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Les ressources minérales, enjeu majeur du développement durable

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Georges Calas

Les ressources minérales, enjeu majeur du développement durable

Leçon inaugurale prononcée le jeudi 22 janvier 2015

Georges Calas

Note de l’éditeur

La chaire annuelle de Développement durable – Environnement, énergie et société reçoit le soutien de TOTAL.

Texte intégral

1Monsieur l’Administrateur,
Mesdames et Messieurs les Professeurs,
Chers collègues, chers amis,
Mesdames et Messieurs,

2C’est avec une certaine émotion que je fais cette démarche initiatique que constitue une leçon inaugurale au Collège de France. J’ai déjà donné des séminaires dans cette enceinte, dans le cadre des cours de Pierre-Gilles de Gennes et de Jacques Livage, mais le contexte est différent pour moi aujourd’hui. Je remercie avant tout l’Assemblée des professeurs de m’avoir élu et Clément Sanchez d’avoir été mon parrain. Je remercie également le groupe Total pour son soutien à cette chaire de Développement durable – Énergie, environnement et société.

Introduction

  • 1 Y. Bréchet, La Science des matériaux : du matériau de rencontre au matériau sur mesure, Collège de (...)

3Le domaine des ressources minérales représente un des volets du grand ensemble des ressources naturelles, à côté des ressources énergétiques et alimentaires, des richesses biologiques, dont la biodiversité, et des ressources que constituent les milieux physiques : sols, eau, atmosphère. Les ressources minérales sont très variées : que peut-on trouver de commun entre un diamant et un granite ? Elles servent à élaborer les matériaux de la vie de tous les jours comme les métaux, le ciment et le plâtre, les tuiles et les briques, les papiers, les verres, etc., qui ont des applications familières et façonnent notre quotidien : bâtiments et travaux publics, moyens de transport, technologies de la communication, informatique et électronique, etc. En fait, pour reprendre l’image d’Yves Bréchet dans sa leçon inaugurale1, on côtoie les matériaux de façon tellement fréquente dans notre vie de tous les jours qu’on les oublie.

4Dans l’ensemble des matériaux, les ressources minérales occupent cependant une place à part. Elles ont été formées par des processus géologiques souvent originaux ou exceptionnels, qui ne sont encore que partiellement compris. Le potentiel minier de la Terre est encore mal connu, car les zones minéralisées correspondent à des environnements géologiques plus diversifiés que les gisements d’hydrocarbures. L’exploration des ressources minières avance efficacement avec les progrès des connaissances géologiques et des techniques d’exploration. Représentant encore un secteur mal connu, les activités minières souffrent également de nombreux clichés hérités des siècles passés et qui ne correspondent plus à la réalité. L’exploitation des mines a souvent été le lieu d’événements tragiques et de mortalités de masse, liés à des causes accidentelles ou à des niveaux particulièrement élevés de pollution, se prolongeant parfois sur plusieurs décennies ou sur plusieurs siècles, et ayant conduit à la disparition de groupes évalués à plusieurs millions de personnes : mines du Potosí en Bolivie depuis le xvie siècle, goulags staliniens des mines de Norilsk ou de la Kolyma en Sibérie, ou encore les « minerais de la guerre », actuellement en Afrique centrale, ne sont que quelques exemples d’une longue liste. L’existence de ces problèmes a conduit le Parlement européen à adopter cette année un texte réglementant l’importation des minerais en provenance des zones de conflits armés et imposant une traçabilité des minerais le long de la chaîne de transformation.

  • 2 Voir la partie 6.

5L’exploitation des ressources minérales étant irréversible, celles-ci semblent non renouvelables. Cependant, à la différence des hydrocarbures naturels, de nombreux métaux peuvent être recyclés. L’augmentation de l’activité de recyclage et donc de la durabilité de ces ressources correspond à une évolution majeure de ces dernières années2. L’importance des volumes extraits ou simplement déplacés par l’activité minière dépasse aujourd’hui l’érosion naturelle ; elle est associée aux impacts potentiels des métaux présents dans les déchets miniers : l’activité minière doit ainsi concilier les impératifs environnementaux avec l’activité économique. On peut illustrer cette situation par l’extraction du nickel en Nouvelle-Calédonie, ces gisements de classe mondiale étant situés dans un environnement fragile, dont l’importance environnementale a été rappelée par le classement du lagon de Nouvelle-Calédonie au Patrimoine mondial de l’Unesco.

La diversité des ressources minérales

6Dans cette leçon, je n’aborderai pas l’ensemble des ressources minérales, mais j’en illustrerai cependant la grande diversité. Ces ressources n’ont pas les mêmes implications en termes d’enjeux socio-économiques : pour reprendre l’exemple mentionné plus haut, il existe de sept à neuf ordres de grandeur entre la valeur d’un diamant brut et celle d’un matériau granitique de même poids. Les différents types de ressources minérales ne posent pas non plus les mêmes questionnements en termes scientifiques, notamment concernant les messages qu’elles apportent sur les conditions de fonctionnement de notre planète, depuis les milieux magmatiques jusqu’aux environnements de surface.

7L’ensemble des ressources minérales possède des applications qui nous sont familières. On peut par exemple citer les matériaux de construction, utilisés de tout temps pour construire habitations et monuments. Même pour des ouvrages monumentaux récents comme le pont de Bercy à Paris, la qualité recherchée a imposé d’aller chercher un calcaire jurassique en Bourgogne, le comblanchien, dont les paramètres physiques, notamment les propriétés mécaniques et colorimétriques, correspondent aux exigences techniques souhaitées pour cet ouvrage tout en le mettant en cohérence visuelle avec les autres monuments de Paris.

  • 3 Un minéral correspond à un solide naturel caractérisé par une structure périodique et une compositi (...)
  • 4 Cet exemple sera développé dans la partie 3.

8Minerais et minéraux industriels sont des enjeux économiques majeurs. Les minéraux industriels représentent un volet important des ressources minérales. Certains de ces minéraux constituent simplement des matières premières ; « simplement » parce qu’ils disparaissent en servant de source d’éléments chimiques pour élaborer des produits finis, par fusion pour les verres ou par formation de nouvelles phases pour les céramiques, tuiles et briques, ciments, etc. Dans ces matériaux qui constituent notre quotidien, on ne trouve plus la trace directe de ces matières premières. D’autres ressources minérales, en revanche, vont se retrouver dans le produit fini, car ce sont les propriétés physico-chimiques de leurs constituants minéraux qui sont recherchées3. On peut citer comme exemple l’usage des minéraux argileux dans la fabrication des produits papetiers4, ou celui des minéraux de charge, que l’on retrouve dans la fabrication des plastiques et de nombreux matériaux composites. C’est un domaine passionnant, car il illustre directement les relations structure-propriétés dans les solides, montrant comment les propriétés structurales à l’échelle atomique gouvernent les propriétés physico-chimiques des matériaux, conditionnant ainsi leur utilisation et leur intérêt économique.

9Enfin, les minerais sont des minéraux qui contiennent les métaux utiles – métaux de base, métaux stratégiques ou métaux précieux. Ces minerais doivent être traités pour qu’on puisse en extraire leurs ressources métalliques, parfois à des teneurs particulièrement faibles et dans des sites qui peuvent être fort éloignés des sites d’utilisation, lorsque leur intérêt économique le justifie. Les volumes considérables de minerais – par exemple plus de 3 milliards de tonnes de minerai de fer ont été extraites en 2014 – justifient l’utilisation de moyens de transport considérables – minéraliers pouvant atteindre 300 000 tonnes ou trains miniers dont la longueur dépasse fréquemment plusieurs kilomètres – et constituent une composante majeure du commerce international.

Les différents volets de l’activité minière

Figure 1

Figure 1

(a) Quelques étapes du développement de l’activité minière ; (b) contraintes et questionnements liés au développement durable.

