Programme de Recherche (( Matériaux et Granulats - Module Kaolin ))

Elaboration et validation d'une méthode de prospection spectrométrique des kaolins dans le

Massif armoricain

Etude réalisée dans le cadre du projet de recherche 01RESD03

B. Tourlière, P. Le Berre, J. Perrin,

décembre 2001 BRGWRP-51499-FR

Matériaux et granulats - Module kaolin - Elaboration et validation d'une méthode de prospection spectrométrique des kaolins

Mots clés : kaolin, spectrométrie, potassium, prospection, GIS

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Tourlière B, Le Berre P., Perrin J. : Programme de Recherche ((Matériaux et Granulats - Module Kaolin ». Elaboration et validation d'une méthode de prospeclion spectrométrique des kaolins dans le Massif monca in -Rapport BRGMIRF'-51499-FR, décembre 2001 - 37 p.

0 BRGM, 2002, ce document ne peut êhe reproduit en tolalilé ou en parlie sans i'autorisaiion expresse du BRGM

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Synthèse

En 2000, le BRGM a mis au point une méthode de prospection permettant de mettre en évidence des zones favorables à la présence de kaolin dans des environnements granitiques à partir du canal potassium d'un levé aérospectrométrique et des contours de formations issus des cartes géologiques.

La méthode originale développée au BRGM permet de cibler des zones à potentiel kaolin par le calcul des déficits relatifs en potassium par rapport à une composition moyenne calculée pour chaque formation géologique représentée sur une carte.

Sur l'ensemble de la zone couverte par le levé aérogéophysique effectué sur le massif armoricain en 1998 dans le cadre du Service Public, cette méthode a permis d'isoler 150 anomalies significatives et, sur les 115 qui ont été contrôlées, de trouver 32 nouvelles occurrences de kaolin.

Suite à ces bons résullats obtenus à l'échelle stratégique (i:250000), il a été décidé de poursuivre les travaux en 2001 dans l'objectif de mieux focaliser les cibles potentielles. Pour cela, nous avons effectué le même type de traitement à partir d'extraits de cartes géologiques au 1 :50000, puis, pour passer à l'échelle du prospect, nous avons effectué des levés spectrométriques au sol sur deux secteurs de 6 km2 afin de valider la méthode pour I'implantaiion d'une éventuelle grille de sondages par un opérateur minier.

Les études au 1 :50000 montrent effectivement une meilleure définition des cibles, essentiellement liée au plus grand niveau de détail de la carte géologique.

Les éludes au sol monirent que la spectrométrie est un outil adapté à la prospection directe d u kaolin pour peu qu'il n'y ait pas de recouvrements allochtones. Sur l'un des secteurs, la simple mesure du canal potassium permet de tracer sur le terrain la zone où l'on a présence de kaolin.

L'ensemble de ces iravaux montre que la méthode fonctionne depuis l'échelle stratégique pour la définition de cibles potentielles jusqu'au prospect pour la définition des enveloppes minéralisées.

Un auire intérêi de cette méthode dc prospection rapide est qu'elle n'a aucun impact sur I'environiiemenl~

Ces travaux rcalisés en 2001 clôturent ce volet du projet de recherche DR RSDOO? en monirant que la méthode développée par le BRGM est efficace et opérationnelle pour les opérateurs dans le secleur du kaolin. L'intérêl porié par DAM (principal opérateur h n ç a i s dans l e secteur) à nos travaux le prouve.

Les limites de la méthode soiii liées à la faible pénétraiion de ce type de mesure (de l'ordre du inèirc) qui fait qu'on ne pourra donner qu'une enveloppe surfacique de la zone

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favorable (pas de volume) et à la précision de la carte géologique utilisée comme support pour les calculs.

La méthodologie est applicable à tout autre phénomène géologique se traduisant par un apport ou un départ en U, K et/ou Th à partir du moment où l'on a une carte géologique de bonne qualité. Inversement, elle peut être utilisée pour valider des contours de cartes comme nous avons pu le faire en Namibie. On peut aussi l'utiliser pour montrer des variations subtiles dans des formations réputées homogènes.

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Sommaire

1. Introduction ................................................................................................................ 7 1.1. Rappel des résultats 2000 ....... ............................................. ... 7 1.2. Objectifs des travaux 2001 ........................................................................................ 7 . .

1.3. Projet de RPI DAM ................................................................................................... 8 2. Méthodologie du lever spectrométrique au sol ........................................................ 9

....... 9 2.1.1, Sonde .............................................................................................................. 9 2.1.2. Unite centrale ........................................................................... 2.1.3.GPS ..........................................................................................

. . 2.1. Description de l’appareillage ................................................................

. ,

2.2. Configuraiion du Spectromètre ............................................................................... 10

.................................................................... 11 2.2.1. Spectres 256 canaux ........................................................................... 2.2.2. Siabilisation d u spectre 2.2.3. Temps de comptage ...................................................................................... 1 1

2.2.4. Fenêtres spectrales ......................................................................... 2.3. Calibrations, vérifications et mesures de références ............................................... 12

2.3.1, Paramètres de calibration ............................................................................. 12 2.3.2. Signatures spectrales de référence. ......................................................... 13 2.3.3. Bruit de fond ................................................................................................. 13 2.3.4. Vérifications quotidiennes ......................................... 2.3.5. Mesures de références à Kerrouet ................................................................ 14

2.4.1 . Implantation des stations de mesure .......................... ............................... 15 2.4.2. Localisaiion des stations de mesure .............................................................. 15 2.4.3. Mise en station .............................................................................................. 16 2.4.4. Prise des mesures .................................... ......................... 16 2.4.5. Mesures réalisées ...................................................................................... 16 2.4.6. Traitement des mesures ..............................................................

