1 Introduction

In Lorraine (eastern France), from Luxemburg to the area of Nancy and inside a 62-miles north–south belt, iron mines have been mined during more than 100 years in the superior Liasic with the room and pillar technique. The oolitic-type ore features stacked strata, each a few feet thick, separated by intercalated layers.

The typical sequence shows, from top to bottom [2,3]:

• • a small layer of biocalcirudite, also called ‘crassin’;
• • the ore, made of an oolitic ferriarenite, with cross bedding;
• • an intercalated layer in argillaceous and carbonated siltite.

In the area around Briey, in the middle of the iron mine belt, the ferriferous formation known to be present over 31 miles east–west is inclined a few degrees to the southwest; it includes more than 10 layers – with an overall thickness of 196 feet – that are laid out over a syncline gutter oriented N20° to 30°E [2]. This is where mine collapsing has been noticed from the surface recently [6]. In order to understand the origin of these events, we sampled the ore that aged in the accessible drifts and we compared it to core samples of intact ore that were found in a non-mined area.

2 Ageing characterisation

Usually, the ferriarenite in intact ore includes oolites of goethite containing 10% Al₂O₃, 5 to 9% SiO₂ and 2 to 3.5% phosphate (Table 1). Their poorly crystallised cortex allows an important interconnected porosity. The calcite bioclasts are abundant locally. The most frequent cement includes a combination of diagenetic siderite and berthierine (Fig. 2a) [7,9,11,12] and sometimes a small amount of pyrite.

Tableau 1

Exemples types de compositions chimiques des silicates et oxydes des constituants du minerai de la couche grise et d'une boue actuelle. De 1 à 10, d'après analyses semi-quantitatives au MEB (spectrométrie à dispersion d'énergie, EDS) ; valeurs en % d'oxydes ; 11, d'après analyses ICP ; résultats exprimés en $\mathrm{mg}{\mathrm{g}}^{-1}$ d'oxyde (tout le fer est exprimé sous forme de FeO ; n.s., non significatif). 1–2 : Berthiérine diagénétique d'un minerai d'une zone non exploitée (Malavillers) ; 3–5 : berthiérine néoformée lors du vieillissement d'un minerai d'une zone exploitée (Tressange) ; 6–7 : cortex oolitiques de gœthite ; 8–10 : croûtes alvéolaires développées au cours du vieillissement ; 11 : boue d'une galerie de mine, provenant de l'altération du minerai de la couche grise (Tressange).

Typical chemical compositions of silicates and oxides of iron ore (‘grey’ layer) and mine mud. 1–10: SEM semi-quantitative analysis (spectrometry EDS) (values in oxides %); 11: ICP analysis; values in $\mathrm{mg}{\mathrm{g}}^{-1}$ of oxide (all iron is expressed in the form of FeO; n.s., non-significant). 1–2: diagenetic berthierine in iron ore from a zone without mining workings (Malavillers); 3–5: berthierine neo-crystallised during the ageing process in the iron ore of an abandoned pillar (Tressange); 6–7: oolitic cortex of goethite; 8–10: honeycombed crust crystallised during the ageing process; 11: mine mud made from the weathering of iron ore of the ‘grey’ layer (Tressange).

	SiO 2	Al 2 O 3	FeO	P 2 O 5	MgO	Total
1	31,96	17,62	44,84	n.s.	4,62	100,00
2	32,94	16,79	40,55	1,27	5,87	100,00
3	31,12	23,29	35,26	1,38	7,45	100,00
4	27,34	17,26	47,90	1,61	3,86	99,99
5	23,54	13,34	60,68	n.s.	2,44	100,00
6	4,95	10,18	81,52	3,36	n.d.	99,99
7	4,93	8,67	76,37	3,35	4,64	100,01
8	8,79	6,74	80,28	0,95	2,47	100,00
9	5,75	3,65	80,09	0,32	0,65	100,00
10	1,25	1,17	96,56	0,23	0,18	99,99
11	63	47	184	19,7	10