10Il convient d’envisager les ressources minérales dans leur ensemble et non pas uniquement au niveau de leur extraction. En effet, différentes étapes (fig. 1a) se succèdent pour mettre en valeur ces ressources, correspondant à des métiers diversifiés et à des interfaces différentes avec l’activité économique, les acteurs de la société civile ou la recherche académique. Le premier volet concerne la prospection, dont la réalité actuelle est bien éloignée de l’image des aventuriers du passé. C’est un métier à l’interface entre, d’une part, les connaissances géologiques, géochimiques ou géophysiques les plus fondamentales que l’on possède sur une région et, d’autre part, des technologies d’exploration puissantes qui s’appuient sur un large éventail de méthodes physiques, chimiques et numériques adaptées aux mesures, aux analyses et aux modélisations, sur le terrain comme en laboratoire. Une fois qu’a été sélectionnée une zone qui possède un potentiel minier, la phase de développement du projet va consister à reconnaître la ressource, notamment au travers de campagnes de forage ou d’exploration géophysique, afin de proposer une modélisation tridimensionnelle du gisement. Une des étapes clés de l’activité minière est l’évaluation des réserves, partie exploitable des ressources, définie selon des critères économiques qu’il est souvent nécessaire de réévaluer dans le temps. En effet, le paysage économique ou sociopolitique peut avoir évolué pendant le développement d’un gisement, qui dépasse souvent une dizaine d’années. Ce temps de latence important fait du secteur minier un domaine économique qui ne peut pas réagir rapidement sous un forçage économique ou financier lié à une évolution majeure de l’économie mondiale. Vient ensuite la construction de l’outil minier proprement dit, destiné à mettre en place le site d’extraction – mine souterraine ou mine à ciel ouvert – ainsi que l’usine de traitement. La maîtrise des impacts environnementaux liés à l’extraction, au traitement des minéraux et des minerais, ainsi qu’à leur transport, doit être évaluée en parallèle pour que l’exploitation soit viable et acceptable. Enfin, dans une optique de durabilité, on aura, en fin d’exploitation, une phase de réhabilitation visant à remettre en état le site et à limiter l’empreinte à long terme des activités minières sur le milieu. En effet, beaucoup de sites ont été – et sont encore – abandonnés après leur exploitation, créant de véritables « bombes à retardement », surtout dans le cas des mines métalliques. Les déchets miniers contenant des quantités résiduelles de minerais sont rapidement déstabilisés dans les environnements de surface par une interaction efficace avec l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère, alors que ces minerais sont restés stables dans leur environnement géologique sur des durées qui dépassent souvent le milliard d’années. Des métaux lourds et d’autres éléments polluants comme l’arsenic ou l’antimoine peuvent ainsi être relâchés dans l’environnement local ou régional.

11Pour de nombreux pays, le secteur minier apparaît comme l’un des principaux moteurs du développement économique. Toutefois, dans le cadre du développement durable, il convient de concilier exigences écologiques, économiques et sociales pour exploiter la ressource sans léser l’environnement ni la société (fig. 1b). La satisfaction de deux de ces critères montre comment se construit la notion de durabilité, par exemple avec une exploitation minière qui est écologiquement maîtrisée tout en étant économiquement rentable, amenant donc une viabilité en termes écologiques. Les interactions entre l’activité économique et les exigences socioéconomiques des pays où se situe la ressource conduisent à la notion de partage équitable de la richesse entre les différents acteurs. Enfin, les interactions entre les exigences sociales et écologiques vont définir l’aspect vivable de l’environnement.

1. Les leçons de l’histoire

12Dans cette première partie, nous allons voir que l’histoire a beaucoup à nous apprendre. Elle nous enseigne, d’une part, comment les ressources minérales ont été exploitées et utilisées. D’autre part, l’étude de ces activités anciennes nous montre quels en ont été les impacts environnementaux, dont certains sont encore observables. La durée des temps historiques est adaptée à l’étude des impacts, car elle correspond aux cinétiques des réactions chimiques et minéralogiques des sols et des hydrosystèmes contaminés évoluant progressivement vers un état d’équilibre. L’étude historique est ainsi pertinente pour proposer des modèles d’évolution à long terme des impacts liés aux exploitations minières actuelles. Il est donc important de regarder le passé pour avoir une vision de l’avenir.

L’activité minière au cours de l’histoire : l’exemple du plomb

  • 5 On évalue la contamination atmosphérique en plomb, dans l’hémisphère nord autour de notre ère, à en (...)
  • 6 S. Hong, J.P. Candelone, C. C. Patterson et C. F. Boutron, « Greenland ice evidence of hemispheric (...)
  • 7 La production chinoise représente actuellement 54 % de la production mondiale.

13La production mondiale de plomb depuis 6000 ans a pu être évaluée à partir de la concentration en plomb de glaces du Groenland résultant d’une contamination de l’atmosphère terrestre par la métallurgie du plomb dans les époques historiques5. La quantité de métal produit dans le monde a augmenté d’environ six ordres de grandeur pendant ces 6000 ans6. Les minerais de plomb (dont le principal est la galène PbS) contiennent toujours des impuretés d’argent : ils ont ainsi constitué la principale source d’argent métal pendant de nombreux siècles. C’est d’ailleurs grâce à la substitution du plomb par l’argent dans la galène que Braun et Marconi ont pu utiliser un cristal de galène comme détecteur pour les premiers postes radio (prix Nobel, 1909), ce matériau se comportant comme un semi-conducteur naturellement dopé. L’extraction de l’argent par coupellation à partir d’une galène argentifère a amené une augmentation régulière de la production de plomb. L’utilisation croissante de ce dernier, pour faire des monnaies ou pour construire les réseaux urbains de distribution d’eau à la période romaine, a entraîné une augmentation de la production de plomb. Après la baisse de la production dans les siècles qui ont suivi la chute de la civilisation romaine, la découverte de grands gisements, comme ceux des monts Métallifères (Erzgebirge) en Saxe ou du Potosí en Bolivie, s’est accompagnée à nouveau d’une augmentation de la production de plomb à partir du début du xvie siècle, celle-ci n’ayant cessé d’augmenter par la suite, en raison de la mise en exploitation de nombreuses mines où le plomb est associé à d’autres métaux. La production de plomb est ainsi passée de quelques tonnes par an il y a cinq/six millénaires à environ dix millions par an actuellement, dont la moitié seulement provient de l’activité minière, et l’autre moitié du recyclage7.

Depuis l’aube de l’humanité

14Les ressources minérales ont marqué l’histoire de l’humanité. Le silex est l’un des premiers matériaux utilisés en Europe depuis le Paléolithique inférieur. Il est intéressant de constater qu’en l’absence de ressources en silex l’homme a eu recours à des matériaux possédant des propriétés équivalentes, par exemple les obsidiennes sur le continent américain ou le pourtour méditerranéen. Au Paléolithique supérieur, ce sont des minéraux spécifiques, oxydes de fer et oxydes de manganèse, qui ont servi de pigments pour réaliser les peintures rupestres. Un troisième exemple concerne des bijoux néolithiques en variscite (AIPO4.2H2O), ressemblant à des turquoises, qui constituaient des parures retrouvées dans des tumulus de la région de Carnac et de Locmariaquer. Ces bijoux semblent venir du sud de l’Espagne, révélant ainsi l’existence au Néolithique de circuits commerciaux sur des distances de plus de 1500 km.

15Plus récemment, l’âge des métaux – âge du bronze puis âge du fer – voit apparaître les premières utilisations de minerais avec la découverte et le développement de la métallurgie. La possibilité de fondre les métaux trouvés à l’état natif – or, argent ou cuivre –, puis la fabrication du bronze et enfin du fer ont marqué des étapes majeures dans le développement de l’humanité. Le bronze est un alliage qui nécessite une source d’étain, ressource exploitée dès le IIe millénaire avant notre ère en Cornouailles britannique et, à un degré moindre, en Bretagne et en Creuse. Or, s’il existait des mines de cuivre exploitées dans le pourtour méditerranéen, les ressources en étain y étaient peu fréquentes. Avec la généralisation du bronze à l’époque romaine, notamment pour fabriquer les monnaies et les différents outils, cette séparation entre les centres de production de cuivre et d’étain a amené l’organisation de circuits commerciaux originaux, comme la route de l’étain en Gaule. Enfin, l’importance économique de l’activité minière autour de notre ère est soulignée par l’extraction de l’or, activité majeure, avec des niveaux d’extraction atteignant 6500 kg par an à l’époque romaine – quantité considérable pour l’époque – en provenance essentiellement de l’Espagne et de la Gaule. Cette activité minière a entraîné, après la conquête de la péninsule Ibérique par les Romains, la construction d’ouvrages miniers et d’infrastructures de traitement des minerais, parfois encore visibles actuellement.

16L’utilisation des matériaux de construction au cours de l’histoire permet d’analyser l’impact de l’environnement sur ces matériaux au cours des siècles non seulement dans le cadre de la restauration des monuments historiques, mais aussi pour mieux appréhender les cinétiques des différents processus de dégradation. Un autre exemple concerne les matières premières utilisées pour l’élaboration des verres, activité développée depuis la période gallo-romaine, et qui a connu une apogée spectaculaire avec la réalisation des vitraux au Moyen Âge. La composition chimique des vitraux était initialement sodo-calcique, dans la continuité des verres élaborés depuis l’époque romaine à partir du natron (Na₂CO₃.10H₂O), exploité au Moyen-Orient. Au xiie-xiiie siècles sont également fabriqués des verres potasso-calciques grâce à partir de cendres de végétaux forestiers. La maîtrise de la composition chimique des verres ainsi que de nombreuses propriétés physico-chimiques, comme la coloration des vitraux, démontre le grand savoir-faire des maîtres verriers. En l’absence de tout moyen de contrôle physico-chimique, la qualité du matériau obtenu en est d’autant plus spectaculaire.

