Les ressources minérales, extraites du sous-sol, sont indispensables au quotidien. Silex, étain, cuivre, or ou argile, elles ont été exploitées par les êtres humains afin de confectionner objets et produits nécessaires au développement des civilisations. Le potentiel du sous-sol dépend de sa richesse en substances utiles à une activité humaine. C’est la dynamique de vie de la Terre (géodynamique) qui détermine au cours du temps et dans l’espace la formation d’un gîte minéral, autrement dit la géologie. Le potentiel d’un territoire va donc varier du point de vue spatial en fonction du contexte et de l'histoire géologique.
Introduction aux Formations de Fer Rubanées (BIF)
Les gisements de fer rubané ou BIF (Banded Iron Formation) représentent la plus importante ressource en fer de la planète. Ils constituent 80 % des réserves de ce métal. La teneur en fer est généralement élevée et peut atteindre 65%, le minerai peut alors être envoyé à l'aciérie sans enrichissement préalable. Nommée « banded iron formation », ou formation de fer rubanée, ce type de roche ne se forme plus aujourd’hui sur Terre. Ces formations sont le produit de l’accumulation de couches sédimentaires dans un environnement marin très spécifique. Dans le catalogue historique, cet échantillon très esthétique, au faciès particulier pour une itabirite, a été identifié en tant que « jaspe ferrugineux » par François Ellenberger, Jean Fabre et Léonard Ginsburg.
Caractéristiques Générales des BIF
Leur rubanement caractéristique s'observe à toutes les échelles de taille de l’hectomètre au millimètre. Il consiste en une alternance de couches rouges riches en hématite (Fe2O3 ) et en magnétite (Fe+2 Fe2+3O4 ) et de couches grises ou verdâtres riches en silice (SiO2 ), en sidérite (carbonate de fer FeCO3 ) et en pyrite (FeS2 ) mais appauvries en fer. Hématite et magnétite contiennent des formes oxydées du fer, sidérite et pyrite des formes réduites. Ces couches sont le reflet de variations de l'approvisionnement en fer et des propriétés oxydantes de l'eau de mer.
Types de Gisements
On distingue plusieurs types de gisements de fer rubané :
- Le type Algoma est toujours associé aux ceintures de roches vertes de l'Archéen.
- Le type Lac supérieur est associé au talus continental des cratons. Les gisements sont de très grande taille mais peu nombreux.
- Le type Rapitan se dépose aussi sur le talus continental des cratons mais les conditions de formation sont différentes du type précédent.
Les sédiments se sont accumulés sous une épaisseur d'eau variable. Les dépôts du Labrador semblent s'être fait à faible profondeur près de la côte. Les autres gisements se sont formés entre 100 et 700 m en bordure de plateau continental.
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Composition Chimique et Implications
La composition chimique de ces formations, notamment sa forte concentration en fer, témoigne d’une absence d’oxygène dans les océans de l’époque. Témoin d’un monde anoxique dans lequel seule une vie bactérienne était possible, cette accumulation de fer en grande quantité il y a plus de 2,4 milliards d’années constitue aujourd’hui pour l’humanité la plus grande source de fer exploitable. Les plus grandes exploitations sont actuellement au Brésil et en Australie.
Formation des BIF : Un Processus Géologique Unique
La formation des BIF est un processus complexe qui implique des interactions entre l'activité hydrothermale, la chimie de l'océan et l'activité biologique.
Origine du Fer
Dans la nature actuelle l'essentiel du fer des océans provient des fleuves et des poussières arrachées aux continents. Il était donc logique de penser qu'au Précambrien il en était de même. Une anomalie positive en europium est le signe d'une eau d'origine hydrothermale. L'anomalie positive en europium des fers rubanés montre qu'ils se sont formés à partir d'éléments issus d'un liquide hydrothermal. Le détail des faits est un peu plus subtil et complexe. Si l'anomalie est bien nette pour les gisements de type Algoma, elle l'est beaucoup moins pour les gisements de type Lac supérieur postérieurs à -2,7 Ga, le fer de ces derniers ayant en parti une origine continentale. Même sur les gisements plus anciens l'anomalie est plus forte à la base d'une formation qu'à son sommet. Au cours de son histoire le gisement se serait progressivement éloigné de la dorsale et de la source d'anomalie positive en europium pour passer à une alimentation continentale (Kato et al, 1998).
