Les approches scientifiques en métallogénie sont pluridisciplinaires. Elles portent essentiellement sur les concentrations métalliques de la croûte continentale. Les projets de recherche s’organisent autour des étapes fondamentales de la genèse d’un gisement : source des métaux, modalités de transfert des fluides et métaux dans la croûte (impact des caractéristiques géométriques et structurales du district), caractéristiques physico-chimiques du magma et des fluides minéralisateurs (rôle des ligands, spéciation des métaux…) et processus de dépôt. L’objectif étant in fine de situer ces minéralisations dans leur contexte géodynamique et de les relier aux processus de croissance crustale (évènements magmatiques et tectoniques), mais également aux processus de surface qui contrôlent la formation et la modification de nouveaux gisements. Les principaux projets se focalisent sur l’or, le cuivre, les gemmes et les métaux rares (Zr, REE, Nb, Ta et U).
Rôle du magmatisme et hydrothermalisme dans la formation des gisements
Les gisements en métaux rares dans les complexes alcalins sont un exemple majeur de minéralisation où le rôle des processus magmatiques et hydrothermaux est en plein débat. Les corps ignés hyperalcalins sont caractérisés par un enrichissement extrême en métaux rares, et représentent souvent des gisements exploitables. Il est également couramment accepté que les gisements de ces métaux dérivent de concentrations d’origine magmatique. Ceci se justifie par leur fort potentiel ionique et leur faible électronégativité qui font qu’ils n’ont pas d’affinité avec les ligands communément présents dans les fluides géologiques. Cependant, au cours de la dernière quinzaine d’années, il a été montre que les minéralisations en métaux rares peuvent être d’origine hydrothermale. Notre groupe participe activement dans cette thématique et il est reconnu au niveau international. Le GET a pu documenter et expliquer la minéralisation hydrothermale de ces métaux dans les complexes de Strange Lake (Canada) et du Tamazeght (Haut-Atlas marocain), ce qui nous a mené à proposer un modèle bimodal, par des processus à la fois magmatiques et hydrothermaux. Dans les projets en cours et à venir, on montre que ce modèle peu s’appliquer à des complexes alcalins minéralisés en métaux rares qui n’étaient pas reconnus comme tel, par exemple à Madagascar (financement : Banque Mondiale, PGRM). Ces projets incluent aussi la caractérisation d’une minéralisation en U qui vient d’être découverte dans le nord du Québec et de gisements d’or orogénique du craton ouest africain.
Surfaces d’érosion et gisements supergènes : pédiments et cuivre au Chili
Il existe une association entre des pédiments (surface d'érosion) et des gisements de cuivre supergène, clairement établie au Chili, premier producteur mondial de cuivre. Les processus de formation des pédiments, la façon de les dater et leur signification paléoclimatique et tectonique restent débattus. Nous proposons la création d'un Laboratoire Mixte International (LMI- structure de l'IRD) pour étudier à la fois les processus géomorphologiques de formation de ces pédiments, et les processus de formation du cuivre supergène sur ces surfaces. Une approche classique consistera à observer la géomorphologie des pédiments et les facteurs externes (tectonique et climat) (Université d'Antofagasta), émettre des hypothèses de formation fondées sur ces observations, les tester par la modélisation numérique en utilisant un modèle existant CIDRE (Carretier et al, 2009), et faire des mesures de terrain et de l'expérimentation de migration de Cuivre dans la couverture poreuse des pédiments (en cours à l’Université du Chili depuis 2006).
