Graphite - Géologie Québec

Le graphite est une substance non métallique appartenant aux minéraux identifiés comme critiques et stratégiques au Québec. Ces minéraux revêtent une importance économique significative pour des secteurs clés de l’économie, présentent un risque d’approvisionnement élevé et n’ont pas de substituts. Les minéraux critiques et stratégiques, comme le graphite, sont essentiels à une économie et une technologie propre et moderne.

Le graphite est une matière indispensable et nécessaire, notamment à la production des batteries pour les véhicules électriques et au stockage d’énergie renouvelable. Il s’agit donc d’un matériau clé de la transition énergétique.

Avec la croissance exponentielle prévue de la production de batteries, la demande en matériel d’anode à base de graphite devrait atteindre plus de 2,8 millions de tonnes en 2025 (Benchmark Minerals Intelligence, Lithium-Battery Megafactory Assessment, janvier 2021).

Le graphite est utilisé dans la production de l’anode pour toutes les principales technologies de batteries. La demande associée à la fabrication de batteries, principalement à nickel-hydrure métallique et lithium-ion, a augmenté considérablement au cours des 30 dernières années. Cette croissance a été alimentée notamment par la demande des batteries pour les appareils électroniques portables, les outils électriques, les ordinateurs, les téléphones intelligents et les tablettes.

Le graphite est l’un des éléments des plus importants dans la fabrication des batteries lithium-ion. Cette technologie utilise environ deux fois plus de graphite que de carbonate de lithium. L’émergence des véhicules hybrides rechargeables et électriques nécessite la fabrication de plus en plus de batteries lithium-ion. Ces batteries incorporent une grande quantité de graphite (95 % de graphite dans une batterie lithium-ion). Les batteries de véhicules électriques devraient encore faire augmenter la demande pour le graphite. À titre d’exemple, une batterie lithium-ion d’un véhicule Nissan Leaf entièrement électrique contient près de 40 kg de graphite.

Usages

Le graphite est une substance inerte qui résiste à l’attaque de la plupart des produits chimiques. C’est un excellent conducteur d’électricité et de chaleur. Il possède un faible coefficient de friction en raison d’un clivage parfait associé à une structure cristalline formée de lamelles superposées. Son coefficient thermique (capacité à conduire la chaleur) est également faible.

Le graphite est utilisé en raison de ses propriétés physiques et chimiques : neutralité chimique, résistance à la chaleur, conductivité thermique et électrique, faible coefficient d’expansion thermique, faible coefficient de friction et faible coefficient d’absorption des rayons X et des électrons. Toutes ces propriétés permettent l’utilisation du graphite dans de très nombreux secteurs de l’industrie pour de multiples applications, telles que la fabrication du verre, de l’aluminium, de semi-conducteurs, et la chimie.

Quelques exemples sont présentés ci-dessous avec divers liens et des photos représentant différents domaines d’usages :

l’énergie (batterie lithium-ion, nickel-hydrure métallique, piles alcalines);
l’industrie métallurgique et les recarburants (p. ex. le graphite est utilisé dans la fabrication de l’acier);
les réfractaires (p. ex. dans les mélanges de briques réfractaires);
le revêtement des moules de fonderies (creusets et divers ustensiles de coulée de métaux);
l’industrie automobile et les produits de fiction (p. ex. le graphite entre dans la fabrication de garnitures de freins et d’embrayages, de pièces de moteurs, de génératrices électriques et de joints étanches mécaniques);
l’industrie de la peinture (p ex. le graphite sert à la fabrication de peintures anticorrosives et antistatiques);
les technologies de pointe (p ex. le graphite est utilisé comme modérateur dans les réacteurs nucléaires et comme substance stable à la chaleur dans la fabrication de composants de fusée, en plus de sevir dans la fabrication de piles à combustible pour les véhicules);
plusieurs autres produits, tels les lubrifiants industriels, les poudres métalliques, les composants de polymère et de caoutchouc, les matériaux ignifuges qui servent à retarder la progression du feu;
la fabrication des crayons à mine.