Conditions d'Oxydoréduction
Une anomalie négative en cérium est le signe d'une eau oxydante. Les eaux océaniques actuelles sont riches en oxygène même près du fond d'où leur forte anomalie. L'absence d'anomalie dans le fer rubané tendrait à montrer que son milieu de dépôt, le fond de l'océan, n'était pas oxydant.
Isotopes du Fer
Le fer possède 4 isotopes (54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe). Nous nous intéresserons ici à la quantité de l'isotoppe 56Fe par rapport à la quantité de l'isotope 54Fe exprimée en δ 56Fe. Différents phénomènes provoquent un fractionnement isotopique et modifient en conséquence le δ56Fe. L'oxydation et la précipitation du fer sous forme d'hématite de même que la formation de magnétite font augmenter le δ 56Fe, au contraire la réduction du fer par des bactéries le fait diminuer. Le δ 56Fe des gisements de fer rubané montre une large gamme de valeurs allant de -2,5 à 1 ‰, bien plus importante que celle des autres objets géologiques connus. On peut l'expliquer de la manière suivante. Le fer est produit par les cheminées hydrothermales avec un δ 56Fe = -0,75 ‰ puis il est oxydé dans les couches supérieures de l'océan en hématite et précipite (δ 56Fe = +0,55 ‰). Sur le fond, la réduction par les bactéries fait chuter la valeur de δ 56Fe. S'il y a du carbone, de la sidérite (carbonate de fer) peut se former sinon la réduction se poursuit jusqu'à la pyrite. La formation de magnétite explique les valeurs proches de -0,5 ‰.
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Modèle de Formation
Le fer était produit (1) au niveau des sources hydrothermales. A l'état réduit, Fe2+, il était soluble dans les eaux réductrices des fonds océaniques et circulait (2) grâce aux courants profonds. Actuellement, l'hélium, gaz inerte émis par les dorsales, peut se retrouver à plusieurs milliers de kilomètres de son lieu de production (Lupton et al., 1981). Il devait en être de même pour le fer dans les couches profondes des océans du Précambrien. Des upwellings (3) le faisaient remonter vers la surface. Il traversait ensuite la chémocline séparant les eaux réductrices profondes des eaux oxydantes de surface. Il s'oxydait (5) alors à l'état de Fe3+ et précipitait (6) sous forme d'hématite qui sédimentait sur le fond au niveau du plateau continental. La réduction bactérienne transformait enfin l'hématite en sidérite ou en pyrite. L'oxygène des eaux de surface provenait de la dissociation de l'eau sous l'effet du rayonnement ultraviolet, de l'atmosphère et de la photosynthèse.
Les BIF en France et Leur Exploration
En France, les principaux gisements métalliques se répartissent dans les massifs anciens du socle d'âge Paléozoïque de la chaîne Varisque (Massif armoricain, Massif central, Vosges, Maures, Ardenne, Corse) et au sein des chaînes de montagnes récentes du Cénozoïque (Alpes, Pyrénées). De grandes structures tectoniques (failles) sont souvent associées à ces gisements (ex. cisaillements armoricains, sillon houiller, faille d'Argentat, etc.). Ces cassures dans la croûte terrestre ont pu faciliter la circulation de fluides minéralisateurs au cours des temps géologiques. Ces domaines de socle renferment aussi des gisements de minéraux industriels de premier plan comme l'andalousite à Glomel (Côtes d'Armor), le talc à Trimouns (Ariège), ou encore le kaolin de Ploemeur (Morbihan) et d'Échassières (Allier). Certains gisements peuvent être associés au volcanisme récent du Massif central comme les gisements de diatomite (Cantal). En Guyane, la géologie se caractérise par un bouclier d'âge Précambrien (Protérozoïque inférieur) où alternent des ceintures de « roches vertes » d’origine volcano-sédimentaire et des complexes granitiques déformés (gneiss) recoupés par des intrusions granitiques plus récentes. Le bouclier guyanais possède un fort potentiel en raison de sa parenté et continuité avec le bouclier Ouest-Africain. En l’état actuel des connaissances, le sous-sol français métropolitain et ultra-marin montre un potentiel avéré pour plusieurs substances minières et de carrières.
