Fluides et drains : le transfert des métaux dans la croûte archéenne et moderne – implications pour l’exploration au Québec

L’exploration minière fait appel à un bon nombre de disciplines en géosciences, comme la géologie structurale, la géochimie, la géophysique, la pétrographie, l’hydrogéologie, l’analyse spatiale et les outils de la géostatistique, etc. Bien que les processus de minéralisation fassent intervenir des fluides et leur circulation dans les zones perméables de la croûte, la modélisation numérique de la dynamique des fluides minéralisateurs est rarement présentée comme un outil d’exploration. La prise en compte de propriétés réalistes des fluides hydrothermaux (densité en fonction de la pression et de la température, viscosité en fonction de la température) permet d’identifier les conditions favorisant une circulation convective. Dans le domaine de la géothermie profonde, ce même outil numérique a prouvé son potentiel prédictif (Guillou-Frottier et al., 2013; https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2013.02.008). En métallogénie, on peut considérer en première approximation que les corps minéralisés correspondent aux zones où le taux de refroidissement est le plus rapide. Ce taux de refroidissement (voir la définition du Rock Alteration Index, O.M. Phillips, 1991) dépend du champ de vitesse et du gradient thermique local, grandeurs que l’on peut déterminer numériquement en couplant les équations de la chaleur, la loi de Darcy et la conservation de la masse. Ce principe a été appliqué aux gisements d’or de type orogénique (Harcouët-Menou et al., 2009; https://doi.org/10.1111/j.1468-8123.2009.00247.x), mais aussi aux gisements d’or périgranitique (Eldursi et al., 2018; https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2018.01.011). La reproductibilité de la localisation des gisements a permis de démontrer le potentiel prédictif de l’outil numérique. Dans le cas de fluides magmatiques, le cas particulier des pegmatites LCT peut être abordé de la même façon en adaptant les propriétés physiques et en considérant la très faible viscosité des magmas pegmatitiques. Enfin, des expériences numériques récentes montrent que la localisation des minéralisations dans les zones de failles crustales dépend de la perméabilité et de l’angle de la structure perméable. Pour des zones de failles subverticales, les minéralisations seront d’abord localisées sur le mur de la zone de faille (footwall), de façon continue, mais si la perméabilité est élevée, c’est le toit (hanging wall) de la structure qui sera privilégié. En revanche, les zones de failles à faible pendage vont favoriser l’apparition de multiples zones minéralisées, déconnectées entre elles.

La croûte continentale concentre les métaux rares, tels que le Li, Sn, Nb, Ta ou encore W. Les gisements de ces métaux se sont formés au cours de processus orogéniques en lien avec le magmatisme crustal, et ce, depuis le Néoarchéen. La Province du Supérieur, notamment le territoire d’Eeyou Istchee Baie-James au Québec, connaît justement un regain d’intérêt pour l’exploration des pegmatites de type LCT (Lithium, Césium et Tantale), et plus précisément les pegmatites à spodumène. Pour ce type de gisement, des modèles lithostructuraux 3D détaillés, bien appuyés par la minéralogie et la géochimie, sont essentiels pour réaliser des modèles réalistes d’estimation des ressources.

Dans cette conférence, nous présenterons différents exemples d’occurrences de pegmatites LCT afin de discuter de leur distribution et de leurs contrôles lithostructuraux. Nous en profiterons pour faire un état des connaissances sur les processus de formation et de migration de liquides saturés en lithium, incluant la différenciation magmatique, la fusion partielle de roches supracrustales et la nature du protolite.

Les gisements magmatiques-hydrothermaux, tels que les porphyres à Cu-Mo-Au et les systèmes épithermaux à Au-Ag connexes, constituent une source majeure de la production mondiale de cuivre et d’or (+ molybdène, argent et métaux précieux tel le rhénium). La provenance des métaux dans les fluides hydrothermaux demeure une question cruciale en géologie économique. Dans cette optique, nous examinons ici les principaux moteurs des systèmes porphyriques-épithermaux associés aux zones de subduction, notamment aux mécanismes de transports et d’accumulation des métaux dissous qui précipitent principalement sous la forme de sulfures à partir des fluides hydrothermaux libérés au cours de l’évolution des magmas d’arc.

