Caractéristiques métallogéniques des gisements péri-granitiques à WSn

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Caractéristiques métallogéniques des gisements péri-granitiques à W-Sn

Comportement géochimique du tungstène

Lors de la formation de la Terre par accrétion de météorites et de planétésimaux (Fig. 4a), les nombreux impacts ont entrainé un échauffement important de la planète déclenchant la différenciation terrestre. Lors de la première étape de différenciation (60 Ma après l’accrétion terrestre), les éléments sidérophiles tels que le tungstène ont préférentiellement migré vers le centre de la Terre pour former le noyau (Fig. 4b) appauvrissant considérablement le manteau en tungstène (Lee et Halliday, 1995; Newsom et al., 1996). A l’inverse, les éléments lithophiles ayant une forte affinité avec les phases silicatés tel que le hafnium (Hf) se sont concentrés dans le manteau primitif. La désintégration du hafnium 182 étant incomplète lors de la formation du noyau, la désintégration du stock restant de 182Hf en 182W causa le renouvellement du stock de tungstène dans le manteau (Fig. 4b).
Lors de la formation de la croûte continentale par fusion partielle du manteau, les éléments incompatibles (D < 1) présentant une forte affinité pour les liquides silicatés tels que le tungstène ont été extrait du manteau et ont préférentiellement migré avec les magmas jusqu’à la surface pour former la croûte continentale juvénile (Fig. 4c). L’extraction de la majeure partie du tungstène présent dans le manteau primitif explique les concentrations relativement importantes dans la croûte continentale (1100 ppb) par rapport aux autres réservoirs terrestres (Newsom, 1990; O’Neill, 1991 ; Newsom et al., 1996).
A travers cet exemple de processus, il apparait que le magmatisme constitue un mécanisme privilégié pour mobiliser et concentrer le tungstène et donc générer des gisements économiquement intéressant. Le caractère incompatible du tungstène rend ce métal particulièrement mobile lors des processus de fusion de partielle (mantellique ou crustale), mais également lors de la cristallisation fractionnée qui a probablement pour effet de concentrer le tungstène dans les derniers liquides issus du refroidissement de chambres magmatiques. Les régions marquées par le processus de recyclage crustal impliqué lors des différentes orogénèses représentent donc certainement des zones favorables à la formation de gisements de tungstène (Romer et Kroner, 2016). Dans la suite de ce manuscrit le mot tungstène sera remplacé par son symbole chimique .

Répartition mondiale des réserves, de la production et de la consommation en tungstène

En raison de ses caractéristiques uniques et de ses nombreuses applications dans la recherche et le développement de nouvelles technologies, la demande mondiale en W a pratiquement doublé entre 1989 et 2016 passant de 50 kt à plus de 90 kt par an (Fig. 2). Cette augmentation de la demande et de la consommation est largement imputable au développement industriel de la Chine qui représente à elle seule 64% de la consommation mondiale. Les réserves connues en tungstène sont évaluées à 3.5 Mt (USGS report 2017- 2018). Environ 52% de ces réserves sont localisées en Chine (Fig. 3a), qui assure à elle seule près de 83% de la production mondiale de tungstène (Fig. 3b). Même si la Chine consomme plus de la moitié du tungstène qu’elle produit (≈ 67%), sa forte production lui permet de dominer très largement le marché mondial du tungstène. A l’inverse la production annuelle Européenne (≈ 3.3 kt) ne permet pas de subvenir à ses propres besoins industriels (≈ 11.6 kt) (Fig. 3b). Or, la recherche et le développement (R&D) autour du tungstène constitue une activité très importante en France (verres électrochromes, airbus, projet ITER…) et plus largement en Europe. De ce fait, son approvisionnement peut être considéré comme sensible en raison de la forte domination chinoise sur le marché mondial du tungstène. En raison de cette forte dépendance, le tungstène a été reconnu comme « métal critique » par la commission Européenne (Fig. 3c) encourageant de ce fait le financement de nombreux projets de recherche visant à réévaluer le potentiel minier en Europe. Au regard de la répartition géographique des provinces métallogéniques à tungstène, il s’avère que les principaux gisements exploités aujourd’hui dans le monde correspondent à des régions actuellement ou anciennement actives d’un point de vue magmatique.

