Conditions de genèse des gisements d'uranium associés aux discordances protérozoïques et localisés dans les socles. Exemple du socle du bassin d'Athabasca (Saskatchewan, Canada), Genesis conditions of basement-hosted uranium ores. Example of the Athabasca Basin basement (Saskatchewan, Canada)

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Sous la direction de Michel Cuney
Thèse soutenue le 12 décembre 2008: INPL
De nouveaux gisements d’uranium, entièrement inclus dans le socle du bassin d’Athabasca (Province de la Saskatchewan, Canada), ont été récemment découverts, faisant d’eux une cible d’exploration privilégiée. Leur mode de formation est encore discuté, ne facilitant pas leur découverte. Afin de mieux les comprendre, une étude multidisciplinaire a été entreprise sur trois de ces gisements : Eagle Point, Millennium et P-Patch. Les oxydes d’uranium ont des caractéristiques chimiques variables fonction des conditions de cristallisation et d’altération postérieures à leur dépôt. Les âges U-Pb obtenus sont conformes à ceux des minéralisations à la discordance, tout comme le sont les abondances en terres rares, indiquant des circulations fluides à grande échelle et des processus physico-chimiques de formation identiques pour les deux types de gisements. Les saumures liées à la formation des gisements circulent massivement dans le socle, en partie grâce à la réouverture de structures et microstructures métamorphiques antérieures. La microfracturation globale des roches, fonction du contexte tectonique local, va directement déterminer le degré d’altération du socle et l’évolution du chimisme des saumures. L’altération du socle par les saumures est progressive et favorise une déstabilisation fractionnée des minéraux, permettant le transfert de nombreux éléments du socle vers le bassin. Les minéraux accessoires du socle porteurs d’uranium et de terres rares sont altérés à totalement dissous et sont donc une source majeure de ces éléments pour la formation des minéralisations. Des fluides météoriques tardifs (<300 Ma) déstabilisent les oxydes d’uranium antérieurs et favorisent la cristallisation de fronts d’oxydo-réduction
-Uranium
-Discordance
-Fluide
-Socle
-Altération
-Bassin
-Lessivage
-Source
-Oxydo-réduction
New basement-hosted uranium deposits in Athabasca Basin (Saskatchewan, Canada) were recently discovered. This ore type is now a new exploration target. The formation processes of basement-hosted ores are discussed and their discovery is not obvious. To better understand this deposit type, a multidisciplinary study has been focussed on three deposits: Eagle Point, Millennium and P-Patch. The basement-hosted uranium oxides have variable chemical characteristics function of their crystallisation and posterior alteration conditions. U-Pb isotopic ages are in accordance with uranium oxides localized at the unconformity. The same tendency is observed too for Rare Earth Elements (REE) concentrations. Physico-chemical conditions and fluid circulations are thus close to for the two types of deposit. The brines associated to deposit formation circulate in the basement, for a part, thanks to metamorphic structures and microstructures reopenings under the same stress field than those occurring during the late metamorphic episodes. Microfracturing determines directly the alteration degree of the rock and thus the chemistry evolution of the brines. Basement alteration by brines is progressive and favours the successive destabilisation of mineral, permitting the transfer of several elements from the basement to the basin. Basement accessory minerals are altered to totally dissolved, indicating that the basement is a main source of uranium and REE for the mineralization formation. Late meteoric fluids (<300 Ma) destabilized previous uranium oxides and favour the crystallization of uranium redox-front in hydrothermal alteration halo
-Uranium
-Source
-Leaching
-Basin
-Basement
-Fluid
-Unconformity
-Alteration
-Oxydo-reduction
Source: http://www.theses.fr/2008INPL108N/document
Publié le : mercredi 26 octobre 2011
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AVERTISSEMENT



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Ecole Doctorale RP2E
Ressources, Produits, Procédés et Environnement


Thèse
Présentée pour l’obtention du titre de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Spécialité : Géosciences


Par

Julien MERCADIER


Conditions de genèse des gisements d’uranium associés aux
discordances protérozoïques et localisés dans les socles. Exemple
du socle du bassin d’Athabasca (Saskatchewan, Canada)


