Modélisations thermiques de gisements orogéniques mésothermaux

Modélisations thermiques de gisements orogéniques mésothermaux

Genèse des gisements

Disciplines et techniques en métallogénie

La métallogénie est une science complexe qui vise à comprendre la genèse des concentrations metallicères. La source des métaux, le transport des ions métalliques par des fluides hydrothermaux ou magmatiques et le piégeage de concentrations dans la cro ̂ ture sont autant de facteurs déterminants pour la mise en place de gisements. La conception actuelle concernant la formation des gisements s’appuie sur des disciplines variées mettant en œuvre des techniques permettant d’appréhender les processus minéralisateurs à diverses ´échelles. L’étude des d’ ep´ epts min´ralis ́ es requiert de ce fait des connaissances dans des domaines tels que la géochimie, la pétrologie ou la géologie structurale. Parmi les techniques utilisées pour déterminer les processus entrant dans la formation des gisements, des lev és de surface et des forages souterrains ainsi qu’une analyse structurale sont nécessaires et peuvent s’accompagner d’études minéralogiques des textures et des séquences paragénétiques. L’altération hydrothermale doit, elle aussi, être caractérisée, donnant accès aux donn ées relatives `à la source de chaleur, et aux minerais susceptibles d’être rencontré és dans la zone d’ ́étude. Les compositions de la roche et des minéraux intervenant dans les processus de minéralisation doivent aussi être contraintes. L’étude des inclusions fluides permet de retrouver les conditions de pression et température des fluides minéralisateurs au moment du . Le traçage de la source des fluides s’effectue par l’analyse des isotopes stables et biogéniques. Enfin la géochronologie permet de dater les événements minéralisateurs et de les replacer dans un cadre temporel en déterminant leurs âgés relatifs par rapport à l’encaissant. Dans le cas de gıtes magmatiques, l’étude des magmas à proximité des gisements est importante car elle permet de donner les caractéristiques relatives à leur mise en place (température d’intrusion, minéraux abondants, etc.). La géophysique consiste surtout à appuyer l’exploration minière, mais elle ne représente pas, à proprement parler, un outil pour comprendre la métallogénies. Néanmoins, des études introduisant des processus physiques ont pu être appliquées aux problèmes de la formation des gisements. La géochimie permet de répondre à nombre de questions mais dans certains cas il arrive que certaines des caractéristiques de la minéralisation restent énigmatiques. Les modélisations numériques représentent un outil supplémentaire pour visualiser les processus agissant sur la mise en place de gisements. Elles permettent de calculer les écoulements de fluides hydrothermaux, les champs de temperature et les éventuelles distributions des zones de précipitation dans des contextes proches de ceux rencontrés en métallogénie. Les systèmes hydrodynamiques peuvent résulter de la présence d’anomalies thermiques dans la croute et de la dispersion de ces anomalies par conduction et convection de fluides. Les fluides s’écoulent dans les fractures et les roches perméables de la crote terrestre et tendent à évacuer les perturbations thermiques à distance de l’anomalie initiale. Les environnements dans lesquels les gisements hydrothermaux se mettent en place présentent souvent une tectonique complexe et des épisodes de plutonisme. Parmi les questions qui subsistent : La distribution spatiale des gisements semble s’inscrire dans le cadre de la tectonique des plaques cependant, cette relation ne permet pas de justifier de la présence ou au contraire de l’absence de gisements en tout point du globe, ni de comprendre l’ampleur de ces derniers. L’ˆage des minéralisations est souvent déterminé à quelques millions d’années près ce qui n’est pas assez précis pour comprendre les relations exactes entre les différents processus. Il est donc important de comprendre les durées respectives auxquelles on peut s’attendre pour les divers processus. L’une des incertitudes les plus importantes dans l’étude des systèmes hydrothermaux par le biais de modèles numériques reste la variation et la valeur des paramètres contrˆolant les circulations de fluide crustaux (perm´abilité, porosité, etc.).

