Analyse multi-échelle des spectres de réflectance dans un environnement minier

Les mines à ciel ouvert requièrent une gestion optimale des résidus miniers, tant pour améliorer les temps d‘exploitation, comme pour prévenir des dommages environnementaux. Les stériles provenant de la fosse font partie de ces résidus miniers. Lorsque ces stériles sont déposés en surface ils peuvent générer un drainage minier acide (DMA). L’industrie minière et la communauté en général ont un grand intérêt à éviter et remédier les conséquences de ce drainage. La télédétection par satellite permettrait de cartographier l’étendue de toute la mine (la fosse et les haldes à stériles). La télédétection à très basse altitude permettrait une discrimination plus précise des lithologies (types de roche) grâce à une résolution spatiale plus fine. Ainsi, cette discrimination à basse altitude pourrait valider la cartographie satellitaire et faciliter les opérations minières. Afin de contribuer à la cartographie de la surface de la mine Canadian Malartic, une méthodologie visant une analyse multi-échelle des spectres de réflectance de surface a été formulée. Les étapes sont: 1) l’analyse de la variabilité des mesures de spectrométrie et des images, 2) l’analyse de la correspondance entre les images multi-échelles et 3) l’analyse de l’effet d’échelle sur les cartographies réalisées par les approches Spectral Angle Mapper (SAM) et Mixture Tuned Matched Filtering (MTMF). Les capteurs imageurs Worldview-3 (satellitaire) et Pika II (hyperspectral à bord d’un Aéronef Sans Pilote) ont fourni les images. Les systèmes de spectrométrie ASD et Ocean Optics ont fourni les spectres de réflectance des échantillons. Les résultats de l’analyse de variabilité spectrale des échantillons de surface montrent que les spectres de réflectance sont très corrélés et que leurs valeurs sont très proches (RMS ≤ 0,09). Ce qui suggère que la surface minière est très homogène. Un effet d’échelle n’a pas été observé sur les spectres de réflectance multi-échelle (tous les coefficients r > 0,93). Quant à l’analyse de la variabilité spectrale des images multi-échelles, les histogrammes et l’autocorrélation spatiale par l’Indice de Moran montrent que l’image satellite Worldview-3 (WV-3, 120 cm/pixel) et l’image Pika II (10 cm/pixel) ont une faible variabilité spectrale. Cependant, il a été constaté un effet d’échelle sur la cartographie par SAM et MTMF. Il a été constaté plus précisément qu’au fur et à mesure que l’échelle augmente (diminution de la résolution spatiale), certaines classes sont sous ou surestimées. Ce qui pourrait avoir des effets pratiques sur l’application au triage de matériel extrait de la fosse.Abstract: Open pit mines require optimal management of mine tailings, both to improve operating times and to prevent environmental damage. Waste rock from the pit is part of these tailings and deposited on the surface they can generate acid mine drainage (AMD). The mining industry and the community in general have a great interest in avoiding and remedying the consequences of this drainage. Satellite remote sensing could map the extent of the entire mine (pit and waste dumps). Remote sensing at very low altitude would allow more precise discrimination of lithologies (rock types) through a finer spatial resolution. Thus, this low-level discrimination could validate satellite mapping and facilitate mining operations. In order to contribute to the mapping of the surface of the Canadian Malartic Mine, a methodology for multi-scale analysis of surface reflectance spectra has been formulated. The steps are: 1) the analysis of the variability of spectrometry measurements and images, 2) the analysis of the correspondence between multi-scale images and 3) the analysis of the effect of scale on cartographyies made using Spectral Angle Mapper (SAM) and Mixture Tuned Matched Filtering (MTMF) approaches. The imaging sensors Worldview-3 (satellite) and Pika II (hyperspectral sensor aboard a drone) provided the images. The ASD and Ocean Optics spectrometry systems provided the reflectance spectra of the samples. The results of the spectral variability analysis of the surface samples show that the reflectance spectra are highly correlated and that their values are very close (RMS ≤ 0.09). This suggests that the mining surface is very homogeneous. Scale effect was not observed on multi-scale reflectance spectra (all coefficients r> 0.93). As for spectral variability analysis of multi-scale images, histogram and spatial autocorrelation by the Moran Index show that the satellite image (WV-3 of 120 cm / pixel) and the Pika II image of 10 cm / pixel have low spectral variability. However, there was a scale effect on SAM and MTMF mapping. It has been found more specifically that as the scale increases (decrease in spatial resolution), some classes are under or overestimated. This could have practical effects on the accuracy of sorting material extracted from the pit

Extending the reach of crushed-rock fertilizers to Africa : alternative potassium fertiliser using nephiline syenites from Malawi