Bien que subsistent une dizaine de mines actives en métropole (sel, bauxite, calcaires bitumineux, étain-tantale et niobium), il est fréquent d’entendre que le sous-sol français serait désormais épuisé ou sans grand potentiel. L’exploration minière est l’étape préalable à tout projet d’exploitation d’une mine. La géologie du sous-sol est relativement bien connue en surface et à très faible profondeur (50 à 100 premiers mètres) à l’échelle de la métropole mais demeure largement méconnue pour les niveaux plus profonds. D’autre part, l’Inventaire Minier national, mené entre 1975 et 1992 en réponse à une situation de crise touchant l’approvisionnement national en matières premières minérales, n’a couvert que les deux-tiers des zones de socle (massifs anciens), zones présentant a priori le plus de potentiel pour la présence de gisements métalliques. Avec le développement continu des méthodes d’exploration, les connaissances pourraient être approfondies et conduire à la découverte de nouveaux gisements. En outre, si certains gisements ont été exploités par le passé, ils ne sont pas forcément épuisés. En effet, l’extraction se fait dans un contexte économique et technique propre à une époque.
Procédures d'Exploration
L'exploration minière est soumise à des réglementations strictes. Ce titre accorde l'exclusivité de l'exploration à son titulaire, mais ne constitue pas en soi une autorisation de travaux. La demande est faite auprès du ministre en charge des mines et précise les substances recherchées et le périmètre demandé (superficie, communes et département(s), la durée sollicitée et les coordonnées du demandeur). La Direction régionale de l’environnement, de l’aménagement et du logement (DREAL) vérifie que le dossier comprend bien toutes les pièces exigées par la réglementation. La demande est ensuite mise en concurrence avec publication d’un avis au journal officiel. Les autres services de l’État concernés sont consultés et la DREAL élabore un rapport d’instruction, qu’elle transmet au préfet accompagné de son avis sur le projet. Une proposition d’octroi ou de refus est soumise pour avis au conseil général de l’économie, de l’industrie, de l’énergie et des technologies. Ces phases nécessitent la maîtrise de connaissances très spécifiques et de techniques complexes. Un projet d’exploration est long (parfois plus de 10 ans) et les chances de découverte d’un gisement remplissant simultanément les trois critères, environnemental, technique et économique, sont faibles puisque selon les connaissances géologiques initiales, seuls 5 à 20% des projets aboutissent. Une fois l’exploration menée à son terme et l’existence d’un gisement exploitable prouvée, le projet peut passer à une phase d’exploitation. Cependant, l’exploration autour du gisement se poursuivra tout au long de l’exploitation afin d’en avoir une connaissance très fine, permettant ainsi d’augmenter les réserves connues et la durée d’exploitation.
