Défense de thèse de doctorat - Sciences géologiques

Characterization and (U-Th-Sm)/He dating of Moroccan supergene ore deposits. New insights to unravel the periods and potential causes of weathering processes

Jury

• Vincent HALLET (UNamur), président
• Johan YANS (UNamur), promoteur et secrétaire
• Vinciane DEBAILLE (Université Libre de Bruxelles)
• Cécile GAUTHERON (Université Paris Saclay)
• Eric PIRARD (Université de Liège)
• Alain BERNARD (Université Libre de Bruxelles)
• Jocelyn BARBARAND (Université Paris Saclay)
• Lhou MAACHA (Groupe Managem)
  

Abstract

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Weathering profiles do form when rocks and primary (hypogene) ore bodies are brought to the Earth’s surface and exposed to atmospheric conditions. The oxidation of (mostly) sulfides, the dissolution of host rocks, the transport and the (re)concentration of elements enable the precipitation of a wide assortment of secondary (supergene) phases, increase the grade of some metals within the ore and lead to the formation of supergene ore deposits. The detailed mineralogical, petrological and geochemical characterization of supergene ores, motivated by the growing demand for metals and rare elements that are necessary for the new technologies, targets the identification of eventual economical grades of these elements, in the weathered part of deposits. The ubiquity of iron (oxyhydr-)oxides such as goethite and hematite within supergene environments enables the dating of weathering processes by using the (U-Th-Sm)/He method, while the local occurrence of alunite allows the obtention of crystallization ages through the ⁴⁰K-³⁹Ar dating method. This thesis follows three objectives: 1) defining the paragenetic sequences of supergene base metal deposits and positioning the datable phases within the sequence, 2) dating iron (oxyhydr-)oxides in order to integrate weathering processes in a reliable temporal frame, 3) determining the relative importance of parameters influencing the development of weathering profiles, i.e. climate, which provides water and determines the kinetic of chemical reactions, and geodynamics, which triggers the exhumation of rocks and generates gradients for the progression of fluids. Four sampling areas have been selected to address these issues: 1) three sites of the Eastern High Atlas of Morocco, the Cu site of Jbel Klakh, the Pb-Zn site of Jbel Haouanit, and the Fe-Mn-Cu site of Jbel Rhals, 2) the Mn deposit of Imini, in the Central High Atlas of Morocco, 3) three deposits and several gossans of the Occidental Anti-Atlas of Morocco, the Cu deposits of Tazalaght, Agoujgal and Tizert, and 4) the polymetallic district of Nefza-Sejnane in Northern Tunisia. The vertical distribution of weathering zones, composed from base to top of the hypogene zone (sulfides such as chalcopyrite, pyrite, tennantite, galena, sphalerite), cementation zone (sulfides such as bornite, digenite, chalcocite, djurleite, covellite), oxidized zone (i.e. malachite, azurite, brochantite, olivenite, chenevixite), and leached zone or gossan (iron (oxyhydr-)oxides, mottramite, quartz, calcite) is particularly emphasized in the Cu deposits, but less obvious in the Pb-Zn-Fe-Mn deposits of Jbel Haouanit, Jbel Rhals and Agoujgal. Hand samples of tennantite from Tazalaght and Agoujgal deposits, presenting boxwork textures, also record these transitions at the scale of the sample, reflecting the evolution of fluid-rock interactions with time. The first-order influence of the host rock nature on supergene processes is highlighted in the carbonate-hosted deposits that exhibit a broad panel of oxidized mineral phases of which the precipitation was enabled by an efficient neutralization of the acidic fluids by host rock dissolution. The testing and dating of iron (oxyhydr-)oxides emphasized that the careful selection of samples and their thorough characterization are of the major importance for the acquisition of accurate and meaningful ages. As such, the purest botryoidal goethite samples are considered as the ideal material for (U-Th-Sm)/He dating, while microcrystalline samples are viewed as a second choice. The dating of iron (oxyhydr-)oxides pseudomorphosing pyrite should be avoided. In the High Atlas and Anti-Atlas of Morocco, a correlation between iron (oxyhydr-)oxides and alunite crystallization ages with deformation events of the Late Cretaceous and Cenozoic, related to the Alpine orogeny, suggests that the exhumation of preexisting mineralization and/or of host rocks is a key process required for the formation of supergene ore deposits and gossans. Similar interpretations are propounded in the Tunisian Nefza-Sejnane polymetallic district, where supergene goethite ages indicate the circulation of meteoric fluids in relation with geodynamic events recorded in the area. Therefore, geodynamics is regarded, in the Moroccan Atlas and in Northern Tunisia, as the first-order control for supergene mineralization that generates weathering gradients necessary for the circulation of meteoric fluids. The lack of fit between supergene mineralization ages and Cenozoic (sub)tropical climates in North Africa suggests that climatic parameters only play a secondary role, even if precipitations are required for the circulation of meteoric fluids.