Mythes et réalités

17De nombreuses légendes restent attachées aux matières premières minérales. On peut citer le mythe de la Toison d’or, dans la Colchide antique, l’actuelle Géorgie. Des peaux de mouton étaient utilisées pour retenir les particules d’or transportées par les rivières, permettant leur rétention grâce aux fluctuations de vitesse de l’eau au contact de ce matériau de forme irrégulière. Des procédés voisins ont été utilisés pour récupérer l’or dans les sédiments récents, par exemple lors des ruées vers l’or au xixe et au début du xxe siècle. Les particules d’or sont piégées dans des rampes de lavage grâce à un fond irrégulier permettant de retenir ce métal de forte densité.

18Les monts Métallifères ont également marqué l’inconscient collectif. Ces gisements situés en Saxe ont été exploités du xiiie-xive jusqu’au xixe siècle pour produire de l’or, de l’argent et du cuivre à partir de minerais polymétalliques. Pour le mineur, la vie était difficile dans un environnement rude, en l’absence d’éclairage et de ventilation, avec des soutènements de galeries incertains et dans une atmosphère fortement polluée, notamment en raison des vapeurs d’arsenic générées par les activités métallurgiques. Certains de ces minerais étaient difficiles à traiter et ont laissé une trace dans l’histoire. Le premier ressemblait à un minerai de cuivre, mais son traitement donnait un métal pratiquement infusible. C’est à partir de ce Kupfernickel, « cuivre du diable », que Cronstedt a pu isoler en 1751 le nickel, ainsi nommé en souvenir de cette propriété. Ce minerai était en fait la niccolite (NiAs). Le second minerai qui trompait les mineurs ressemblait à un minerai d’argent, mais son traitement ne donnait qu’un métal inutilisable. On pensait qu’il s’agissait d’effets de sorcellerie, des croyances populaires rapportant la présence de nains, qu’on appelait les kobolden, dans les mines, et qui ont été par la suite popularisés par les contes de Grimm. En 1735, Brand a donné le nom de cobalt à l’élément chimique qu’il isola à partir de ce minerai (qui était de la cobaltite, CoAsS) en souvenir de ces kobolden. C’est également de ces mines des monts Métallifères que l’on tirait des composés d’uranium utilisés pour colorer les verres et que Klaproth a isolé cet élément chimique en 1789. Un siècle plus tard, c’est à partir du minerai d’uranium extrait de ces mêmes mines que le polonium puis le radium ont été isolés par Pierre et Marie Curie en 1898. Marie Curie a obtenu le prix Nobel en 1911 pour la découverte de ces deux éléments. Enfin, les monts Métallifères sont à l’origine du mot dollar. L’une des localités s’appelait Sankt Joachimsthal (l’actuelle Jáchymov en République tchèque) et, en raison de l’importante production d’argent, les seigneurs battaient de la monnaie qui a pris le nom de Joachimsthaler, puis de thaler dès le début du xvie siècle. Lors des mouvements d’émigration vers l’Amérique du Nord, le mot thaler s’est transformé en dollar. Les mines polymétalliques de Bohême sont donc fondatrices de nombreux concepts modernes.

19Depuis le milieu du xixe siècle, on constate une forte diminution de la place de l’Europe dans l’activité minière mondiale. Cette situation s’explique non seulement par des raisons économiques, notamment les coûts d’extraction trop élevés, mais aussi par la limitation des ressources et la compétition entre différents usages du sol, dans des régions d’Europe occidentale qui connaissent une importante activité agricole et une urbanisation croissante. Cependant, de nombreuses initiatives sont prises actuellement par l’Union européenne pour encourager une reprise de l’exploration minière, mieux connaître les ressources européennes et diminuer la dépendance économique de l’Europe dans ce domaine.

2. Importance et actualité des matières premières minérales

Des ressources exploitées selon leur abondance

Figure 2

Figure 2
  • 8 Mineral Commodity Summaries 2015, Reston (Virginie), U.S. Geological Survey / U.S Department of the (...)

Relation entre la concentration de quelques éléments, exprimée en ppm, et (a) les cours des métaux correspondants ou (b) les quantités de métal extraites8.

  • 9 Voir la partie 3.

20Il existe une relation inverse entre la concentration géochimique des éléments métalliques et leur valeur (fig. 2a) : lorsque les concentrations diminuent, les coûts augmentent en raison de l’importance des volumes à extraire et à traiter. On peut ainsi opposer les métaux les plus abondants, comme l’aluminium ou le fer, qui sont des constituants majeurs de la croûte terrestre, aux métaux précieux, comme l’or ou les platinoïdes, qui ne se trouvent qu’à l’état de traces dans la croûte terrestre. Entre ces deux groupes extrêmes se trouvent les métaux de base comme le nickel ou le cuivre. Il convient de souligner l’efficacité des processus géochimiques qui permettent à de nombreux éléments métalliques d’atteindre une concentration suffisante pour être exploitables, avec des teneurs qui peuvent être plus de mille fois supérieures aux concentrations moyennes9 (comme dans le cas de l’or ou de l’étain), ce qui illustre de façon spectaculaire le fonctionnement de notre planète. Lorsqu’il n’existe pas de processus de concentration efficace, comme dans le cas du scandium, les conditions d’exploitation et de traitement de ces minerais à faible teneur augmentent le prix du métal.

21Il existe également une relation inverse, ici aussi partiellement obéie, entre les quantités extraites et les concentrations moyennes des éléments chimiques dans la croûte terrestre. Cinq à six ordres de grandeur séparent la production des métaux les plus abondants (fer, aluminium) de celle des éléments chimiques les plus dilués, comme l’or ou les platinoïdes. Cependant, certains éléments peuvent être produits en quantité plus importante que celle que laisserait prévoir leur concentration crustale moyenne, ce qui est lié à l’existence de processus de concentration efficaces lors de la formation des gisements, par exemple au travers de réactions rédox, de la formation de complexes stables qui permettent le transport des métaux dans les fluides hydrothermaux ou de la séparation de phases dans les magmas. C’est notamment le cas des métaux précieux et de la plupart des éléments de transition. En revanche, pour d’autres éléments chimiques, ces processus de concentration sont moins efficaces, par exemple dans le cas du scandium.

Des ressources mal partagées

  • 10 La famille des platinoïdes – ou groupe du platine – regroupe le platine et cinq métaux voisins, le (...)

22Les ressources minérales sont souvent mal partagées, comme l’illustre de façon spectaculaire le très bel exemple du platine. Environ 75 % du platine mondial est produit en Afrique du Sud, dans les gisements du Bushveld, qui constituent un ensemble géologique exceptionnel qui sera évoqué plus loin. Si l’on considère l’ensemble des platinoïdes10, le potentiel de l’Afrique du Sud est considérable, avec 95 % des ressources mondiales. Ces platinoïdes sont importants comme métaux précieux, mais ils jouent aussi un rôle central en catalyse et en chimie fine. Ceci donne à l’Afrique du Sud une importance stratégique au niveau mondial, une conséquence du partage inégal des ressources en raison de la diversité des histoires géologiques entre les pays. D’autres exemples sont encore plus spectaculaires : dans le cas du niobium, métal stratégique utilisé pour fabriquer des aciers à haute résistance, la mine d’Araxa au Brésil produit 75 % de la production mondiale. De même, environ la moitié de la production mondiale des terres rares provient de la mine de Bayan Obo en Mongolie. Ces gisements de classe mondiale apportent évidemment une importance géostratégique majeure aux pays dans lesquels ils se trouvent. De plus, ils montrent l’exceptionnelle efficacité des processus de concentration des éléments, révélant souvent des caractères originaux de leur histoire géologique.