Nouvelles approches expérimentales et théoriques : transferts des éléments chimiques par les fluides géologiques aux conditions ‘extrêmes’
Ce programme vise à quantifier les transferts des métaux d’intérêt économique (e.g. Au, Cu, Ag, PGE) et des volatiles (As, S) par les fluides géologiques, depuis les zones de subduction jusqu’aux systèmes hydrothermaux-volcaniques, en utilisant de nouvelles approches expérimentales et de modélisation. Ce projet s’appuie d’une part sur notre connaissance physico-chimique et structurale des fluides hydrothermaux de basse et moyenne T et P et, d’autre part, sur les progrès exceptionnels des outils spectroscopiques et des approches émergeantes de chimie quantique et de dynamique moléculaire que nous avons commencées à mettre en œuvre depuis les 5 dernières années. Ces méthodes permettent de déterminer la solubilité, spéciation et structure des éléments dans les fluides en conditions ‘extrêmes’ comme les vapeurs hydrothermales-magmatiques de faible densité riches en volatils et les solutions à teneur en sel > 50% de haute T, ou les fluides dans les zones de subduction (~1000°C, 100 kbar). Nous combinerons mesures de solubilité/partage avec spectroscopie Raman et XAFS in situ et modélisation thermodynamique et de chimie quantique, afin de déterminer l’identité, la structure et la stabilité des complexes métalliques en phase fluide et vapeur et la solubilité des principaux minerais formés par les métaux chalcophiles.
MÉTALLOGENIE
La métallogénie est la science des gisements (ou gîtes) métallifères et de leur genèse. Terme créé, au début du XXe siècle, par le géologue français Louis de Launay (1860-1938). Cette science se propose de rechercher les lois qui ont présidé à la répartition, à l'association ou à la séparation des éléments chimiques dans les parties accessibles de l'écorce terrestre => liens très étroits qui unissent la métallogénie et la géochimie.
Métallogénie : étude des processus qui ont donné naissance aux concentrations anormales de substances chimiques minérales – donc aux gisements métallifères
L'une des branches de la science des gîtes métallifères est la métallogénie régionale. Le principe en est de distinguer et de définir les zones, régions et grandes régions pouvant être minéralisées, et celles ne le pouvant pas => carte métallogénique.
Ainsi, la métallogénie révèle la liaison existant entre la tectonique profonde (linéaments, blocs rhomboïdaux...), le magmatisme et les minéralisations (géométriquement associées). Le métallogéniste doit être un géologue de terrain et cartographe de formation, qui doit faire continuellement appel aux autres sciences de la Terre et à des disciplines voisines.
Guides
L'apparition d'une concentration minérale anormalement élevée au point de vue géochimique, la situation même d'un gisement métallifère, etc., sont toujours en relation avec certains faits géologiques spécifiques, dits contrôles. Ces contrôles sont de nature, d'ordre, d'importance différents et variés. Certains n'ont qu'une valeur plus ou moins locale et ne s'appliquent qu'à un district minier, ou même seulement à une partie de gisement. D'autres, au contraire, ont une importance régionale et s'appliquent à un groupe de districts, ou à une aire. D'autres, enfin, ont une valeur générale et quasi universelle : par exemple, les gisements de chromite, dans leur très grande majorité, sont associés dans le monde à des hyperbasites. Les deux derniers types de contrôles s'apparentent aux métallotectes.
Ces contrôles constituent autant de guides lors de l'étude et de la prospection soit des régions voisines, soit de régions géologiquement (c'est-à-dire pétrographiquement, paléogéographiquement, structuralement, tectoniquement, minéralogiquement...) analogues.
Ces deux notions de contrôles-métallotectes et de guides sont fondamentales en métallogénie, en géologie minière et en prospection minière.
Les guides morphologiques sont très variés et s'appliquent aux dépôts formant soit un relief, soit un creux topographique. Ils sont aisément repérables sur des photographies aériennes ou des images spatiales.
Les guides minéralogiques ont été utilisés dès l'Âge du bronze (couleurs jaune-vert de la pyromorphite, bleue et verte de l'azurite et de la malachite, accompagnateurs respectifs du plomb et du cuivre de l'Europe antique).
Guides botaniques (Viola calaminaria, du zinc de Sardaigne..., Equisetum arvense, concentrant l'or jusqu'à 150 g/t) et les géochimiques (très utilisés par les métallogénistes russes et roumains).
Provinces métallogéniques
Le terme de province métallogénique a été introduit en 1913 par le métallogéniste français Louis de Launay = concept spatio-temporel.
Le métallogéniste autrichien Walter Emil Petrascheck (1906-1991) a défini la province métallogénique comme un ensemble de gîtes minéraux formés au cours d'une époque tectonico-métallogénique dans une unité tectonique importante et caractérisée par une certaine parenté minéralogique, par la forme des gisements et par l'intensité de la minéralisation.