2.4. Mise en œuvre du spectromètre sur le terrain ..................................................

3. Résultats des travaux ................................................................................................. 19

. ............................. ............................................ 19 3. l Secteur Plessala 3 ~ 1 . 1 . Eiude à partir du 1:50000 ............................................................................. 19 3.1.2. Eiude au sol ............................................................................... .......... 20 3. I . 3 ~ Conclusions sur le secteur Plessala ......... ................................ 25

3.2. Secteur Niiii,jou ................................................................................................. 25 3.2.1. Eiude àparlir du 1:50000 ............................................................................. 25

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Matériaux et granulats . Module kaolin . Elaboraiion et validation d'une methode de prospection spectrométrique des kaolins

3.2.2. Etude au sol .................................................................................................. 26 3.3. Conclusions sur les lravaux 2001 ............................................................................ 29 4 . Perspectives et développements ............................................................................... 31

5 . Conclusion ................................................................................................................. 33

Bibliographie ................................................................................................................. 35

Liste des illustrations .................................................................................................... 37

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1. Introduction

Ce rapport fait le bilan des études entreprises durant l'année 2001 dans le cadre du projet de recherche 00RESD03 - Matériaux et granulats, volet kaolin. Ce projet de recherche vise à mettre au point une méthode de prospection de certains minéraux industriels par le couplage entre des levés spectrométriques et une carte géologique. L'application au kaolin découle de l'observation que cette argile est schématiquement fabriquée par l'hydrolyse d'un feldspath potassique, phénomène qui se traduit par une perte en potassium dans l'environnement du gisement. Mesurer le déficit local en potassium dans une formation géologique riche en feldspaths potassique (comme les leucogranites) doit donc permettre de mettre en évidence des zones à potentiel kaolin.

1.1. RAPPEL DES RESULTATÇ 2000

Le volet 2000 de ce projet ([5] Projet de recherches 00RESD03 - Matériaux et granulats, - Volet Kaolin ~ compte rendu des travaux réalisés en 2000 dans le Massif armoricain - décembre 2000 - BRGM/RP-50621-FR) a consisté à coupler le vol akrospectrométrique effectué sur le Massif armoricain en 1998 [ I l avec les récentes syntlièses cartographiques au 1 :250000 élaborées par les géologues du BRGM [2], [3].

La méthode utilisée consiste a calculer la teneur moyenne en potassium de chaque rorination telle que représentée sur la carte géologique puis de faire la différence entre la teneur mesurée e l cette moyenne. Ce calcul se fait sur des grilles à la maille de 250m, niaillc cohércnte avec la résolulion des vols el l'échelle des cartes géologiques. A partir du principe de la méthode, les groupements de pixels montrant un écart à la moyenne iicgaiif définiront les zones à potentiel kaolin s'ils se irouvent dans des formations à fort contenu moyen en poiassiuin, c'est à dire, essentiellement les granites et, surtout, les leucogranitcs.

Celte étude a permis de mettre en évidence 150 zones déficitaires dont I I 5 ont fait I'ob-jei d 'un rapidc contrôle de terrain. Ce contrôle a révélé.32 nouvelles occurrences de kaolin ei valide donc la méthode à l'échelle stratégique.

1.2. OBJECTIFS DES TRAVAUX 2001

I x s ii-avaux effectués ci1 2000 ont aussi montré les limites de la méthode à l'échelle straitgiquc.

Ccs limites sont essentiellemciit liées aux choix qui ont été faits pour faciliter la lisihiliié dc l a carie géologique au 1 :250000 à savoir :

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- La non prise en compte des recouvrements ; - une certaine simplification et homogénéisation des contours ; - une simplification des différences de faciès à l'intérieur des formations.

Ces limitations nécessaires à l'échelle d'une carte de synthèse sont pénalisantes dans notre cas car une zone intensément silicifiée dans un granite se traduira par un déficit en potassium sans kaolinisation ; il en sera de même pour des recouvrements allochtones ou des alluvions. De plus, la simplification des contours peut avoir l'effet néfaste de créer des "anomalies de bordure" si cette limite passe dans sur une formation à faible contenu en potassium.

Une autre limitation est liée à la taille du pixel de 250 m due aux distances entre lignes de vol. Il faut savoir qu'une carrière de kaolin en Bretagne est souvent d'une taille de l'ordre de 10 ha et qu'un pixel de 250 m "couvre" une surface de 6.25 ha !

il nous a donc semblé important, dans le cadre de ce projet de recherche d'utiliser la même méthodologie à des échelles plus proches de celle des objets recherchés. Deux approches ont été utilisées :

- reprendre le même jeu de données aérospectrométriques avec un pixel recalculé à 125 m en utilisani les contours des cartes géologiques au 1:50000 ; faire des levés au sol avec un spectromètre pour passer à l'échelle du prospect et cibler au mieux les zones à sonder.

-

Ces travaux ont été effectués sur deux secteurs choisis comme étant caractéristiques :

- le secteur de Plessala sur la carte au I :50000 de Moncontour ; - le secteur de Ninijou sur la carte au 1 :50000 de Rostrenen.

1.3. PROJET DE RPI DAM

Un prqjet de RPI a été bâti avec DAM (Denain Anzin Minéraux), premier producieur français de kaolin mais, i l n'a pas été signé à ce jour. Nous avons utilisé pour ce rappori la cai-te géologique de terrain levée par une stagiaire de DAM (Julie Cormier ~ élève ingénieur de 3è"'cannée à 1'E.N.S.G.) et certains résultat's des sondages à la tarière ellèctués par les équipes de DAM.

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2. Méthodologie du lever spectrométrique au sol

L’objectif des levers spectrométriques au sol était d’acquérir des mesures denses et précises, pour valider à l’échelle tactique la méthode de cartographie des déficits potassium par spectrométrie du rayonnement gamma naturel. La méthode développée à l’échelle régionale en première phase du projet ((kaolin », peut-elle être transposée à l’échelle du gisement pour délimiter sur le terrain les zones à sonder ?

Parallèlement, cette campagne fournit des éléments de ré-étalonnage in situ du levé aéroporté du Massif Armoricain permettant de valider sa précision et d’en contrôler la résolution. La limite de la méthode à l’échelle stratégique sera ainsi mieux cernée. La méthodologie du lever spectrométrique au sol a été abordée avec soin afin d’optimiser la qualité des mesures. Ce chapitre développe les différents aspects de cette méthodologie.

2.1. DESCRIPTION DE L’APPAREILLAGE

La campagne de spectrométrie au sol a été réalisée avec un équipement portable Exploranium GR320 de localion. L’appareillage choisi est de technologie comparable à cclui employé pour le lever aéroport6 : i l est constitué d’un spectromètre et d’un détecteur à scintillation (cristal NaI(TI) + photomultiplicateur). II est conçu pour être mis en ceuvre sur le terrain par un opérateur seul (voir photos fig. 2.1 en annexe).