Définition d’un gisement

La notion de gisement s’applique à toute concentration minérale, contenant un ou plusieurs métaux, exploitable ́économiquement. Le terme gıte possède une signification proche mais il ne contient pas de connotation ´économique. Les gıtes metallicères représentant des concentrations chimiques de métaux anormales par rapport à la teneur moyenne de la cro ̂ute terrestre en ces ́ el ́ ements. Le tableau 2.1 pr ésente la composition chimique moyenne de la croûte continentale terrestre, il apparaît que près des 98.5% en poids de la croûte sont constitués de huit ́éléments principaux, `à savoir : O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, et Mg. La plupart des métaux, quant à eux, sont peu abondants dans la croûte continentale. Le “clarke” des métaux, défini par Vernadsky (1924), désignant le pourcentage d’un élément chimique dans la croûte, est donc faible. Dans les formations géologiques communes, ils sont dispersés dans les minéraux et les roches mais sont rarement concentrés. Tab. 2.1 – Composition chimique moyenne de la croûte continentale terrestre d’après les données disponibles pour la croûte continentale (S. Taylor & McLennan, 1995; Rudnick & Fountain, 1995; Plank & Langmuir, 1998). Une concentration métallifère devient exploitable, si une teneur limite est atteinte. La teneur minimale d’exploitation (ou Cut-Off) est fonction de critères économiques et sociaux, et varie selon le type du gisement. Ainsi, elle est définie pour chaque d ́ ep ́ ep ́ ep ́ ep ́ epépˆot de manère à ce que l’exploitation soit r ́ emun ́ eration. Genèse des gisements La teneur minimale fluctue notamment en fonction du cours des métaux qui lui-même est influencé par les conditions économiques mondiales ou nationales. Les paramètres relatifs à la localisation du site telles que, les conditions climatiques, et les infrastructures disponibles (routes, chemins de fer, électricité etc.), auront, quant à eux, un impact sur le coût de l’exploitation, et de l’acheminement des produits de la mine. Le ravitaillement en eau, nécessaire à toute exploitation, sera aussi un facteur déterminant. D’autre part, selon le type d’exploitation, les coûts d’extraction sont variables. Des gisements affleurants tels que les épithermaux peuvent être exploités en open-pit entraînant des coûts d’extraction faibles comparés à ceux d’une mine souterraine. De la même manière, le fait de mécaniser l’exploitation abaisse les coûts. Cette mécanisation est possible notamment dans le cas des gros gisements disséminés, type porphyres, possédant une faible teneur mais un fort tonnage. Enfin, la teneur limite d’exploitation est fonction des critères relatifs à la minéralisation au sens strict tels que la morphologie du corps minéralisé et la minéralogie. La taille du grain et la nature de la gangue conditionnent le coût du broyage. Ainsi, plus la minéralisation est disséminée, plus le broyage doit être fin. La présence d’éléments valorisants ou au contraire d’éléments pénalisants est aussi à prendre en compte. Dans le cas des dépˆots de zinc (Zn), par exemple, le fait d’avoir du Germanium (Ge) et de l’Indium (In) va apporter une valeur ajoutée au gisement. Au contraire la présence d’éléments tels que le Cadium (Cd), l’Arsenic (As), le Mercure (Hg) ou l’Antimoine (Sb) implique un traitement chimique supplémentaire et de ce fait des coûts d’exploitation plus importants. Pour chaque métal, on définit un facteur de concentration qui correspond au rapport de sa teneur minimale d’exploitation et de son clarke. Ce facteur encore appelé clarke de concentration, indique le degré de concentration nécessaire pour que se forment des dépˆots exploitables. Le tableau 2.2 cite quelques exemples de facteur de concentration pour des métaux usuels. Pour une même substance, ce facteur varie en fonction du type de la minéralisation, en raison des différents coûts d’exploitation que celui-ci implique. Il apparaît que pour être exploitables, les métaux doivent être de cent à des milliers de fois plus concentrés que dans la croûte terrestre moyenne. Mais quels peuvent être les processus responsables de telles concentrations ?

Mécanismes de formation (Source, Transport, Dépˆot)

Les gisements, au sens large, se situent dans des endroits particuliers de la cro ̂ te terrestre, ou une conjonction de facteurs permet la mise en place de la minéralisation. La formation d’une concentration métallifère nécessite une source, un transport et un d ́ ep ́ ep ́ ep ́ epépˆot (Routhier, 1963). Ces conditions locales résultent pour la plupart de l’évolution Source Transport Dépôt à long terme de la croûte et du manteau. L’étude de la genèse des gisements peut donc s’inscrire dans le cadre de la géodynamique globale.