Analysis of the ore that aged in the mine shows that ferrous minerals contained in the cement more or less disappeared (Fig. 2b), especially in the older mines. In fact, in 1992, the pillars in the mines still contained berthierine and siderite, contrary to the ones in the mines that were mined before 1930, which only show an oxidised inter-oolitic film. On the other hand, the oolites are stressed, smashed (Fig. 2c), and cross-penetrated. They are fractured, the cortex desquamates and they get powdery. This very porous ore looses its cohesion. When ferrous minerals are not totally eliminated, the pores fill with highly crystallised berthierine (Fig. 2d), covered with a very thin film of goethite–hematite (Figs. 2e and 2f). This paragenesis is less and less important as we move from the border to the core of the abandoned pillars. The neoformation of oxide leads to the development of thin cavernous strata that cover the berthierine (Fig. 2f) as well as the surrounding oxide oolites, which are intact or mechanically degraded. The formation of these crusts seems to be more important as the mining activity is older. The newly formed berthierines are usually poorer in SiO₂ and even in Al₂O₃ than diagenetic berthierine (Fig. 1). The neoformations of oxide are phosphate-free.

3 The process

4 Conclusion

Le bassin ferrifère lorrain s'étend sur 100 km de long et près de 50 km de large, de la frontière luxembourgeoise, où le minerai affleure, à la région de Nancy, plus au sud. Il a fait l'objet d'une intense exploitation souterraine pendant une centaine d'années suivant la méthode dite des chambres et piliers, notamment dans le bassin de Briey, où les dépilages ont été fréquents. Il s'agit d'une gouttière structurale synsédimentaire, où la minéralisation oolitique se présente sous la forme de plus de dix couches superposées, épaisses de 1 à plusieurs mètres, pentées de quelques degrés vers le sud-ouest et séparées par des intercalaires silto-argileux et carbonatés [2]. Les effondrements récemment observés dans les couches supérieures du gisement paraissent provenir de l'évolution négative des propriétés mécaniques de l'ensemble minerai–intercalaires par vieillissement [6]. La recherche des mécanismes d'affaissement doit à l'évidence être éclairée par une connaissance des hétérogénéités et des propriétés pétrographiques, minéralogiques et chimiques du minerai et des roches associées. En fait, il convient de se demander si les paragenèses minérales sont restées stables au cours de la période d'exploitation ou si elles ont évolué et, si oui, de quelle façon. L'examen comparatif des minerais et stériles des zones effondrées et de carottes de sondage prélevées en dehors de toute exploitation montre quelques différences minéralogiques et microtexturales significatives. Aussi, de nouveaux prélèvements ont-ils été réalisés récemment dans l'ancienne mine de Tressange, dans des galeries exploitées en 1910, 1930, 1970 et 1992, pour tenter de mettre en évidence une évolution minéralogique et chimique liée au vieillissement, afin d'envisager les mécanismes génétiques correspondants.

L'observation de carottes de sondages réalisés en dehors de toute zone exploitée a permis de caractériser l'état du minerai avant exploitation. Chaque couche de minerai s'inscrit dans une séquence type qui comprend trois termes, de haut en bas [2] :

• • un petit niveau de biocalcirudite ou crassin des mineurs ;
• • le minerai, constitué d'une ferriarénite oolitique à litage oblique ;
• • un intercalaire de siltite argileuse et carbonatée.

La ferriarénite du minerai comporte un assemblage d'oolites subjointives, le plus souvent constituées d'oxydes de fer. Il s'agit de gœthite, comportant près de 10 % d'Al₂O₃ et 5 à 9 % de SiO₂ (Tableau 1), soit Si/Al (en atomes %) compris entre 0,5 et 0,9 (Fig. 1) ; ce minéral renferme également 2 à 3,5 % de phosphate. Le cortex des oolites s'organise en couches concentriques, dont la formation serait liée à des processus biochimiques ; en fait, chaque couche comporte un agglomérat granulaire mal cristallisé, de quelques micromètres de large, l'ensemble ménageant une porosité résiduelle. Dans les pieds des couches de minerai, notamment à la base du gisement, des oolites de chlorite ferrifère de type chamosite [2,9] s'observent également ; quelques cortex montrent une alternance de couches de gœthite et de chlorite. Des bioclastes calcaires en proportions variées, quelques quartz et divers fragments phosphatés s'associent aux oolites.

Habituellement, toute cette fraction clastique est cimentée par un assemblage de calcite plus ou moins ferrifère, de sidérite et de chamosite. Cette dernière constitue souvent un liséré autour des oolites et des autres clastes ; elle occupe parfois tout l'espace inter-élémentaire (Fig. 2a) et/ou s'associe étroitement à de la sidérite ankéritique. Quelques micropores résiduels montrent localement une fine cristallisation de chlorite, d'allure géodique.