2.1.1, Sonde

L’appareillage utilisé était équipé d’une sonde de terrain GPX-21A incluant le détecteur et son alimentation haute tension. L’ensemble est protégé par une enveloppe isolante renforcée par une coque d’aluminium cylindrique munie d’une poignée. Ce conditionnemeni permet à l’opérateur en opération sur le terrain de transporter la sonde (5 kg) d’une seule main. Le cristal Na1 de volume 0,35 litres et de forme cylindrique (3x3” = 21 pouces cubiques) est situé à la base de la sonde.

La sonde est reliée à l’unité centrale par u n câble souple d’environ 1.5 m de long donnant suîîïsamnieni de liberté de mouvement à l’opérateur pour les mesures. Néanmoins signalons deux pannes survenues durant la campagne de mesure dues à la coupure d‘un conducteur dans ce câble témoignant de sa fragilité.

2.1.2. Unité centrale

Le boîtier coiistiiuant l’unité centralc du spectrometrc comprend une baiierie rechargeahle, le dispositir de complage et dc discriniinaiion en énergie des impulsions délivrées par le plioiomultiplicaleur, une mémoire de stockage des mesures, un système

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d’interface utilisateur, une liaison de communication de type RS232 ; l’ensemble est contrôlé par un microprocesseur.

Une sangle permet le portage de l’unité centrale (4.8 kg) en opération sur le terrain. Le dimensionnement des capacités de la batterie et de la mémoire sont suffisantes pour une journée de mesures.

L’interface comprend un écran graphique et un clavier pour configurer et contrôler avec une bonne ergonomie le processus de mesure. Un système de menus permet à l’opérateur d’accéder aux fonctions du spectromètre.

Cet équipement s’est montré assez commode de mise en œuvre, toutefois un blocage du système suivi d’un vidage de la mémoire s’est produit une fois durant la campagne (on soupçonne que ce bug soit lié au processus de stabilisation du spectre).

Un micro-ordinateur portable complétait l’équipement pour le transfert et l’archivage des mesures. Le logiciel (( Explore4 )) fourni avec le spectromètre, permet de piloter l’interface RS232 et le transfert.

2.1.3. GPS

Le spectromètre offre la possibilité de mémoriser la géométrie d’une grille de mesure ou les coordonnées des points de mesure. Les coordonnées peuvent être transférées directement au spectromètre depuis un récepteur GPS utilisant le protocole NMEA via la liaison RS232. Un récepteur GPS GARMW 48 12 canaux a été utilisé et conneclé au spectromètre pour bénéficier de cette facilité lors de la campagne de mesure. En fin de cycle de mesure, lorsque l’opérateur active la fonction de mémorisation, les coordonnées délivrées par le récepteur GPS transmises par la liaison RS232, sont lues et sauvegardées avec le spectre mesuré.

2.2. CONFIGURATION DU SPECTROMETRE

2.2.1. Spectres 256 canaux

L’appareillage GR320 a été configuré pour analyser le spectre du rayonnement gamma détecté dans la gamme de O à 3 MeV en 256 canaux (résolution d’environ 12 keV / canal). Le spectre complei en 256 points est sauvegardé aprcs chaque cycle de niesui-c. Pendant le processus de mesure, l’opérateur a la possibilité de visualiser le spcctre. dc contrôler l’énergie des pics du spectre el les niveaux de comptage.

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2.2.2. Stabilisation du spectre

Les dérives en énergie des spectromètres gamma sont fréquentes, elles sont provoquées en particulier par les variations de température du capteur et peuvent varier avec son vieillissement. La maîtrise de la stabilisation du spectre est essentielle pour obtenir une analyse spectrale fiable. A ce titre, le spectromètre GR320 est pourvu d’une fonction de stabilisation automatique du spectre. Toute la campagne de mesure a été réalisée avec ce système actif. Le principe de stabilisation du spectre repose sur la reconnaissance automatique d’une raie spectrale caractéristique, en l’occurrence dans la configuration utilisée, celle de la raie à 662 kev émise par une petite pastille de Césium (environ 9 kBq) fixée à la base de la sonde.

Chaque jour, à la mise en service du spectromètre, le processus de stabilisation est recalé (((System test))) par alignement de la raie Césium sur le canal 55. En général la dérive électronique est stabilisée après quelques minutes de fonctionnement. Pour s’assurer de la réussite de la procédure d’alignement du pic Césium, l’opérateur prenait la précaution de terminer le (( System test )) en vérifiant systématiquement la valeur du gain de stabilisation et la résolution du détecteur sur le pic césium (largeur du pic à mi- hauteur (( fwmh )) ; fwmh = 8% * 0.1). La comparaison de ces valeurs d’un jour à l’autre durant la campagne de mesure a montré une stabilité satisfaisante attestant du bon fonctionnement du système.

Enfin pour assurer la parfaite stabilité du système, d’une part le spectromètre a été maintenu allumé en permanence pendant la journée de terrain afin que le détecteur reste actif entre les mesures: d’autre part le processus de stabilisation a été réglé de manière à obtenir une réitération de l’ajustement du gain en début de chaque cycle de mesure.

2.2.3. Temps de comptage

Les taux de comptage observés sur les sites d’étude sont faibles (zones déficitaires en radio-éléments) : comptages nets de l’ordre de 4 cps sur le site de Plessala pour la fenêtre Potassium, 1 cps pour la fenêtre Thorium et 0 ~ 7 cps pour la fenêtre Uranium. De facto, les fluctuations statistiques sur les mesures radiométriques dans ce contexte sont élevées. Elles peuvent être améliorées en auginentaiil la durée de comptage. Ainsi, pour obtenir une bonne précision de mesure en gardant une du& d’acquisition raisonnable, celle-ci a été portée à 50 secondes.

Notons que le temps de comptage fixé par l’opérateur désigne en réalité la durée du cycle de mesure et non pas la durée réelle d’activité du détecteur («lifetime»). Bien sûr le speclronièire détermine et enregistre cette valeur qui permet de calculer les taux de comptage (( vrais )) corrigés du temps mort.