 Perméabilités des roches associées aux gisements à W-Sn de type veine et greisen

La perméabilité d’une roche correspond à sa capacité à laisser circuler un fluide. La perméabilité et la porosité sont généralement intrinsèquement liées (Fig. 18a) (Moeck, 2014 ; Luijendijk & Gleeson, 2015). Même si certains contre-exemples existent (argilites, ponces volcaniques), des porosités importantes sont généralement garantes de perméabilités matricielles élevées (basalte, grès, calcaires), alors que des roches peu poreuses sont généralement marquées par de faibles perméabilités (roches cristallines et métamorphiques) (Fig. 18b). Les gisements à W-Sn de type veines et greisen se mettent généralement en place au sein de socles composés de roches cristallines et métasédimentaires affectées par un métamorphisme plus ou moins important en fonction de la profondeur de mise en place du système magmatique-hydrothermal.
Ces roches présentent généralement de faibles porosités (0-15 %) et donc de faibles valeurs de perméabilité comprises entre 10-17 et 10-21 m² dans le cas de facies intacts et non altérés (Fig. 18a et 18b) (Brace, 1984; Evans et al., 1997; Sonney and Vuataz, 2009;
Ingebritsen et Appold, 2012; Walter, 2016). Ces faibles valeurs de perméabilité dans les granites et les roches encaissantes semblent être d’une part peu favorable à l’extraction des fluides magmatiques, mais également peu favorable au développement d’un système hydrothermal péri-granitique. Néanmoins, la perméabilité de ces roches est susceptible d’être affectée de façon significative par des phénomènes de fracturation et d’altération hydrothermale que nous détaillerons dans la suite de cette partie.

La perméabilité : un paramètre dynamique

La perméabilité a été reconnue comme étant un paramètre dynamique évoluant en temps et en espace au cours des différents processus géologiques impliqués lors du fonctionnement des systèmes hydrothermaux (Manning et Ingebritsen, 1999; Ingebritsen et Appold, 2012; Ingebritsen et Gleeson, 2015). La déformation, la fracturation, les conditions de surpression fluide, la dissolution/précipitation et les altérations hydrothermales sont autant de processus pouvant affecter significativement la perméabilité d’un système hydrothermal. Ces processus permettent notamment d’expliquer comment des systèmes initialement imperméables peuvent évoluer vers des systèmes perméables et favorables aux écoulements de fluides et donc au transport efficace de métaux.

Evolution de la perméabilité avec la profondeur

La profondeur de mise en place a un effet très important sur la perméabilité intrinsèque (Ingebritsen and Manning, 1999; Ingebritsen et Appold, 2012; Ingebritsen et Gleeson, 2015) (Fig. 19). En effet, l’augmentation de la contrainte lithostatique avec la profondeur cause la compaction et la fermeture des fractures présentes au sein des roches causant de ce fait une baisse de la porosité et de la perméabilité suivant des lois généralement exponentielles (Fig. 19a et 19b). En contions de sub-surface, les perméabilités sont généralement élevées et comprises entre 10-16 et 10-12 m² alors qu’elles sont comprises entre 10-20 et 10– 18 m² dans la croûte inférieure (20-25 km). Le passage de la transition ductile-fragile constitue un autre mécanisme entrainant une baisse significative de la perméabilité expliquant les faibles valeurs observées au sein de la croûte inférieure. Par conséquent, un système hydrothermal se mettant en place à faible profondeur sera plus vigoureux et donc plus favorable à la formation d’un gisement de grande taille. Inversement, la circulation hydrothermal d’un système mis en place dans la croûte moyenne et profonde sera fortement inhibée en raison de la faible perméabilité des roches et sera donc peu favorable à la formation d’un gisement d’intérêt économique. Les gisements péri-granitiques à W-Sn se forment généralement à des profondeurs comprises en 2 et 5 km correspondant à des perméabilités relativement faibles (10-18 à 10-16 m²).

