude conjointe du gisement et de son substratum, un nouveau modèle génétique original du plus gros placer français incluant les sources, le transport et le piégeage du minerai, propice à la recherche de nouveaux gisements. En ce qui concerne le minerai quartz, quelques nouvelles données sur la définition de sa qualité et sur les études à mener pour la caractériser ont été avancées.

Ce travail a pour cadre l'étude de la récupération des métaux précieux complexes en solution grâce a du charbon actif. Il a permis de comprendre les mécanismes fondamentaux de l'adsorption dans un système modèle constitue d'une solution d'ion dicyanoaurate et de charbon actif. Les interactions entre cette solution et le solide ont été caractérisées par diverses techniques: la pHmétrie, la titrimétrie, la zetamétrie, la potentiométrie et la thermodésorption. Ces méthodes ont permis d'avoir des renseignements sur la nature des groupements fonctionnels à la surface du charbon, groupements constituant les sites responsables de l'adsorption des complexes. De même par une méthode de traitement originale gaz-liquide-solide, nous avons modifié la nature de ces sites et leur répartition à la surface du charbon, ce qui a permis d'améliorer la capacité d'adsorption du charbon. Cette modification dépend de la nature et de la pression du gaz utilise. L'étude thermodynamique a montré que l'adsorption de l'ion dicyanoaurate sur le charbon peut être représentée assez correctement par l'équation de Langmuir généralisée à plusieurs types de sites. L'adsorption s'effectue de façon plutôt localisée, avec interaction sur des sites d'énergie différente. La vitesse d'adsorption de l'ion dicyanoaurate sur le charbon actif a été étudiée en fonction de plusieurs paramètres physico-chimiques: la température, les conditions hydrodynamiques comme la vitesse d'agitation et le rapport solide/liquide, la concentration initiale en complexe, la nature des substances étrangères, et la nature du gaz en contact avec la solution. Le mécanisme d'adsorption se déroule en trois étapes. La réaction limitante est la diffusion à travers un film pendant le début de la réaction, puis la diffusion-adsorption dans la structure poreuse au voisinage de l'équilibre.

Les effondrements miniers en Lorraine (France) ont pour origine la rupture des piliers de soutien constitués de minerai de fer. Leur rupture n'est pas seulement due aux seules contraintes mécaniques qu’exerce le recouvrement mais également aux différentes transformations minéralogiques du minerai de fer, compromettant sa cohésion et sa résistance et par conséquent, la stabilité des piliers. On parle alors d’altération/vieillissement minéralogique du minerai de fer. Les mécanismes chimiques qui entrainent ces transformations minéralogiques sont désormais bien connus mais l’influence de l’activité bactérienne n’est pas encore bien comprise. Des travaux préliminaires ayant soulevé le rôle possible des activités microbiennes, ce travail de thèse s'est alors appliqué à identifier les métabolismes bactériens susceptibles de réagir avec le minerai de fer en conditions aérobie et anaérobie, et à en caractériser les effets physico-chimiques, minéralogiques et mécaniques. Les groupes métaboliques bactériens suspectés d’être impliqués dans ces réactions (activités ferri-réductrices, ferro-oxydantes et sulfato-réductrices) ont été identifiés dans les eaux de mine et incubés en présence du minerai de fer, en souche pure ou avec un consortium issu de l’eau de mine. Les bactéries ferri-réductrices (IRB), sulfato-réductrices (BSR) et acidophiles ferro-oxydantes ont été les seules qui, dans les conditions de laboratoire, ont impacté significativement le minerai en modifiant le ratio Fe(II)/Fe(III). Une phase ferro-carbonatée et de la pyrite se sont formées respectivement au cours des incubations avec les IRB et BSR, et ont été caractérisées par analyse du solide (spectroscopies infrarouge en réflexion diffuse (DRIFTS) et Mössbauer et par diffraction aux rayons X). Des bactéries nitrate-réductrices ont aussi été testées et aucune modification significative du ratio Fe(II)/Fe(III) du minerai de fer n’a été observée. Enfin, les propriétés mécaniques du minerai de fer ont été mesurées après les réactions d’oxydo-réduction biologiques et purement chimiques. Des modifications sensibles de ces propriétés mécaniques par rapport à l’état initial ont ainsi pu être mises en évidence. Sur la base de ces résultats, l’hypothèse de l’altération mécanique du minerai de fer par des activités microbiennes est donc tout à fait réaliste. / Mine collapses occurred in Lorraine (France) because of the failure of safety pillars made of iron ore. Their failure is not only due to the mechanic stresses applied by the overburden, but also due to the various mineralogical transformations in iron ore which decrease material cohesion and resistance and thus stability of pillars. This is called mineralogical alteration/ageing of iron ore. Chemical mechanisms inducing these mineralogical transformations are now well known but the influence of microbial activity is not well understood yet. Preliminary works have raised the possible role of microbial activity, then the focus of this work was to identify the various bacterial metabolisms capable of reacting with iron ore and to characterize the physico-chemical, mineralogical and mechanical effects. The bacterial metabolism groups possibly implied in these reactions (iron-reducing (IRB), iron-oxidizing and sulfate-reducing bacteria (SRB)) were identified from the mine water. As pure strain or as consortium, these bacteria were incubated with iron ore. Under laboratory conditions, only iron-reducing, sulfate-reducing and acidophilic iron-oxidizing bacteria impacted iron ore samples by modifying the Fe(II)/Fe(III) ratio. A ferrous-carbonate phase and pyrite were formed during incubations with IRB and SRB, respectively. These minerals were characterized from analysis of the solid phase (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS), Mössbauer spectroscopy and X-ray diffraction). The impact nitrate-reducing bacteria was also tested but the Fe(II)/Fe(III) ratio of iron ore was not modified significantly. Finally, mechanical properties of iron ore were measured after microbial and purely chemical redox reactions. Discernible modifications of these mechanical properties were observed. From these results, the alteration of iron ore mechanical properties by bacterial activities is a realistic assumption.