23Il y a un siècle, la production de fer était répartie entre de nombreuses mines d’importance locale ou régionale, distribuées dans le monde entier. Il est intéressant de constater que, désormais, cette ressource n’existe que dans un nombre réduit de gisements de classe mondiale en raison des dimensions nécessaires pour assurer la rentabilité des exploitations minières. Il s’agit essentiellement de l’Australie et de la Chine et, à des degrés moindres, de pays comme le Brésil – qui possède à Carajás la plus importante mine de fer du monde –, l’Inde ou la Russie. Ici aussi, la ressource est mal partagée, à la suite de la fermeture progressive d’exploitations de taille plus modeste. Par exemple les mines de fer de Lorraine, exploitées industriellement depuis la découverte du procédé Thomas-Gilchrist en 1878, ont fermé environ un siècle plus tard, les ressources étant limitées et les concentrations en fer, ainsi que la qualité des minerais, ne correspondant plus aux standards internationaux.

24Ce partage inégal de la ressource a amené un développement du transport des minerais à l’échelle mondiale, les sites miniers étant en nombre limité comme on vient de le voir. Les quantités de fer extraites sur les plus grands gisements justifient ainsi l’intégration verticale d’un certain nombre d’activités : des sociétés minières développent également des activités de transport ferroviaire et maritime pour assurer de façon autonome le transport des minerais extraits sur le site. Un certain nombre de groupes miniers intègrent également des pôles majeurs de sidérurgie et de métallurgie, et parfois des activités de négoce.

La puissance minière de la Chine

  • 11 Mineral Commodity Summaries 2015, op. cit. ; cf. également note 7.

25La croissance économique chinoise s’illustre aussi de façon spectaculaire au niveau des ressources minérales. Le paysage de la production mondiale de fer, métal massivement utilisé dans le bâtiment, a été ainsi bouleversé depuis une quinzaine d’années, avec une augmentation spectaculaire de la production d’acier en Chine. Alors que ce pays produisait environ 15 % de la production mondiale d’acier au début du siècle, il en représente actuellement la moitié. La croissance de la production chinoise (fig. 3) est d’autant plus importante que, dans le même temps, la production du reste du monde stagnait : elle a ainsi permis de doubler la production mondiale de minerai de fer sur cette période. La suprématie de la Chine dans le domaine minier est évidente, ce pays occupant le premier rang pour la production de nombreux métaux, avec une position dominante marquée pour le tungstène et l’antimoine (respectivement 83 % et 78 % de la production mondiale), le titane (57 %), le vanadium (53 %) et l’aluminium (48 %), enfin le zinc (42 %) et le molybdène11 (38 %).

Figure 3

Figure 3

Production mondiale d’acier brut depuis le début du xxie siècle. Les effets de la crise économiques de 2008-2009 sont bien visibles12.

L’impact de la réglementation

26Il est intéressant d’observer comment la production de certains produits évolue dans le temps lorsque la réglementation interdit leur utilisation. On peut citer deux évolutions contrastées : d’une part une diminution progressive jusqu’à l’arrêt total de la production et, d’autre part, une diminution abrupte suivie d’une production résiduelle qui perdure. La première correspond au cas de l’amiante, qui a été non seulement utilisée pour ses propriétés ignifuges et isolantes, mais également intégrée dans un grand nombre de matériaux composites, comme l’amiante-ciment. L’interdiction de commercialiser ce matériau dans les années 1980 a conduit à l’extinction progressive de l’activité économique dans ce secteur. Ceci s’est fait sur une dizaine d’années, durée nécessaire pour mettre au point des matériaux de substitution. La seconde évolution correspond au cas de l’arsenic. Cet élément chimique a été utilisé pour confectionner des pesticides à usage agricole jusqu’à leur interdiction à la fin des années 1990. L’arsenic était également utilisé pour le traitement antifongique des bois sous forme d’arséniate de cuivre et de chrome (ACC). En 2004, l’interdiction de ces traitements à proximité des habitations a entraîné l’effondrement de la production d’arsenic en une année. Il reste cependant une production résiduelle d’environ 25 % du niveau de production des années 1990 en raison de l’autorisation, dans certains pays, de traiter avec de l’ACC les barrières en bois éloignées des habitations.

3. Qualité et variabilité : le cas exemplaire des minéraux industriels

  • 13 La diagenèse désigne les processus (bio)physico-chimiques qui permettent la transformation des sédi (...)

27Le premier cas qui sera abordé dans cette leçon inaugurale est celui des minéraux industriels, qui semblent souvent d’une grande banalité. C’est par exemple le cas du sable, que l’on trouve dans les sédiments de rivière et sur les côtes. Alors que le quartz qui le compose est un minéral incolore, le sable est toujours légèrement teinté (« sable blond ») : cette coloration provient d’une couche mince d’oxydes de fer ferrique qui ont précipité à la surface des grains de quartz. La présence de ces impuretés limite l’utilisation de ce sable comme matière première dans la fabrication du verre, car le fer colore fortement ce dernier. Pour des applications verrières, il convient donc d’utiliser du sable de meilleure qualité. Pou prendre un exemple historique, l’implantation de la Manufacture royale des glaces dans le petit village de Saint-Gobain dans l’Aisne, il y a 350 ans, est due en partie à la disponibilité d’un quartz de qualité verrière apporté par le sable de Beauchamp. De même, un sable de grande pureté présent dans la région de Fontainebleau et de Nemours est utilisé dans des industries de haute technologie produisant des matériaux vitreux à forte valeur ajoutée. Dans les deux cas, les oxydes de fer, ubiquistes dans les environnements de surface, ont été lessivés par des solutions réductrices lors de la diagénèse de ces sables13, faisant baisser considérablement la concentration de cette impureté pénalisante.

28On retrouve une situation similaire dans le cas d’une argile comme le kaolin, particulièrement importante au niveau technologique alors que son principal constituant, la kaolinite, est présent dans la plupart des roches argileuses. On retrouve la kaolinite dans les latérites, sols rouges tropicaux résultant de processus d’altération intense. Cependant, les kaolinites sont étroitement associées, dans ces sols, à des oxydes de fer qui les colorent fortement. On ne peut donc pas les utiliser comme matériau de charge dans les papiers ou les plastiques ni comme matière première pour des céramiques. Comme dans le cas des sables, lors de la diagénèse, les oxydes de fer sont dissous par la circulation de solutions réductrices. Ceci permet de former des gisements de kaolin sédimentaire de qualité technique.

Les minéraux argileux : relations structure-propriétés

29Les minéraux argileux sont les constituants essentiels des argiles. Ce sont des minéraux industriels qui ont eu de tout temps une grande importance. D’une part, on les trouve en abondance dans des environnements variés, ce qui simplifie l’accès à la ressource. D’autre part, leur réactivité en a fait une matière première privilégiée par l’homme pour la fabrication des céramiques depuis la plus haute Antiquité. Cette réactivité s’explique par la présence de groupements hydroxyles (OH) dans la structure de ces minéraux argileux. Ces groupements hydroxyles sont instables thermiquement : ils se transforment en eau moléculaire, induisant une modification irréversible de la structure cristalline du minéral. Ceci cause la cristallisation de nouvelles phases, qui vont former les céramiques, et en particulier en assurer les propriétés mécaniques.

  • 14 G.E. Brown et G. Calas, « Mineral-aqueous solution interfaces and their impact on the environment » (...)

30Une des propriétés originales des minéraux argileux est leur structure bidimensionnelle et leur morphologie lamellaire – à l’origine de nombreuses applications. Une autre caractéristique importante des argiles est de posséder des propriétés qui varient fortement selon le détail de leur structure (fig. 4). On peut ainsi opposer le talc et la kaolinite en fonction de leurs propriétés de surface, un paramètre majeur qui contrôle la réactivité de ces matériaux divisés vis-à-vis de l’eau14. Le premier est hydrophobe car il ne possède pas de groupements hydroxyles en surface de ses feuillets, mais seulement des oxygènes neutres qui ne permettent pas de retenir l’eau. En revanche, la kaolinite est une argile hydrophile : elle possède des groupements hydroxyles sur une face de ses feuillets. En utilisant un paramètre physique comme l’énergie de surface pour quantifier le caractère hydrophobe/hydrophile du minéral, on peut classer les argiles par rapport à d’autres composés importants – comme la cellulose ou les résines – et choisir ainsi celles qui sont adaptées à l’élaboration des matériaux composites comme les papiers ou les plastiques.

Figure 4

Figure 4

Énergie de surface de minéraux industriels (talc, kaolin, carbonates) en mJ/m2.