Effets de la déformation/fracturation

La localisation préférentielle des minéralisations et des zones d’altération hydrothermale au sein de structures géologiques (failles, fractures, fentes de tension et shear zones) a rapidement conduit les géologues à considérer la déformation et la fracturation comme des mécanismes majeurs pour améliorer la perméabilité des systèmes hydrothermaux (Sibson, 1992, 1996 et 2001; Cox, 2002; Sibson and Rowland, 2003; Cox, 2010). Par la suite, les relations entre perméabilité et déformation/fracturation ont fait l’objet de nombreuses études expérimentales réalisées sur différents types de roches. Les expériences de fracturation réalisées par Tenthorey et Fitz Gerald (2006) sur granite ont démontré que la facturation pouvait augmenter la perméabilité de plusieurs ordres de grandeur et donc améliorer significativement la perméabilité d’une roche initialement imperméable (10-19 m²) (Fig. 20a). Le même type d’observation a été réalisé par Coelho et al., (2015) sur des roches caractéristiques de l’hydrothermalisme océanique (basalte, épidosite, métadiabase) (Fig. 20b). Cette étude a également démontré que les fractures et les réseaux de microcracks formés lors de la fracturation peuvent être rapidement scellés et cicatrisés conduisant à une baisse progressive de la perméabilité jusqu’à sa valeur initiale (Fig. 20b). Ces résultats expérimentaux suggèrent que la perméabilité générée par fracturation est transitoire et effective sur un laps de temps court impliquant donc que le système de fractures soit régulièrement ré-ouvert (contexte structural actif) pour maintenir des valeurs de perméabilité élevées.
Les expériences réalisées par Zhang et al., (1994a) ont montrés que la déformation ductile correspondant par analogie au fonctionnement des shear zones peut également augmenter de manière significative la perméabilité par le développement de bandes de cisaillement perméables (Fig. 20c). Ce processus est d’autant plus efficace pour des pressions fluides élevées démontrant que des conditions de surpression fluides peuvent également être responsables de perméabilité élevée en favorisant l’ouverture de structures perméables (Fig. 20c).

Implications de la perméabilité dynamique lors de la circulation hydrothermale

Basée sur le couplage d’équations physiques et de paramètres physico-chimiques, la modélisation numérique représente un outil puissant pour étudier le processus de circulation hydrothermale autour et dans les intrusions granitiques, mais aussi pour prédire en temps et en espace les zones favorables à la minéralisation. Bien que la circulation hydrothermale péri-granitique ait fait l’objet de nombreux modèles numériques (Norton et Cathles, 1979; Cathles, 1977; Gerdes et al., 1998; Cui et al., 2001; Eldursi et al., 2009; Gruen et al., 2012 et 2014; Eldursi et al., 2018), le caractère dynamique de la perméabilité est rarement considéré dans ces études. Cependant, de récentes études (Weis et al., 2012 et 2015; Scott et Driesner, 2018) prenant en compte les couplages et les rétrocontrôles entre la déformation, les altérations hydrothermales et la perméabilité ont montré que le caractère dynamique de la perméabilité peut voir des effets majeurs sur l’organisation de la circulation hydrothermale, les flux et donc sur la localisation de la minéralisation.
Les modèles numériques réalisés par Weis et al., (2012) et (2015) sur les gisements de type porphyre ont montré que les conditions de surpression fluides induites par l’expulsion de fluides magmatiques sont indispensables à l’ouverture de structures perméables causant ensuite la focalisation et le piégeage des fluides minéralisateurs (Fig. 22a). Ces modèles démontrent également que la perméabilité dynamique est indispensable à la mise en place et à la stabilisation de fronts de précipitation des métaux dans les parties apicales des intrusions granitiques (Fig. 22a).
Les modèles réalisés récemment par Scott et Driesner (2018) ont démontré que la dissolution et la précipitation du quartz lors de la circulation hydrothermale périgranitiques pouvaient affecter significativement la perméabilité de l’encaissant et donc les flux locaux en gérant de fortes hétérogénéités de perméabilité (Fig. 22b). En effet, les zones marquées par de fort taux de dissolution du quartz présentent des perméabilités élevées alors que les zones caractérisées par de fort taux de précipitation présentent de faibles perméabilités. Ces fortes hétérogénéités de perméabilité ont des effets majeurs sur les flux en entrainant la focalisation des décharges hydrothermales dans les zones plus perméables qui constituent de ce fait des zones favorables à la précipitation de métaux (Fig. 22b). Ces deux études démontrent qu’il est indispensable de considérer les différents couplages et rétrocontrôles entre perméabilité, déformation et altération hydrothermale.