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Uranium et en Thorium (ppm eqU ou eqTh) en supposant vérifiée l’hypothèse de l’équilibre des familles radioactives. Cette difficulté n’existe pas pour le Potassium, puisque l’isotope 40K est l’émetteur gamma détecté.

Le modèle de calibration utilisé tend a simuler une répartition homogène des radioéléments dans un demi-espace infini, cas général souvent satisfaisant pour la prospection de surface. Ce modèle simple peut-être insuffisant par exemple en présence de forts gradients de teneur dans les formations superficielles ou de dépôts surfaciques de radioéléments.

2.3.2. Signatures spectrales de référence

A réception de l’appareillage, la prise en main et la vérification de son fonctionnement ont été faits avec l’enregistrement de spectres de minéraux Uranifères et Thorifères. Ces spectres de référence (voir fig. 2.3a en annexe) permettent de contrôler la position de raies caractéristiques et atiestent de la linéarité et de la validité de la calibration en énergie du détecteur. Cette analyse a été complétée en début de campagne par l’examen de spectres (( naturels )) pour l’identification du pic du potassium, en particulier celui-ci est très bien exprimé sur le spectre moyen des kaolins de Kerrouet fourni en exemple.

2.3.3. Bruit de fond

Les valeurs de bruit de fond déterminées lors de la calibration sur bloc du spectromètre ne nous ont pas paru représentatives du bruit de fond de l’appareillage, mais reflètent de l’activité spécifique de l’environnement du site de calibration. 11 est préférable de réaliser une détermination du bruit de fond représentative des conditions de mesures rencontrées sur les sites d’étude. Une excellente qualificaiion du bruit de fond peut-être fournie par des mesures au-dessus d’un plan d’eau. En effei, le rayonnement gamma iellurique est fortement absorbé par quelques mètres d’eau : une lame d’eau de 13 cm d’épaisseur diminue l’intensité d’un rayonnement gamma de moitié (épaisseur demi). Uii site convenable facilement accessible a été trouvé dans la région des zones d’études l’existence d’un ponton flottant sur lac de Guerlédan (à l’Anse Sordan, tranche d’eau estimée à plus de 10 m) fourni d’excellentes conditions de mesures du bruit de fond.

Le spectre moyen (( bruit de fond )) acquis à Gerlédan (voir fig. 2.3b en annexe) est comparable à un spectre du rayonnement cosmique enregistré à haute altitude en aéroportée. Aucune contribution significaiive du radon aimosphérique n’est identifiable sur cet enregistrement.

Seiileineiii deux séries de mesure de bruit de fond ont été faiies (les 17 et 21 juin coiiiprenani respectivement 41 spectres de 100 s et 81 spectres de 50 s), elles ne iiiontreiit pas de variabilité noiable et nous n’avons pas eu la possibiliié de répéter l’opération pour observer des variations du niveau de rayonnement cosmique ou des cliaiigeiiicni de concentration du radon atmosphérique. Le niveau moyen de mesure

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déterminé lors de cette double expérience a été assimilé au bruii de fond de l’appareil, nous l’avons considéré constant pour l’ensemble du lever.

2.3.4. Vérifications quotidiennes

Les variables d’environnement du capteur (température et tension d’alimentation) sont enregistrées à chaque mesure. Leur surveillance donne également un moyen de contrôle rapide de l’absence d’anomalies de fonctionnement de l’appareillage.

Pour contrôler l’absence de dérive de mesures, une série de mesures de référence à été répétée tous les jours au même endroit (((siation de base))) matin e l soir. Les éventuelles variations observées à la station de base sont peu importantes (voir fig. 2.4 en annexe). Elles peuvent être liées à une variation instrumentale &ou à des variations d’environnement. La stabilité instrumentale est assez bien établie par les vérifications de (( system test n. On estime que les variations peuvent être attribuées à des changements de bruit de fond (en particulier de teneur en radon atmosphérique) et d’humidité du sol. Les premiers affectent essentiellement le canal Uranium, l’augmentation d’humidité du sol se traduit par une atténuation souvent perceptible sur les canaux Potassium et Thorium, mais parfois masquée sur le canal Uranium en raison de l’augmentation du pouvoir d’émanation radon des sols mouillés. En raison de l’absence de corrélations nettes des variations entres canaux et de l’existence d’écarts journaliers parfois aussi importants que les variations à long terme aucune correction dc dérive a la station de base n’a été appliquée aux résultats présentés dans ce rapport.

Enfin un contrôle global de chaque journée de mesure a été fait par examen des formes spectrales, en particulier la forme spectrale moyenne, obtenue par cumul de tous les spectres enregistrés, a été comparée d’un jour à l’autre (voir fig. 2.5 en annexe).

2.3.5. Mesures de références a Kerrouet

En début de campagne, une série de mesures de références a été faite à proximité et sur le gisement de kaolin de Kerrouet. Des spectres ont été enregistrés en 3 à 10 stations dans 5 environnements différents :

- une prairie située sur le leucogranite sain (affleurement visible en bordure du champ dans le talus de la route) à la soriie du village de Kerrouet ;

- champ de maïs dans l’emprise du gisement de kaolin, c’est à dire gisement avec les formations superficielles de recouvrement en place ;

- gisement de kaolin en exploitation par DAM, rccernment décapé (quelques mètres de découverture) ;

- plancher de la carrière en exploi Lation ; - plancher de la carrière abandonnée (située en bordure Est de I’exploitaiion actuelle).

Les spectres moyens ont été calculés et sont fournis fig. 2.6 en annexe. Les résultats iraités iiioiilrent le contraste entre le granite sain et le kaolin (de l’ordre de 3 en

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comptages nets sur le canal potassium). La présence de recouvrement n’altère pas ce contraste, par contre, le gisement fraîchement décapé montre quelques hétérogénéités. La signature du potassium reste bien exprimée sur les spectres enregistrés sur le gisement alors que la kaolinite pure ne contient pas de potassium. Cela marque la présence de muscoviies et indique peut-être que les feldspaths ne sont pas complément dégradés.