En 2018, à l’échelle mondiale, l’utilisation du graphite dans les batteries était de l’ordre de 14 %, comparativement à 46 % dans les réfractaires, 14 % en fonderie, 6 % dans les produits de friction, 5 % dans les lubrifiants, 4 % dans les recarburants et 2 % pour le graphite texturé (Roskill 2019). La production de batteries devrait augmenter et constituer le principal marché du graphite d’ici 2027, dépassant les principaux marchés conventionnels du graphite des électrodes et des réfractaires (USGS, 2017).

Source et contexte géologique des minéralisations

La production mondiale de graphite a été de 1,1 Mt (million de tonnes) en 2019. Cette production de graphite naturel a été dominée par la Chine (63,6 % avec 700 000 tonnes), suivie par le Mozambique (9,7 % avec 107 000 tonnes), le Brésil (8,7 % avec 96 000 tonnes). Le reste de la production se répartissait principalement entre Madagascar, l’Inde, la Russie, l’Ukraine, la Norvège, le Pakistan et le Canada. Ces dix pays ont produit 97,5 % de la production mondiale en 2019 (USGS 2020).

Le graphite naturel se subdivise en trois grandes variétés en fonction de sa granulométrie et de son utilisation dans différents marchés :

le graphite macrocristallin;
le graphite microcristallin;
le graphite en veine.

Le graphite macrocristallin ou graphite en paillettes (nom commercial) est une variété de graphite dont le diamètre des feuillets varie de 0,1 mm à 2,5 cm. Cette variété est présente dans les roches métamorphiques, principalement les schistes à quartz et mica, les paragneiss, les gneiss quartzofeldspathiques, les marbres ou les quartzites.

Le graphite microcristallin ou graphite amorphe (non commercial) est une variété de graphite d’aspect massif dont les cristaux ne sont pas visibles à l’œil nu, mais seulement au microscope. C’est un graphite gris-noir comparativement au gris lustré métallique des variétés macrocristallines. La taille des feuillets de graphite varie de 10 à 50 microns (1 mm = 1000 microns). Cette variété de graphite est principalement associée à des roches moins métamorphisées, soit des mudstones ou des shales.

Le graphite en veine ou graphite cristallin en blocs (nom commercial) résulte du remplissage de fractures qui affectent les roches métamorphiques. Cette variété de graphite se présente sous la forme de gros cristaux lamellaires ou de cristaux imbriqués en forme d’aiguilles. Les dimensions des feuillets de graphite sont très variables, soit entre 50 microns et 3 cm de diamètre. Le graphite en veine peut contenir 75 à 100 % de carbone graphitique (Cg). En général, les paillettes de graphite dans ces veines sont disposées presque perpendiculairement aux parois.

Outre ces trois variétés de graphite naturel, il existe une autre variété de graphite appelée graphite synthétique. De même composition que le graphite naturel, cette substance est obtenue par la cuisson entre 2600 °C et 3000 °C d’un mélange de coke de pétrole et de brai (bitume) précuit.

Les minéralisations de graphite sont associées à trois types d’environnement de mise en place des zones minéralisées :

les zones de métasomatisme de contact;
les veines hydrothermales;
les zones métamorphiques.

Les zones de métasomatisme de contact (skarn) se développent au contact de roches carbonatées et de roches plutoniques. Le graphite résulterait de la cristallisation du carbone organique ou de la réduction du CO₂ présent initialement dans la roche (Harben et Kuzvart, 1996). On mentionne parfois dans la littérature l’existence d’un type de minéralisation « magmatique précoce » qui serait l’équivalent des zones de métasomatisme de contact.

Les veines hydrothermales sont issues de solutions postmagmatiques riches en volatils, particulièrement en CO₂. Les minéralisations hydrothermales de graphite sont généralement associées au graphite en paillettes et seraient donc le produit d’un enrichissement local en graphite (Harben et Kuzvart, 1996).

Les zones métamorphiques se forment par concentration et cristallisation du carbone durant le métamorphisme régional. Elles peuvent aussi se former par métamorphisme de contact ou par métamorphisme régional de roches sédimentaires contenant des résidus carbonés de matières organiques (bitume, charbon). Les roches encaissantes de ces minéralisations de graphite comprennent notamment des phyllites, des schistes à quartz et mica, des paragneiss, des quartzites à mica et des marbres (Harben et Kuzvart, 1996).