Les indices pour remonter le temps…

Les géologues miniers cherchent à proposer des scenarii de mise en place des gisements, ils utilisent divers moyens pour y parvenir. Certains caractères propres au gisement et à son encaissant sont de bons indices pour comprendre l’histoire géologique 37 38 Genèse des gisements menant à l’apparition d’une concentration. Parmi les caractères relatifs au gisement, les suivants peuvent être cités : – la paragenèse, c’est-à-dire la ou les associations minérales constituant le ou les minerais du gisement ; – les conditions de pression et température des fluides minéralisateurs au moment du dépˆot (étude des inclusions fluides) ; – la composition chimique et les teneurs ; – l’ˆage de la minéralisation (datation) ; – les contrˆoles structuraux sur la minéralisation ; – la morphologie et la géométrie des corps minéralisés ; – le tra¸cage de la source des fluides (analyse des isotopes stables et radiogéniques). Les principales caractéristiques de l’encaissant à retenir sont : – la nature lithologique des roches ; – les structures présentes (importantes pour le piégeage de concentrations) ; – la proximité de roches plutoniques ou volcaniques (rˆole thermique) ; – le degré de métamorphisme ; – la paragenèse d’altération des roches encaissantes (souvent associée à un type de gisement). Enfin, la formation des concentrations entre dans le cadre de l’histoire géologique régionale. La relation temporelle entre le gisement et son encaissant est, de ce fait, un aspect de l’étude à ne pas négliger dans l’élaboration d’un scénario de mise en place d’un gisement.

Source des métaux

La plupart des métaux sont présents en faible quantité dans la croûte terrestre, la formation d’un gisement n´ nécessite donc des phénomènes de concentration. Il est difficile de distinguer la source des métaux du type de gisement considéré. La croûte et le manteau terrestres sont, dans tous les cas, le réservoir initial. On distingue alors : -les gisements magmatiques o`u la source des métaux est représentée soit par la croûte, soit par le manteau et o`u les processus de fusion-cristallisation peuvent conduire `à une concentration ´économique ou `à une pré-concentration potentiellement mobilisable ; -les gisements hydrothermaux ou métamorphiques mettant en cause des circulations de fluides générale ment chauds capables de lessiver les métaux des roches encaissantes (sédimentaires ou magmatiques) et de les redéxposer.

Transport

Tout gisement métallifère, représente une concentration anormale d’éléments dans la croûte, ce qui nécessite des déplacements et des migrations d’ions métalliques. Le transport de ces ions, sous forme de complexes divers, est généralement assuré par des circulations de fluides. Ces fluides peuvent avoir diverses origines. On distingue ainsi des fluides : aqueux, d’origine superficielle, météoritiques ou marins ; magmatiques ; métamorphiques ; ou sédimentaires. Deux forces sont invoquées pour expliquer la cause de circulations de fluides dans la croûte : la pression interne et la gravité. Ces forces sont parfois responsables de mise en place de mouvements de fluides à divers échelles. Pour que des circulations hydrothermales s’initient et perdurent pendant un certain laps de temps, la présence d’un ou plusieurs moteurs thermiques est invoquée. Toute anomalie thermique à l’échelle crustale est à priori susceptible de mettre en place des systèmes hydrothermaux, d’ampleur variable selon la taille et l’amplitude de l’anomalie (voir parties 4). Les écoulements seront, de plus, contrˆolés de manière significative par la perméabilité. La tectonique permet, en régime cassant, de former des failles, largement utilisées en tant que drains, de fa¸con plus ou moins répétitive (Sibson, 1987). L’ensemble des systèmes hydrothermaux est multi-´échelle, l’analyse structurale de la zone minéralisée à l’´échelle régionale ou `à celle du gisement est donc une ´étape indispensable

