Appliquer les géosciences aux défis les plus importants de l’Australie

Introduction

Assortiment de raccords en cuivre. Source : Wikimedia Commons

Chaque fois que vous allumez une lumière, que vous utilisez un appareil dans votre maison ou que vous ouvrez un robinet, c’est le cuivre qui vous achemine l’électricité ou l’eau. Le cuivre est donc un métal très important pour les humains et combine plus de propriétés utiles que probablement tout autre métal.

Une maison familiale moyenne contient plus de 90 kilogrammes de cuivre : 40 kg de fils électriques, 30 kg de plomberie, 15 kg de quincaillerie de construction, 9 kg à l’intérieur d’appareils électriques et 5 kg de produits en laiton. Un avion à réaction Boeing 747-200 contient environ 1,8 tonne de cuivre. La statue de la Liberté à New York contient plus de 27 tonnes de cuivre.

Propriétés

Chalcopyrite. Source : Geoscience Australia

Le cuivre est le seul métal naturel autre que l’or qui a une couleur distinctive. Comme l’or et l’argent, le cuivre est un excellent conducteur de chaleur et d’électricité. Il est également très malléable et ductile. Le cuivre est également résistant à la corrosion (il ne rouille pas très facilement). Le cuivre est mou mais résistant. Il se mélange facilement à d’autres métaux pour former des alliages tels que le bronze et le laiton. Le bronze est un alliage d’étain et de cuivre et le laiton est un alliage de zinc et de cuivre. Le cuivre et le laiton sont facilement recyclés¿peut-être 70% du cuivre actuellement utilisé a été recyclé au moins une fois.

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Utilisations

Aujourd’hui le cuivre, parce qu’il est un si bon conducteur d’électricité, est utilisé dans les générateurs et les moteurs électriques pour le câblage électrique et dans les produits électroniques, comme les radios et les téléviseurs. Le cuivre conduit également bien la chaleur, il est donc utilisé dans les radiateurs des véhicules à moteur, les climatiseurs et les systèmes de chauffage domestique.

Comme le cuivre ne se corrode pas facilement, il est également utilisé pour les conduites d’eau. Sa malléabilité signifie que les tuyaux de cuivre peuvent être pliés pour passer dans les coins facilement, sans se casser.

Le sulfate de cuivre est utilisé comme fongicide pour empêcher les racines des plantes de bloquer les drains et les systèmes d’égouts. La couleur bleu-vert du bois traité est le résultat du naphtanate de cuivre et du cuivre-chrome-arséniate qui ont été introduits sous pression pour aider à protéger le bois contre les foreurs.

Le cuivre est également utilisé pour la fabrication de pièces de monnaie et d’instruments scientifiques ainsi que dans des applications décoratives.

Il y a environ 15 grammes de cuivre dans un téléphone portable et récemment, le cuivre a remplacé l’aluminium dans les puces informatiques.

Bobine de fil de cuivre. Source : Geoscience Australia

Cartes de circuits informatiques contenant du cuivre. Source : Geoscience Australia

Histoire

Ustensiles anciens en cuivre exposés dans un restaurant de Jérusalem. Source : Wikimedia Commons

Le cuivre a été le premier métal utilisé par les hommes. Il a été découvert par l’homme néolithique il y a environ 9000 ans et utilisé à la place de la pierre, car il était beaucoup plus facile à façonner. Les premiers dinandiers iraniens ont découvert que chauffer le cuivre le ramollissait et que le marteler le rendait plus dur. Ils ont ainsi pu façonner le cuivre en divers objets utiles, tels que des récipients et des ustensiles, ce qui a constitué un grand pas en avant pour l’humanité. Sa belle couleur rendait également le cuivre attrayant pour les bijoux et les ornements.

Il existe des preuves que le cuivre a été utilisé dès les premiers temps, un morceau de tube de cuivre utilisé il y a 5000 ans a été déterré par les archéologues de la pyramide de Khéops en Égypte. Vers 4000 avant J.-C., on a découvert le bronze (un alliage encore plus dur) en mélangeant du cuivre avec une petite quantité d’étain. Il a été utilisé pour fabriquer des armes, des armures, des outils et des outils de décoration¿c’est ainsi qu’a débuté l’âge du cuivre et du bronze. Bien que la fabrication d’outils en bronze soit largement tombée en désuétude avec le début de l’âge du fer vers 1000 avant J.-C., le cuivre a continué à être utilisé pour ses autres propriétés. Étant l’un des deux seuls métaux colorés, sa beauté le rend très recherché pour la fabrication d’ornements et sa résistance à la corrosion le rend approprié pour une utilisation dans, ou près de la mer.