À cette fin, cette conférence présente un bilan décennal de nos recherches dans la Zone volcanique sud des Andes (ZVS; Chili), un laboratoire naturel de premier plan pour l’étude des interactions entre les structures tectoniques et les processus volcaniques. La méthodologie proposée consiste à retracer l’origine des métaux, principalement les métaux facilement détectables et solubles, tels que le cuivre, en utilisant les isotopes et les rapports de gaz rares dans les roches volcaniques et les gaz d’origine géothermique associés.

Les données disponibles sur les roches volcaniques des systèmes magmatiques actifs indiquent que les inclusions fluides et silicatées des minéraux mafiques montrant des rapports 3He/4He (Rc/Ra) corrigés pour l’atmosphère typiques des MORB les plus primitifs indiquent que le cuivre est présent sous la forme de phases fluides dans la vapeur magmatique précoce de la plupart des éruptions paroxysmales. D’autre part, l’examen des données publiées sur les fumerolles dans la ZSV confirme la fertilité en cuivre des contextes volcano-tectonique en transtension et en transpression de la marge convergente de la ZVS associée au système de failles Liquiñe-Ofqui (LOFS) et aux Failles transversales des Andes (ATF).

En utilisant le rapport Rc/Ra et le cuivre comme traceurs du rapport soufre total/CO₂ (Stot/CO₂), nous distinguons deux tendances : (1) des systèmes de failles actives dont l’orientation est peu favorable à la réactivation et qui sont propices à la formation de minéralisations magmatiques-hydrothermales (fluides avec Cu/Stot élevé et Rc/Ra faible), (2) des systèmes de failles orientés de manière optimale pour être réactivés et qui sont défavorables à la genèse de ces minéralisations (fluides avec Cu/SL faible et Rc/Ra élevé). Le système chilien permet de comprendre le mécanisme actif dans les environnements tectoniques à l’origine des gisements de type IOA et IOCG, p. ex. ceux associés au système de failles à mouvement senestre d’Atacama durant le Crétacé précoce où les gisements IOA riches en Fe— (± Ti-V) et pauvres en Cu-S sont surtout associés au tracé principal de la faille orienté NNE, alors les gisements IOCG riches en Cu-S sont le plus souvent contrôlés par des structures NW, ce qui démontre une répartition des rapports Fe/Cu induits par la structure.

Les gaz rares sont des éléments inertes et rares qui sont utilisés dans de nombreuses applications en sciences de la Terre, en particulier pour déterminer les sources des fluides crustaux, incluant les fluides hydrothermaux, souvent vecteurs des métaux dans la croûte terrestre. En effet la signature isotopique de ces gaz dissous dans les fluides reflète celle des sources mêmes des fluides, n’étant pas modifiée par les réactions chimiques. En particulier l’hélium est très utile, car il possède deux isotopes, celui de masse 3 (3He) et celui de masse 4 (4He), qui ont des origines différentes. Le premier est un isotope primordial enrichi dans le manteau terrestre, l’autre est produit dans la croûte par décroissance de l’U et du Th. Le rapport permet donc de déterminer si des sources magmatiques ou des processus d’interaction eau-roche sont associés à l’enrichissement de certains métaux. Dans cette présentation, nous montrerons des exemples d’utilisation de ces isotopes mesurés dans des inclusions fluides associées à des sulfures et des sources hydrothermales au Mexique et au Chili pour déterminer quels fluides interagissent dans la formation des gisements d’or et des porphyres à cuivre, ainsi que pour caractériser les fluides géothermaux similaires à ceux associés à la formation des gisements épithermaux.