Nouveaux outils pour l'exploration en profondeur

En mars 2023, la Commission européenne (UE) a annoncé la cinquième version de sa liste des matières premières critiques. Cette fois-ci cependant, un nouveau terme a été utilisé : « métaux stratégiques ». Il était évident que les risques d’approvisionnement et l’importance économique ne constituent plus les seuls critères et que les demandes futures doivent être prises en compte dans cette ère de transition énergétique et d’électrification. Le cuivre et le nickel ont donc été ajoutés à la liste. Ces actions visent à développer des chaînes de valeur résilientes pour les écosystèmes industriels de l’UE, à réduire la dépendance à l’égard des matières premières primaires critiques grâce à l’utilisation circulaire des ressources, aux produits durables et à l’innovation, à renforcer l’approvisionnement national en matières premières dans l’UE et à diversifier l’approvisionnement auprès des pays tiers tout en éliminant les distorsions du commerce international. Smart Exploration a été lancé en 2017 dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon2020 de l’UE visant à développer des solutions géophysiques rentables et respectueuses de l’environnement pour l’exploration minière. Le projet d’une durée de trois ans s’est achevé en 2020. Il impliquait un consortium de 27 partenaires provenant de neuf pays de l’UE et comprenait plusieurs acteurs du monde universitaire, de l’industrie et des organismes publics locaux.

L’objectif principal de Smart Exploration était de faire évoluer les habitudes d’exploration vers un état d’esprit entrepreneurial dans lequel les universitaires et les entreprises sont conscients des risques, se projettent dans l’avenir et sont prêts à adopter et à appuyer les nouvelles technologies à l’exemple des pratiques de l’industrie biomédicale. L’innovation était la pierre angulaire du projet. Elle a débouché sur cinq nouveaux prototypes géophysiques et six méthodes d’imagerie et de modélisation en 3D. Ces prototypes étaient les suivants : (1) un transmetteur de temps GPS pour les environnements non couverts, (2) un vibrateur sismique électrique pour l’imagerie à large bande, (3) un système modulaire pour les forages d’exploration de faible diamètre, (4) un système électromagnétique transitoire héliporté pour la prospection en profondeur, et (5) une plateforme modulaire magnétique-électromagnétique basée sur un drone. Pour illustrer leurs applications, le transmetteur de temps GPS a été utilisé dans la mine de SMV de classe mondiale de Neves-Corvo au Portugal pour imager l’extension en profondeur de la minéralisation en générant et en enregistrant simultanément des tirs sismiques sous terre et en surface à l’aide d’une configuration quasi-3D à partir de quatre tunnels d’exploration situés à une profondeur de 690 m. Un levé de ce type aurait été impossible sans ce prototype intelligent et facile à mobiliser. Cette innovation a depuis été utilisée dans des mines plus profondes en Afrique du Sud et en Suède, permettant une meilleure lecture du sous-sol à l’exemple des systèmes d’imagerie par IRM. En conclusion, Smart Exploration a amélioré la pratique de la géophysique d’exploration en Europe, un héritage qui pousse à l’innovation dans ce secteur de l’exploration minérale en cette période importante de transition énergétique.

Les mesures de densité des roches représentent un élément essentiel pour caractériser les masses des roches. Elles sont nécessaires dans presque toutes les industries qui dépendent du sous-sol pour leur approvisionnement en matériaux et en ressources ou encore l’ingénierie des infrastructures, y compris l’exploitation minière et l’énergie. Les mesures de volumes et des masse des composants solides, liquides et gazeux des matériaux géologiques — soit en laboratoire à l’aide de carottes ou de déblais de forage, soit in situ au moyen de diagraphies géophysiques dans les trous de forage — sont des éléments standards et importants qui permettent de déterminer leurs propriétés géotechniques et géomécaniques. Pour la caractérisation in situ de la masse rocheuse dans les trous de forage, les instruments de diagraphie comportant une source radioactive de rayons gamma sont employés de façon standard dans la mesure de la densité apparente.