La capacité de battre le cuivre en feuilles et sa résistance à la rouille en ont fait un matériau de couverture populaire sur les bâtiments importants.

Hôtel de ville de Minneapolis avec un toit en cuivre. Source : Wikimedia Commons

La croissance de l’industrie du cuivre a été étroitement liée à l’utilisation croissante de l’électricité. Les applications électriques restent la principale utilisation du métal, ce qui peut être attribué à deux propriétés physiques. C’est un excellent conducteur électrique (et thermique) et il est suffisamment ductile pour être étiré en fil et battu en feuilles sans se fracturer. Le cuivre est largement utilisé dans les composants de plomberie et constitue un élément majeur des alliages, dont beaucoup sont plus durs, plus solides et plus résistants que leurs éléments constitutifs individuels. En 1837, Charles Wheatstone et William Cooke ont breveté le premier télégraphe électrique, en utilisant du fil de cuivre. En 1876, Alexander Graham Bell a été le premier à utiliser un fil téléphonique en cuivre. En 1878, Thomas Edison invente la première lampe électrique, en utilisant du cuivre pour transporter le courant. En quelques années, l’utilisation massive de ces deux inventions a provoqué une augmentation incroyable de l’extraction et de la production de cuivre.

Formation

Malachite et azurite. R29797 Source : Geoscience Australia

Parce que le cuivre réagit facilement avec d’autres substances, il peut se former de diverses manières dans la croûte terrestre. On le trouve souvent dans des gisements avec d’autres métaux comme le plomb, le zinc, l’or et l’argent.

Les plus grandes quantités de cuivre, et de loin, se trouvent dans la croûte terrestre dans des corps connus sous le nom de gisements de cuivre porphyrique. Ces gisements étaient autrefois de grandes masses de roche fondue qui ont refroidi et se sont solidifiées dans la croûte terrestre. En se refroidissant, de grands cristaux se sont formés, puis ont été entourés de cristaux plus petits à mesure que le refroidissement s’accélérait – les géologues appellent ces roches des porphyres. Au début, le cuivre était réparti dans la grande masse de roche fondue en faibles concentrations. Lorsque le magma s’est refroidi et que des cristaux ont commencé à se former, la quantité de matière fondue a diminué. Le cuivre est resté dans la masse fondue, devenant de plus en plus concentré. Lorsque la roche était presque entièrement solide, elle s’est contractée et fissurée et le fluide riche en cuivre restant a été pressé dans les fissures, où il s’est lui aussi finalement solidifié. Au cours de plusieurs millions d’années, les roches recouvrant ces gisements se sont érodées et les gisements ont fini par apparaître à la surface. Parmi les exemples de gisements porphyriques, citons Cadia Hill (NSW) et Cerro Colorado (Panama).

Un mélange de cuivre, de fer et de soufre est appelé chalcopyrite (CuFeS2) ou  » or des fous « , et a trompé plus d’un prospecteur d’antan ! En Australie, la chalcopyrite se trouve dans des roches vieilles de plus de 250 millions d’années. La bornite (Cu5FeS4), la covellite (CuS) et la chalcocite (Cu2S) sont des sources importantes de cuivre dans le monde et de nombreux gisements contiennent également de la malachite (CuCO3.Cu(OH)2), de l’azurite (Cu3(CO3)2.Cu(OH)2), de la cuprite (Cu2O), de la ténorite (CuO) et du cuivre natif. Les sulfures, qui fournissent la majeure partie du cuivre produit dans le monde, occupent généralement les parties les plus profondes des filons qui n’ont pas été exposés aux intempéries. Près de la surface, ils sont altérés par oxydation et autres actions chimiques pour produire des oxydes et des carbonates. Ces minéraux cuprifères secondaires peuvent constituer un riche minerai dans les parties supérieures de nombreux gisements et, en raison de leur couleur verte ou bleue caractéristique, même de petites quantités sont facilement visibles dans les roches dans lesquelles ils se trouvent. Les minéraux cuprifères se trouvent couramment en association avec des minéraux qui peuvent contenir de l’or, du plomb, du zinc et de l’argent.

