Une pompe à or dans la croûte terrestre

Résumé: Pour former un gisement d’or, il faut concentrer le métal entre mille et un million de fois par rapport à sa teneur moyenne dans la croûte terrestre. Seuls quelques minéraux, comme la pyrite arsénifère et l’arsénopyrite, peuvent présenter un tel enrichissement, mais l’état de l’or dans le minéral et les causes menant à son piégeage restent à ce jour très mal compris. Un consortium interdisciplinaire et international, composé de géologues, chimistes et physiciens, vient d’élucider la nature de l’or piégé et le mécanisme de fonctionnement à l’échelle atomique de ces véritables pompes aurifères minérales. La combinaison de mesures expérimentales sur synchrotron et leurs modélisations physico-chimiques a permis aux chercheurs de découvrir que l’or s’incorporait dans la structure cristalline du minéral en se liant très fortement à l’arsenic. Ce couplage or-arsenic permet d’expliquer les phénomènes d’incorporation et ensuite de libération de l’or par ces minéraux hôtes aboutissant à la formation des ressources aurifères. Ce modèle conceptuel ouvre ainsi de nouvelles pistes pour i) localiser de nouvelles ressources en or et autres métaux précieux et ii) améliorer le traitement de leurs minerais. Ces résultats sont publiés le 20 avril 2021 dans la revue Geochemical Perspectives Letters.

Comment former un gisement d’or sur Terre ? Il faut pouvoir concentrer ce métal, extrêmement rare dans la nature, d’un facteur 103 à 106 par rapport à sa teneur moyenne dans la croûte terrestre (qui est seulement ~1 milligramme par tonne de roche). L’or, le métal noble le plus inerte du Tableau Périodique, est très peu soluble dans les fluides et magmas, contrairement à bien d’autres métaux. Un tel phénomène de concentration ne peut donc pas être assuré uniquement par la phase fluide hydrothermale. Certains minéraux, comme la pyrite arsénifère et l’arsénopyrite (respectivement de formule chimique Fe(As,S)2 et FeAsS), ubiquistes dans les gisements aurifères, sont connus pour leur capacité à concentrer l’or. Cependant, une grande partie de cet or se trouve dans un état dit ‘invisible’ ou ‘réfractaire’ dans ces sulfures, i.e. indétectable par les techniques traditionnelles de microscopie et se prêtant mal aux méthodes habituelles d’extraction de l’or du minerai qui visent l’or dans son état natif métallique. Mais quelle est la véritable nature de l’or invisible dans le minéral et quelles sont les forces motrices d’un tel piégeage sans équivalent? Ces questions, primordiales pour la prospection et l’extraction des géo-ressources, ont monopolisé géologues, miniers et métallurgistes depuis l’aube de l’ère industrielle.

Exemple de cluster atomique que forme l’or avec l’arsenic et le soufre lors de son incorporation dans la pyrite arsénifère (panel du haut, pas à l’échelle), révélé dans cette étude grâce au dispositif de spectroscopie d’absorption de rayons X de haute résolution mis au point sur la ligne de lumière FAME-UHD du synchrotron européen ESRF (panel du bas). © G. Pokrovski, M. Kokh, M. Blanchard, D. Testemale

Pour résoudre cette vieille énigme de l’or, un consortium interdisciplinaire de chercheurs ont analysé ces minéraux aurifères, naturels et leurs analogues synthétisés en laboratoire, en utilisant la spectroscopie d’absorption de rayons X de haute résolution sur synchrotron (dite HERFD-XAS), méthode unique directe capable de révéler la nature de l’or à l’échelle atomique. Les chercheurs ont interprété les données obtenues en utilisant des approches de modélisation thermodynamique et moléculaire, afin d’identifier l’état chimique et structural de l’or incorporé. Les résultats ont stupéfié les chercheurs: l’or s’incorpore dans la pyrite et l’arsénopyrite à l’état d’oxydation +2, un état différent de ceux que l’or habituellement présente dans la majorité de ses phases solides et fluides (+1 et +3). Pour passer dans cet état, l’or se lie à l’arsenic par une réaction d’oxydo-réduction entre le fluide et le minéral, en formant des clusters atomiques de géométrie octaédrique AuAsnS6-n. Ce phénomène clé de couplage or-arsenic est donc responsable de cet enrichissement sans précédent de l’or dans ces minéraux en présence d’arsenic et explique, pour la première fois de manière quantitative, les associations ubiquistes de l’or avec l’arsenic depuis longtemps constatées par les miniers. Ainsi, ces minéraux arsénifères, fonctionnant comme de véritables pompes à or, assurent grâce au couplage or-arsenic, le piégeage massif de l’or à partir d’un fluide qui généralement en contient extrêmement peu. Puis, lorsque les conditions physico-chimiques du milieu évoluent dans le temps, ces minéraux libèrent éventuellement une partie de leur butin, déterminant ainsi sa distribution et sa concentration spatiale et temporelle au sein du site de dépôt et, plus globalement, à travers d’une province métallogénique.

La mine d’or à ciel ouvert Super Pit (Kargoorlie, Australie Occidentale) où une grande partie de l’or se trouve en état invisible dans la pyrite arsénifère et l’arsénopyrite.© G. Pokrovski

Le nouveau modèle du couplage or-arsenic élaboré dans cette étude permet d’expliquer le paradoxe de formation des gisements d’or. Il fournit aux géologues et miniers un outil permettant de quantifier l’enrichissement et la distribution de l’or dans les minéraux sulfurés qui sont les principaux hôtes de ce métal dans divers types de gisements hydrothermaux. Plus généralement encore, cette étude ouvre la porte à des avancées dans les méthodes combinées de spectroscopie in-situ et modélisation qui permettront la quantification d’autres métaux économiquement critiques ‘invisibles‘ dans leurs minéraux hôtes (e.g., platinoïdes, terres rares), contribuant ainsi à une meilleure compréhension des grands cycles des métaux dans la nature et à une amélioration de l’exploitation des géo-ressources minérales et de leur recyclage pour notre société.

Contact scientifique: Gleb Pokrovski (GET)

Sources :

Gleb S. Pokrovski, Marc Blanchard, Gaëlle Saunier et Franck Poitrasson. Mechanisms and rates of pyrite formation from hydrothermal fluid revealed by iron isotopes – Geochimica et Cosmochimica Acta (2021). https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.03.006

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