L'Allemagne a une petite province à argent-cobalt, dans l'Erzgebirge (Annaberg, Schneeberg), s'étendant jusqu'en Bohême (Joachimsthal, ancien nom de Jáchymov), ainsi qu'une province à plomb-zinc dans le Harz.
En Espagne, ceinture à plomb-argent qui regroupe les districts de Linares-La Carolina, El Horcajo, la vallée de l'Alcudia et San Quintín et qui s'allonge sur 200 kilomètres au nord du batholite granitique de Los Pedroches, d'âge varisque. S'y intègre, de façon au moins géométrique, le district mercurifère d'Almadén.
Provinces ferrifères : paléozoïques (Normandie), secondaires (Lorraine-Luxembourg).
Époques métallogéniques
– Époque précambrienne. Tous les grands boucliers précambriens ont été le siège d'une intense activité métallogénique. En Amérique du Nord : gisements de fer-cuivre (lac Supérieur), de nickel-cuivre (Sudbury, Ontario), de cobalt-argent (Cobalt, Ontario), d'ilménite (Québec), d'or (bouclier canadien) ; en Amérique du Sud : gîte d'or, de fer et de manganèse des boucliers brésilien et colombien ; en Afrique : gisements sud-africains à or et à platine-chrome-nickel du Bushveld, de Zambie et du Zimbabwe ; en Asie : or, cuivre, fer et manganèse des boucliers sibérien et indien ; en Europe : minéralisations à fer, cuivre, or, dont les principales occurrences se trouvent dans le bouclier fenno-scandien (notamment, le fer de Kiruna-Vaara).
– Époque du Paléozoïque. Formation de gisements de cuivre, de nickel, de titane et de chrome, en Norvège au Paléozoïque moyen, mais surtout granitisation intense et minéralisations d'une richesse exceptionnelle (gisements d'étain, cuivre, zinc, plomb-argent, or, liés, plus ou moins nettement, plus ou moins directement, à ces granites), au Paléozoïque supérieur (cycle orogénique hercynien ou varisque).
– Époque du Permo-Trias. Dépôts évaporitiques de sel, gypse, potasse, à travers le monde entier (Europe : Allemagne, Alsace ; Russie ; Asie : Iran ; Amérique du Nord : Texas).
– Époque du Jurassique. Dépôt des formations de fer oolithique en Europe (minette de Lorraine et du Luxembourg). En Amérique du Nord, c'est une période d'intense activité magmatique, à laquelle est associée une minéralisation en cuivre (Californie, Alaska, Colombie-Britannique).
– Époque du Crétacé. Les minéralisations de cette époque présentent un grand développement dans toute la partie occidentale de l'Amérique du Nord. Les intrusions d'âge jurassique-crétacé s'étendent de l'Alaska au Nouveau-Mexique ; elles sont accompagnées par des minéralisations de plomb, zinc, cuivre, argent et or. C'est d'ailleurs à cette époque que se sont constituées les « ceintures à or » de Californie et d'Alaska. La Russie et le Japon possèdent des gîtes de cet âge.
– Époque du Cénozoïque. Elle a vu le développement d'un grand nombre de minéralisations. En Amérique du Nord, les dépôts du type « porphyry-copper » du sud-ouest des États-Unis, ainsi que les gisements de molybdène du Colorado se sont mis en place à cette époque. En Amérique latine, les gîtes d'or et d'argent sont de cet âge. En Amérique du Sud, les grands gisements de cuivre du Chili, d'argent du Potosí et du Cerro de Pasco, ainsi que les gîtes de tungstène, étain, or, plomb, zinc, antimoine sont datés du début du Cénozoïque. En Europe, les minéralisations accompagnent les intrusions d'âge alpin : par exemple, le chrome de Grèce et de Turquie, lié à des roches ultrabasiques ; le fer de l'île d'Elbe, lié à un granite.
– Époque du Miocène et du Pliocène (Tertiaire terminal). Après la mise en place des appareils magmatiques du début du Cénozoïque, suit une période de volcanisme intense qui affecte la ceinture pacifique. Celle-ci voit la mise en place de nouveaux gisements d'or et d'argent, avec tellure et antimoine associés (Mexique : El Oro, San Luis Potosí, Pachuca, Guanajuato ; ouest des États-Unis : Cripple Creek dans le Colorado, Goldfield et Comstock dans le Nevada).
