Geochemical and crystal-chemical processes of scandium enrichment from the mantle to lateritic contexts - Contribution to the understanding of the processes of critical metals enrichment

par Mathieu Chassé

Thèse de doctorat en Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Sous la direction de Georges Calas et de William L. Griffin.

Soutenue le 08-09-2017

à Paris 6 en cotutelle avec Macquarie university (Sydney, Australie) , dans le cadre de École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie- de physique des matériaux et de cosmochimie / IMPMC (laboratoire) .

Le président du jury était Loïc Labrousse.

Le jury était composé de Michel Grégoire, William Griffin, Suzanne O'Reilly.

Les rapporteurs étaient Janet Hergt, Cécile Quantin, Frances Wall.

  • Titre traduit

    Processus Géochimiques et Cristallochimiques d'enrichissement en scandium depuis le manteau jusqu'aux contextes latéritiques - Contribution à la compréhension des processus d'enrichissement en métaux critiques


  • Résumé

    L'approvisionnement en métaux rares est devenu un sujet de préoccupation majeur du fait de nombreuses incertitudes géopolitiques et de leur utilisation croissante dans des produits de haute technologie. Cependant, pour assurer l'approvisionnement, des progrès doivent être accomplis dans la compréhension de la ressource. Parmi les métaux rares, la demande potentielle pour le scandium (Sc) est croissante, du fait de son utilisation dans des alliages de haute technologie ainsi que dans les piles à combustible. L'approvisionnement n'est actuellement pas assuré mais les gisements latéritiques sont des cibles prometteuses. Le Sc pourrait devenir un sous-produit de nombreuses latérites nickélifères, et même le principal produit des minerais latéritiques à fortes teneurs découverts dans l'est australien. Pour comprendre l'origine de ces enrichissements latéritiques en Sc, nous avons étudié les processus géochimiques et cristallochimiques qui forment l'un de ces gisements (Syerston–Flemington, Nouvelle-Galle du Sud). Une méta-analyse des études géochimiques portant sur les roches et minéraux mantelliques, qui forment les roches mères de toutes les latérites enrichies en Sc connues à ce jour, révèle que les lithotypes les plus favorables sont les cumulats à clinopyroxène ou amphibole. Cette étude montre aussi un changement drastique dans la compatibilité du Sc avec la profondeur dans le manteau, allant d'incompatible dans le faciès à spinelle à compatible dans le faciès à grenat. Cette dualité est particulièrement intéressante pour tracer la profondeur de fusion partielle des roches extrusives.Une étude intégrée combinant diffraction des rayons X, analyses chimiques en roche totale et à l'échelle microscopique, ainsi que l'absorption des rayons X, a été menée dans le but de comprendre les processus de concentration du Sc durant l'altération latéritique. Les profils latéritiques riches en Sc résultent de la dissolution des minéraux primaires présentant des enrichissements en Sc légers, mais significatifs. Ensuite, le Sc est piégé successivement par les smectites, puis les oxydes de fer après la dissolution des phases argileuses. Les teneurs en Sc reflètent la haute capacité d'adsorption de cet élément par la goethite. Avec les mécanismes de dissolution–précipitation formant des générations successives de goethite, cette capacité préserve l'immobilité du Sc alors que la plupart des autres éléments sont lessivés, amenant à de hautes concentrations résiduelles.


  • Résumé

    The supply of rare metals has become a great concern due to the combination of geopolitical uncertainties and increasing use in new high-technology materials. However, to secure supply, progress on the understanding of the resource is needed. Among rare metals, there is a growing potential demand for scandium (Sc), resulting from its use in high-performance alloys and solid oxide fuel cells. The current supply is not guaranteed but lateritic deposits are a promising target. Scandium could become a by-product of many nickel laterites, and even the main product of high-grade lateritic Sc ores in eastern Australia. To understand the origin of lateritic Sc enrichment, we investigated the geochemical and crystal-chemical processes forming one of these deposits (Syerston–Flemington, New South Wales). A meta-analysis of geochemical studies on mantle-derived rocks and minerals, which form the parent rocks of all known Sc-enriched laterites reveals that the most favourable lithotypes are cumulates of clinopyroxene or amphibole. It also shows a drastic change in the compatibility of Sc with increasing depth in the mantle, ranging from incompatible in the spinel facies to compatible in the garnet facies. This dichotomy is of great interest for tracing the depth of partial melting of extrusive rocks.Integrated X-ray diffraction, whole-rock and microscopic chemical analyses and X-ray absorption spectroscopy have been used to understand the processes that concentrate Sc during lateritisation. Scandium-rich lateritic profiles result from the dissolution of primary minerals containing slight but significant Sc enrichment, followed by successive trapping by smectite and iron oxides after dissolution of the clay phases. Scandium grades reflect the high capacity of goethite to adsorb this element. Along with mechanisms of dissolution–precipitation forming successive generations of goethite, it preserves Sc immobility while most other elements are leached, leading to high residual concentrations of Sc.

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