Multiscale study of the geochemical behaviour of niobium during weathering
Étude multi-échelle du comportement géochimique du niobium au cours de l’altération : évolution de la spéciation et de la mobilité du niobium dans des couvertures d’altération brésiliennes
Résumé
Niobium (Nb) is a rare metal that plays an essential role in many areas of industry, particularly in the steel industry and in new technologies such as superalloys and superconductors. Almost all the world’s production comes from two mines in Brazil, making this metal a critical material for many governments and organisations. Despite steadily rising demand, the processes by which Nb is concentrated in deposits remain uncertain, making assessment of its criticality potentially misleading. The complexity of the materials that make up the main deposits currently being mined, namely laterites, contributes in part to this lack of knowledge. Laterites are regoliths several tens to hundreds of metres thick, formed by the weathering of rocks in a tropical climate. In this context of so-called supergene alteration, Nb-bearing minerals such as pyrochlore are considered unalterable. However, this model is mainly based on early thermodynamic data and on petrological observations in a limited number of contexts. In this thesis, we aim to study the geochemical behavior of Nb during weathering processes to determine the mechanisms leading to its relative enrichment in laterites. We adopt a multiscale approach to understand the processes involved, ranging from the laterite profile scale to the molecular mechanisms of Nb leaching or trapping by mineral phases. Two Brazilian alteration profiles in the Amazon region, at Pitinga and Morro dos Seis Lagos, were selected in order to study the geochemical behaviour of Nb during weathering of a moderately enriched granite representative of the continental crust and to compare it with the case of alteration of a carbonatite such as that occurring in world-class deposits. The weathering profiles were studied over their entire depth in a study based on the solid speciation of Nb, i.e. the chemical form in which it is found, in the mineral phases and averaged over the horizon. Such an approach relies on the use of X-ray absorption spectroscopy (XAS) based on synchrotron radiation. A systematic study of the absorption spectra of natural and laboratory-synthesized reference mineral phases has highlighted the sensitivity of XAS spectra to the local Nb environment, demonstrating their potential application in multiphase natural environments. Niobium speciation is interpreted in weathering profiles using bulk rock geochemical analysis, X-ray diffraction and microscopic analysis. Although the geochemical and mineralogical characteristics of the Pitinga and Morro dos Seis Lagos laterites are different, the behaviour of Nb follows a similar pattern. Weathering of the Nb-bearing phases of the source rocks releases Nb into the environment, but its tendency to co-precipitate with iron and titanium oxides restricts its mobility at grain scale. Nevertheless, the mobility of Nb extends to the scale of the parent magma body or the profile in a hydrothermal context or under physico-chemical conditions typical of the water table. The weathering of the Morro dos Seis Lagos pyrochlores is studied at the nanoscale in order to understand the processes behind the unusual speciation of Nb obtained in this profile. The aim of this thesis is to demonstrate that a better understanding of the geochemical behaviour of Nb and the determination of its speciation in lateritic deposits would enable a more accurate assessment of its criticality and improve ore treatment processes.
Le niobium (Nb) est un métal rare dont le rôle est considéré comme essentiel pour de nombreux pans de l’industrie, notamment pour son utilisation dans l’industrie des aciers et des nouvelles technologies telles que les superalliages ou les supraconducteurs. La quasi-totalité de la production mondiale provient de deux mines situées au Brésil, faisant de ce métal un matériau critique pour de nombreux états et organisations. Malgré une demande en hausse constante, les processus de concentration du Nb dans les gisements demeurent incertains, rendant l’évaluation de sa criticité potentiellement erronée. La complexité des matériaux formant les principaux gisements actuellement exploités, à savoir les latérites, contribue en partie à cette méconnaissance. Les latérites sont des régolithes épais de quelques dizaines à centaines de mètres d’épaisseur formées par l’altération des roches dans un climat tropical. Dans ce contexte d’altération dite supergène, les minéraux porteurs de Nb tels que les pyrochlore sont considérés comme inaltérables. Ce modèle est néanmoins principalement basé sur des données thermodynamiques anciennes ainsi que sur des observations pétrologiques dans un nombre limité de contextes. Nous proposons dans cette thèse une étude du comportement géochimique du Nb au cours de l’altération afin de déterminer les processus menant à son enrichissement relatif dans les latérites en utilisant une approche multi-échelle afin de comprendre les processus en jeu, depuis l’échelle du profil latéritique jusqu’aux mécanismes moléculaires de lessivage ou de piégeage du niobium par les phases minérales. Deux profils d’altération brésiliens en Amazonie, à Pitinga et Morro dos Seis Lagos ont été sélectionnés afin d’étudier le comportement géochimique du Nb lors de l’altération d’un granite modérément enrichi représentatif de la croûte continentale et de le comparer au cas de l’altération d’une carbonatite telle que celle se produisant dans les gisements de classe-mondiale. Les profils d’altération ont été étudiés sur toute leur profondeur dans une étude suivant la spéciation solide du Nb, c’est-à-dire la forme chimique dans laquelle il se trouve, dans les phases minérales et moyennée à l’échelle de l’horizon. Une telle approche repose sur l’utilisation de la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) basée sur le rayonnement synchrotron. Une étude systématique des spectres d’absorption de phases minérales de référence naturelles et synthétisées en laboratoire met en évidence la sensibilité des spectres XAS à l’environnement local du Nb, démontrant leur potentiel d’application en milieu naturel multiphasé. La spéciation du Nb est interprétée dans les profils d’altération à l’aide des analyses géochimiques en roche totale, de la diffraction des rayons X et des analyses microscopiques. Malgré les différences géochimiques et minéralogiques entre ces deux profils, le comportement du Nb suit un modèle similaire. L’altération des phases porteuses de Nb des roches mères entraîne la libération du Nb dans le milieu mais sa tendance à coprécipiter avec les oxydes de fer et de titane limite sa mobilité à l’échelle du grain. Néanmoins, la mobilité du Nb s’étend à l’échelle du corps magmatique parent en contexte hydrothermal ou à l’échelle du profil dans des conditions physico-chimiques typiques de la zone de battement de la nappe phréatique. L’altération des pyrochlores de Morro dos Seis Lagos est étudiée à nano-échelle pour comprendre les processus à l’origine de la spéciation inhabituelle du Nb obtenue dans ce profil. Ainsi, ce travail de thèse vise à démontrer qu’une meilleure compréhension du comportement géochimique du Nb et la détermination de sa spéciation dans les gisements latéritiques permettraient une évaluation plus précise de sa criticité et permettrait d’améliorer les processus de [...]
Origine : Version validée par le jury (STAR)