Au fond de la carrière en exploitation, un niveau de réponse en Uranium élevé à été observé en relation avec des veines oxydées marquant probablement la présence de fractures. L’absence de thorium au niveau du gisement est cohérente avec les très faibles niveaux mesurés sur le granite. Des traces de thorium sont perceptibles dans le recouvrement.

Dans ce contexte, en première approche, la contribution du potassium apparaît prédominante sur les spectres, et l’on pourrait être tenté d’utiliser le comptage total (plus facile a mettre en œuvre avec un sciniillometre). Toutefois la présence d’uranium en fond de carrière montre que la tendance sur le comptage total peut être inversée rapidement.

2.4. MISE EN CEUVRE DU SPECTROMETRE SUR LE TERRAIN

2.4.1. Implantation des stations de mesure

La sélection des sites expérimeniaux de Plessala et Ninijou a été réalisée parmi les anonialics de première priorité identifiées lors de la phase précédente du projet kaolin. Le programme prévisionnel de mesure a été établi sur la base des résultats du retraitement combiné des grilles aéroportées à la maille de 125 m avec la carte géologique a l’échelle du 1/250 O00 (voir chapitre 3).

Pour des raisons pratiques, les mesures au sol n’ont pas été faites sur une grille régulière mais sous forme de profils. Le principe d’une reconnaissance par profils Est-Ouest sub- parallèles recoupani les anomalies déficitaires en potassium a été retenu, en prenant soin de déborder largement pour caractériser également l’encaissant non kaolinisé L’iniplaniaiion précise des profils a été guidée sur le terrain’ par les accès et I’occupalioii des sols Le long des profils la reconnaissance a été faite avec un espacement d’environ 25 n i déterminé par chaînage approximatif au pas.

2.4.2. Localisation des stations de mesure

Le sysiènie de positionnement GPS utilisé donne à l’opérateur une grande souplesse pour le choix de l’emplacement des slalions de mesure, à l’exception des çouverls forestiers ne permeitant pas une bonne réception des satellites. Dans quelqucs cas cette conirainte a amené a éloigner le profil d’un rideau d’arbre ou à contourner un bosquei boisf.

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En marge du positionnement GPS des stations, un relevé des points caractéristiques à l’échelle de la carte topographique IGN 1/25000 a permis de vérifier l’exactitude de la localisation des points.

L’analyse des mesures GPS répétées aux stations de base donne une dispersion de f 5 m sur les coordonnées, ce qui est très satisfaisant avec ce type de récepteur GPS. Cette précision est conforme à celle attendue, en présence d’une constellation de 5 à 7 satellites bien répartis, depuis la disparition le 2 mai 2000, du brouillage appliqué par le département de la défense américain.

2.4.3. Mise en station

Pour l’acquisition des mesures, la sonde a été systématiquemeni posée verticale à la surface du sol. En présence de végétation herbacée touffue, un dégagement sommaire a été fait afin que la sonde soit appliquée au contact du sol. Une grande attention a été portée à la configuration géométrique autour de la station de mesure : les bordures de champ, les terrains dégagés et les surfaces planes ont été privilégiés ; les fossés ont été évités. Dans la mesure du possible, les stations ont été écartées des routes et des chemins pour s’affranchir de l’influence de 1 ’empierrement et obtenir des mesures représentatives du milieu géologique naturel. Pour les mêmes taisons, aucune mesure n’a été faite à proximité immédiate des constructions.

2.4.4. Prise des mesures

Afin de filtrer une éventuelle variabilité locale induite par exemple par la présence de blocs de roche à proximité immédiate du capteur, la procédure suivanie a été mise en ceuvre : à chaque station le cycle de mesure est répété quatre fois, en déplaçant le capteur d’environ un mètre pour chaque enregistrement ; les quatre spectres unitaires sont sauvegardés de manière à pouvoir être traités séparémeni.

L’analyse de la dispersion des séries de mesures répétées n’a pas permis de dissocier la pari du bruit statistique de mesure et celle appottée par la présence d’hétérogénéités géologiques locales (voir 52.6).

Par ailleurs cette procédure de redondance des mesures s’est révélée erficace pour améliorer la qualité du positionnement GPS. Elle permet de filtrer aisément quelques points bruit& ou affectés par une mauvaise réception GPS a I’instani de la prise de mesure.

2.4.5. Mesures réalisées

La campagne de mesure a eu lieu du 14juiii au 27 ,juillet 2001. Le lever a été réalisé en intégralité par François Dupont, Technicieii Géophysicien (BRGM service ARN/ARS).

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Matériaux et granulats - Module kaolin - Elaboration et validation d’une mélhode de prospection specirometrique des kaolins

Il a été secondé, pour l’implantation des profil et l’obtention des autorisations d’accès par la stagiaire de DAM.

Plessala :

684 stations de mesures ont été effectuées sur le secteur de Plessala. Elles sont réparties selon 9 profils espacés d’environ 500 m (indexés PI à P9 comprenant respectivement : 99 ; 80 ; 97 ; 82 ; 80 ; 88 ; 86 ; 42 et 30 stations) couvrant un secteur rectangulaire de 3000 x 2000 m sélectionné autour d’un nouvel indice de kaolin identifié lors de la première phase du projet.

Un plan du lever sur fond topographique IGN au 1/25 O00 est fourni figure 2.7 en annexe.

Ninijou :

741 stations de mesures ont été effectuées sur le secteur de Ninijou. Elles sonl réparties selon 9 profils espacés également d’environ 500 m (indexés PI à P9 comprenant respectivement 92 ; 80 ; 76 ; 87 ; 96 ; 94 ; 114 ; 81 et 21 stations). En cours de levé, il a été décidé de se focaliser sur la reconnaissance des anomalies autour des granites affleurants au Sud de la zone et en raison de l’importante quantité d’alluvions présente au Nord, de déplacer les profils vers l’Est pour couvrir le gisement de Ker Saint Anne (voir plan du lever fig. 2.8a et 2.8b en annexe).

2.4.6. Traitement des mesures

D’une part les fichiers délivrés au transfert par le GR320 sont organisés selon un format spécifique mixte ASCII + binaire (décrit dans la notice de l’appareillage). D’autre part, en dépit des capacités d’analyse en temps réel offertes par le GR320, les résultats des traitements sur les ïenêtres spectrales ne sonl pas sauvegardés: seuls les spectres et les comptages bruts sont mémorisés avec les variables du système.