Soutenance publique le 12 décembre 2008


Membres du jury :
Rapporteurs :
M. D. Beaufort Professeur, Université de Poitiers
M. M. Fayek Associated Professor, University of Manitoba, Canada

Directeur de thèse:
M. M. Cuney DR CNRS, Laboratoire UMR G2R, Nancy

Examinateurs :
Mme. M-C. Boiron CR CNRS, Laboratoire UMR G2R, Nancy
M. M. Cathelineau DR CNRS, Directeur du laboratoire UMR G2R, Nancy
M. D. Quirt Geochemist, Areva Canada

Invités :
M. I. Annesley Adjunct Professor, University of Saskatchewan, Canada
M. C. Caillat Ingénieur géologue, Areva

Remerciements

Ce travail a été co-financé par le CNRS et Areva, en relation étroite avec le CREGU.
Je tiens donc à premièrement citer l’ensemble des personnes qui ont contribué à la naissance
de ce projet ainsi qu’à son avancement. Je remercie M. Cathelineau pour m’avoir accueilli
dans le laboratoire G2R et pour son aide précieuse surtout pendant les dernières mois,
semaines et mêmes jours. Sa contribution a permis de grandement améliorer la qualité du
travail et des résultats. Merci à P. Schumacher pour la liberté laisser aux doctorants quant à
l’utilisation scientifique des fonds dont ils disposent. Mes remerciements à tous les membres
d’Areva pour l’intérêt porté à cette étude pendant ces trois années.

Je remercie M Cuney, mon directeur de thèse, pour m’avoir proposé ce sujet et m’avoir fait
partager sa connaissance encyclopédique de l’uranium. Bien que sa présence au laboratoire
soit directement indéxée sur le cours de l’uranium, il a toujours su répondre à mes questions,
même des endroits les plus lointains et me faire partager son enthousiasme. Merci aussi à M-
C Boiron, ma co-directrice de thèse, pour son implication dans l’ensemble du travail effectué
et pour sa pugnacité dans la correction et l’amélioration des différentes parties de cette thèse.

Je tiens à exprimer mes plus sincères remerciements aux membres du jury qui ont accepté de
juger ce travail :
- Messieur M. Fayek et D.Beaufort qui ont bien voulu juger ce mémoire.
- Monsieur D. Quirt, l’un des meilleurs spécialistes (si ce n’est le meilleur) de la géologie du
bassin d’Athabasca, pour m’avoir fait partager ses connaissances pendant nos rencontres sur
le terrain, en conférences ou par Interet. Je le remercie d’avoir accepté d’examiner ce travail
- Monsieur I. Annesley, qui m’a fait bénéficier de ses connaissances sur le socle du Bassin
d’Athabasca et sur les différents gisements de discordance du bassin. Merci aussi pour sa
gentillesse et pour sa venue malgré son emploi du temps chargé.
- Monsieur C. Caillat, a accepté d’examiner mon travail, je l’en remercie.

J’ai plaisir à remercier les personnes qui ont bien voulu collaborer pour faire avancer ce
travail :
i) Areva Canada
François Brisset pour avoir accepter de me prendre comme stagiaire au sein de son équipe
d’exploration pendant plusieurs mois afin de permettre une collecte précieuse d’échantillons.
Merci aussi aux géologues: J. Robbins, K. Wheatley, G. Bell et D. Morrisson parmi d’autres.

ii) Cameco
Pour m’avoir permis d’échantillonner plusieurs de leurs gisements sans aucunes difficultés.
Merci en particulier à A. Renaud et .J. Bishop.
iii) le SCMEM
S. Mathieu, A. Kohler et J. Ravaux (ce n’est pas qu’un physique) pour les travaux réalisés aux
MEB et aux sondes électroniques ainsi que pour leur gentillesse et professionnalisme.

iv) Le CRPG
M. Champenois, Denis Mangin et Claire Rollion Bard pour leur aide aux sondes ioniques
ainsi qu’au personnel du SARM avec qui j’ai pu facilement traiter. P. Kedzierski, J.J.Royer et
G. Caumon pour leurs conseils avisés. Merci à toutes les personnes que j’ai pu côtoyer sur la
colline, en particulier les nombeux thésards (Mag, Marco, Ewan, Bilou, Johanna et les autres)

v) le CEA
Laure Sangély avec qui je l’espère, le travail va continuer

Merci aux étudiants qui ont bien voulu m’aider à faire avancer ce travail : Marie-Cécile,
Aurélie, Damien, Mathieu, Gilles, Aurelien et Laurette.