Techniques d'Exploration
Techniques dites « non invasives » : elles permettent aux géologues d’estimer, par comparaison avec des modèles géologiques connus, la probabilité d’existence de minéralisations dans la zone explorée puis de prouver l’existence de ces minéralisations et d’en estimer les dimensions. Le titre minier seul ne donne pas au détenteur d’un permis exclusif de recherches (PER) le droit de réaliser des travaux de recherche. Il faut obligatoirement avoir une autorisation préfectorale pour pouvoir commencer les travaux ou avoir fait une déclaration administrative auprès du préfet. C’est l’importance et l’impact potentiel des travaux qui détermine la procédure à suivre pour pouvoir les mener (autorisation préfectorale ou déclaration administrative). Dans le cas d’une demande d’autorisation, l’opérateur minier devra constituer un dossier de demande comprenant notamment un mémoire exposant les caractéristiques principales des travaux prévus, un exposé relatif aux méthodes de recherches envisagées, une étude d’impact définie à l’article R. La procédure d’autorisation prévoit une enquête publique, ainsi que le recueil des avis des services intéressés et des maires des communes concernées. Le directeur régional de l’environnement, de l’aménagement et du logement, établit un rapport sur le dossier et donne son avis sur la demande d’autorisation et les résultats de l’enquête. Le préfet statue par arrêté après consultation du Conseil départemental de l’environnement et des risques sanitaires et technologiques (CODERST). Les déclarations sont soumises à l’avis des services intéressés et sont transmises, pour information, aux maires des communes. Le préfet dispose de deux mois après réception de la déclaration pour édicter, le cas échéant, des prescriptions destinées à préserver les intérêts mentionnés à l’article L161-1 du code minier (sécurité des travailleurs, sécurité publique, environnement, eaux, patrimoine, etc.).
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Exemple d'Exploitation : La Ferrière-aux-Etangs
La concession de la Ferrière-aux-Etangs est instituée en 1901 par la Société des Hauts Fourneaux Forges et Aciéries de Denain et d'Anzin. La concession suit la structure du synclinal de la Ferrière-aux-Etangs, qui s'étend sur 6km du Nord-Ouest au Sud-Est mais n'excédant pas 700m de largeur. Les premières traces de minières furent attestées dés 1353 à ciel ouvert afin d'alimenter les forges voisines situées sur l'Etang de la Ferrière, appelé "Etangs des Forges". Deux galeries (Saint Robert vers le Sud et Saint-André vers le Nord) sont initialement creusées à "La Fieffe" pour rejoindre la couche de minerai, parallèlement les fours de calcination de la Butte Rouge sont construits. Ces deux sites sont reliés par une voie ferroviaire, et plus tard par une galerie en travers banc de 600m (TB 220). Par la suite ce travers banc servira pour l'exhaure. Un nouveau puits est fonçé à partir de 1930, qui deviendra le puits central de l'exploitation, il s'agit du puits Pralon. Il est mis en service à partir de 1939, il dessert trois accrochages à -20m, -115m et -215m. La production passe de 178 000 tonnes en 1920 à 720 000 tonnes en 1960. Le puits Pralon est ravalé jusqu'à -470m avec trois nouveaux accrochages à -300m, -350m et -400m. Son nom provient de Leopold Pralon (1855-1938), délégué général du conseil d'administration de la société de Denain-Anzin en 1896 et Président en 1932. On peut encore lire sur le bâtiment d'extraction les initiales de la société Denain-Anzin, avec en dessous une représentation de trois pics.
Méthodes d'Exploitation
L'exploitation à la Ferrière a débuté par le creusement de deux galeries au sud de la Fieffe (Saint André et Saint Robert). En 1905 on creuse un TB de 600m qui rejoignait les deux galeries et permettait de sortir le minerai par ici, ainsi que l'exhaure. Il a servi jusqu'en 1939 avant la mise en exploitation du puits Pralon. Entre temps, deux autres puits sont foncés et mis en service respectivement en 1918 et 1923. Ils permettent l'exploitation en profondeur des premiers travaux, depuis les étages du 250 et 220 jusqu'aux étages 175 et 125.
Installations et Infrastructures
La cité du Gué-Plat fait partie des sept cités minières parmi lesquelles on compte : La cité Bellevue, la cité de la Haie, la cité de la Butte-Rouge, la cité du Brûlé, la cité des Castors et la cité Soudan. Ils sont les premiers fours à être construits en Basse-Normandie, ils ont été au nombre de neuf (1918). Le minerai était vidé en haut des fours par berlines puis mélangé avec du charbon, avant d'être déversé dans le four, qui le calcinait pendant trente heures. Le minerai calciné était ensuite récupéré à la base du four directement dans des berlines vides. Par la suite, le minerai calciné tombait directement dans des wagons de 40 tonnes qui partaient directement vers l'expédition. En 1935 une seconde génération de fours est construite, à la Haie en remplacement de ceux de la Butte Rouge. Ils entrent en fonctionnement en même temps que le puits Pralon. Il y avait huit fours, 6 ronds et 2 carrés, chaque four pouvait contenir 600 tonnes de minerai. Chaque mois 45 000 tonnes de minerai calcinés étaient expédiés par wagons.