Table des matières

Chapitre I Introduction générale et problématique 
I- Enjeux économiques et sociétaux
1. Propriétés et usages du tungstène
2. Répartition mondiale des réserves, de la production et de la consommation en tungstène
II- Caractéristiques métallogéniques des gisements péri-granitiques à WSn
1. Comportement géochimique du tungstène
2. Relations spatiales et génétiques entre intrusions granitiques et minéralisations à W-Sn
2.1 Contexte géodynamique et géologique de formation des gisements à W-Sn
2.2 Caractéristiques du magmatisme associé aux minéralisations à W-Sn
3. Les gisements de type veines et greisen : typologie et modèle génétique de formation
3.1 Caractéristiques morphologiques des gisements de type veines et greisen
3.2 La transition magmatique-hydrothermale : un processus clé dans la formation des gisements
a de type veines et greisen
III- L’hydrothermalisme péri-granitique
1. Genèse des gisements hydrothermaux
2. La circulation hydrothermale péri-granitique : équations physiques et forces motrices des écoulements
2.1 Loi physiques décrivant les écoulements de fluide et le transport des métaux en contexte hydrothermal
2.2 Les principales forces motrices impliquées lors de l’hydrothermalisme péri-granitique
3. La perméabilité : un paramètre critique lors de la circulation hydrothermale..
3.1 Perméabilités des roches associées aux gisements à W-Sn de type veine et greisen
3.2 La perméabilité : un paramètre dynamique
IV- Problématique et objectifs de cette étude
Chapter II Geological and structural setting of the W-Sn-(Cu) Panasqueira ore deposit 
I- Geology and metallogeny of the Iberian Massif
1. The European Variscan belt
2. The Central Iberian Zone (CIZ)
2.1 The main deformation stages observed in the CIZ
2.3 Metallogenic setting of the CIZ
II- Structural control of the W-Sn-(Cu) mineralization of Panasqueira
1. Regional geological and structural setting
1.1 The Beira Baixa province
1.2 The Unhais-o-Velho syncline
1.3 The Beira schist structures
1.4 Structural analysis and regional stress field
2. Structural controls of the W-Sn-(Cu) mineralization of the Panasqueira district
2.1 Geological and structural setting of the W-Sn-(Cu) Panasqueira ore deposit
2.2 Sector of Barroca-Grande-Panasqueira
2.3 Sector of Cabeço do Pião
3. Structural model of formation of the Panasqueira deposit
III- The W-Sn-(Cu) mineralization of Panasqueira
1. The quartz-biotite stage (QBS)
2. The quartz-tourmaline stage (QTS)
3. The main oxide silicate stage (MOSS)
4. The main sulfide stage (MSS) and the pyrrhotite alteration stage (PAS)
5. The late carbonate stage (LCS)
6. The simplified paragenetic sequence of the mineralized vein system of Panasqueira
Chapter III Deciphering fluid flow at the magmatic-hydrothermal transition: a case study from the world-class Panasqueira W-Sn- (Cu) ore deposit (Portugal) 
I- Mineral growth bands: a powerful tool to constrain fluid flow in hydrothermal systems
1. Field evidence of the symmetry breakdown of crystal shape in hydrothermal
a systems
2. Experimental study of the influence of fluid flow on the mineral growth
3. Numercial modeling of mineral growth under laminar fluid flow
II- Article published in Earth and Planetary Science Letters
1. Introduction
2. Geological and metallogenic framework
2.2 The Panasqueira W-Sn-(Cu) ore deposit
3. Tourmaline occurence
4. Sampling and methodology
4.1 Fluid flow reconstruction by growth band measurement
4.2 Tourmaline growth band chemistry
5. Results
5.1 Large scale fluid flow
5.2 Fluid flow in host rock
5.3 Tourmaline growth band compositions
6. Discussion
6.1 Role of the granitic cupola in focusing fluid flow
6.2 Fluid escape in wall-rocks and the role of fluid in vein opening
6.3 Velocity analysis and estimation of fluid flow duration during the QTS-MOSS
6.4 Hydrodynamic model of the Panasqueira deposit
Chapter IV Relationships between the greisenization and the mineralized veins of Panasqueira: petrological and geochemical constrains 
I- Macroscopic and petrographic characteristics of the Panasqueira greisen
1. Field observations of the greisen system of Panasqueira
1.1 The greisenized aplites
1.2 The SCB2 drill hole
1.3 The greisen cupola and its relationship with the mineralized veins
2. Petrographic characteristics
2.1 Petrographic characteristics of the two-mica granite
2.2 Petrographic characteristics of greisen
2.3 Simplified parametric sequence of the massive greisen system of Panasqueira
II- Materials and methods
1. Starting materials