Cartes métallogéniques
L'analyse de tous les éléments portés sur les cartes prévisionnelles met en évidence les surfaces à prospecter, plus ou moins prometteuses pour telle ou telle substance...
Rôle du magmatisme et hydrothermalisme dans la formation des gisements
Les gisements en métaux rares dans les complexes alcalins sont un exemple majeur de minéralisation où le rôle des processus magmatiques et hydrothermaux est en plein débat. Les corps ignés hyperalcalins sont caractérisés par un enrichissement extrême en métaux rares, et représentent souvent des gisements exploitables. Il est également couramment accepté que les gisements de ces métaux dérivent de concentrations d’origine magmatique. Ceci se justifie par leur fort potentiel ionique et leur faible électronégativité qui font qu’ils n’ont pas d’affinité avec les ligands communément présents dans les fluides géologiques. Cependant, au cours de la dernière quinzaine d’années, il a été montre que les minéralisations en métaux rares peuvent être d’origine hydrothermale. Notre groupe participe activement dans cette thématique et il est reconnu au niveau international. Le GET a pu documenter et expliquer la minéralisation hydrothermale de ces métaux dans les complexes de Strange Lake (Canada) et du Tamazeght (Haut-Atlas marocain), ce qui nous a mené à proposer un modèle bimodal, par des processus à la fois magmatiques et hydrothermaux. Dans les projets en cours et à venir, on montre que ce modèle peu s’appliquer à des complexes alcalins minéralisés en métaux rares qui n’étaient pas reconnus comme tel, par exemple à Madagascar (financement : Banque Mondiale, PGRM). Ces projets incluent aussi la caractérisation d’une minéralisation en U qui vient d’être découverte dans le nord du Québec et de gisements d’or orogénique du craton ouest africain.
Surfaces d’érosion et gisements supergènes : pédiments et cuivre au Chili
Il existe une association entre des pédiments (surface d'érosion) et des gisements de cuivre supergène, clairement établie au Chili, premier producteur mondial de cuivre. Les processus de formation des pédiments, la façon de les dater et leur signification paléoclimatique et tectonique restent débattus. Nous proposons la création d'un Laboratoire Mixte International (LMI- structure de l'IRD) pour étudier à la fois les processus géomorphologiques de formation de ces pédiments, et les processus de formation du cuivre supergène sur ces surfaces. Une approche classique consistera à observer la géomorphologie des pédiments et les facteurs externes (tectonique et climat) (Université d'Antofagasta), émettre des hypothèses de formation fondées sur ces observations, les tester par la modélisation numérique en utilisant un modèle existant CIDRE (Carretier et al, 2009), et faire des mesures de terrain et de l'expérimentation de migration de Cuivre dans la couverture poreuse des pédiments (en cours à l’Université du Chili depuis 2006).
Nouvelles approches expérimentales et théoriques : transferts des éléments chimiques par les fluides géologiques aux conditions ‘extrêmes’
Ce programme vise à quantifier les transferts des métaux d’intérêt économique (e.g. Au, Cu, Ag, PGE) et des volatiles (As, S) par les fluides géologiques, depuis les zones de subduction jusqu’aux systèmes hydrothermaux-volcaniques, en utilisant de nouvelles approches expérimentales et de modélisation. Ce projet s’appuie d’une part sur notre connaissance physico-chimique et structurale des fluides hydrothermaux de basse et moyenne T et P et, d’autre part, sur les progrès exceptionnels des outils spectroscopiques et des approches émergeantes de chimie quantique et de dynamique moléculaire que nous avons commencées à mettre en œuvre depuis les 5 dernières années. Ces méthodes permettent de déterminer la solubilité, spéciation et structure des éléments dans les fluides en conditions ‘extrêmes’ comme les vapeurs hydrothermales-magmatiques de faible densité riches en volatils et les solutions à teneur en sel > 50% de haute T, ou les fluides dans les zones de subduction (~1000°C, 100 kbar). Nous combinerons mesures de solubilité/partage avec spectroscopie Raman et XAFS in situ et modélisation thermodynamique et de chimie quantique, afin de déterminer l’identité, la structure et la stabilité des complexes métalliques en phase fluide et vapeur et la solubilité des principaux minerais formés par les métaux chalcophiles.