Usages et qualité de la ressource : l’exemple du kaolin

31Une même ressource peut avoir des qualités, des usages et des valeurs très différents. Le kaolin, par exemple, peut être utilisé comme minéral industriel dans la fabrication du papier ou comme matière première pour élaborer des céramiques et des verres. Son utilisation dépendra de la morphologie des cristallites de kaolinite. Dans la fabrication du papier, les plaquettes isolées de kaolinite permettent de régulariser la surface des feuilles, constituées essentiellement de fibres de cellulose. Cette possibilité d’améliorer la surface d’impression fait que le kaolin est un des matériaux de couchage du papier les plus utilisés. C’est un des usages les plus nobles du kaolin. Au contraire, lorsqu’il se présente sous un faciès granulaire, on l’utilise pour contrôler les propriétés mécaniques ou optiques du papier, ainsi que pour économiser la cellulose. Le kaolin devient ainsi un matériau de charge : les interstices entre les fibres de cellulose sont remplis par les particules de kaolin, montrant une association intime entre kaolin et cellulose. Enfin, le kaolin connaît de nombreuses applications en chimie fine (cosmétiques, galénique, etc.) utilisant ses propriétés physico-chimiques. Les kaolins sont ainsi des minéraux industriels particulièrement importants.

32Comme le kaolin est plus intéressant lorsqu’il possède une morphologie en plaquettes, on effectue des traitements pour favoriser cette morphologie. Dans certains cas, une morphologie granulaire correspond au fait que les plaquettes de kaolin sont agrégées entre elles, généralement en raison de défauts cristallins. Par délaminage, on peut séparer les plaquettes les unes des autres et ainsi les réutiliser pour des usages nobles, par exemple comme matériau de couchage. Ceci permet une utilisation plus durable de la ressource, en améliorant la qualité du matériau naturel.

33L’utilisation du kaolin comme matière première, source d’alumine (et accessoirement de silice), pour fabriquer des céramiques (les porcelaines par exemple) ou des fibres de verre est simplement liée à la composition chimique de la kaolinite (Al2Si2O5(OH)4). Comme souligné plus haut, la présence de groupements hydroxyles instables thermiquement lui procure une réactivité à haute température et donc une compatibilité avec les cinétiques des processus industriels. Ces deux types d’utilisation du même minéral ne correspondent pas aux mêmes exigences sur les propriétés de la matière première, qui possède ainsi une valeur différente selon les usages.

4. Des témoins uniques de l’histoire de la Terre : les gisements métalliques

Des processus de concentration efficaces

34Les minerais métalliques constituent le deuxième grand groupe de ressources minérales. On peut voir actuellement de tels minerais se former au niveau des rides océaniques, où se situent des sources hydrothermales, dont les températures peuvent dépasser 400°C. Les sulfures précipitent à l’émergence de ces sources dans le milieu océanique, formant les « fumeurs noirs ». En effet, ces sulfures étant des semi-conducteurs à petit gap, ils absorbent la lumière visible lorsqu’ils sont sous forme divisée, d’où leur couleur noire. Leur dépôt entraîne l’édification de cheminées spectaculaires, qui soulèvent un grand intérêt depuis plusieurs décennies.

  • 15 Le facteur de concentration d’un élément d’intérêt économique est le rapport entre la concentration (...)

35On peut présenter les processus à l’origine de la formation des gisements métalliques au travers d’une trilogie : mobilisation, transport, dépôt. Les éléments chimiques initialement présents dans la croûte et le manteau supérieur peuvent être mobilisés par des fluides hydrothermaux ou des magmas, ce qui leur permet d’être transportés vers des niveaux où ils pourront être concentrés. Ce transport évite parfois la dispersion des éléments, conservant ainsi un potentiel de concentration régionale ou locale. Cette étape de transport est associée à des processus géologiques spécifiques – événements tectoniques régionaux, intrusions magmatiques, présence de sources de chaleur, circulation de fluides, etc. Le dépôt aboutit à un gisement avec la concentration d’éléments d’intérêt économique à l’issue d’une grande diversité de processus physico-chimiques. On peut citer, de façon non exhaustive : les variations de solubilité des complexes transportant les métaux dans les fluides hydrothermaux, les séparations de phase en milieu magmatique, les réactions d’oxydo-réduction, les processus de complexation (chlorures, sulfures, matière organique, etc.) ou encore l’activité biologique. Le résultat est spectaculaire, le facteur de concentration15 pouvant dépasser 1000 pour des éléments chimiques comme le chrome, l’or ou l’argent.

Des gisements dans des milieux géologiques divers

36Quelques cas permettent de montrer la grande diversité des processus en jeu dans la formation des grands gisements métalliques. Le premier correspond aux gisements d’origine magmatique, donc formés à haute température, lors de la mise en place et de la cristallisation des magmas. Le Bushveld (Afrique du Sud) en est un exemple spectaculaire. Il s’agit d’un des plus grands complexes magmatiques du monde, affleurant sur plus de 67 000 km2, et formé il y a plus de 2 milliards d’années. Il s’agit probablement du complexe magmatique qui recèle le plus de richesses, car il contient des réserves considérables d’éléments à forte valeur (Cr, V, platinoïdes). Le second exemple correspond aux gisements de fer sédimentaires, qui représentent la grande majorité des gisements actuellement exploités. Parmi les principaux pays producteurs de fer (fig. 5), la mine la plus importante se trouve à Carajás (Brésil), ses réserves de Fe2O3 dépassant 7 milliards de tonnes. Tous les gisements de classe mondiale se sont formés au moment où l’atmosphère terrestre s’est enrichie en oxygène grâce à l’apparition et à la diversification des cyanobactéries photosynthétiques – Great Oxygenation Event ou Grande Oxydation, entre − 2,4 et − 1,9 milliards d’années. Pendant des centaines de millions d’années, le dioxygène généré par cette activité biologique photosynthétique a oxydé le fer ferreux dissous dans l’océan mondial. Ces grands gisements de fer sont ainsi des témoins uniques de cette période cruciale de l’histoire de la Terre.

Figure 5

Figure 5
  • 16 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:World-Iron-Map2.png

Production mondiale de minerai de fer en 2008. Les valeurs sont indiquées en millions de tonnes (carte réalisée par Snapcha, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 201416).

37Les processus biologiques peuvent d’ailleurs jouer directement un rôle clé dans la formation de concentrations métalliques. Les concentrations aurifères dans l’environnement de surface en sont un exemple remarquable. On observe parfois la présence de pépites d’or dans les niveaux d’altération et les sols, remaniées ultérieurement dans les alluvions de rivières. Ces pépites peuvent atteindre des dimensions tout à fait spectaculaires : 9,3 kg pour le Camel Gold Nugget trouvé au goulag de la Kolyma ou 5,5 kg pour une pépite trouvée en 2013 dans l’État de Victoria (Australie). On observe souvent la présence de biofilms à la surface des particules d’or natif trouvées dans de tels environnements. Dans ces biofilms, l’activité microbiologique aboutit à la formation de nanoparticules d’or puis à leur agrégation, au cours de cycles de dissolution et de précipitation qui impliquent l’or dans des réactions biochimiques suivies de différents processus de biominéralisation.

5. Les impacts environnementaux

Figure 6

Figure 6
  • 17 G.E. Brown Jr. et G. Calas, « Environmental mineralogy – Understanding element behavior in ecosyste (...)

Représentation schématique des sources et du transport des contaminants dans l’environnement (Brown et Calas, 201117).

38Comme on vient de le voir, l’interaction entre l’activité biologique et l’activité géochimique est un paramètre majeur à considérer dans la formation de nombreux gisements de basse température. Cette interaction est également au centre des processus qui gouvernent les impacts environnementaux de l’activité minière, impacts importants en raison des quantités considérables de déchets produits. La contamination des milieux physiques peut se faire de différentes façons (fig. 6) : contamination atmosphérique par les métaux à faible température de vaporisation, comme le plomb ou le zinc, contamination des sites miniers ou en relation avec le stockage de déchets miniers, impacts sur les sols agricoles et les productions végétales et animales qui y sont associées, migrations dans les aquifères, etc.

39L’activité minière va impacter l’environnement de deux façons. D’une part, en raison de la présence de stériles miniers, roches qui ont des concentrations trop faibles pour représenter un intérêt économique, et qui regroupent également les masses rocheuses qu’il a été nécessaire de dégager pour accéder aux formations minéralisées et pour ménager des voies d’accès. En effet, l’exploitation de minerais de plus en plus dilués entraîne une augmentation considérable des volumes de stériles déplacés lors de l’exploitation. D’autre part, le traitement des minerais génère des résidus qui ne contiennent qu’une faible concentration en métal, mais qui correspondent cependant à des volumes considérables et donc à une quantité totale importante de métaux lourds. Une des caractéristiques de ces résidus est leur réactivité, car les roches ont été broyées puis traitées chimiquement, activant les surfaces minérales. Ces résidus sont en général confinés dans des retenues et préservés de l’oxydation pour limiter leurs impacts.

  • 18 On utilise plutôt le terme de pollution lorsque le fonctionnement biologique normal se trouve altér (...)