Une routine spécifique est nécessaire pour relire les fichiers de données, traiter et valoriser les mesures et exporter les résultats.

Le logiciel Explore IV fourni avec l’appareillage n’offre pas toutes les fonctionnalités et une rouliiie chaîiiani les fonctions de transîert, de traitemeni, d’export et d’examen graphique des résuliats a dû être écrite spécifiquemeni au BRGM.

Ceiie routine étai1 mise en auvre par l’opérateur lors d u transfert et de la sauvegarde quotidienne dcs niesures.

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Materiaux el granulats - Module kaolin - Elaboralion et validalton d’une methode de prospection spectroméfrique des kaolins

Les traitements comprennent :

la projection des coordonnées des points de mesure délivrées par l e GPS (géographiques, ellipsoïde WGS84) en système géodésique français (Lambert II étendu) ; l’intégration des comptages sur les régions d’intérêts, et les corrections conformément aux calibrations (correction de temps mort, soustraction du bruit de fond, correction de l’effet Compton et application des coefficients de sensibilité). Cette analyse spectrale permet de convertir les mesures spectrométriques en comptages nets et en teneurs élémentaires (K en %, eqU en ppm, eqTh en ppm).

Les résultats sont délivrés sous forme d’un tableau compatible Excel qui a été complété par les observations de terrain de l’opérateur. L’examen graphique des résultats en profil a été faite systématiquement sur le site dès le transfert des données (voir exemple fig. 2.9 en annexe).

Sur site, chaque spectre a été traité de manière indépendante. La variabilité des résultats des séries de mesures en chaque stalion a été analysée a posteriori. Des essais de filtrage en éliminant le ou les spectres qui s’écartent du spectre moyen de la station n’ont pas permis d’apporter une plus grande cohérence spatiale aux mesures. Cette voie a été abandonnée, nous avons finalement choisi de cumuler systématiquement les 4 spectres. Ainsi le bruit statistique sur les comptages est amélioré de manière comparable en chaque station. Les résultats fournis dans cette élude correspondent donc à des temps d’acquisiiion de 200 secondes ce qui pennet d’atteindre une précision statistique meilleure que 1 O % sur tous les canaux.

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Matériaux el granulals - Module kaolin - Elaboralion et validalion d'une méthode de prospeclion speclrométrique des kaolins

zones qu'on1 été identifiées des occurrences de kaolin authentifiées sur le levé géologique de DAM (Fig. 3.9 en annexe).

Pour des raisons d'économie, la maille d'échantillonnage a été relativement lâche et au inoins deux occurrences vues sur le terrain dont pas été iraversées par nos profils. Une iiiaille de 200x25 m aurait été plus efficace.

3.1.3. Conclusions sur le secteur Plessala

Sur le secteur de Plessala, la réalisation de levés spectrométriques au sol apporte un cihlage tactique permettant d'implanter directement des sondages de reconnaissance. De plus, cette méthode est très rapide car analysable en temps réel si les recouvrements sont faibles, il n'y a pas besoin d'études complémentaires. Un autre avantage de cette méthode de prospection est sa facilité de mise en œuvre par un seul opérateur et le fait qu'elle ne deniande aucun travaux de préparation. Elle se fait directement sur le sol en place, sans modification de l'environnement Toutefois, il faut souligner l'importance de l'apport d'un géologue qui, avec ses observations, permet d'avoir rapidement une carte de terrain cohérente avec les mesures et donc, une interprétation fiable du levé.

Par contre, cette méthode de prospection ne permet de définir qu'une surface et ne pourra jamais servir à apprécier un volume, sa pénétration en profondeur étant trop faihlc. Un autre défaut est aussi qu'on ne peut pas, dans l'état actuel avoir une approche dc la qualiié du kaolin, facteur pourtant fondamental pour I'exploitabilité d'une ressource. L'apport d'une étude complémentaire avec un appareil de type PIMA pourrait Ctre uiile dans ce cas en permettant de mesurer la quantité de kaoliniie.

3.2. SECTEUR NlNlJOU

3.2.1. Etude à partir du 1:50000

Cctie éiudc montre bien l'influence des coniours géologiques sur la qualité des résultats ( î i g ~ 3.10 en annexe). En effet, a partir de la carte au 1 :250000, on a de très importantes anomalies iikgaiives. Quand on reprend le même jeu de données avec la géologie au 1 :50000 (fig. 3 ~ 1 1 en annexe), cartographie prenant en compte les recouvrements alluvionnaires. ces grosses anomalies se transforment en autant de zones déficitaires sur les graniics affleuraiiis et disparaissent praiiqueinent sur les alluvions. On observe aussi, a u cciitre-csi du secteur, vers l'indice de KcI Sainie Anne des zones déficitaires dans les colluvioiis~

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Matériaux et granulais - Module kaolin - Elaboratfon et validation d'une méthode de prospection specirornétrique des kaolins

plus déprimés en potassium (cerclés en noir) qui pourraient correspondre à la présence de kaolin, à rapprocher de l'occurrence repérée à 500 m au sud. Ces poinis se répartissent autour de la droiteTWK = 12 qui est la droite théorique de la kaolinite [4].

3.2.3. Résultats de l'étude

Ce secteur est a priori nettement moins favorable à la méthode car il est impossible de détecter du kaolin par spectrométrie s'il est situé sous un recouvrement important. Néanmoins, il apparaît qu'il existe des potentialités le long de profils où l'on détecte des déficits locaux en potassium (figure 3.15 en annexe). Une se trouve sur des formations identifiées comme des colluvions sur la carte 1:50000 ou des silts granitiques sur le levé de terrain. Ces formations enchâssent des granites et il n'est pas surprenant qu'elles recouvrent du kaolin, et ce d'autant plus que du kaolin affleurant est signalé à 500 m au Sud Ouest.

De même, le secteur de Ker Sainle Anne recouvert par les même colluvions montre lui aussi ces points a déficit en potassium, ce qui pourrait permettre de suivre au sol l'enveloppe de la zone minéralisée comme proposé sur la figure 3.15 en partant de l'hypothèse que ces colluvions ne sont pas déplacés, ce qui semble probable au vu des faibles pentes présentes sur le secteur (figure 3.16 en annexe).