Enfin merci à toute la grande famille du G2R pour son soutien, sa convivialité, ses bruits de
couloirs et ses encouragements dans la dernière ligne droite.
Merci à mes compagnons de cordée, La maman et le smoule, pour avoir cohabité pendant
tous ces mois. On arrivait quand bien à se supporter, même si les derniers temps ont été
mouvementés. Bon vent à tous les deux. Merci à Luc, alias le luxo, compagnon de galère de
la dernière année, ton soutien et tes encouragements m’ont été précieux. J’en profite pour
remercier Alice au passage, pour sa bonne humeur et sa gentillesse. Merci aussi à ce qui se
tirent la bourre pour finir cette p….. de thèse : Debelcourt, Gaëtan, le rozybar et Ambrose
« small man », encore quelques semaines et c’est bouclé les gars.
Thanks to the Bulle man, le roi de l’inclusion, pour tout le travail accompli (t’inquiètes pas
j’en ai encore en rab si tu veux) et pour les traductions en anglais de dernière minute. Je te
payerai une bière au Quinoa pour la peine. Merci au JJ Neto, l’ermite du labo (avec le belge)
pour son entrain et les nuits passées ensemble (ce n’est pas ce que vous croyez). Merci à Foxy
aussi pour sa freestyle touch, affutes pour le Hohneck, je le sens bien cet hiver. Merci à tous
les autres thésards, anciens ou nouveaux : Audrey, Enigman, Bubulle, Mickaël, Sandrine,
Topi, Jessica, Miss monde, Anne-Laure, Junying, Fred, le gringo, Moussa (j’ai peur d’en
oublier). Merci aussi en particulier à Régine et à Emmanuel pour le travail sur les argiles, à
Laurent pout la thermo, à Slava pour les oxydes d’uranium et à Cédric pour les lames et les
apéros.
Merci aux « non-scientifiques » qui font que la recherche au G2R avance : Roland, Patrick,
Laurence, Chirstine et Marie-Odile.

Et enfin merci à celle qui m’accompagne depuis de si nombreuses années déjà et grâce à qui
tout cela a été possible. Ce mémoire c’est aussi le tien, surtout ces derniers mois. Merci pour
ta compréhension et ton aide précieuse.



Avertissement

Two parts (Part 1 and 2) of the present document are written in English. Concerning
the rest of the document, the chosen language is French. This choice is due to INPL
University administrative recommendations and to writing facilities. In order to make easier
the comprehension of the French-written parts for the English-speaker community, the tables
and figures are written in English and a summary of the main results obtained is inserted at
the end of each part.

La description des conditions analytiques est présentée, au fur et à mesure du document, lors
de la première apparition des résultats relatifs à l’utilisation de chaque méthode. Dans le cas
contraire (comme pour la diffraction des rayons X ou la sonde électronique par exemple),
l’appareillage et la méthodologie utilisés sont présentés en annexes.

Le terme « hydrothermal » est fréquemment utilisé dans la présentation des résultats de cette
thèse. Afin d’éviter toute confusion vu les multiples évènements géologiques ayant eu lieu
dans la zone d’étude au cours des deux derniers milliards d’années, il est indispensable de le
définir clairement. Le terme « hydrothermal » renvoi dans cette étude à la circulation des
saumures d’origine diagénétiques en provenance du bassin sédimentaire, que ce soit dans
celui-ci ou dans le socle. Ceci implique donc que toute altération ayant eu lieu dans les roches
du socle avant le dépôt du bassin d’Athabasca ne sera pas considérée comme
« hydrothermale » mais comme métamorphique à post-métamorphique et sera décrite sous la
dénomination « rétrométamorphique ». De même, la circulation des fluides météoriques
tardifs (supposée postérieure à 300 Ma), n’est pas considérée comme un évènement
hydrothermal.