Les gisements uranifères nigériens sont localisés dans les formations carbonifères et jurassiques du bassin de Tim Mersoï. AREVA est actionnaire de 3 sites miniers de cette région: la SOMAÏR et la COMINAK dans le district d'Arlit, en exploitation depuis 50ans, et IMOURAREN, 80km plus au Sud, dont l'exploitation est programmée pour 2015. La minéralisation du gisement d'Imouraren est comprise dans la formation fluviatile du Tchirézrine 2 (Jurassique), formée de chenaux et de plaines d'inondation. Les faciès de remplissage de chenaux vont des grès grossiers aux grès très fins (cortège détritique : quartz et feldspaths), tandis que les faciès de débordement sont constitués d'analcimolites. La minéralogie secondaire est acquise lors de 2 évènements : 1- la diagenèse, avec formation de minéraux argileux, d'analcime, de quartz et d'albite secondaires, et 2- un épisode de circulations de fluides, qui induit une altération des minéraux détritiques et diagénétiques, la formation de nouvelles phases et le dépôt de l'uranium. Cette altération dessine une zonation minéralogique à l'échelle du gisement.L'hétérogénéité du Tchirézrine 2, tant au niveau des faciès que de la minéralogie, se perçoit lors du traitement du minerai, puisqu'il réagit différemment selon sa provenance, avec parfois des problèmes de récupération de l'U. Des essais de traitement de minerais, ont montré que analcimes et chlorites étaient les deux pénalisants, pour 3 raisons : 1- les piégeages des phases U au sein des analcimes, 2- la dissolution de ces 2 minéraux a tendance à faire sortir des conditions de solubilisation de l'U (pH et Eh) et à former de nombreux sulfates, 3- problèmes de percolation. Une méthode de détection des minerais riches en analcimes, basée sur la spectroscopie infrarouge, a été développée afin d'optimiser les mélanges de minerais et ainsi de réduire les effets néfastes des pénalisants lors du traitement. / Nigerian uraniferous deposits are located in carboniferous and jurassic formations of Tim Mersoï basin. AREVA is shareholder of 3 mine sites in this area: SOMAÏR and COMINAK, both in exploitation since 1960’s and IMOURAREN, 80km further South, whose exploitation is planned for 2015. Mineralization of Imouraren deposit is included in the fluvial formation of Tchirezrine 2 (Jurassic), composed of channels and flood plains. Facies of channel infillings range from coarse sandstones to siltstones, while overflow facies are composed of analcimolites.Secondary mineralogy was acquired during 2 stages: 1- diagenesis, with formation of clay minerals, analcime, secondary quartz and albites, and 2- stage of fluids circulations, which induced alteration of detrital and diagenetic minerals, formation of new phases and uranium deposition. A mineralogical zoning, at the scale of deposit resulted from this alteration. The heterogeneity of Tchirezrine 2, at the level of both facies and mineralogy, is also evidenced during ore treatment, as ore reacts differently depending on its source, with sometimes problems of U recovery. Ore treatment tests showed that analcimes and chlorites were both penalizing minerals, because of 1- the sequestration of U-bearing minerals into analcimes, 2- their dissolution which trends to move away from U solubilization conditions (pH and Eh) and to form numerous sulfates, and 3- problems of percolation. A detection method of analcime-rich ores, based on infrared spectroscopy, was developed in order to optimize ore blending and so to reduce negative effects during ore treatment process.