Résumé

Les profils d’altération météorique résultent de l’exhumation de roches et minerais primaires (hypogènes) et de leur exposition aux agents atmosphériques. L’oxydation de sulfures (principalement), la dissolution des roches hôtes, le transport et la (re)concentration d’éléments chimiques permet la précipitation d’un large assortiment de minéraux secondaires (supergènes), augmente la teneur de certains métaux dans le minerai, et génère la formation de gisements supergènes. La caractérisation minéralogique, pétrographique et géochimique détaillée des minerais supergènes, motivée par la demande croissante en métaux et éléments rares pour les nouvelles technologies, a pour but l’identification de concentrations économiques en ces éléments, dans la partie altérée des gisements métalliques. L’omniprésence des (oxyhydr-)oxydes de fer tels que la goethite et l’hématite dans les environnements supergènes rend possible la datation des processus d’altération météorique par la méthode (U-Th-Sm)/He, alors que la présence locale d’alunite autorise l’obtention d’âges de cristallisation par la méthode ⁴⁰K-³⁹Ar. Cette thèse poursuit trois objectifs : 1) la définition des séquences paragénétiques de gisements métalliques supergènes et le positionnement des phases minérales datables dans ces séquences, 2) la datation des (oxyhydr-)oxydes de fer afin d’intégrer les processus d’altération dans un canevas temporel robuste, 3) la détermination de l’importance relative des paramètres influençant le développement des profils supergènes, que ce soit le climat, qui apporte les fluides nécessaires à l’altération et définit la cinétique des réactions chimiques, ou la géodynamique, qui provoque l’exhumation des roches et génère des gradients pour la progression des fluides. Quatre régions ont été sélectionnées pour répondre à ces questions : 1) trois sites du Haut Atlas Oriental du Maroc, le gîte de cuivre de Jbel Klakh, le gîte plomb-zinc de Jbel Haouanit et le gîte fer-manganèse-cuivre de Jbel Rhals, 2) le gisement de manganèse d’Imini situé dans le Haut Atlas Central du Maroc, 3) trois gisements et plusieurs chapeaux de fer de l’Anti-Atlas Occidental du Maroc comprenant les gisements de cuivre de Tazalaght, Agoujgal et Tizert, et 4) le district polymétallique de Nefza-Sejnane, au Nord de la Tunisie. La distribution verticale de zones d’altération minéralogique, composée, de bas en haut, de la zone hypogène (sulfures tels que la chalcopyrite, pyrite, tennantite, galène, sphalérite), de la zone de cémentation (sulfures tels que la bornite, digénite, chalcocite, djurleite, covellite), de la zone oxydée (i.e. malachite, azurite, brochantite, olivénite, chenevixite) et de la zone lessivée ou chapeau de fer ((oxyhydr-)oxydes de fer, mottramite, quartz, calcite), est particulièrement mise en exergue dans les gisements de cuivre, mais moins évidente dans les gisements de plomb-zinc-fer-manganèse de Jbel Haouanit, Jbel Rhals et Agoujgal. Des échantillons de tennantite des gisements de Tazalaght et Agoujgal, présentant des textures en « boxwork » enregistrent aussi cette séquence à l’échelle de l’échantillon, en mettant en évidence l’évolution des interactions fluide-roche avec le temps. L’influence capitale de la nature de la roche hôte de la minéralisation est particulièrement observée dans les gisements contenus dans des roches carbonatées, qui présentent une grande variété de phases minérales oxydées dont la précipitation n’a été possible qu’après une neutralisation efficace de l’acidité des fluides par la dissolution des carbonates de la roche hôte. Les essais analytiques et les datations d’(oxyhydr-)oxydes de fer ont mis l’accent sur l’importance fondamentale de la sélection minutieuse des échantillons et de leur caractérisation approfondie pour l’obtention d’âges corrects, précis et significatifs. Ainsi, les échantillons de goethite botryoïdale sont considérés comme le matériel idéal pour la datation (U-Th-Sm)/He, alors que les échantillons microcristallins sont relégués en deuxième choix. Il est préférable d’éviter de dater des (oxyhydr-)oxydes de fer pseudomorphosant de la pyrite. Dans le Haut Atlas et l’Anti-Atlas marocains, une corrélation entre les âges de cristallisation des (oxyhydr-)oxydes de fer et de l’alunite, et des périodes de déformations du Crétacé Supérieur et du Cénozoïque suggère que l’exhumation de roches et minerais primaires est un processus clé requis pour le développement de gisements supergènes et de chapeaux de fer. Une interprétation similaire est proposée pour le district polymétallique tunisien de Nefza-Sejnane, où les âges des goethites indiquent la circulation de fluides météoriques en lien avec les événements géodynamiques identifiés dans cette région. Ainsi, la géodynamique est considérée, dans l’Atlas marocain et le Nord de la Tunisie, comme le facteur principal influençant le développement de minéralisations supergènes, conférant les gradients nécessaires à la circulation des fluides météoriques. Le manque de correspondance entre les âges des minéralisations supergènes et les climats cénozoïques (sub)tropicaux du Nord de l’Afrique suggèrent que les paramètres climatiques ne jouent qu’un second rôle dans la création de profils d’altération météorique, même si la présence de précipitations est requise pour assurer la présence de fluides météoriques.

 

La séance est ouverte au public.

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