40De façon générale, avec le temps, le ruissellement des eaux de surface altère les minerais métalliques en les oxydant et mobilise dans l’environnement des métaux lourds qui peuvent ainsi devenir biodisponibles. Ces processus de contamination18 justifient l’importance de la réhabilitation des sites miniers après leur exploitation, notamment dans les pays fortement peuplés comme l’Europe occidentale. Cependant, la notion d’élément « contaminant » ou « polluant » n’est pas toujours simple à définir lorsque l’on discute de concentrations environnementales. En effet, de nombreux métaux lourds sont également des substances essentielles à faible concentration, ce qui incite parfois à une certaine prudence dans les commentaires que l’on peut faire sur des données géochimiques brutes. C’est le cas des éléments de transition ou encore du sélénium, un oligoélément indispensable à faible concentration mais qui devient rapidement toxique lorsque celle-ci augmente. « Rien n’est poison, tout est poison : seule la dose fait le poison » disait déjà Paracelse (1493-1541).

Importance de la spéciation

41L’utilisation de concentrations élémentaires dans les sols ou les eaux n’est d’ailleurs pas toujours un critère judicieux pour suivre les impacts environnementaux des métaux lourds. Ceci est bien illustré par le cas de la contamination des sols par le plomb, un problème majeur de santé publique, le saturnisme ayant des conséquences graves sur le développement psychomoteur des enfants. Il n’existe pas d’évolution linéaire entre la concentration sanguine en plomb et la concentration en plomb dans les sols provenant de différents sites miniers et industriels (fig. 7). De plus, il existe des variations considérables dans les concentrations sanguines en plomb entre les personnes qui habitent sur des sites différents, même si les concentrations en plomb dans le sol sont les mêmes.

Figure 7

Figure 7
  • 19 K.S. Smith et H.L.O. Huyck, « An overview of the abundance, relative mobility, bioavailability, and (...)

Impact sanitaire de la pollution en plomb de sols autour de sites miniers et industriels nord-américains (modifié, d’après Smith and Huyck, 199919).

42Sur les sites miniers actifs (Butte, Montana), la galène (PbS) fraîchement extraite étant peu soluble, le plomb n’est pas mobile, même à des concentrations élevées dans le sol. En revanche, à proximité de fonderies, des concentrations faibles dans le sol montrent des impacts sanitaires plus importants : le plomb a été dispersé sous forme élémentaire en raison de sa présence dans les émissions atmosphériques des fonderies, à une période où la réglementation n’imposait pas le traitement des fumées d’usines. Dans ce cas, le plomb peut se retrouver sous des formes biocompatibles, assimilables par les végétaux et l’ensemble de la chaîne alimentaire. Le paramètre pertinent n’est donc pas la concentration chimique, mais la spéciation de cet élément, c’est-à-dire la forme chimique sous laquelle il se trouve. Cette spéciation peut être directement évaluée par des études de minéralogie fine du plomb ou des mesures spectrochimiques, qui permettent de déterminer l’environnement cristallochimique du plomb.

43La contamination liée aux mines anciennes représente un impact potentiel dans des pays à longue histoire minière comme la France. Ces sites, souvent abandonnés (les « sites orphelins »), ne présentent plus d’intérêt économique mais doivent être surveillés. L’évolution de ces mines, exploitées à un moment où il n’existait pas de réglementation environnementale, est parfois sous-estimée, car celles-ci peuvent se trouver dans des zones délaissées, et sont parfois oubliées. Cependant, des exemples sont régulièrement mentionnés concernant des contaminations locales en éléments chimiques potentiellement dangereux comme l’arsenic ou l’antimoine, mais aussi le cadmium ou le plomb. Ce champ d’étude récent, la minéralogie et la géochimie environnementales s’est fortement développé ces dernières années, pour comprendre les mécanismes qui régissent les impacts de ces anciennes mines.

Forçages contaminants : l’importance du temps

Figure 8

Figure 8

Quelques contextes de contamination par les métaux lourds.

44Comme nous venons de le voir, il convient d’opposer les minerais frais, dont la faible solubilité a entraîné la formation de nombreux gisements, et les phases d’altération, parfois plus solubles et pouvant présenter des interactions étroites avec l’activité biologique. En raison des cinétiques nécessaires à l’oxydation des minerais, on distingue les évolutions à court, moyen et long terme, qui concernent respectivement le site minier en exploitation, l’évolution de déchets historiques et enfin la stabilisation d’éléments lourds naturellement concentrés dans des anomalies géochimiques. Il est intéressant de pouvoir comparer ces différents processus de façon à contraindre les modèles de contamination des milieux naturels par les métaux lourds.

45On peut distinguer différents types de contamination correspondant à des échelles de temps et à des contextes différents (fig. 8). De véritables catastrophes écologiques peuvent résulter de ruptures de digues qui confinent des déchets d’usines de traitement de minerais, comme à Aznalcóllar (Espagne) en 1998. Ces accidents majeurs libèrent subitement des déchets miniers qui contiennent des volumes très importants de métaux lourds. La faible solubilité de ces minerais limite les transferts métalliques dans l’environnement si on arrive à nettoyer les sites contaminés dans des délais rapides, mais leur réactivité les fait ensuite évoluer en l’absence de remédiation. Cette évolution va entraîner des transferts dans les fleuves, notamment des reconcentrations significatives d’éléments polluants, parfois situées à des centaines de kilomètres de la source de contamination. Un tel exemple a été observé récemment dans le bassin de la Garonne, où l’estuaire de la Gironde a subi une contamination en cadmium par des déchets miniers situés dans le bassin versant du Lot, à 450 km de distance. À l’opposé de ces contaminations, on peut citer les anomalies géochimiques : ces concentrations naturellement élevées de certains éléments contaminants dans les sols ne correspondent à aucune activité anthropique. Ces zones anormales sont intéressantes car elles permettent d’identifier les formes sous lesquelles des éléments lourds peuvent être stabilisés dans les sols.

Un exemple d’évolution d’anciens déchets miniers

  • 20 G. Morin, F. Juillot, C. Casiot, O. Bruneel, J.-C. Personné, F. Elbaz-Poulichet, M. Leblanc, P. Ild (...)

46Les déchets miniers évoluent souvent en quelques dizaines d’années et provoquent ainsi des contaminations localement importantes. C’est le cas du site de Carnoulès (Gard), qui a été notamment étudié par des équipes de Montpellier et de Paris20. Ce site se situe en aval de déchets miniers provenant d’une ancienne mine, fermée il y a une cinquantaine d’années et contenant des pyrites arséniées. L’oxydation des sulfures a abouti à un drainage minier acide, entraînant un pH de 2-3 dans la rivière. Avec le temps, l’arsenic a été remobilisé de façon spectaculaire par l’activité bactérienne, qui a permis une biominéralisation originale en arsenic, avec des modifications de spéciation de celui-ci à la fois spatiales et saisonnières. Ce site est un véritable laboratoire naturel où l’on peut observer l’importance de cette activité bactérienne originale et ses variations selon les saisons, avec la formation de phases minérales qui permettent de piéger soit l’arsenic trivalent – la forme la plus toxique –, soit l’arsenic pentavalent. Ce ne sont pas les mêmes souches bactériennes qui assurent ces différentes fonctions. Certaines d’entre elles oxydent essentiellement le fer, en conservant la forme réduite de l’arsenic, alors que d’autres vont oxyder à la fois l’arsenic et le fer. Ces processus de biominéralisation sont complétés par le piégeage de l’arsenic dissous sur les surfaces de phases divisées, oxyhydroxydes de fer et d’aluminium notamment. On constate ainsi un ensemble de processus aboutissant à une dépollution naturelle des eaux en aval et à une atténuation spectaculaire de la contamination de la rivière, les concentrations en arsenic dans l’eau baissant de deux à trois ordres de grandeur sur quelques kilomètres seulement.

6. Développement durable, métaux critiques

Les terres rares : criticité de la ressource ?

Figure 9

Figure 9

Les terres rares (Cabu, Le Canard enchaîné, 15/12/2010 – © reproduit avec l’aimable autorisation de V. Cabu).

  • 21 G. Calas, « Tales, tales… », Elements, vol. 8, no 5, 2012, p. 323.
  • 22 Voir la partie 2.

