Processus géologiques liés a la formation de gisements

Des termes tels que mineralisation, gıte mineral et gisement sont couramment utilises en geologie economique. Ils indiquent la presence d’une substance, ou d’un ensemble de substances, naturellement deposee avec une concentration plus elevee que dans la croute terrestre. Bien que ces termes soient generaux et parfois meme vagues, ils sont differencies par des facteurs economiques intrins`eques plutot que par les phenomenes qui les ont crees. Sans entrer dans le detail de leur equivalence dans differentes langues (notamment l’anglais ou l’espagnol), ou leur signification dans les differents codes miniers disponibles dans le monde (p.ex. JORC [2012]), nous pouvons dire qu’une mineralisation correspond globalement `a une substance naturelle inorganique avec une concentration in-situ elevee. Un gıte mineral correspond `a une mineralisation susceptible d’etre exploitee `a des fins economiques ou strategiques, tandis qu’un gisement est un gıte o`u les conditions de son exploitation sont donnees [Jebrak and Marcoux, 2008]. Tout au long de ce memoire, nous allons utiliser ces termes de fa，con interchangeable comme indication d’une concentration naturelle superieure a la moyenne d’une substance donnee, sauf dans les cas o`u l’application d’une definition rigoureuse est necessaire. Les processus géologiques qui creent les gisements ne sont pas differents de ceux impliques dans la formation des roches.

Cependant, la formation d’un gisement est un evenement exceptionnel dans lequel se sont presentees des conditions bien particuli`eres. Trois facteurs sont essentiels dans leur formation : (i ) la source de la substance, (ii ) les moyens et les conditions de transport et (iii ) les mecanismes de depot et de concentration. Bien que le role et l’importance de chacun de ces facteurs soient inherents d’un gisement `a l’autre, plusieurs similitudes se trouvent entre les depots d’un meme type ou d’une meme classification. Un exemple de cette similitude se trouve dans la morphologie des gisements hydrothermaux, qui est normalement definie par les chemins qu’ont suivi les fluides mineralisateurs. Ainsi la source, le transport et le depot font partie d’un syst`eme encadre par les param`etres physiques et chimiques donnes dans l’environnement geotectonique au moment de la mineralisation. De fa，con generale, un gıte ne se forme pas en meme temps que la roche qui le contient. Initialement, les elements qui forment la mineralisation se trouvent disperses dans les roches de la croute ou dans le manteau. En revanche, certains phenom`enes de mineralisation sont differents. Dans de rares cas, le gıte se forme dans une des diverses etapes qui se succ`edent lors de la creation de la roche encaissante.

C’est ainsi le cas de quelques gisements magmatiques exceptionnels d’Uranium. `A cause de sa tr`es forte incompatibilite, l’uranium est preferentiellement fractionne dans des silicates fondus lors de la fusion partielle et de la cristallisation fractionnee au moment de la formation d’un granite (ou syenite) peralcalin [Cuney, 2014]. Malgre l’existence de ces exemples pour l’Uranium, ou pour n’importe quel autre type d’element ou composant, la source des elements et l’endroit o`u la concentration finale a lieu sont le plus souvent eloignes. Le mecanisme de transport fait partie des conditions essentielles dans la formation d’un gıte, car il controle la migration des elements de la mineralisation depuis leur position initiale jusqu’`a l’endroit o`u le gıte est finalement forme. Bien que les mecanismes de transport des elements depuis la source soient particuliers pour chaque type de gisements, il est possible de citer quelques conditions communes : (i ) la presence d’une phase fluide ; (ii ) l’addition d’energie dans le syst`eme pour demarrer et soutenir le mecanisme de transport ; et (iii ) l’existence de conduits ou chemins depuis la source jusqu’au depot [McQueen, 2005]. Les structures telles que les failles, les fractures, les strates permeables, les interfaces entre les roches, etc., font partie des entites impliquees dans la gen`ese de gisements en tant qu’elements regulateurs de ce processus de transport.

Relations spatiales

Il existe differentes relations spatiales associees aux mineralisations. La relation spatiale la plus importante correspond surement `a la localisation de la mineralisation par rapport `a la surface de la Terre. Le lien entre une mineralisation et sa profondeur de formation exprime des facteurs physiques (p.ex. pression et temperature) ainsi que des facteurs chimiques (p.ex. les types de fluides presents pendant la phase de transport de la substance concentree) necessaires au moment de la creation du gıte mineral. D’autres relations qui dependent de la profondeur se trouvent dans les proprietes du milieu encaissant, comme par exemple la variation de la porosite dans les roches detritiques, ou la reponse du milieu face `a une exigence tectonique (rheologie du milieu). Au debut du 20`eme si`ecle, la profondeur de formation d’une mineralisation est consideree comme l’un des aspects les plus importants pour sa classification. La pression, la temperature et la nature de l’eau (meteorique ou magmatique) sont considerees comme les principaux elements regulateurs dans la gen`ese d’un gisement [Lindgren, 1922]. Ainsi, les premiers syst`emes de classification sont bases sur la profondeur de formation. Par exemple, les termes epithermal, mesothermal et hypothermal (par analogie aux zones metamorphiques de Grubenmann [1910]) ont donne le cadre physique et chimique en fonction de la profondeur pour les mineralisations hydrothermales. Un demi si`ecle plus tard, avec l’arrivee de la nouvelle theorie de la tectonique de plaques, le nombre d’elements regulateurs dans la gen`ese des gıtes mineraux s’est precise.