Par contre, il csi impossible de faire le même raisonnement sur les points à déficit de potassium localisés sur les alluvions, ce déficit pouvant être lié à de tous autres phénomènes.

Les autres points mesurés ne semblent pas définir de zone favorable à la présence de kao I i n .

3.2.4. Conclusion sur le secteur Ninijou

Cettc étude montre que même dans un contexte moins favorable que dans le secteur Plessala, il esi possible d'utiliser la méthode quand on la couple avec un levé géologique du même niveau de précision. Par contre, elle reste inopérante dans les zones à fort recouvrement alluvionnaire.

3.3. CONCLUSIONS SUR LES TRAVAUX 2001

I.es travaux elllcciués au cours de l'année 2,001 dans le cadre du volet kaolin de pro-jet DR OIRESDOO? ont montré l'efficacité de la méthode développée au BRGM pour la prospection du kaolin 2 pariir d u couplage d u canal K d'un levé spectrométrique et d'une carie géologique ci ce, dcpuis l'échelle straiégique jusqu'à l'échelle d u prospect^

l m iravaux i~ I'éclielle du 1 :250000 et du 1 :50000 à partir du levé aérospectrométrique en conlirmeiii I'cflicacitc pour la définition globale des cibles. L'intérêt de travailler i

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Malériaux et granulats - Module kaolin - Elaboralion et validation d'une mélhode de prospection speclrornktrique des kaolins

partir des cartes géologiques au 1:50000 étant qu'avec une meilleure prise en compte des recouvrements et une définition des corps granitiques plus fine qu'au 1:250000, on obtient des réponses plus "locales" et donc plus contrastées. Cela permet donc une meilleure hiérarchisation des zones à potentiel.

Les travaux en spectrométrie sol montrent que sur une zone sans couverture allochtone (zone de Plessala) on peut pratiquement tracer en temps réel l'enveloppe kaolinisée sur le terrain et donc gagner beaucoup de temps en reconnaissance. Sur des zones de fort recouvrement allochtone de type alluvions (zone de Ninijou), la méthode ne fonctionne pas. En dehors de ces zones on est capable de déterminer des zones à potassium déprimé probablement favorables à la présence de kaolin. Il est aussi probable que la spectrométrie en sol améliore un peu la sensibilité de la mesure ce qui pourrait expliquer en partie certains résultats positifs obtenus sur Ninijou.

Dans le cadre de ce projet de recherche, nous avons utilisé une procédure de mesure des spectres assez longue de 4 fois 50 secondes pour améliorer la précision des mesures. Au vu de la qualité des mesures obtenues par l'appareil, on peut facilement diviser par deux ce temps de mesures et multiplier ainsi le nombre de stations quotidiennes pour améliorer le rendement du levé.

Dans tous les cas, il apparaît toutefois que la réalisation d'une carle géologique de détail en même temps que le levé spectrométrique est une aide précieuse à l'interprétation de ce type de levé.

On peut donc affirmer que la méthode que nous avons mise au point est maintenant un outil opérationnel pour la prospection du kaolin à toutes les échelles mais qu'elle reste très dépendante de la qualité de la carte géologique utilisée comme suppofl.

Cette méthode donne bien l'enveloppe surfacique d'une zone à potentiel kaolin mais, elle ne peut pas donner d'estimation de volume ni de la qualité (essentiellement blancheur) du kaolin.

Si cette méthode a donné de bons résultats en zone de climat tempéré comme la Bretagne, elle ne devrait pas fonctionner en zone intertropicale, le potassium étant rapideinent lessivé lors des processus de latéritisation. Malgré ces limitations, il est clair que son aire d'application reste très vaste et qu'elle peut intéresser tous les opérateurs rechcrcliant ce type de matériau.

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4. Perspectives et développements

Pour la prospection du kaolin, la méthode a montré son efficacité. On pourrait sans doute améliorer sensiblement la définition des zones à sonder par l'utilisation de méthodes complémentaires comme le PIMA et la RMP. Le PIMA permettrait de quantifier la proportion de kaolinite contenue en surface et donc de tracer une carte de surface des concentrations en kaolinite. La RMP pourrait permettre d'estimer le volume de la poche kaolinisée. Avec la combinaison de ces trois outils complémentaires, on pourrait donc rapidement définir les zones à potentiel kaolin, déterminer celles qui sont les plus riches en kaolinite et estimer un volume à sonder.

A partir du principe utilisé, on doit aussi pouvoir mettre en évidence d'autres enveloppes favorables à des accumulations minérales si elles font intervenir des départs ou des apports dans un ou plusieurs éléments mesurables directement ou indirectement par spectrométrie, ce qui esi le cas de nombreux phénomènes d'altération, potassique pour les gisements épithermaux, silicifications, argilisations.. .

On l'a, par exemple, utilisé pour déterminer les communes de la région Pays de la Loire les plus exposées au risque radon à partir de la mesure du canal U et de la carte géologique au 1 :250000 de la région.

Cette méthodologie a aussi servi d'outil d'aide à la cartographie géologique, notamment en Namihie où l'on a validé ou modifié des contours géologiques en fonction des écarts observés entre la moyenne en U, K et/oii Th des formations cartographiées et les mesures réelles. Comme on l'a vu dans quelques exemples montrés dans ce rapport, on est aussi capable de produire dcs diagrammes combinant les trois variables dans les différenies formations et, ainsi, d'en suivre l'évolution. Cette voie semble aussi très intéressante pour les géologues et peut permettre de discriminer certains ensembles apparemment homogènes (exemple du granite de Croisty). De plus, pour cette étude, nous n'avons pas exploité Ic signal magnétique qui n'est pas pertinent pour le kaolin mais qui peut êire fondamental pour mettre en évidence d'autres phénomènes.