Autres Sites d'Exploitation en Normandie
Voici l'ancien bureau de la mine de Gouvix. Il reste également cette structure, faisant penser à un chevalement mais qui a une forme assez différente. Il se trouvait entre l'aire de stockage du minerai et le départ du transporteur aérien. Le minerai, plus jeune, est issu de l'Ordovicien et suit le synclinal de May-sur-Orne d'Est en Ouest. La concession est attribuée en 1896 à Mr Chollet Ernet et Samson Georges sur une superficie de 964 Ha. La SMPC accédait à la mine par une descenderie située au centre de la concession à la Hogue et évacuait le minerai par un travers banc situait au niveau de l'Orne. L'extraction se concentre désormais vers ce secteur. A partir de 1918 une nouvelle descenderie est donc établie de ce côté (Descenderie de l'Orne) et munie de deux skips qui déversent le minerai directement dans des trémies qui peuvent contenir jusqu'à 1200 tonnes. Un nouveau puits, le puits Lorguichon, nommé puits Urbain Le Verrier (ULV), en hommage à son inventeur, est fonçé en 1919, il atteint -163m de profondeur. Le minerai qui sortait du puits central était acheminé par bande transporteuse jusqu'aux silos du haut d'une contenance de 1500m³ chacun. Le minerai concassé en quatre granulométries différentes était ensuite stocké dans les 4 silos du bas de 5000m³ chacun.
Soumont
Le bassin ferrifère de Soumont s'intègre dans le synclinal Sud de Soumont en s'orientant Nord-Ouest vers le Sud-Est, il est caractérisé par un pendage de 30 à 45°, et peut aller jusqu'à 60° dans sa partie Ouest. On a exploitée qu'une seule couche qui varie entre 3m et 6m de puissance dans les zones les plus penchées. La SMS procédera au rachat de toutes les concessions : Estrées en 1923, Barbery en 1939, Cinglais, Perrières en 1957 et Urville en 1973. La mine qui envoie toute sa production à la SMN et dont Soumont représente l'unique client, fait face à la crise de la sidérurgie. Elle décide afin de se maintenir, d'importer son minerai (plus riche) plutôt que de le faire venir de Soumont.
Aisy
En 1960 débute le fonçage du puits d'Aisy, il est mis en service en 1970 il s'agit d'une tour d'extraction de 30m de haut, le puits atteint la profondeur de -560m. C'est la seule tour d'extraction du bassin. La recette du puits est semi automatique et permet d'encager/décager deux cages contenant chacune deux étages dont l'extraction atteint 4500t/jour.
Saint-Clair-de-Halouze
L'exploitation minière à Saint-Clair-de-Halouze est divisée en deux concessions, celle de Halouze (1884) et celle de Larchamp (1903). C'est la Societé des Acieries de France qui commence l'exploitation en 1905. Le puits 1 bis est fonçé sur le carreau du puits 1 en 1931, il a un diamètre de 4,5m et atteint la profondeur finale de -365m avec 6 accrochages. En s'éloignant du carreau et en se dirigeant vers les autres puits, on remarque que les terrains sont complètement bouleversés mais facilement reconnaissable. Les autres puits sont noyés, car ils sont situés plus bas, il y a des étangs qui se sont crées à ces endroits. Ils sont en fonctionnement de 1920 jusqu'à la fermeture de la mine en 1978. Les fours sont munis de soufflage et ventilateurs électriques. On les chargent et on les déchargent de jour, on les soufflent pendant la nuit. Le minerai est ensuite refroidi dans un parc pendant 24h. Un tunnel est construit en contrebas des fours, une fois le minerai grillé celui-ci était déversé via des trémies dans ce tunnel et tombait directement dans des wagonnets. Le transport des wagonnets sur voie étroite était assuré par des trolleys électriques jusqu'à la gare du Châtelier. Ce qui est marrant, c'est que les rails utilisés ici proviennent des aciéries de Lorraine, de chez De Wendel et Micheville.