Ces dernières années, le coût d’utilisation global de ce type d’outils de diagraphie a considérablement augmenté. Cette évolution peut être expliquée par les contraintes liées au stockage et au confinement des sources radioactives, aux permis et à la formation nécessaires pour l’entretien et l’utilisation de ces sources, au temps additionnel pour la préparation et l’approbation des documents, à la logistique associée à l’accès aux sites de travail et au stockage des sources sur site pour les projets de longue durée. Tous ces éléments s’ajoutent aux problèmes rencontrés à l’étape d’acquisition des données sur le terrain durant lequel l’instrument de diagraphie est descendu dans un trou de forage, un environnement intrinsèquement instable et imprévisible où il peut rester coincé. Cette possibilité de blocage dans le trou augmente considérablement les risques, ainsi que les retards et les coûts de récupération de la source en cas d’incident.

Le coût croissant d’utilisation de la méthode traditionnelle de diagraphie de densité in situ à l’aide d’une source radioactive s’ajoute au fait que cette mesure est indirecte et qu’elle nécessite une connaissance du matériau mesuré et des corrections pour tenir compte des paramètres du trou de forage (taille du trou, rugosité, décalage du capteur par rapport aux parois du trou, matériau et taille du tubage s’il y en a lieu, etc.) afin de calculer le résultat. L’instrument mesure la densité apparente, c’est-à-dire la densité combinée des minéraux de la roche, de l’eau et de l’air présents dans les pores. La relation entre la roche et l’espace interstitiel est également importante, car ils sont intrinsèquement liés l’un à l’autre. Lorsque la densité de la matrice ou des grains du volume de roche mesuré est connue, la porosité totale peut alors être déterminée. Par conséquent, si l’on peut déterminer la porosité de la roche à partir de la mesure de la densité matricielle, serait-il possible d’utiliser une mesure de porosité de haute qualité avec la même densité matricielle déduite pour calculer la densité apparente?

Cet exposé présentera l’utilisation de la résonance magnétique dans les trous de forage par la méthode de diagraphie WIREBmr pour calculer la densité apparente de la roche. Cette méthode directe et indépendante de la lithologie mesure la porosité totale et la distribution de la taille des pores dans une roche saturée en eau et n’utilise pas de source radioactive. Des exemples de diagraphies WIREBmr, de diagraphies de densité et de valeurs de densité testées en laboratoire permettront de comparer ces méthodes de mesure de la densité apparente en fonction du niveau de précision et de résolution dans un programme de diagraphie géophysique dans des applications géotechniques ou géomécaniques, en tenant compte des considérations relatives au retrait d’un instrument à source radioactive incluant tous les coûts et les risques associés décrits plus haut.

Auteurs : Gervais Perron, R. Nicholls, R. Lindhjem et E. Brandslet (IMDEX)

Au cours des dernières décennies, l’exploration minérale a dû s’adapter à la réalité des gisements de plus en plus profonds (> 500 m). Cette tendance semble être là pour de bon. Ainsi, plusieurs innovations en géophysique, géochimie/minéralogie et géologie structurale ont été développées et sont maintenant en mesure d’identifier des cibles de qualité en profondeur. Il en est de même pour l’intégration de données multidisciplinaires et les modèles 3D qui en résultent. Mais qu’en est-il de notre capacité à atteindre ces cibles de façon précise tout en réduisant le temps associé à une campagne de forage, le nombre de mètres à forer ainsi que notre empreinte environnementale? Ce sont là les défis auxquels s’attaque le forage directionnel.

Le forage directionnel permet de changer localement la trajectoire d’un forage afin de répondre à des critères 1) de contrôle de déviation, 2) de design des trous parents/enfants, et 3) de flexibilité. Ainsi, il est possible d’atteindre une cible avec précision, de réduire la quantité de forages requis pour atteindre plusieurs cibles, de répondre à des contraintes de localisation de la foreuse et/ou d’orienter un forage afin de contrôler l’angle d’entrée sur une cible. Il est aussi possible de récupérer une carotte ou non lors de ce processus.

