Les métaux rares au Québec : potentiel et avancée des connaissances

Les anomalies géochimiques constituées par les gisements d’ETR, Nb et Ta sont des marqueurs des interactions manteau-croûte et de différenciation crustale. Associées à des roches magmatiques d’origine et de propriétés physico-chimiques diverses, notamment les carbonatites, les roches silicatées hyperalcalines et les granites ou pegmatites hyperalumineux, ces minéralisations se mettent en place dans une variété de contextes géodynamiques (rifting, collision continentale, extension post-orogénique) représentatifs de l’histoire géologique de la lithosphère. Leur genèse peut être liée à divers processus, notamment la préconcentration de métaux dans leur source mantellique ou crustale, la différenciation magmatique, l’immiscibilité liquide-liquide et l’hydrothermalisme. Cette présentation présentera un état de la connaissance sur la formation de ces gisements et les (nombreux) verrous scientifiques dans notre compréhension de ces objets, notamment (i) la ou les sources de métaux et les mécanismes de fertilisation et (ii) les processus géologiques et géochimiques qui contrôlent les transferts de ces éléments métalliques entre les différents compartiments lithosphériques.

Les dykes de pegmatites granitiques post-tectoniques non à peu déformés sont communs dans les ceintures orogéniques de haut grade métamorphique (amphibolite à granulite). Certains de ces dykes présentent des enrichissements notables en terres rares (ETR) légères, Nb, Ta, Th et U. De plus, ces dykes de pegmatites minéralisées ne montrent généralement pas de relation temporelle et/ou spatiale avec les intrusions granitiques. Cette absence de lien génétique remet en question la source des magmas minéralisateurs et les processus d’enrichissement en métaux critiques de ces magmas granitiques. La Province géologique de Grenville est un laboratoire parfait pour mieux comprendre la genèse de ces pegmatites riches en ETR en raison d’un nombre important de dykes minéralisés au sein de la ceinture Allochtone de pression moyenne (Mid-P Belt). Nos travaux se concentrent sur les pegmatites enrichies en ETR légères des régions de la Haute-Mauricie et du nord du Lac-Saint-Jean. Ces pegmatites riches en ETR forment des dykes métriques isolés ou des champs filoniens qui peuvent avoir une ampleur kilométrique. Elles recoupent sans distinction l’ensemble des lithologies de la région (gneiss granitique, paragneiss et gabbronorite), sans que ces dernières aient un impact sur la composition chimique des pegmatites. De plus, elles ne présentent aucune relation spatiale avec les intrusions alcalines syngrenvilliennes à tardigrenvilliennes de la région. Ces pegmatites sont formées à des températures > 700 °C à la suite du refroidissement et de l’ascension de liquides silicatés issus de la fusion partielle de roches métasédimentaires et méta-ignées formant la racine de la Mid-P belt. Les datations U-Pb ainsi que la composition isotopique en Hf des zircons provenant de ces pegmatites montrent (i) qu’elles se sont formées lors de deux périodes distinctes (~1060 Ma à ~1045 Ma et ~1010 Ma à ~990 Ma); et (ii) que leurs signatures ƐHf(t) varient entre ~ +2 et -13. Ces données indiquent donc que les liquides silicatés à l’origine de ces pegmatites sont issus de la fusion partielle de roches de natures et d’âges différents. De plus, nos résultats suggèrent que la composition des roches sources partiellement fondues n’est pas un facteur déterminant dans la formation des pegmatites granitiques riches en ETR.

Le Bouclier canadien oriental du Québec et du Labrador est une région géologiquement complexe, dominée par des roches ignées et métamorphiques archéennes et paléoprotérozoïques injectées par de grandes intrusions de type anorthosite-mangerite-charnockite-granite du Mésoprotérozoïque. Les suites intrusives mésoprotérozoïques, datées entre 1,46 et 1,24 Ga, contiennent également des roches mafiques, intermédiaires à felsiques hyperalcalines. Ces dernières sont économiquement importantes, car elles abritent de grands gisements à éléments de terres rares (ETR) et HFSE (p. ex. : Nb, Y, Zr). Parmi les exemples notables, on trouve le Pluton du Lac Brisson (complexe de Strange Lake, env. 1,24 Ga), la Suite intrusive de Flowers River (env. 1,29 Ga), la Suite intrusive de Red Wine (env. 1,33 Ga) et le Batholite de Mistastin (env. 1,42 Ga).