Exploration au Québec

De nombreux sites minéralisés en graphite sont présents au Québec, principalement dans les unités de roches métasédimentaires de la Province géologique de Grenville. Les plus importants sont associés à des unités de paragneiss, de schiste et de marbre.

Les zones minéralisées en graphite les plus importantes et qui présentent un potentiel minier sont celles de Matawinie, du Lac Guéret et du Lac Knife.

La zone minéralisée de Matawinie (Zone Ouest) est située à 6,3 km au sud-ouest de Saint-Michel-des-Saints, dans la région de Lanaudière. La roche encaissante est une unité de paragneiss à biotite-graphite. Les niveaux d’épaisseur variable (10-15 m) de paragneiss à biotite-graphite alternent avec des niveaux de paragneiss à grenat. La minéralisation graphiteuse se présente en paillettes fines à grossières disséminées dans la roche et est localement accompagnée de sulfures (pyrrhotite, pyrite).

L’évaluation de ressources minérales de la fosse d’exploitation projetée de la Zone Ouest est de 95,8 Mt à une teneur de 4,28 % Cg (carbone graphitique) pour les ressources indiquées et de 14,0 Mt à une teneur de 4,19 % Cg pour les ressources présumées (Nouveau Monde Graphite, Rapport technique NI 43-101 du 22 juin 2018, GM 71033).

La zone minéralisée du Lac Guéret est située à 2,6 km au nord du lac Guéret, au sud-ouest du réservoir Manicouagan. Les roches hôtes de la zone minéralisée font partie du Groupe de Gagnon, d’âge protérozoïque précoce. La minéralisation en graphite est encaissée dans des niveaux de schistes à quartz-graphite, de paragneiss à biotite-grenat ou dans des gneiss quartzofeldspathiques. La minéralisation est massive, semi-massive ou disséminée et est accompagnée de sulfures. La minéralisation se présente en paillettes fines à grossières de 1 à 4 mm.

Deux zones minéralisées ont été identifiées au Lac Guéret (zones GC et GR). La zone GC est la plus riche en graphite. Les estimations (conformes à la Norme 43-101 du 5 décembre 2018) de cette zone indiquent des ressources mesurées de 19,0 Mt à 17,9 % Cg et des ressources indiquées de 46,5 Mt à 16,9 % Cg.

La zone minéralisée du Lac Knife se trouve à 27 km au SSW de Fermont. Les roches hôtes de la zone minéralisée font également partie du Groupe de Gagnon et constituent les équivalents métamorphisés des schistes graphiteux de la Formation de Menihek appartenant au Supergroupe de Caniapiscau de la Fosse du Labrador.

Les zones minéralisées en graphite sont encaissées dans un paragneiss migmatitisé à quartz, feldspath, biotite et muscovite. Elles s’étendent sur plus de 650 m de longueur et plus de 120 m de largeur. La minéralisation est massive (>60 % graphite), semi-massive (20-60 % graphite) ou disséminée (5-20 % graphite). Elle se présente en paillettes de ≤2 mm et est accompagnée localement de sulfures. La minéralisation se trouve également sous forme de veines ou de lentilles. Les estimations (conformes à la Norme 43-101 du 25 juin 2014) indiquent des réserves prouvées et probables de 7,86 Mt à 15,13 % Cg.

Exploitation au Québec

La mine Stratmin présente dans le secteur du lac des Îles dans les Laurentides, à 20 km au sud de Mont-Laurier, est la seule mine de graphite exploitée au Québec. La mine est exploitée par la compagnie Timcal Canada. La production annuelle est de ~25 000 tonnes de graphite.

La minéralisation de graphite est associée à des bandes de marbres dolomitiques, de marbres calcitiques, de quartzites et de roches calcosilicatées. Ces unités de roches font partie de la Ceinture centrale de roches métasédimentaires du sud-ouest de la Province de Grenville. Les réserves prouvées de cette mine étaient estimées, en 1988, à 5,2 Mt à 7,42 % Cg. (DV 93-01).

Consulter ici la carte interactive du Québec montrant toutes les zones minéralisées en graphite.

Télécharger un jeu de données (formats .FGDB et .SHP) de la carte interactive du Québec avec les zones minéralisées en graphite et démarrer votre propre projet d’exploration!