La déviation moyenne permise par le forage directionnel se situe aux alentours de 9° par 30 m et peut être reproduite plusieurs fois. Celle-ci est dictée par la courbure maximale qui peut être transmise aux tiges de forage. Basés sur ces limitations ainsi que sur les différents paramètres d’entrée (nombre et distance entre les cibles, nombre et localisation des collets, etc.), un plan de forage est calculé et une séquence est proposée. Cette technique est généralement réalisée à partir d'un forage au diamant conventionnel. Le forage directionnel est utilisé seulement afin de corriger la trajectoire d’un trou ou de créer un ou plusieurs nouveaux trous enfants. Il est important de vérifier périodiquement la progression du forage directionnel à l’aide d’outils magnétiques ou de gyroscopes afin d’assurer précision et sécurité.

Les bénéfices reliés au forage directionnel seront illustrés par une étude de cas au Canada dans un environnement aurifère.

Utilisée depuis près d’une vingtaine d’années comme outil de recherche géoscientifique, l’imagerie hyperspectrale se démocratise rapidement dans le domaine de l’exploration et de la production minière. Les principes de base de la spectroscopie par réflectance seront présentés, suivis par la présentation des instruments hyperspectraux disponibles et par des exemples d’application des différentes plages spectrales. Les instruments les plus communément utilisés fonctionnent dans des longueurs d’onde du visible-proche infrarouge (400 à 1000 nm) et dans l’infrarouge à ondes courtes (1000 à 2500 nm) et servent respectivement à détecter les éléments de terres rares et les minéraux hydratés. Les instruments dans l’infrarouge à ondes moyennes (2500 à 5000 nm) et ondes longues (8000 à 12 000 nm) ont été introduits récemment sur le marché et offrent la possibilité de détecter directement les carbonates et les silicates non hydratés, respectivement. Typiquement, les imageurs hyperspectraux acquièrent des données à haute résolution spatiale (< 1 mm/pixel) sur l’entièreté d’une boîte de carottes de forage en moins d’une minute. Il est donc possible d’obtenir rapidement des données géologiques fiables et objectives lors d’une campagne d’exploration, ce qui peut permettre de mieux cibler les zones d’altération. Dans un environnement de production, l’utilisation de ces instruments offre la possibilité de rapidement faire le tri du minerai. Des exemples de l’utilisation de l’imagerie hyperspectrale au Canada seront présentés pour diverses substances, incluant l’or, le cuivre et les terres rares.

Auteurs : Lütfü-Çelebi Özcan, Kheireddine Rifai, Ofure Onodenalore et Florentine Zwillich (ELEMISSION)

La pratique actuelle en exploration minière consiste à implanter des forages pour prospecter des sites identifiés à l’aide des informations obtenues par télédétection et/ou prospection. Une fois les carottes extraites du sol, l’opération de description commence. Les géologues commencent par rapporter plusieurs points de données sur les carottes, puis sélectionnent les intervalles les plus intéressants à échantillonner pour des analyses élémentaires. Les foreuses restent sur place jusqu’à ce que le géologue d’exploration décide que suffisamment d’informations ont été recueillies sur ce site ou que le budget de forage soit épuisé. Les foreuses sont ensuite retirées du site. Les décisions touchant la suite de la campagne d’exploration restent en suspens jusqu’à ce que les résultats des analyses chimiques reviennent finalement des laboratoires d’analyses, souvent quelques mois plus tard. Il est important de noter que les analyses chimiques fournissent la composition élémentaire moyenne de la totalité d’un échantillon, mais elles ne donnent aucune information minéralogique quantitative sur celui-ci. Une technique d’analyse qui permettrait d’obtenir des résultats en temps réel à ce stade de l’exploration perturberait grandement l’exploration minière du point vue de l’efficacité et de la réduction des risques et des coûts.