47La caricature de Cabu (fig. 9), que j’avais déjà citée dans un éditorial21 de la revue Elements, illustre le stress dans lequel a été vécue, il y a quatre ans, la crise des terres rares. Cette crise, fortement médiatisée, était l’aboutissement d’une évolution progressive du marché mondial des terres rares. Comme dans d’autres secteurs miniers22, la Chine a joué en une trentaine d’années un rôle majeur sur le marché des terres rares, lui permettant de contrôler la quasi-totalité de la production mondiale à la fin du xxe siècle. L’évolution des cours de ces matières premières entraîna progressivement la fermeture des mines exploitées dans les autres pays : par exemple les États-Unis avaient arrêté leur production depuis une vingtaine d’années. En raison de cette situation, la suspension des exportations de terres rares chinoises vers le Japon à la suite de l’incident maritime des îles Senkaku entre la Chine et le Japon, en septembre 2010, a provoqué une situation de crise majeure pour l’approvisionnement en terres rares du Japon.

Figure 10

Figure 10

Deux aspects de la crise des terres rares. (a) Évolution des cours du dysprosium : les cours des terres rares redeviennent normaux au bout de quelques mois (modifié, d’après IET, European Commission, 2015, modifié23). (b) Les réserves mondiales de terres rares montrent une ressource qui est partagée entre plusieurs pays.

  • 24 abordée dans la partie 2.
  • 25 « Policymakers should not succumb to pressure to act too quickly or too expansively in the face of (...)

48L’évolution des cours du dysprosium depuis le début du xxie siècle ainsi que ceux des autres terres rares a été spectaculaire (fig. 10a). Les incertitudes d’approvisionnement ont causé une augmentation importante des cours de ces métaux stratégiques lors de l’incident entre la Chine et le Japon. Par la suite, ces cours se sont mis à baisser, d’une part pour des raisons économiques liées à la reprise des exportations par la Chine, d’autre part en raison de la réouverture programmée de certaines exploitations minières et de la reprise de l’exploration minière. Les réserves en terres rares sont mieux partagées que la production actuelle de ces éléments (fig. 10b). On est donc dans une situation différente de celle des platinoïdes24. Les projections sur les prochaines années indiquent une reprise de l’activité extractive en terres rares dans le reste du monde. À l’occasion de cette crise, il est intéressant de citer Eugene Gholz, conseiller du président Barack Obama et spécialiste de stratégie économique : « Les responsables politiques ne devraient pas céder à la pression en réagissant trop précipitamment ou de façon disproportionnée à la crise des matières premières25 ». Cet exemple montre bien que le risque stratégique correspond dans les faits non pas à un manque de sources d’éléments chimiques, en raison des quantités présentes dans la croûte terrestre, mais à un manque de gisements exploitables à un moment donné, tant que l’on n’a pas converti des ressources potentielles en réserves exploitables. En effet, comme nous avons vu dans l’introduction, le développement de l’activité minière demande du temps, souvent plusieurs années, ce qui rend complexe la possibilité de réagir à des forçages politiques ou économiques.

Recyclage, re-usage : les nouveaux horizons

49Le recyclage au sens large, incluant réutilisation et re-usage, est un volet majeur du développement durable. C’est un sujet complexe, car on ne peut pas parler de la même façon du recyclage pour l’ensemble des matériaux. Certains ont des taux de recyclage élevés, typiquement les éléments de transition comme le cuivre ou le fer, ainsi que les métaux précieux, or, platinoïdes et argent : ils sont relativement aisés à fondre et à raffiner en raison de leur stabilité chimique. Au contraire, d’autres éléments comme les terres rares, le zirconium ou le tantale ont des taux de recyclage faibles. La situation est en train de changer rapidement en raison de l’aspect stratégique de certains de ces métaux, qui encourage le développement d’activités de recyclage rentables sur le long terme. La difficulté à recycler certains éléments peut être liée soit à la complexité chimique des matériaux qui les contiennent dans les produits finis, soit aux faibles quantités présentes dans chaque produit (couches minces, composants miniaturisés, etc.) rendant difficile la récupération de cette ressource, qui reste trop diluée dans un déchet complexe. Cependant, il existe un consensus pour envisager d’inclure la notion de recyclage dès le stade de la conception d’un produit, ce qui permettrait de disposer de véritables « matières premières secondaires » en fin de vie du produit. Dans le secteur du bâtiment, par exemple, ces matières premières secondaires prennent une importance croissante grâce à l’amélioration des techniques de déconstruction. Tout ceci s’accompagne évidemment d’une diversification importante des métiers. Enfin, il convient de mentionner que certains circuits de recyclage sont organisés depuis de nombreuses années, impliquant une adhésion de la population comme dans le cas du verre, pour lequel on arrive à un taux de recyclage de 70 % dans les vingt-huit pays de l’Union européenne, voire à des valeurs dépassant 90 % dans certains pays. Ce verre recyclé sert essentiellement à la production de verre d’emballage, économisant à la fois de l’énergie et des quantités considérables de matières premières minérales.

L’approvisionnement en métaux est-il durable sans recyclage ?

50On constate que l’importance relative de l’extraction directe des métaux à partir des minerais diminue progressivement. Par exemple, entre 1950 et 2014, le pourcentage d’aluminium recyclé est passé de 19 % à 36 % alors que la production totale a augmenté de façon considérable dans le même temps, passant de 1,5 million de tonnes à 49 millions de tonnes, ce qui implique une activité de recyclage particulièrement dynamique. Les projections pour 2020 indiquent un taux de recyclage qui pourrait s’approcher de 40 % pour une production totale dépassant 70 millions de tonnes.

  • 26 « Primary metal production fills the gap between the availability of secondary material and total d (...)

51L’évolution progressive des concepts a été illustrée en 2006 par une conclusion de l’International Council on Mining and Metals (ICMM), resituant la place future de l’activité minière extractive : « La production primaire de métal compense l’écart qui existe entre la disponibilité du matériau secondaire et la demande totale26. » Cependant, l’augmentation de la demande imposera à l’avenir de continuer à produire du métal à partir du minerai.

  • 27 Voir l’introduction.

52Arrivant au terme de cette leçon inaugurale, je souhaiterais mentionner une action exemplaire menée par le Centre national de recherche technologiques (CNRT) sur le nickel et son environnement, implanté à Nouméa. Ce centre est soutenu à parité par l’État, les collectivités publiques territoriales et le secteur industriel. Les exigences de durabilité économique, écologique et sociale27 se retrouvent dans les trois axes thématiques poursuivis par le CNRT pour mener ses actions de recherche : « Nickel et technologies », « Nickel et environnement naturel » et « Nickel et société ». L’implication de l’ensemble des acteurs pour faire progresser connaissances et concepts, ainsi que l’intérêt de la société civile pour les activités du CNRT, lors des réunions de rendu ou des ateliers de réflexion qui se tiennent sur le territoire, montrent l’intérêt de ce type de structure.

Conclusion

53L’existence même de gisements concentrant de façon sélective une ressource minérale, parfois associée avec quelques autres, montre la cohérence remarquable des différents paramètres géologiques, minéralogiques, géochimiques ou tectoniques. Cette logique peut s’observer dans des conditions géologiques aussi variées que les milieux magmatiques ou les environnements sédimentaires, dans des faciès à hautes pressions ou à la surface de la Terre, en interaction avec l’activité biologique. Les grands gisements de taille mondiale se sont souvent formés par la coïncidence de différents événements géologiques, qui se sont produits au même endroit et à des périodes parfois fort différentes. Voici encore un caractère remarquable de ces ressources minérales.

54Les progrès réalisés dans les méthodes d’exploration minière ainsi que l’évolution du cours des matières premières minérales nous amènent à reconsidérer les échéances correspondant à l’épuisement des ressources « faciles » à exploiter. Ceci se fait à tous les niveaux de l’activité minière : réévaluation des gisements exploités, mise en exploitation de nouveaux gisements correspondant à des réserves reconnues, ou encore découverte de zones potentiellement intéressantes pouvant mettre en évidence des ressources potentielles d’importance majeure. Ces progrès s’accompagnent maintenant d’une prise de conscience croissante du volet environnemental de l’activité minière et d’une meilleure compréhension des impacts que les métaux lourds ont sur les milieux géologiques et biologiques, notamment dans les milieux fragiles. Il existe également de grands espoirs dans les technologies du traitement des minerais, avec les perspectives que certaines techniques comme l’hydrométallurgie offrent en termes de durabilité, en permettant d’extraire de façon sélective différents métaux et d’optimiser ainsi l’utilisation de la ressource. Enfin, les activités de recyclage continuent à se développer avec l’augmentation des besoins en matières premières minérales et l’importance des économies d’énergie.

