Caractérisation géoélectrique du graphite naturel et application à l'exploration minérale

«RÉSUMÉ: Le graphite naturel occupe une place prépondérante dans les industries énergétiques du Canada grâce à ses propriétés conductrices et à sa polyvalence dans diverses applications. Malgré sa valeur significative, l’approvisionnement de cette matière première reste un défi mondial, menant à des activités d’exploration minière intenses pour identifier et caractériser les gisements de graphite naturel. Ce travail de recherche vise à approfondir les connaissances sur les phénomènes de polarisation provoquée spectrale (PPS) caractéristiques des minéralisations de graphite, afin d’améliorer l’efficacité des méthodes géophysiques non invasives appliquées à la prospection minière. Pour atteindre ce but, des analyses des propriétés physiques d’échantillons de roches ont été effectuées en laboratoire et des simulations numériques ont été réalisées pour analyser les données expérimentales. Premièrement, des mesures expérimentales de la polarisation électrique de milieux sableux non consolidés et saturés contenant des inclusions conductrices de graphite dans la gamme de fréquences 100 mHz à 20 kHz ont été effectuées. La réponse spectrale de la polarisation a été étudiée en faisant varier la concentration volumique en graphite de 0 % à 5 % dans les échantillons. Ces expérimentations mettent bien en évidence l’importance de la concentration des minéraux conducteurs sur les mécanismes géophysiques de PPS. Deuxièmement, nous avons modélisé la réponse de PPS observée sur nos échantillons en utilisant des méthodes de décomposition de Debye et avons interprété différents paramètres physiques en fonction des propriétés des échantillons. Cette approche a permis d’obtenir un bon ajustement entre les modèles et les données expérimentales, et a démontré que l’augmentation des teneurs en graphite de 0 % à 5% augmente la chargeabilité normalisée de 0.0019 à 0.0055. Ce résultat montre que les propriétés géoélectriques des roches sont diagnostiques de la concentration en graphite dans celles-ci. Puis, afin de raffiner l’interprétation des mesures expérimentales selon des paramètres pétrophysiques, une étape de modélisation mécaniste basée sur les équations de Poisson-Nernst-Planck (PNP) a été effectuée. Finalement, pour établir un lien entre les observations expérimentales et un modèle physique à l’échelle du terrain, une simulation numérique 2D a été entreprise. Ces modélisations, utilisant la méthode des éléments finis, ont permis de caractériser les propriétés électriques des zones minéralisées à 4 % et 5 % de graphite caractéristiques du gisement de Matawinie. En comparant les réponses géophysiques simulées avec des configurations d’électrodes de type dipôle-dipôle espacées de 10 m et 30 m, on conclut que la méthode géophysique de PPS est sensible à la présence de zones enrichies en graphite, et ce jusqu’à une profondeur d’environ 200 m.»

Abstract

«ABSTRACT: Natural graphite plays a key role in Canada’s energy industries, thanks to its conductive properties and versatility in a wide range of applications. Despite its significant value, the supply of this raw material remains a global challenge, leading to intense mineral exploration activities to identify and characterize natural graphite deposits. The aim of this research is to increase our knowledge of the spectral induced polarization (SIP) phenomena characteristic of graphite mineralization, in order to improve the effectiveness of non-invasive geophysical methods applied to mineral exploration. To achieve this goal, physical property analyses of rock samples were carried out in the laboratory, and numerical simulations were performed to analyze the experimental data. Firstly, experimental measurements of the electrical polarization of saturated unconsolidated sandy media containing conductive graphite inclusions in the 100 mHz to 20 kHz frequency range were carried out. The spectral response of the polarization was studied by varying the volume concentration of graphite in the samples from 0 % to 5 %. These experiments clearly demonstrate the importance of conductive mineral concentration on SIP geophysical mechanisms. Secondly, we modelled the SIP response observed on our samples using Debye decomposition methods and interpreted different physical parameters as a function of sample properties. This approach provided a good fit between models and experimental data, and demonstrated that increasing graphite contents from 0to5 increases normalized chargeability from 0.0019 to 0.0055. This result shows that the geoelectric properties of rocks are diagnostic of their graphite concentration. Then, in order to refine the interpretation of the experimental measurements according to petrophysical parameters, a mechanistic modeling step based on the Poisson-Nernst-Planck (PNP) equations was carried out. Finally, to establish a link between experimental observations and a field-scale physical model, a 2D numerical simulation was undertaken. Using the finite element method, these models were used to characterize the electrical properties of the 4% and 5% graphite mineralized zones characteristic of the Matawinie deposit. By comparing simulated geophysical responses with dipole-dipole electrode configurations spaced 10 m and 30 m apart, we conclude that the SIP geophysical method is sensitive to the presence of graphite-enriched zones, down to a depth of around 200 m.»