PhD ThesisAfrica has one of the most disadvantaged agricultural sectors in the world due to high poverty levels and high fertiliser import costs from the northern hemisphere. This study was conducted to assess the potential of nepheline syenites from Malawi, representing others from the rift tectonic settings of Africa, for their potential as potash sources. This was a multidisciplinary study which used a combination of remote sensing, airborne and field gamma-ray geophysics, and petro-geochemical techniques to assess the potential of nepheline syenite as fertiliser. Petrological and geochemical analyses of rock samples and soil samples were conducted for determination of K content and to confirm the presence of nepheline and other associated minerals within the rock and soil samples. Petro-geochemical results show the presence of nepheline in most of the samples and this agrees well with expectations from the geophysical and remote sensing digital terrain model results. The study has also discovered the presence of davidsmithite ((Ca,□)2Na6Al8Si8O32) an uncommon silicate mineral of the nepheline group, associated with the heterovalent replacement of Ca2+ for K+. Plant growth trials using this study’s nepheline syenite and crushed-rock from other parts of the world have shown that Malawi’s nepheline syenite is able to release K for plant growth. Although different intrusive complexes are not homogenous, the results show that, generally, nepheline syenites from Malawi have similar geochemistry to those in other parts of the world, some of which have been used as crushed-rock fertilisers. This thesis, therefore, provides an initial reference material on how geophysical and remote sensing techniques can be used to delineate nepheline syenite occurrences in the East African Rift System as a potassium source. This thesis further shows Malawi’s potential as a source of crushed-rock potash fertilisers. It also provides pilot information for further research in this area because agro-geology is a new discipline in both Malawi and Africa as a whole

Démixage lithologique et minéralogique par modélisation du transfert radiatif dans un contexte de mine à ciel ouvert.

La fosse en cours d’exploitation de la mine Canadian Malartic est considérée, dans cette thèse, comme étant un régolithe d’origine anthropique. Les explosions utilisées pour briser la roche conduisent à la formation d’un manteau rocheux non consolidé couvert de poussières, un médium particulaire. Les observations de blocs et de poussières faites directement sur le site confirment que le sol de la fosse rentre dans la définition de régolithe. Le modèle de transfert radiatif de Hapke, habituellement réservé à la planétologie, peut donc être utilisé pour le démixage spectral dans une mine. Une cartographie, réalisée à partir de données spectroscopiques et du modèle de Hapke, apporterait une information spatialement continue en quasi-temps réel aux géologues. Cela les aiderait à prévenir d’éventuels problèmes de drainage minier acide et à mieux discriminer le minerai du stérile. Cependant, les conditions rencontrées dans un contexte de mine à ciel ouvert ne permettent pas d’utiliser le modèle comme habituellement fait en planétologie. En effet, pour le démixage spectral des régolithes planétaires, une valeur de taille de grain générique est entrée dans le modèle et la porosité est souvent ignorée. Ces simplifications permettent de limiter le nombre de solutions possibles lors de l’utilisation du modèle, mais ne peuvent pas être généralisées aux mines à ciel ouvert. La variabilité de la taille de grain et de la porosité rencontrées empêche cette généralisation. Les travaux réalisés dans cette étude montrent que l’inversion du modèle de Hapke est un problème mal posé qui ne peut, sans diverses contraintes a priori, donner une solution unique. Trois lithologies ont été collectées dans la fosse de la mine Canadian Malartic. Les résultats de fluorescence des rayons X montrent qu’une ségrégation chimique significative a lieu durant la fracturation. Cela conduit à une minéralogie différente entre la poussière et la roche mère. Les différentes méthodes d’épandage de poudres de roches broyées, testées dans cette étude, mettent en exergue les incertitudes qui peuvent apparaître si une méthodologie rigoureuse n’est pas suivie. Une méthode qui optimise la répétabilité des mesures spectrales est décrite. Les démixages minéralogiques ont été réalisés à l’aide de pôles purs tirés de la bibliothèque spectrale du « United States Geological Survey ». Ces travaux ont mis en évidence la difficulté de quantifier l’abondance relative des minéraux à cause de la forte quantité de tectosilicates, semi-transparents dans les longueurs d’onde étudiées. Par exemple, un constituant majeur des échantillons, le quartz, peut varier de 20 % à 80 % en abondance sans que cela affecte significativement la modélisation. De plus, l’utilisation de pôles purs minéralogiques pris dans les bibliothèques est délicate tant la variabilité morphologique des spectres est grande pour un même minéral. Le modèle de Hapke utilisant de nombreux paramètres, les solutions permettant un bon accord entre mesures et modélisations peuvent être très différentes de la réalité. Afin de réduire le nombre de variables en entrée du modèle, des pôles lithologiques sont utilisés. De plus, la plupart des particules constituant le médium étant des assemblages minéralogiques, il semble raisonnable de penser le problème en termes de lithologies. Des mélanges binaires de différentes proportions sont utilisés pour contraindre l’inversion du modèle lors du calcul de la partie imaginaire des indices optiques. Cela permet le calcul sur deux pôles à la fois sans nécessiter les spectres de réflectance sur plusieurs granulométries. Les erreurs moyennes d’abondances retrouvées par le modèle dans le cas où les mélanges binaires sont de mêmes tailles de grain n’excèdent jamais 5 %. Les expérimentations en laboratoire de mélanges entre des grains fins et grossiers montrent un comportement spectral qui ne semble pas correspondre aux prédictions faites par le modèle. Une fonction de « taille de grains partagée » est introduite pour rendre compte des observations. Cette fonction permet une amélioration générale des démixages lithologiques en quantifiant plus précisément les abondances relatives massiques des particules fines et grossières. Dans le cas d’un mélange biotite / olivine, cette amélioration atteint 16,5 %. Les tailles de grain calculées, sans être précises, sont suffisamment bonnes pour être classées en fines ou grossières. Enfin, cette étude prouve que les roches, entités constituées de différents minéraux, peuvent être utilisées comme pôles purs d’un mélange constitué de différentes lithologies. Ces travaux ouvrent donc la voie à des cartographies lithologiques qui pourraient être utilisées par les géologues dans un contexte de mine à ciel ouvert