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5. Conclusion

La méthode mise au point par le BRGM s'est avérée opérationnelle à toutes les échelles utilisées, depuis le 1 :250 O00 pour déterminer des cibles stratégiques à partir d'un levé spectrométrique aéroporté jusqu'à l'échelle du prospect à partir d'un levé spectrométrique au sol. Quelle que soit l'échelle, le principe reste le même, à savoir, le couplage entre l e signal potassium mesuré et les formations géologiques cartographiées par une estimation de l a teneur moyenne en potassium de chaque formation puis un calcul de l'écart entre cette moyenne et le signal effectivement mesuré. Ce couplage avec une carte géologique reste une limite de la méthode car de la qualité des contours dérivera directement la fiabilité des résultats obtenus. On l 'a bien observé lorsqu'on a repris les résultats du levé aéroporté avec les contours des cartes au 1 :50000 et sur les levés au sol où la réalisation conjointe d'une carte géologique par la stagiaire de DAM a été très utile pour l'interprétation des résultats.

On a toutefois pu remarquer que sur le secteur de Plessala, la simple mesure de la valeur du potassium en environnement de granites suffisait à définir les enveloppes kaolinisées ce qui rend la méthode encore plus simple à exploiter !

Un autre avantage de cette méthode réside dans sa rapidité et sa facilité de mise en euvre (un seul opérateur) et dans le fait qu'elle ne réclame aucun travaux préparatoire (méthode sans impact sur l'environnement). Suite à ces travaux, il nous paraît qu'on gagnerait encore en efficacité en effectuant u n levé spectrométrique à maille serrée (200 m) avec un hélicoptère volant à faible altitude.

On peut estimer qu'elle est applicable dans toute la zone tempérée ou aride avec de faibles recouvrements (moraines, alluvions,, dunes.. .) mais qu'elle ne fonctionnera pas en climat latéritique car ce type d'altération chimique implique de fortes épaisseurs d'altérites et lessive systématiquement l e potassium.. Comme les mesures sepclrométriques sont peu pénétrantes (de l'ordre du mètre), il n'est possible de ne donner qu'une surFace favorable à l a présence de minéralisation. Il sera donc nécessaire d'utiliser une autre méthode (directe comme les sondages ou indirecte comme la RMP) pour estimer un volume de ressource.

Il ne seinhle pas non plus possible de préciser la qualité du kaolin (essentiellement granulométrie et blancheur) par spectroinéti-ie. Par contre, l'utilisation d'un spectromètre de type PIMA pourrait permettre de réaliser une cartographie fine de la proportion de kaolinite dans les sols el d'affiner le ciblage des zones à sonder.

Le couplage d'un levé aérospectroinétrique avec des contours géologiques permet donc de délimiter rapidement des zones favorables à la présence de 'kaolin à l'échelle siratégique. Réaliser des levés specirométriques au sol pemiet de définir des enveloppes à sonder à partir d'une niaille de l'ordre de 200x25 ni. On peut encore imaginer utiliser des méthodes complémenlaires comme le PIMA etiou la RMP pour focaliser plus

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précisément les zones les plus riches en kaolinite et celles qui présentent le plus fort approfondissement afin d'optimiser les plans de sondage pour l'exploitant.

Le principe utilisé est applicable à la recherche de tout phénomène relié à la géologie et mettant en jeu un apport ou un départ de U , K, euou Th. On l'a d'ailleurs déjà utilisé pour rechercher des zones à fort potentiel d'émission radon.

On peut aussi l'employer pour valider des contours de cartes géologiques et, la réalisation de diagrammes binaires par lithologie peut permettre de discriminer des sous-ensembles dans une même formation.

Donc, au-delà de la simple application à la recherche de kaolin, cette méthodologie de couplage géologie-géophysique ouvrc un vaste champ d'applications pour les sciences de la Terre.

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Bibliographie

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Liste des illustrations

FIGURES

Fig. 2.1 ~ Photographies de l’équipement de spectrométrie au sol

Fig. 2.2 ~ Résultats de calibration de l’appareillage GR320.

Fig. 2.3a ~ Spectres Gamma de référence (CiR320)

Fig. 2.3b - Spectres Gamma de référence (CiR320) Vérification de la stabilité des mesures aux stations de base

Fig. 2.5 - Stabilité des spectres - comparaison des spectres moyens journaliers (site de Plessala).

Fig. 2.6 - Mesures de référence dans l’environnement du gisement de kaolin de Kerouet.

Fig. 2.7 ~ Secteur de Plessala - Plan de situation des points de mesure (fond topo IGN 1/25 000).

Fig. 2.Xa - Secteur dc Ninijou (Sud) -Plan dc situation des points dc mesure (fond topo IGN 1/25 000).

Fig. 2.8b - Secteur de Ninijou (Nord) - Plan de situation des points de mesure (fond topo IGN 1/25 000).

Fig. 2.9 -

Fig. 3 ~ 1 -

Fig. 3 ~ 2 -

Fig. .l3 -

Fig. 3.4 -

Plessala exemple de tracé de contrôle de terrain - Profil 7.

Géologie du secteur Plessala - Extrait de la carte géologique au 1 :50 O00 Moncontour.

Carte de Moncontour - Secieur de Plessala - SurPaces à déficit en potassium = zones favorables à la présence de kaolin.

Sectcur Plcssala ~ Géologie de détail et posiiioiinemeni des points de mesure au sol.

Plessala - Reporî des valeurs de Potassium mesurées au sol sur le fond géologique.

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Fig. 3 .8 - Plessala - Rcport des déficits en Potassium par formation à partir des mesures en sol ~ Extension possible des zones de kaolin.

Fig. 3.9 - Plessala ~ Enveloppes kaolinisécs possibles à partir des valeurs de potassium < 1 "/o.

Fig. 3.10 - Carte Rostrenen - Secteur de Niriijou ~ Surfaces à déficit en potassium =

zones favorables à la présence de kaolin.

Fig. 3.11 ~ Géologie du secteur Ninijou - EKtrait de la carte géologique au 1:50000 Rostrenen.

Fig. 3.12 - Secteur Ninijou ~ Géologie de détail et positionnement des points de mesure en sol.

Fig. 3.1 3 - Secieur Ninijou ~ Report des valeurs de potassium mesurées au sol sur le fond géologique.

Fig. 3.15 - Nini.iou - Zones à potentiel kaolin établies à partir du déficit en potassiiiin par formation.

Fig. 3.16 - Ninijou - Penies et zones a présence de kaolin possible

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