Les instruments de numérisation des avoirs miniers ont été développés au début du siècle et commencent à susciter l’intérêt des sociétés d’exploration minière. L’imagerie hyperspectrale dans le proche infrarouge (SWIR, NIR et LWIR) est bien connue dans le domaine de l’exploration minière, que ce soit pour recueillir de l’information par satellite (Landsat 1 NASA-JPL, 1972) ou bien pour l’imagerie des carottes de forage. Bien que plusieurs compagnies aient travaillé à améliorer cette technique de spectroscopie moléculaire en combinaison avec la spectrofluorescence des rayons X (une technique élémentaire) dans des numériseurs multicapteurs, ces avancées ne permettent pas encore de créer un jumeau numérique d’une carotte de forage. Cependant, la technologie ECORE, lancée en 2021, représente une innovation technologique optique de rupture dans le domaine de la numérisation qui espère atteindre cet objectif.

Dans cette communication, l’utilisation de la technologie ECORE pour la numérisation des carottes de forage obtenues lors des campagnes d’exploration minière sera démontrée pour des dépôts de minéraux critiques tels que le lithium et le cuivre. Les variations de la composition minéralogique et géochimique en fonction de la profondeur de forage seront présentées et validées à l’aide des analyses chimiques obtenues à l’échelle macroscopique. De plus, l’utilisation des données générées par ECORE sera présentée dans un modèle géologique.

L’industrie minière est en constante évolution, incitant les compagnies à repenser leurs méthodes de travail et à revoir les paradigmes. L’augmentation importante des coûts de production, incluant notamment ceux reliés aux activités minières, nous pousse à optimiser les procédés déjà en place et à innover.

Les données provenant des carottes forage constituent la base de nombreuses activités définissant le cycle minier actuel. Des centaines de mètres de carottes sont recueillies chaque jour sur les sites d’exploration et d’exploitation. Les géologues s’efforcent de comprendre la géologie des dépôts en décrivant de manière qualitative les carottes de forage extraites du sol. Cette tâche soulève plusieurs défis quant à la constance, l’homogénéité ainsi qu’à l’efficacité des descriptions de forage.

Les progrès récents des technologies de numérisation de carottes de forage disponibles sur le marché et l’utilisation croissante de l’intelligence artificielle constituent une occasion pour l’industrie minière. Ces technologies offrent la possibilité d’améliorer considérablement la qualité de nos bases de données en favorisant l’extraction de données minéralogiques, lithologiques, structurales et texturales quantitatives provenant des carottes de forage. Ces données sont par la suite utilisées afin de prédire leurs caractéristiques géologiques, géotechniques, métallurgiques et environnementales avec l’utilisation d’algorithme d’intelligence artificielle. Dans les années futures, cette technologie a le potentiel de permettre une amélioration et une optimisation du temps passé dans la carothèque et d’augmenter la confiance dans les modèles de ressources et réserves. Cette avancée représente un avantage certain pour les compagnies qui auront tout en main pour valoriser leurs dépôts présents et futurs.

L’implantation d’une nouvelle technologie ou d’une nouvelle méthode de travail présente plusieurs défis et il est important de bien planifier et gérer cette transition. L’expérience d’Agnico Eagle dans ce projet permet d’identifier les critères de succès pour arriver à atteindre le plein potentiel de ces nouveaux outils. Un aspect important et non négligeable est la validation géologique des données recueillies. Il est donc primordial de donner aux géologues toutes l’information et les ressources nécessaires afin de bien comprendre les avantages et les limites de chacun de ces outils. L’optimisation des processus ira de pair avec une utilisation adéquate des données acquises.

Agnico Eagle s’engage dans la révolution numérique en gardant comme priorité la qualité des données utilisées et l’application des meilleures pratiques de l’industrie.