Certains chapitres de cette thèse présentent des analyses par sonde électronique des différents
silicates de remplacement (illite, chlorite, dravite et kaolinite) des minéraux du socle lors des
IV VI
phases d’altération sous la forme d’un seul diagramme (diagramme Al -Al ou Si-C.I par
exemple), alors que celui-ci est défini initialement pour une unique famille minérale (illite ou
chlorite). Tous les points d’analyse des différentes familles représentées sur ces diagrammes
ont été calculés avec le même nombre d’oxygène (11 ou 14) selon que les diagrammes soient
théoriquement définis pour la représentation de composition de micas ou de chlorites. Cette
procédure, cristallographiquement et chimiquement fausse pour les autres minéraux
représentés, permet néanmoins de séparer les différentes familles minérales et les phases de
mélange tout en les présentant sur un même diagramme.

Table des matières

REMERCIEMENTS............................................................................................................................. 3
AVERTISSEMENT .............................................................................................................................. 5
TABLE DES MATIERES .................................................................................................................... 7
INTRODUCTION GENERALE........................................................................................................ 13
1. Contexte général de l’étude............................................................................................................... 15
2. Etats des lieux des connaissances sur les gisements dits de type discordance du bassin d’Athabasca
............................................................................................................................................................... 16
2.1. Contexte géologique et structural du bassin d’Athabasca............................................... 16
2.2. Caractéristiques géologiques des minéralisations uranifères du bassin d’Athabasca et
modèles de genèse proposés .................................................................................................. 19
3. Objectif de l’étude............................................................................................................................. 22
4. Axe de recherche............................................................................................................................... 24
5. Composition du mémoire de thèse .................................................................................................... 27

PARTIE 1............................................................................................................................................. 29
Les oxydes d’uranium des gisements de type discordance localisés dans le socle du bassin d’Athabasca :
étude minéralogique, chimique, isotopique et mesure des abondances relatives en terres rares par sonde
ionique : Comparaison avec les oxydes d’uranium des gisements localisés à la discordance

1. Introduction ....................................................................................................................................... 33
2. Geological context............................................................................................................................. 34
2.1. The P-Patch deposit ........................................................................................................ 34
2.2. The Millennium deposit.................................................................................................. 36
2.3. The Eagle Point deposit .................................................................................................. 36
3. Samples selection .............................................................................................................................. 39
4. Analytical procedures........................................................................................................................ 41
5. Results ............................................................................................................................................... 42
5.1. Petrographic description ................................................................................................. 42
5.2. Chemical composition of the uranium oxides................................................................. 45
5.3. Isotopic U/Pb dating of basement-hosted mineralizations.............................................. 56
5.4. REE abundances for the Millennium and Eagle Point basement-hosted mineralizations
............................................................................................................................................... 61
7 5.5. Comparison of U/Pb isotopic ages, REE abundance and chemical compositions of the
Eagle Point and Millennium primary uranium oxides........................................................... 66
6. Discussion ......................................................................................................................................... 75
6.1. Chemical composition of basement-hosted uranium oxides........................................... 75
6.2. REE in the uranium oxides and their behaviour during post-crystallization alteration .. 78
6.3. Isotopic dating of Athabasca Basin unconformity-related deposits................................ 81
6.4. The Athabasca Basin mineralizations : several uranium contributions or multiple
recrystallization of one uraniferous deposition ? ................................................................... 84
6.5. Basement roles in the formation of basement-hosted uranium mineralizations ............. 85
7. Conclusion......................................................................................................................................... 85

PARTIE 2............................................................................................................................................. 87
Etude structurale et par inclusions fluides des circulations fluides dans le socle du bassin d’Athabasca lors
du métamorphisme rétrograde et de la formation des minéralisations de type discordance