MÉTALLOGENIE
La métallogénie est la science des gisements (ou gîtes) métallifères et de leur genèse. Terme créé, au début du XXe siècle, par le géologue français Louis de Launay (1860-1938). Cette science se propose de rechercher les lois qui ont présidé à la répartition, à l'association ou à la séparation des éléments chimiques dans les parties accessibles de l'écorce terrestre => liens très étroits qui unissent la métallogénie et la géochimie.
Métallogénie : étude des processus qui ont donné naissance aux concentrations anormales de substances chimiques minérales – donc aux gisements métallifères
L'une des branches de la science des gîtes métallifères est la métallogénie régionale. Le principe en est de distinguer et de définir les zones, régions et grandes régions pouvant être minéralisées, et celles ne le pouvant pas => carte métallogénique.
Ainsi, la métallogénie révèle la liaison existant entre la tectonique profonde (linéaments, blocs rhomboïdaux...), le magmatisme et les minéralisations (géométriquement associées). Le métallogéniste doit être un géologue de terrain et cartographe de formation, qui doit faire continuellement appel aux autres sciences de la Terre et à des disciplines voisines.
Guides
L'apparition d'une concentration minérale anormalement élevée au point de vue géochimique, la situation même d'un gisement métallifère, etc., sont toujours en relation avec certains faits géologiques spécifiques, dits contrôles. Ces contrôles sont de nature, d'ordre, d'importance différents et variés. Certains n'ont qu'une valeur plus ou moins locale et ne s'appliquent qu'à un district minier, ou même seulement à une partie de gisement. D'autres, au contraire, ont une importance régionale et s'appliquent à un groupe de districts, ou à une aire. D'autres, enfin, ont une valeur générale et quasi universelle : par exemple, les gisements de chromite, dans leur très grande majorité, sont associés dans le monde à des hyperbasites. Les deux derniers types de contrôles s'apparentent aux métallotectes.
Ces contrôles constituent autant de guides lors de l'étude et de la prospection soit des régions voisines, soit de régions géologiquement (c'est-à-dire pétrographiquement, paléogéographiquement, structuralement, tectoniquement, minéralogiquement...) analogues.
Ces deux notions de contrôles-métallotectes et de guides sont fondamentales en métallogénie, en géologie minière et en prospection minière.
Les guides morphologiques sont très variés et s'appliquent aux dépôts formant soit un relief, soit un creux topographique. Ils sont aisément repérables sur des photographies aériennes ou des images spatiales.
Les guides minéralogiques ont été utilisés dès l'Âge du bronze (couleurs jaune-vert de la pyromorphite, bleue et verte de l'azurite et de la malachite, accompagnateurs respectifs du plomb et du cuivre de l'Europe antique).
Guides botaniques (Viola calaminaria, du zinc de Sardaigne..., Equisetum arvense, concentrant l'or jusqu'à 150 g/t) et les géochimiques (très utilisés par les métallogénistes russes et roumains).
Provinces métallogéniques
Le terme de province métallogénique a été introduit en 1913 par le métallogéniste français Louis de Launay = concept spatio-temporel.
Le métallogéniste autrichien Walter Emil Petrascheck (1906-1991) a défini la province métallogénique comme un ensemble de gîtes minéraux formés au cours d'une époque tectonico-métallogénique dans une unité tectonique importante et caractérisée par une certaine parenté minéralogique, par la forme des gisements et par l'intensité de la minéralisation.
L'Allemagne a une petite province à argent-cobalt, dans l'Erzgebirge (Annaberg, Schneeberg), s'étendant jusqu'en Bohême (Joachimsthal, ancien nom de Jáchymov), ainsi qu'une province à plomb-zinc dans le Harz.