Barbery
Il s'agit du premier carreau minier construit dans la commune de Saint-Germain-Le-Vasson. La concession est instituée en 1900 à la Société des Mines de Barbery. Un chevalement est installé à partir de 1903 et deux fours à griller suivront plus tard. En 1907, la mine est entièrement noyée et abandonnée, elle ne sera reprise qu'à partir de 1912. En parallèle avec la mine des Fontaines, le carreau du Livet est ouvert à partir de 1907. Il a l'avantage de pouvoir accéder aux chantiers par une entrée à flanc de coteau. On a exploité le minerai hématisé (53% de fer) en premier (il se trouve à la base) puis le carbonaté (48%), sur une couche représentant 7 à 8m d'épaisseur. Tout le minerai est transporté par les galeries souterraines et ramené par gravité par un travers banc de 500m jusqu'au niveau 0 qui représente l'emplacement du carreau minier. Il est remonté au jour au niveau des anciens fours à griller par un plan incliné à l'aide d'une bande transporteuse. Le grillage du carbonaté commence à partir de 1921.
Usine de Refroidissement
Pour rappel l'usine fût construite à partir de 1912 et fonctionna de 1917 jusqu'au 5 Novembre 1993, date de fermeture. Le but premier d'une tour de refroidissement comme son nom l'indique est de refroidir un liquide chaud, à l'aide d'un courant d'air. L'eau chaude arrive par l'orifice central, et se déverse dans ses grands canaux de distribution, qui vont amener l'eau vers des canaux secondaires. Une fois rempli, l'eau va déborder (parfois celle-ci est pulvérisé directement) et tomber en gouttelettes sur les lattes ou clayettes situées en dessous. Celles-ci permettent de fractionner l'eau et augmente par la même occasion leur temps de séjour dans la tour. Le courant d'air arrivant naturellement d'en bas de la tour par tirage, et remontant vers son sommet va alors refroidir l'eau par évaporation.
Forges
Entourée par la Varenne, les forges se composent d'un haut fourneau, de forges d'affinage et d'une fenderie. Le fer extrait alors des mines aux alentours était fondu dans le haut fourneau, puis la fonte était transformée en acier à l'affinerie et enfin l'acier obtenu était travaillé à la fenderie pour en faire des barres, pour les forgerons, cloutiers et maréchaux-ferrants.
BIF et Oxydation de l'Océan
Vieille de plus de 2,4 milliards d’années, elle est le produit de l’accumulation de couches sédimentaires dans un environnement marin très spécifique. C’est d’ailleurs dans une des formations les plus anciennes du globe (- 3,6 à - 3,2 milliards d’années) et les mieux préservées que ce spécimen a été collecté. Sa composition chimique, notamment sa forte concentration en fer, témoigne d’une absence d’oxygène dans les océans de l’époque. Témoin d’un monde anoxique dans lequel seule une vie bactérienne était possible, cette accumulation de fer en grande quantité il y a plus de 2,4 milliards d’années constitue aujourd’hui pour l’humanité la plus grande source de fer exploitable.
Évolution de l'Oxygène Atmosphérique
L'évolution de l'oxygène atmosphérique est étroitement liée à la formation des BIF. Les fers rubanés présentés ici sont archéens et proviennent de la série de Fig Tree, âgée de -3,26 à -3,22 Ga. La présence de fer rubané indique une nature (atmosphère et océan) globalement réduite, où l'oxydation du fer Fe2+ présent en solution dans l'eau de mer était limitée. L'oxydation massive du fer et sa précipitation sous forme d'hématite ont contribué à la transformation générale de l'eau de mer par l'atmosphère, qui est devenue elle-même riche en O2 à cette époque.
Des « oasis » de vie photosynthétique localisés, comme des tapis ou des amas de cyanobactéries, ont pu jouer un rôle crucial dans la production d'oxygène.
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