En fait, les diffractogrammes réalisés sur les phases chloriteuses vertes précédentes, généralement attribuées à de la chamosite, ne montrent pas les pics correspondant aux espaces interfoliaires de 14 Å, mais seulement ceux relatifs aux espaces de 7 Å. Il s'agit donc en général d'un polytype appartenant au groupe des serpentines, la berthiérine [11], parfois considérée comme précurseur de la chamosite ; celle-ci n'apparaı̂trait tardivement au cours de la diagenèse que lorsque l'enfouissement est suffisant [7,12].

Au total, le minerai oolitique des zones non exploitées présente :

• • un contraste minéralogique entre des particules détritiques d'oxyde et un ciment constitué de minéraux où le fer s'exprime sous forme réduite ;
• • une abondance relative du ciment qui ménage une faible porosité inter-granulaire résiduelle.

Par ailleurs, les intercalaires silto-argileux se caractérisent par leur contenu en quartz, feldspaths, notamment de l'albite [5], bioclastes calcaires et leur matrice à chlorite (à feuillets de 14 Å), illite et un peu de kaolinite ; la pyrite y est très fréquente.

Plusieurs types de transformations chimico-minéralogiques se développent dans le minerai des piliers des anciennes exploitations. Certaines apparaissent générales et visibles à l'œil nu, mais ne peuvent être facilement quantifiées. D'autres, très fines, ne s'observent qu'en microscopie optique ou électronique et ont fait l'objet d'analyses diverses. Il a été constaté :

• (1) la disparition d'une grande partie du ciment verdâtre de sidérite et de berthiérine (Fig. 2b) ; l'analyse chimique des boues prélevées sur le sol de vieilles galeries – notamment leur richesse en Fe, Si et Al – confirme bien la réalité du phénomène (Tableau 1) : il y a donc départ de matière avec création d'espace poreux, donc de vides et tendance à une perte de cohésion inter-granulaire ; cette évolution, encore peu visible dans les piliers des exploitations de 1992, s'accentue dans ceux des exploitations de 1970, mais surtout dans ceux des années 1930 et 1910 ;
• (2) un tassement du minerai, les oolites tendant à s'imbriquer suivant une texture plus compacte ;
• (3) la désorganisation, la fracturation et l'écrasement d'une partie des oolites (Fig. 2c), dont certaines montrent une altération, voire une desquamation de leur cortex ;
• (4) la désagrégation partielle ou totale de certaines oolites, notamment de celles qui ont subi l'évolution précédente (cf. §3.3) ; elles deviennent ainsi pulvérulentes, perdent leur fraction phosphorée et la porosité du minerai tend alors à augmenter ;
• (5) un important développement de néoformations phylliteuses vertes, très bien cristallisées, dans les vides créés précédemment (cf. §3.1), en enduit sur le ciment résiduel de sidérite ou de berthiérine diagénétique (Fig. 2d), ou autour du cortex des oolites, notamment des fragments écrasés ou desquamés précédents ; l'analyse diffractométrique de ces cristallisations d'allure géodique montre qu'il s'agit ici encore de berthiérine ;
• (6) un recouvrement des néoformations précédentes de berthiérine par une pellicule d'oxyde de type gœ thite–hématite (Fig. 2e) ; le passage du silicate riche en fer à l'oxyde, apparaı̂t progressif ou brusque ; l'oxyde, à faible teneur en SiO₂, Al₂O₃, PO₄ et dont le rapport Si/Al est compris entre 1,9 et 1,2 (Tableau 1), semble mouler la berthiérine néoformée sous-jacente (Fig. 2f) ou forme des encroûtements bien individualisés de minéraux aux formes propres, qui prennent une allure de croûte alvéolaire (Fig. 2e) : le ciment verdâtre de (1) apparaı̂t ainsi finalement remplacé par une pellicule riche en oxyde brunâtre ;
• (7) un développement nettement plus accentué des néoformations de phyllites dans les piliers de minerai exploité en 1970 ; il en est de même pour les prélèvements effectués aux affleurements de surface qui datent de la même époque ;
• (8) un développement très accentué des néoformations d'oxyde dans les piliers abandonnés depuis 1950 et surtout depuis les années 1910–1930 ; dans ce dernier cas, les encroûtements affectent l'essentiel du pourtour des oolites et des autres microcavités du minerai (Fig. 2e) ; de plus, pour un chantier donné, ces néoformations se développent très largement en bordure de pilier, surtout à proximité d'une zone dépilée ; elles s'atténuent progressivement vers le cœur des piliers préservés.

