Mineralization of Nickel in saprolitic ore of New Caledonia : Dynamics of metal transfer and modeling of coupled geochemical and hydrodynamic processes

par Andrey Myagkiy

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Fabrice Golfier et de Laurent Truche.

Le président du jury était Marie-Odile Simmonot.

Le jury était composé de Cécile Quantin, Vincent Lagneau, Martine Buatier, Jean-Paul Ambrosi, Michel Cathelineau.

Les rapporteurs étaient Cécile Quantin, Vincent Lagneau.

  • Titre traduit

    La minéralisation du nickel dans le minerai saprolitique de Nouvelle-Calédonie : étude de la dynamique de transfert des métaux et modélisation couplée des processus géochimiques et hydrodynamiques


  • Résumé

    La Nouvelle-Calédonie détient d’importantes réserves de nickel latéritique et est devenue, en 2017, le cinquième producteur mondial de Ni. Ces dépôts sont habituellement considérés comme résultant d’altération latéritique intense de la péridotite, qui constitue la principale source de nickel. Ainsi, le principal modèle conceptuel de la formation des minerais de nickel latéritique en Nouvelle-Calédonie est un modèle per descensum où la plupart des éléments (Mg, Ni et Si) ont été lessivés depuis la surface, en particulier lors du développement du sol latéritique. Le nickel est ensuite reprécipité, soit dans la goethite de la latérite fine, soit au niveau de la saprolite, sous forme de goethite et de silicates Mg-Ni, dont des talc-like ou kérolite. Les observations minéralogiques et structurales récentes ainsi que les données minières ont cependant mis en évidence de nombreux types d’hétérogénéités dans les concentrations, et la distribution des porteurs de Ni. Comprendre les facteurs la mobilité de cet élément, ses mécanismes de piégeage ainsi que les paramètres chimiques et hydrodynamiques à l’origine de ce piégeage, est essentiel afin de prévoir la distribution du nickel dans les profils latéritiques en Nouvelle-Calédonie, et constitue l’objectif de cette thèse. Ce travail est basé sur le développement (i) d’un modèle 1D s’intéressant en particulier au comportement géochimique du nickel lors de l’altération de l’ophiolite, sa comparaison avec les observations in situ et une compréhension détaillée de la mobilité des éléments traces pendant le processus, et (ii) d’un modèle 2D hydro-géochimique couplé avec l’hydrodynamique complexe des profils latéritiques, améliorant ainsi la connaissance du contrôle structural sur la redistribution et la minéralisation du nickel. Tandis que les simulations 1D permettent de mieux comprendre les aspects chimiques contrôlant les processus de rétention du nickel au sein d’un profil, le modèle 2D se révèle être un outil puissant pour la compréhension de la formation des dépôts locaux les plus riches en nickel. Les résultats du modèle 2D montrent une remobilisation du nickel depuis les horizons supérieurs puis sa reprécipitation sous forme de silicates dans la saprolite. Le nickel remobilisé provient principalement de la zone saprolitique à cause de la dissolution des silicates de nickel formés précédemment ainsi que de l’olivine résiduelle de cette zone. Ce modèle a également révélé que l’horizon latéritique (et en particulier les oxy- hydroxydes de nickel) avait un faible impact dans la remobilisation du nickel. L’infiltration latérale de l’eau contenant le nickel dissout issu des formations surincombantes est à l’origine de la formation des zones les plus riches dans les parties inférieures du profil. Cette redistribution est entièrement contrôlée par l’hydrodynamique locale, la topographie ainsi que l’orientation et la position des fractures. Les modèles présentés permettent d’expliquer les processus de formation des minerais de nickel latéritique saprolitique, améliorant ainsi la compréhension des paramètres contrôlant la mobilité des éléments traces dans un environnement ultramafique. Ceci donne une nouvelle clé de distribution du nickel dans les profils actuels, qui peut devenir un outil pour la prospection minière, et la recherche de nouvelles ressources exploitables


  • Résumé

    New Caledonia hosts significant lateritic nickel reserves, and presently became the fifth largest Ni producer in the world. These deposits are generally thought to be closely as- sociated with the intense chemical and mechanical weathering of peridotite bedrock that is a principal source of nickel. Thus, the main ore genesis model for Ni ores in New Caledonia is based on a single per descensum model where most elements (Mg, Ni, and Si) are leached from the surface, particularly, during lateritic soil development. Nickel is then concentrated either in the fine-grained laterite where goethite is the main Ni bearer, the so-called ’lateritic ore’, or below the laterites, in the saprolite level, where nickel occurs as goethite and several types of Mg-Ni silicates, in particular kerolite. Recent mineralogical and structural observations together with mining data have revealed a lot of different types of heterogeneities associated with the distribution and mineralogy of Ni bearing minerals. Therefore, in depth investigations of Ni mobility, its retardation processes along with its governing chemical and hydrodynamic parameters are of big importance for understanding and subsequent prediction of Ni distribution in profiles of New Caledonia. Such an investigation is an objective of the present work. The concept is based on the development of i) a powerful 1D model with particular emphasis on Ni geochemical behavior during ophiolite weathering, its comparison with in situ observations, and detailed understanding of trace elements mobility, and ii) 2D hydro-geochemical model coupled with complex hydrodynamics, that would additionally provide new insight into the structural control on Ni redistribution and mineralization. While the 1D simulations provide a remarkable result for understanding the chemical features that drive Ni retention processes in a profile, 2D model appears to be a powerful tool for understanding how local Ni-enrichments may form. The results of this model show the reactivation of Ni from upper horizons and its concentration in neo-formed silicates in bottom of the saprolite. The reactivated Ni comes mostly from the saprolite horizon due to the redissolution of previously formed Ni-bearing silicates and still persisting in this olivine zone. Modeling has revealed minor contribution of the laterite horizon (Ni-oxi-hydroxides) into the Ni remobilization. The lateral infiltration of water with remobilized Ni from areas such as topographic highs to downstream slope areas leads to the formation of richest deposits in this lower part of profile. The manner of redistribution is fully governed by the topographic slopes, orientation and position of the fractures. Presented models appear to be of importance in attempt of explanation of Ni mineralization processes, revealing the main keys to understanding the control of trace elements mobility in ultramafic environment. The latter gives new insights into the Ni distribution in present day profiles and, therefore, may greatly help in mineral prospecting and forecasting the distribution of future resources



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 23-12-2019

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