Malgré de nombreuses études sur le sujet, certains aspects du cadre tectonique et magmatique global de ces roches hyperalcalines mésoprotérozoïques riches en métaux rares demeurent non résolus. La question fondamentale est de savoir s’il y a eu qu’un seul épisode de minéralisation en ETR de longue durée ou plusieurs événements distincts. Cette question a des implications majeures pour le potentiel en minéralisations en ETR ailleurs dans le Bouclier canadien oriental et dans d’autres unités mésoprotérozoïques de composition similaire. À noter particulièrement, le Pluton du Lac Brisson (Strange Lake), une intrusion hyperalcaline subcirculaire très enrichie en ETR et HFSE, se situe près de la Suite de Nekuashu et coupe la Suite de Pelland (env. 2,32 Ga) dans la Zone Noyau de la Province de Churchill sud-ouest (Québec et Labrador), tandis que les roches hyperalcalines voisines du Complexe de Flowers River se trouvent à proximité du Complexe d’Aucoin dans la Province de Nain (Labrador).

De nouvelles données de géochronologie U-Pb obtenues par SHRIMP (sonde ionique à haute résolution) sur des zircons ont permis d’établir des âges de cristallisation pour les roches de la Suite de Nekuashu avec une syénite à augite datée à env. 2,55 Ga, une monzonite à env. 2,56 Ga et une monzodiorite à env. 2,56 Ga. De plus, l’intrusion nouvellement identifiée de Mikuasheunipi, située à 200 km au sud-est de Suite de Nekuashu, a fourni un âge de mise en place d’env. 2,57 Ga. Ces âges correspondent étroitement à ceux de l’intrusion d’Aucoin (env. 2,57 Ga et env. 2,58 Ga) dans la Province de Nain, suggérant un large événement igné appelé « magmatisme Nekuashu-Aucoin » (env. 2,58 à 2,55 Ga). Ces roches témoignent d’un magmatisme lié à la subduction au Néoarchéen et, bien qu’elles se soient formées plus d’un milliard d’années avant les intrusions hyperalcalines enrichies en ETR, elles pourraient avoir contribué indirectement à la genèse des gisements en enrichissant au préalable la source lithosphérique à l’origine de ce magmatisme ultérieur.

La Suite syénitique de Kipawa est un corps plissé en forme de feuillet (< 300 m d’épaisseur) situé au nord de la limite de l’Allochtone de la Province de Grenville et à 55 km au sud de la limite avec la Province du Supérieur. Les lithologies hyperalcalines abritant la minéralisation en terres rares sont principalement des syénites à amphiboles, des syénites variées et des granites. Des lentilles pouvant atteindre plusieurs mètres d’épaisseur composées de roches calcosilicatées (marbres, fénites, skarn, amphibolites), résultant de processus métasomatiques, font aussi partie de cette suite, le long de son contact inférieur avec la Suite de Kikwissi (granodiorite et tonalite datant de 2,7 Ga). Trois zones principales de minéralisation de ETR-Y-Zr sont connues dans le gisement de Kipawa; l’eudialyte et la mosandrite se trouvent dans les syénites, alors que la britholite est présente dans les roches calcosilicatées. D’autres minéraux, tels que le xénotime, la monazite, la chondrodite ou l’euxénite, ont également été reconnus en quantité moins importante.