Toutefois, concernant le point (5) ci-dessus, les minéraux en question présentent un spectre de teneurs relatives en FeO, SiO₂ et Al₂O₃ assez large (Fig. 1 et Tableau 1) :

• • ceux, assez peu fréquents, qui se développent sur les phases diagénétiques massives des zones non exploitées ont une composition proche de celle, assez homogène, de ces dernières, notamment une teneur élevée en Si et Al et un rapport Si/Al (en atomes %) voisin de 1,7 ;
• • ceux qui se développent sur les phases diagénétiques partiellement altérées des zones exploitées montrent des compositions chimiques proches de celles de leur support immédiat ; leur teneur en SiO₂ apparaı̂t sensiblement plus faible, le rapport Si/Al étant compris entre 1,70 et 1,07.

Les différences d'évolution des paragenèses dans les minerais qui ont fait ou non l'objet d'une exploitation ainsi que les contrastes observés entre les minerais exploités à différentes périodes montrent bien que des modifications de la paragenèse et de ses propriétés se manifestent durant la période d'exploitation minière elle-même. Ainsi, quatre événements majeurs successifs se distinguent :

• • une dégradation mécanique et chimique des minéraux réduits du ciment ;
• • une désagrégation mécanique partielle des oolites ;
• • une néoformation et/ou recristallisation de phyllites argileuses ;
• • une néoformation d'oxyde, qui perdure pendant toute la durée de l'exploitation.

L'activité minière a donc conduit à une double évolution du minerai :

• • une altération et une dégradation du minerai avec soustraction de matière ;
• • des néoformations, avec réorganisation sur place des paragenèses résiduelles, avec ou sans apport de matière.

Les deux étapes de soustraction et de réorganisation minérale, avec ou sans apport, présentent la caractéristique commune d'une évolution en milieu oxydant. Toutefois, chacune d'entre elles résulte de la mise en œuvre de processus spécifiques.

4.1 L'étape de dégradation–altération

4.2 L'étape de réorganisation–néoformation

Dans le bassin ferrifère lorrain, l'exploitation minière a conduit à des transformations chimico-minéralogiques et microtexturales polyphasées du minerai, de plusieurs types. Une étape de dégradation des paragenèses est suivie de réorganisations et de néoformations minérales. Cette évolution évoque celle que l'on connaı̂t dans de nombreuses altérations diagénétiques ou pédologiques observées par ailleurs [10]. L'ensemble de ces transformations intervient en milieu oxydant, qui contraste avec celui de la préservation du minerai pendant son enfouissement. L'étape d'altération pourrait être initiée par la déstabilisation de la sidérite, très fréquente dans le minerai sain, en présence de bactéries. La berthiérine diagénétique associée, elle aussi, se dégrade plus ou moins complètement. L'abaissement local du pH permet une déstabilisation des oxydes eux-mêmes, favorisée par la dégradation mécanique des oolites induite par l'altération et liée à l'exploitation. Les néoformations conduisent ensuite à une stabilisation des paragenèses silicatées, qui cristallisent en géodes dans les vides créés lors de l'étape précédente. Cette période est suivie par la précipitation d'oxydes à partir d'inévitables mobilisations de fer en milieu aqueux au sein même des piliers de minerai partiellement dégradé. Ces dernières cristallisations se développent dans les vides sur tous supports de silicate, de carbonate ou d'oxyde. Malgré cela, la fragilisation mécanique du minerai survenue lors de la première étape d'altération est loin d'être compensée par les néoformations ultérieures de silicates et d'oxydes. Une telle évolution pourrait être l'une des causes de certains effondrements miniers de surface, notamment pendant la phase transitoire d'ennoyage qui suit l'arrêt de l'exploitation, l'eau jouant alors le rôle de lubrifiant inter-oolitique. Toutefois, compte tenu des multiples hétérogénéités, à toutes échelles, du minerai, il faut s'attendre à des cinétiques de réactions contrastées au sein d'un assemblage minéral de toutes façons très réactif.