En Espagne, ceinture à plomb-argent qui regroupe les districts de Linares-La Carolina, El Horcajo, la vallée de l'Alcudia et San Quintín et qui s'allonge sur 200 kilomètres au nord du batholite granitique de Los Pedroches, d'âge varisque. S'y intègre, de façon au moins géométrique, le district mercurifère d'Almadén.
Provinces ferrifères : paléozoïques (Normandie), secondaires (Lorraine-Luxembourg).
Époques métallogéniques
– Époque précambrienne. Tous les grands boucliers précambriens ont été le siège d'une intense activité métallogénique. En Amérique du Nord : gisements de fer-cuivre (lac Supérieur), de nickel-cuivre (Sudbury, Ontario), de cobalt-argent (Cobalt, Ontario), d'ilménite (Québec), d'or (bouclier canadien) ; en Amérique du Sud : gîte d'or, de fer et de manganèse des boucliers brésilien et colombien ; en Afrique : gisements sud-africains à or et à platine-chrome-nickel du Bushveld, de Zambie et du Zimbabwe ; en Asie : or, cuivre, fer et manganèse des boucliers sibérien et indien ; en Europe : minéralisations à fer, cuivre, or, dont les principales occurrences se trouvent dans le bouclier fenno-scandien (notamment, le fer de Kiruna-Vaara).
– Époque du Paléozoïque. Formation de gisements de cuivre, de nickel, de titane et de chrome, en Norvège au Paléozoïque moyen, mais surtout granitisation intense et minéralisations d'une richesse exceptionnelle (gisements d'étain, cuivre, zinc, plomb-argent, or, liés, plus ou moins nettement, plus ou moins directement, à ces granites), au Paléozoïque supérieur (cycle orogénique hercynien ou varisque).
– Époque du Permo-Trias. Dépôts évaporitiques de sel, gypse, potasse, à travers le monde entier (Europe : Allemagne, Alsace ; Russie ; Asie : Iran ; Amérique du Nord : Texas).
– Époque du Jurassique. Dépôt des formations de fer oolithique en Europe (minette de Lorraine et du Luxembourg). En Amérique du Nord, c'est une période d'intense activité magmatique, à laquelle est associée une minéralisation en cuivre (Californie, Alaska, Colombie-Britannique).
– Époque du Crétacé. Les minéralisations de cette époque présentent un grand développement dans toute la partie occidentale de l'Amérique du Nord. Les intrusions d'âge jurassique-crétacé s'étendent de l'Alaska au Nouveau-Mexique ; elles sont accompagnées par des minéralisations de plomb, zinc, cuivre, argent et or. C'est d'ailleurs à cette époque que se sont constituées les « ceintures à or » de Californie et d'Alaska. La Russie et le Japon possèdent des gîtes de cet âge.
– Époque du Cénozoïque. Elle a vu le développement d'un grand nombre de minéralisations. En Amérique du Nord, les dépôts du type « porphyry-copper » du sud-ouest des États-Unis, ainsi que les gisements de molybdène du Colorado se sont mis en place à cette époque. En Amérique latine, les gîtes d'or et d'argent sont de cet âge. En Amérique du Sud, les grands gisements de cuivre du Chili, d'argent du Potosí et du Cerro de Pasco, ainsi que les gîtes de tungstène, étain, or, plomb, zinc, antimoine sont datés du début du Cénozoïque. En Europe, les minéralisations accompagnent les intrusions d'âge alpin : par exemple, le chrome de Grèce et de Turquie, lié à des roches ultrabasiques ; le fer de l'île d'Elbe, lié à un granite.
– Époque du Miocène et du Pliocène (Tertiaire terminal). Après la mise en place des appareils magmatiques du début du Cénozoïque, suit une période de volcanisme intense qui affecte la ceinture pacifique. Celle-ci voit la mise en place de nouveaux gisements d'or et d'argent, avec tellure et antimoine associés (Mexique : El Oro, San Luis Potosí, Pachuca, Guanajuato ; ouest des États-Unis : Cripple Creek dans le Colorado, Goldfield et Comstock dans le Nevada).
Cartes métallogéniques
L'analyse de tous les éléments portés sur les cartes prévisionnelles met en évidence les surfaces à prospecter, plus ou moins prometteuses pour telle ou telle substance...
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