Les résultats géochronologiques antérieurs indiquaient des âges TIMS U-Pb sur zircons de 1033 ±3 Ma (interprété comme l’âge de cristallisation de la syénite) et de 994 ±2 Ma (épisode de métasomatisme associé à la formation du skarn hyperalcalin), et un seul âge U-Pb par LA-ICP-MS de 1012 ±16 Ma pour l’eudialyte. De nouvelles mesures isotopiques sur huit échantillons du gisement de Kipawa ont fourni des valeurs de εNd(t) fortement négatives (-8,7) et un âge de 1023 ±130 Ma. Cinq échantillons de syénite, de marbre, de granite, de monzonite et de concentré de pyroxène ont des âges de 2,12 à 2,34 Ga, tandis que deux échantillons de syénite (l’un minéralisé en mosandrite, l’autre non minéralisé) et de roches à diopside-feldspath ont des âges de 2,74 Ga et de 3,58 Ga. Les signatures isotopiques du Nd de la Suite syénitique de Kipawa suggèrent une forte contamination crustale impliquant un mélange de magma et/ou de fluides riches en éléments alcalins provenant d’une source mantellique enrichie et d’une composante crustale archéenne. Ces fluides riches en alcalins pourraient avoir été formés lors de la fusion anatectique de la croûte continentale inférieure surépaissie durant l’Orogenèse grenvillienne. La géométrie en feuillets de la Suite de Kipawa, sa mise en place lors d’une poussée à l’échelle crustale et ses valeurs εNd(t) fortement négatives contrastent fortement avec la forme circulaire commune et les valeurs mantelliques appauvries à quasi chondritiques de la plupart des complexes hyperalcalins ailleurs dans le monde.

La première observation de carbonatites et de fénites dans la Province de Grenville dans le secteur au nord d’Ottawa a été rapportée par Hogarth (1966) dans le parc de la Gatineau. Des travaux de recherche subséquents ont démontré l’existence de plusieurs dykes de carbonatites et de fénites associées (0,9 à 1,1 Ga) vers l’est, jusqu’à Buckingham, avec les carbonatites au nord de Gatineau montrant le plus grand enrichissement en éléments de terres rares légères.

Les levés cartographiques dans le cadre de cette étude ont révélé la présence de dykes de carbonatite centimétriques à métriques, à structures massives à bréchiques, orientés généralement NNE-SSW à NE-SW, subparallèles à la foliation régionale. Ils sont encaissés dans le socle métasédimentaire constitué de paragneiss, de quartzites, de marbres et de roches calcosilicatées. Cet ensemble est recoupé par des orthogneiss, des granites, des pegmatites et des dykes de syénite.

La minéralogie des carbonatites est dominée par les carbonates (> 50 %; calcite et dolomite en moindre quantité) avec de faibles quantités d’apatite, de quartz, de micas, de barytine et d’oxydes de fer. Les brèches contiennent des enclaves décimétriques de nature gneissique et/ou granitique fénitisées et entourées d’une zone réactionnelle riche en phlogopite et apatite. Géochimiquement, les dykes sont des calciocarbonatites et de magnésiocarbonatites caractérisées par un enrichissement en Sr (< 0,3 %) et Ba (< 11 %) dû à la présence de célestine et de barytine disséminées. Ces carbonatites présentent également des teneurs élevées en ETR dépassant le seuil indiciel (> 1700 ppm à 4 % ETRtot) associées à la présence de phosphates (monazite) et de carbonates (parisite) d’ETR.

Un métasomatisme de la roche encaissante (fénitisation) est spatialement associé aux dykes de carbonatite, aux intrusions alcalines et/ou à la présence de carbonatites non affleurantes. On distingue une fénitisation potassique proximale dominée par le microcline (hématitisée) et la phlogopite ainsi qu’une fénitisation sodique distale à pyroxène (ægyrine) et amphibole (richtérite et riébeckite). Ces fénites potassiques sont enrichies en fer et ETR (jusqu’à 1 % ETRtot) avec de la monazite et des carbonates d’ETR disséminés. L’association fénite-oxydes de fer a déjà été évoquée pour la formation du gisement de fer de Haycock avoisinant (Lapointe, 1979). Nos observations suggèrent que le système minéralisé à ETR-Fe est lié génétiquement à un système métasomatique hydrothermal dynamisé par des dykes tardifs de carbonatites associés à un système de failles régionales NE-SE, E-W à NW-SE.

Dans cette conférence, nous exposerons nos plus récentes avancées en apprentissage automatique appliquées à l’exploration minérale. Nous présentons ainsi deux projets d’apprentissage profond, l’un appliqué à la géologie prédictive par apprentissage profond et l’autre à la reconnaissance de fractures sur des photos de carottes.