1. Introduction ....................................................................................................................................... 91
2. Geological setting.............................................................................................................................. 92
2.1. Regional geology ............................................................................................................ 92
2.2. The P-Patch deposit ........................................................................................................ 94
3. Sampling and analytical procedures.................................................................................................. 96
4. Results ............................................................................................................................................... 99
4.1. Fractures and Fluid inclusion planes (FIP) orientation................................................... 99
4.2. Fluid characterization.................................................................................................... 103
4.3. P-T reconstruction......................................................................................................... 109
5. Discussion ....................................................................................................................................... 112
5.1. Multi-scale fracturing in the P-Patch deposit................................................................ 112
5.2. Direction, composition and P-T conditions for aqueous-carbonic fluids ..................... 112
5.3. Direction, composition and P-T conditions for aqueous fluids..................................... 113
5.4. Source of carbone dioxide for aqueous-carbonic fluid inclusions................................ 114
5.5. Role of Hudsonian structures in the brine circulation associated to mineralisations.... 114
6. Conclusion....................................................................................................................................... 115

PARTIE 3........................................................................................................................................... 119
Etude des altérations minéralogiques et des transferts élémentaires dans le socle du bassin d’Athabasca :
implications pour la formation des minéralisations de type discordance

CHAPITRE 1 ........................................................................................................................................ 123
Altération polyphasée des minéraux silicatés du socle du bassin d’Athabasca lors des processus
hydrothermaux et mobilités élémentaires associées. Impact sur la formation des halos d’altération
argileux dans le socle et dans le bassin d’Athabasca : Exemple des pegmatoïdes du gisement de P-Patch

1. Introduction ..................................................................................................................................... 125
2. Echantillonnage............................................................................................................................... 126
3. Résultats de l’étude ......................................................................................................................... 130
3.1. Pétrologie et minéralogie .............................................................................................. 130
8 3.2. Géochimie en roche totale ............................................................................................ 141
4. Discussion ....................................................................................................................................... 150
4.1. Modifications minéralogiques des pegmatoïdes du gisement de P-Patch associées à la
circulation des saumures hydrothermales contemporaines des minéralisations de type
discordance .......................................................................................................................... 150
4.2. Echanges élémentaires fluide-roche lors des différents stades d’altération des
pegmatoïdes du gisement de P-Patch................................................................................... 152
4.3. Evolution possible de la composition de la saumure diagénétique en provenance du
bassin en fonction des altérations des pegmatoïdes............................................................ 155
4.4. Comparaison de la mise des différents types d’altération et de la formation des
minéralisations uranifères au sein du gisement de P-Patch ................................................. 156
5. Conclusion....................................................................................................................................... 157

CHAPITRE 2 ........................................................................................................................................ 159
Modifications minéralogiques et chimiques du socle du bassin d’Athabasca lors des différents épisodes de
circulations fluides post-métamorphisme : Exemple des porphyres granitiques du gisement d’Eagle Point

1. Introduction ..................................................................................................................................... 161
2. Contexte géologique........................................................................................................................ 162
3. Echantillonnage............................................................................................................................... 164
4. Résultats de l’étude ......................................................................................................................... 165
4.1. Pétrologie et minéralogie .............................................................................................. 165
4.2. Identification et quantification des minéraux d’altération par diffraction des rayons X
(DRX) .................................................................................................................................. 186
4.3. Géochimie en roche totale ............................................................................................ 189
4.4. Calcul théorique de la quantité d’uranium initiale portée par les phases accessoires des
porphyres granitiques........................................................................................................... 203
4.5. Composition chimique des fluides hydrothermaux piégés dans les plans d’inclusions
fluides de quartz magmatiques............................................................................................. 205
5. Discussion ....................................................................................................................................... 207
5.1. Séquence paragénétique................................................................................................ 207
5.2. Mobilisations élémentaires ........................................................................................... 210
5.3. Echanges élémentaires fluide-roche lors de la phase d’altération à illite-sudoïte±sudoïte
............................................................................................................................................. 213
5.4. Les granites porphyres d’Eagle Point : une source d’uranium et de terres rares majeure
pour la formation des minéralisations de type discordance? ............................................... 218
6. Résumé et conclusion...................................................................................................................... 221

PARTIE 4........................................................................................................................................... 231
Circulations de fluides météoriques tardifs dans le socle du bassin d’Athabasca : remobilisations des
minéralisations uranifères de type discordance sous forme de fronts d’oxydo-réduction et kaolinisation
massive

Exemple des gisements de P-Patch et d’Eagle Point
1. Introduction ..................................................................................................................................... 235
2. Echantillonnage............................................................................................................................... 236
9

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