Table des matières

Introduction générale
1 Introduction générale
I Métallogénie
2 Genèse des gisements
2.1 Disciplines et techniques en métallogénie
2.2 Définition d’un gisement
2.3 Mécanismes de formation (Source, Transport, Dépˆot)
2.3.1 Les indices pour remonter le temps.
2.3.2 Source des métaux
2.3.3 Transport
2.3.4 Piégeage des concentrations
3 Classification des gisements
3.1 Les différentes classifications
3.2 Une classification génétique
3.2.1 Les gîtes liés au magmatisme
3.2.2 Les gîtes liés à l’hydrothermalisme
3.2.3 Les gîtes liés à la sédimentation
3.2.4 Les gîtes d’enrichissement supergène
3.3 Cas particulier des gisements d’or orogéniques
4 Distribution spatiale et temporelle
4.1 Préservation des gisements
4.2 Notion de crises métallifères
4.2.1 Répartition des gisements dans le temps
4.2.2 Cas particulier des gisements d’or orogéniques
4.3 Répartition spatiale
II “Thermique et Métallogénie”
5 Rappels théoriques
5.1 Conduction
5.1.1 Régime permanent
5.1.2 Régime transitoire
5.2 Convection
5.2.1 Convection de Rayleigh-Bénard
5.2.2 Les équations dans le cas d’un fluide simple
5.2.3 Les régimes convectifs
5.3 Transferts de chaleur en milieux poreux
5.3.1 Propriétés des milieux poreux
5.3.2 Conduction
5.3.3 Convection
5.3.4 Précipitation de métaux et circulation de fluides hydrothermaux
6 Lien métallogénie-thermique
6.1 Lien tectonique/ anomalies de température
6.1.1 Processus de surface
6.1.2 Intrusions magmatiques
6.1.3 Chevauchements
6.1.4 Fracturation
6.2 Minéralisations et anomalies thermiques
6.2.1 Intrusions et gisements
6.2.2 Anomalies thermiques et calderas minéralisées
6.3 Convection hydrothermale et métallogénie
6.3.1 Les observations de terrain : minéralisations et hydrothermalisme
6.3.2 Convection dans un milieu avec faille
III Etude régionale du Sud Ghana : “conduction pure”
7 Introduction
8 Géologie
8.1 Principaux stades d’évolution crustale
8.2 La ceinture d’Ashanti
9 Modèle géologique : évolution crustale syn-Eburnéen
9.1 Les contraintes chronologiques
9.2 Les contraintes structurales
9.3 Les contraintes thermobarométriques
9.3.1 Migmatisation pré-éburnéenne
9.3.2 Syn-tectonique eburnéenne
9.3.3 Epaisseur des ensembles lithologiques
9.4 Modèle géologique
10 Propriétés thermiques
10.1 Conductivité thermique
10.2 Production de chaleur
11 Modélisation thermique
11.1 Modélisation numérique
11.1.1 Description du modèle numérique
11.1.2 Evolution transitoire : chevauchements et érosion
11.2 Résultats : Pré-chevauchement
11.2.1 Cas continental
11.2.2 Cas océanique
11.3 Résultats : Tectonique Eburnéenne
11.3.1 Cas continental
11.3.2 Cas océanique
11.4 Calage temporel des minéralisations, du magmatisme et du métamorphisme
11.5 Sensibilité aux paramètres
11.5.1 Paramètres thermiques
11.5.2 Influence du taux d’érosion
11.6 Tableau récapitulatif
Discussion
14 Les minéralisations mésothermales orogéniques
14.1 Tectonique et circulations de fluides hydrothermaux
14.2 Les mécanismes de précipitation
14.3 Les conditions de pression et température
14.4 Solubilité de l’or
14.5 Indice d’altération de la roche
14.6 Application au Ghana
14.7 Modèles synthétiques
15 Modélisation numérique
15.1 Code
15.2 Paramètres
16 Convection hydrothermale : approche 2D
16.1 Convection hydrothermale en milieu poreux homogène
16.2 Température fixée à la base
16.2.1 Effet d’une faille
16.2.2 Effet d’une intrusion
16.2.3 Effet d’une faille et d’une intrusion
16.2.4 Effet d’une faille et d’une couche plus perméable en surface
16.3 Flux fixé à la base
16.3.1 Effet d’une faille
16.3.2 Effet d’une intrusion
16.3.3 Effet d’une faille et d’une intrusion
16.3.4 Effet d’une faille et d’une couche plus perméable en surface
16.4 Conclusion de l’approche 2D
17 Convection hydrothermale : approche 3D
17.1 L’effet des failles
17.2 Effet d’une faille et d’une couche plus perméable en surface
17.3 Effets couplés d’une faille avec gradient de perméabilité, d’une couche
perméable et d’intrusions multiples
17.3.1 Application numérique simple
17.4 conclusion 3D
18 Discussion
Conclusion générale
19 Conclusion générale
Bibliographie
Bibliographie
Annexes
A Conductivité thermique
A.1 Conductivité thermique
A.2 Les méthode de mesure
A.2.1 Méthode stationnaire : appareil à barres divisées
A.2.2 Mesure en espace infini : Fil chauffant
A.2.3 Mesure en demi-espace : QTM
A.2.4 Comparaison des méthodes QTM, aiguille chauffante et barres divisées
A.3 Mesures réalisées sur des échantillons du Ghana et de Guinée
A.3.1 Mesures réalisées avec un “QTM”
A.3.2 Comparaison avec des mesures réalisées avec une appareil à barres divisées
A.4 Variation de la conductivité thermique en fonction de la température .
A.4.1 Zoth et H¨anel (1988)
A.4.2 Seipold (1998,2001)
A.4.3 Vosteen et Schellschmidt (2003)
A.4.4 Remarques
A.4.5 Schatz et Simmons