La localisation d’une mineralisation par rapport aux limites d’une plaque tectonique est consideree comme un facteur ineluctable dans la comprehension de sa gen`ese. `A cette epoque, non seulement la profondeur est importante dans le processus de mineralisation mais aussi la proximite du manteau et son interaction avec la croute. Le manteau est considere comme la source de chaleur et de nouveaux materiaux qui s’ajoutent `a la surface terrestre. Son importance dans les hypoth`eses metallogeniques est telle que sa proximite `a un gisement est consideree comme cle dans la comprehension de sa gen`ese. Les decouvertes de mineralisations de fer dans la Mer Rouge (ride oceanique) [Miller et al., 1966], la localisation de gıtes de porphyres dans des marges continentales ainsi que des arcs d’ıles oceaniques [Sillitoe, 1972], et la position des gıtes sulfures au niveau global [Sawkins, 1972] ont montre `a l’epoque le besoin de trouver un lien entre la localisation d’une mineralisation, par rapport `a la geodynamique de la plaque correspondante, et sa gen`ese. C’est `a partir des annees 80 que l’environnement tectonique, ou cadre geotectonique, a commence `a etre pris en compte dans les syst`emes de groupement de gisements [Sawkins, 1984]. Aujourd’hui, le contexte geotectonique (convergent, divergent ou anorogenique) est un facteur preponderant dans l’exploration d’un gıte en particulier [Groves et al., 2005]. Parfois, le rapport entre le type de mineralisation et le cadre geotectonique est tellement important que l’evolution geologique d’une region du globe peut etre mieux comprise en fonction des gisements qu’il contient [Groves and Bierlein, 2007]. Cependant, la nature changeante d’une plaque ajoute un element d’incertitude quant au moment de la formation de la mineralisation et des conditions geotectoniques `a cette epoque. Enfin, les relations spatiales entre un gıte et son environnement devraient etre considerees de fa，con dynamique, ce qui rend indispensable l’integration de la composante temporelle dans le syst`eme des relations entre un gıte et son environnement.

Relations temporelles

De façon similaire aux relations spatiales, le concept de relations temporelles d’un syst`eme mineralise a change au fil du temps. La relation la plus simple entre une mineralisation et sa roche encaissante correspond `a leur simultaneite, c’est-`a-dire si la mineralisation a eu lieu apr`es la formation de la roche ou si les deux sont le resultat du meme phenom`ene. Des termes utilises dans la definition des gisements tels que syngenetique et epigenetique indiquent ce rapport temporel [Lindgren, 1933]. Bien qu’il soit habituel de discuter la classification de certains gıtes, il est possible de distinguer les types de relation temporelle avec l’aide de techniques de datation avancees (e.g. datation isotopique [Stein et al., 2001]) ou avec l’analyse des textures qui peuvent caracteriser le gıte [Craig et al., 1981]. Les amas de sulfures massifs pour le cas syngenetique, et les gisements du type de la Vallee du Mississippi entre autres pour le cas epigenetique (fig. 1.1) sont des exemples notables. Certains gisements sont cependant le resultat d’un certain nombre de processus superposes spatialement mais eloignes dans le temps. L’enrichissement d’un ou plusieurs elements, ou la substitution d’un element par un autre, survenus dans le lieu de la mineralisation sont des ev`enements courants dans la constitution finale d’un gıte. Par exemple, les gisements de mineraux sulfures classes en tant que supergenetiques (fig. 1.1) se sont formes `a partir de l’alteration et de la destruction de la mineralisation originale dues aux des conditions oxydantes proche de la surface, `a la migration posterieure des elements liberes et `a leur concentration finale dans des conditions chimiques et mecaniques favorables [Guilbert and Park Jr, 2007] .

Un autre aspect de la temporalite dans la formation des gisements correspond `a leur distribution dans l’histoire geologique. Meme si les conditions de formation de plusieurs gisements localises dans une meme region de la Terre peuvent etre differentes, un lien temporel entre eux peut se manifester comme le resultat d’un processus geologique `a grande echelle [Meyer, 1988, Barley and Groves, 1992]. Au debut du 20`eme si`ecle, Lindgren [1909] avait dej`a commente et re-groupe en epoques metallogeniques diverses mineralisations observees dans des provinces representatives de certaines periodes geologiques en l’Amerique du Nord. Des travaux similaires ont ete realises en Europe notamment par Launay [1913]. Les gıtes d’origines diverses mais lies temporellement sont la manifestation de processus geodynamiques singuliers existants au moment de la formation d’un syst`eme mineralise [Groves and Bierlein, 2007]. En outre, un type de gisement peut manifester un caract`ere limite dans le temps (fig. 1.2). En d’autres termes, il y a des periodes dans l’histoire de la Terre durant lesquelles certains types de gıtes sont absents, des moments o`u ces gıtes sont presents mais rares, d’autres o`u ils sont abondants, et d’autres encore pendant lesquels les donnees conservees sont insuffisantes [Goldfarb et al., 2010].