Ressources

En Australie, la recherche de cuivre a commencé peu après la colonisation européenne. La première grande découverte de cuivre en Australie a eu lieu à Kapunda, en Australie-Méridionale, en 1842, lorsque Francis Dutton a trouvé du minerai de cuivre alors qu’il cherchait des moutons perdus. Dans les années 1860, l’Australie-Méridionale était connue sous le nom de « Royaume du cuivre » car elle possédait certaines des plus grandes mines de cuivre au monde.

L’Australie détient une part importante du cuivre mondial et était classée 2e derrière le Chili en 2016, selon l’United States Geological Survey (USGS). Nous possédons plusieurs mines de cuivre d’importance mondiale, notamment le gisement de cuivre-plomb-zinc de Mt Isa, dans le Queensland, et le gisement de cuivre-uranium-or d’Olympic Dam, en Australie-Méridionale, qui exploite l’un des plus grands gisements de cuivre au monde. D’autres exemples de ressources importantes en cuivre se trouvent dans les gisements de cuivre-or de Prominent Hill et de Carrapateena en Australie-Méridionale, dans les gisements de cuivre-or de Northparkes, de cuivre-plomb-zinc de CSA et de cuivre de Girilambone en Nouvelle-Galles du Sud, dans les gisements de cuivre d’Ernest Henry, d’Osborne et de Mammoth et dans les gisements de cuivre-or de Selwyn dans le Queensland et dans les gisements de cuivre-zinc de Golden Grove et de Nifty en Australie-Occidentale.

Les principaux gisements et mines de cuivre d’Australie (2016). Source : Geoscience Australia

Autres informations sur les ressources et la production.

Mine

Bien que les grands gisements de cuivre soient exploités par des méthodes à ciel ouvert dans de nombreux grands pays producteurs, la plupart du minerai de cuivre produit en Australie provient de mines souterraines. La méthode traditionnelle utilisée dans la plupart des mines consiste à casser le minerai et à le ramener à la surface pour le concasser. Le minerai est ensuite finement broyé avant que les minéraux sulfurés contenant du cuivre ne soient concentrés par un processus de flottation qui sépare les grains de minerai des déchets, ou gangue. Selon le type de minéraux cuprifères présents dans le minerai et les procédés de traitement utilisés, le concentré contient généralement entre 25 et 30 % de cuivre, mais peut atteindre environ 60 % de cuivre. Le concentré est ensuite traité dans une fonderie.

Traitement

Dans certaines mines australiennes, le cuivre est lessivé du minerai pour produire une solution riche en cuivre qui est ensuite traitée pour récupérer le métal cuivreux. Le minerai est d’abord cassé et placé sur des plaques de lixiviation où il est dissous par une solution d’acide sulfurique pour extraire le cuivre. La solution riche en cuivre est ensuite pompée vers l’usine d’extraction par solvant pour séparer le cuivre sous forme de complexe de cuivre. Ce dernier est concentré et la solution passe dans l’usine d’extraction électrolytique pour récupérer le cuivre. Les cathodes de cuivre produites par l’extraction électrolytique contiennent 99,99 % de cuivre, ce qui convient aux utilisations électriques. L’ensemble de ce processus est connu sous le nom d’extraction par solvant-électrowinning (SX-EW).

Diverses méthodes de fusion sont utilisées pour convertir les concentrés en cuivre métal. Une méthode consiste à les faire fondre avec des fondants dans un four de fusion pour produire une matte de cuivre, qui est un mélange principalement de sulfures de fer et de cuivre contenant généralement 50 à 70% de cuivre. La matte fondue est versée dans un convertisseur, qui contient davantage de fondants, et transformée en cuivre blister, qui est pur à 98 ou 99 %. Le cuivre blister est exploité, puis raffiné dans un four à anodes et enfin raffiné électrolytiquement en cuivre cathodique pur.

À Olympic Dam, le concentré est directement fondu au flash en cuivre blister. Dans ce procédé, le concentré de cuivre est introduit dans le four de fusion avec de l’air enrichi en oxygène. Le concentré fin réagit ou « flashe » instantanément car la fraction de soufre des sulfures de cuivre est brûlée et se transforme en dioxyde de soufre gazeux. Le cuivre fondu et les scories tombent dans le foyer de la fonderie. Le laitier forme une couche à la surface du cuivre blister fondu. Le cuivre blister est retiré périodiquement pour être purifié dans un four à anodes et raffiné par électrolyse.