55Pour tout cela, il est nécessaire de maintenir une activité de recherche fondamentale sur le long terme, ouverte à la fois sur les développements technologiques et sur les impératifs de durabilité. Le premier volet suppose des échanges renforcés entre la recherche académique et la recherche et développement (R&D) industrielle, d’autant plus que les sites miniers sont des objets originaux dont on ne peut se passer pour étudier les conditions de formation des gisements et leur mise en valeur. Le second volet impose de maîtriser les impacts et les incidences des activités minières en termes humains et sociétaux. L’ensemble de ces activités couvre l’ensemble du champ des connaissances. Il est donc nécessaire de disposer de formations de qualité pour garantir le développement futur, au meilleur niveau, de ce domaine discret mais vital que représentent les ressources minérales.

Dans le cadre de la chaire de Développement durable – Environnement, énergie et société, je voudrais tout d’abord remercier toutes les personnalités qui ont été invitées pour apporter leur éclairage, dans le cadre des séminaires ou du colloque final. Ces personnalités viennent de la recherche publique et privée, de la production industrielle et de la puissance publique : en croisant ces différentes expériences, on avance dans la réalité du développement durable. Il faut associer la connaissance scientifique à l’appréciation de la réalité économique, sans être coupé de l’aspect institutionnel qui gère le long terme.
Je voudrais également remercier les étudiants avec lesquels j’ai travaillé et qui m’ont beaucoup apporté, ainsi que les collègues que j’ai croisés dans les milieux universitaire, institutionnel et industriel. Ce sont des mondes qui sont trop souvent séparés et qui gagneront toujours à mieux se connaître. C’est un vrai plaisir pour moi d’avoir pu vivre dans ces trois environnements. Être chercheur en sciences de la Terre dans un laboratoire de physique tout en travaillant régulièrement avec des chimistes est extrêmement enrichissant et passionnant. Je souhaiterais évoquer ici la mémoire d’Hubert Curien, qui m’a toujours encouragé dans mon parcours à dépasser les frontières entre les disciplines. Je remercie enfin ma famille et mes proches qui acceptent que la vie d’un chercheur ne soit pas totalement normale, si tant est que l’on puisse définir une normalité dans la vie.

Annexes

Les enregistrements audio et vidéo de la leçon inaugurale sont disponibles sur le site web du Collège de France : https://www.college-de-france.fr/​site/​georges-calas/​inaugural-lecture-2014-2015.htm.

Notes

1 Y. Bréchet, La Science des matériaux : du matériau de rencontre au matériau sur mesure, Collège de France/Fayard, coll. « Leçons inaugurales du Collège de France », 2013. URL (texte intégral) : http://books.openedition.org/cdf/2284.

2 Voir la partie 6.

3 Un minéral correspond à un solide naturel caractérisé par une structure périodique et une composition chimique définie.

4 Cet exemple sera développé dans la partie 3.

5 On évalue la contamination atmosphérique en plomb, dans l’hémisphère nord autour de notre ère, à environ 15 % de la contamination liée aux additifs plombés des carburants au xxe siècle.

6 S. Hong, J.P. Candelone, C. C. Patterson et C. F. Boutron, « Greenland ice evidence of hemispheric lead pollution two millennia ago by Greek and Roman civilizations », Science, vol. 265, no 5180, 1994, p. 1841-1843, DOI : 10.1126/science.265.5180.1841.

7 La production chinoise représente actuellement 54 % de la production mondiale.

8 Mineral Commodity Summaries 2015, Reston (Virginie), U.S. Geological Survey / U.S Department of the Interior, 196 p., DOI : 10.3133/70140094.

9 Voir la partie 3.

10 La famille des platinoïdes – ou groupe du platine – regroupe le platine et cinq métaux voisins, le ruthénium (Ru), le rhodium (Rh), le palladium (Pd), l’osmium (Os) et l’iridium (Ir).

11 Mineral Commodity Summaries 2015, op. cit. ; cf. également note 7.

12 Données de World Steel Association, 2015 : http://www.worldsteel.org/statistics/statistics-archive/monthly-steel-archive.html

13 La diagenèse désigne les processus (bio)physico-chimiques qui permettent la transformation des sédiments en roches sédimentaires.

14 G.E. Brown et G. Calas, « Mineral-aqueous solution interfaces and their impact on the environment », Geochemical Perspectives, vol. 1, nos 4-5, 2012-2013, p. 483-742, DOI : 10.7185/geochempersp.1.4.

15 Le facteur de concentration d’un élément d’intérêt économique est le rapport entre la concentration à laquelle cet élément peut être exploité et sa concentration crustale.

16 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:World-Iron-Map2.png

17 G.E. Brown Jr. et G. Calas, « Environmental mineralogy – Understanding element behavior in ecosystems », Comptes rendus Geoscience, vol. 343, nos 2-3, 2011, p. 90-112, DOI : 10.1016/j.crte.2010.12.005.

18 On utilise plutôt le terme de pollution lorsque le fonctionnement biologique normal se trouve altéré par la présence de ces contaminants.

19 K.S. Smith et H.L.O. Huyck, « An overview of the abundance, relative mobility, bioavailability, and human toxicity of metals », in G. S. Plumlee et M. J. Logsdon (éd.), The Environmental Geochemistry of Mineral Deposits, Part A: Society of Economic Geologists, coll. « Reviews in Economic Geology », vol. 6A, 1999, p. 29-70.

20 G. Morin, F. Juillot, C. Casiot, O. Bruneel, J.-C. Personné, F. Elbaz-Poulichet, M. Leblanc, P. Ildefonse et G. Calas, « Bacterial formation of tooeleite and mixed arsenic(III) or arsenic(V)-iron(III) gels in the Carnoulès acid mine drainage, France. A XANES, XRD and SEM study », Environmental Science and Technology, vol. 37, no 9, 2003, p. 1705-1712, DOI : 10.1021/es025688p ; G. Morin et G. Calas, « Arsenic in soils, mine tailings and former industrial sites », Elements, vol. 2, no 2, p. 97-101, 2006.

21 G. Calas, « Tales, tales… », Elements, vol. 8, no 5, 2012, p. 323.

22 Voir la partie 2.

23 https://setis.ec.europa.eu/mis/gallery-all-graphics-images/material/dysprosium

24 abordée dans la partie 2.

25 « Policymakers should not succumb to pressure to act too quickly or too expansively in the face of raw materials threat » (cité par Brad Plumer, « China no longer has a stranglehold on the world’s supply of rare earth metals », Vox, 22 octobre 2014).

26 « Primary metal production fills the gap between the availability of secondary material and total demand. »

27 Voir l’introduction.

Table des illustrations

Titre Figure 1
Légende (a) Quelques étapes du développement de l’activité minière ; (b) contraintes et questionnements liés au développement durable.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-1.png
Fichier image/png, 475k
Titre Figure 2
Légende Relation entre la concentration de quelques éléments, exprimée en ppm, et (a) les cours des métaux correspondants ou (b) les quantités de métal extraites8.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-2.png
Fichier image/png, 289k
Titre Figure 3
Légende Production mondiale d’acier brut depuis le début du xxie siècle. Les effets de la crise économiques de 2008-2009 sont bien visibles12.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-3.png
Fichier image/png, 140k
Titre Figure 4
Légende Énergie de surface de minéraux industriels (talc, kaolin, carbonates) en mJ/m2.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-4.png
Fichier image/png, 163k
Titre Figure 5
Légende Production mondiale de minerai de fer en 2008. Les valeurs sont indiquées en millions de tonnes (carte réalisée par Snapcha, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 201416).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-5.png
Fichier image/png, 852k
Titre Figure 6
Légende Représentation schématique des sources et du transport des contaminants dans l’environnement (Brown et Calas, 201117).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-6.png
Fichier image/png, 73k
Titre Figure 7
Légende Impact sanitaire de la pollution en plomb de sols autour de sites miniers et industriels nord-américains (modifié, d’après Smith and Huyck, 199919).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-7.png
Fichier image/png, 657k
Titre Figure 8
Légende Quelques contextes de contamination par les métaux lourds.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-8.png
Fichier image/png, 303k
Titre Figure 9
Légende Les terres rares (Cabu, Le Canard enchaîné, 15/12/2010 – © reproduit avec l’aimable autorisation de V. Cabu).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-9.png
Fichier image/png, 2,5M
Titre Figure 10
Légende Deux aspects de la crise des terres rares. (a) Évolution des cours du dysprosium : les cours des terres rares redeviennent normaux au bout de quelques mois (modifié, d’après IET, European Commission, 2015, modifié23). (b) Les réserves mondiales de terres rares montrent une ressource qui est partagée entre plusieurs pays.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/4748/img-10.png
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Auteur

Professeur invité sur la chaire annuelle de Développement durable – Environnement, énergie et société (2014-2015)

© Collège de France, 2016

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540