2. Whole rock geochemistry
3. Scanning electronic microscopy and cathodoluminescence imaging
4. Major elements analyses in minerals
5.1 Trace elements analyses in muscovite
5.2 Trace element analyses in quartz
6. U-Pb dating of apatite by LA-ICP-MS
III- Results and discussion
1. Microtextural characteristics of minerals
1.1 Microtextural features of muscovite (SEM images)
1.2 Microtextural features of quartz (SEM-CL images)
1.3 Microtextural features of apatite (SEM-CL images)
2. Whole-rock geochemistry
3. Mineral geochemistry
3.1 Muscovite geochemistry
3.2 Rutile compositions
3.3 Quartz chemistry
4. Geochronology
4.1 Apatite U-Pb dating
4.2 Timing between the different magmatic-hydrothermal events of Panasqueira
IV- Integrated discussion
1. Chemical characteristics of fluids responsible of greisenization
2. Genetic relationships between the greisenization and the formation of mineralized veins of Panasqueira
Chapter V Dynamic permeability related to greisenization reactions in Sn-W ore deposits: Quantitative petrophysical and experimental evidence 
I- Article submitted to Geofluids
1. Introdcution
2. Geological setting
2.1 The Panasqueira W-Sn-(Cu) ore deposit
2.2 The greisen alteration of the Panasqueira granite
3. Materials and methods
3.1 Starting materials
3.2 Mineralogical and micro-textural analysis
3.3 Whole rock geochemical analysis
3.5 Porosity and density measurements
3.6 Permeability measurements at hydrothermal conditions
4. Greisenization reactions and microtextural evolution
4.1 Least altered two-mica granite: mineralogical and textural characteristics
4.2 Mineral replacement textures
4.3 Microtextural evolution related to the greisenization
4.4 Chemical changes and chemical alteration index (AI)
4.5 Mineral replacement reactions and changes in rock volume
5. Relationships between textural evolution and permeability during greisenization 298
5.1 Evolution of permeability over time during the greisenization experiment
5.2 Replacement products and interpretation of the permeability’s evolution
6. Effects of the greisenization on rock petrophysical properties
6.1 Evolution of density, porosity and permeability during greisen alteration
6.2 Porosity-density relationship and dynamic permeability
7. Permeability change during greisenization: implications for fluid flow
7.1 Massive greisen: a potential pathway for mineralized fluids?
7.2 Application to other greisen systems
8. Summary and conclusion
II- Evolution of the fluid composition during the replacement reactions related to greisenization
1. Experimental and analytical methods
1.1 Experimental setup
1.2 Analysis of hydrothermal solutions
1.3 Microtextural analysis of the alteration products
2. Results
2.1 Time evolution of the fluid compositions
2.2 Microtexture of the alteration products
3. Discussion
3.1 Replacement reactions controlling pH and composition of the hydrothermal solution
3.2 Implication for cassiterite and wolframite deposition
3.3 Implications for the genetic model of greisen formation vein-and-greisen Sn-W deposits: a numerical investigation
1. Introduction
2. The vein and greisen W-Sn-(Cu) world class Panasqueira ore deposit
3. Model set-up and time-dependent properties
3.1 Governing equations
3.2 Model geometry, boundary conditions and rock properties
3.3 Fluid properties
3.4 Water/rock ratio and alteration intensity
3.5 Magmatic fluid production
3.6 Dynamic Permeabilities
4. Results
4.1 Models with static granite permeability
4.2 Models considering dynamic permeability during the greisenization
5. Discussion
5.1 Effect of the cupola
5.2 Interactions between dynamic permeability and extraction of magmatic fluids
5.3 Influence of dynamic permeability on fluid flow and mass transfer
5.4 Implications for the formation of massive greisen
5.5 Limitations and further perspectives
Chapter VII: Synthesis, conclusions and scientific outlook 
I- Model of formation of the W-Sn-(Cu) Panasqueira ore deposit
1. Formation of the mineralized veins swarm of Panasqueira: structural control and role of fluid pressure conditions
2. Greisenization: a key process to enhance fluid flow and promote formation of large vein and greisen Sn-W deposits
3. Role of granite cupolas and apophyses on the focusing of mineralizing fluids
4. Evolution of fluid flow pattern and driving forces over time
5. Implications for mining exploration
II- Scientific outlook and further works
1. Implication of permeability change during hydrothermal alteration: other examples
1.1 The episyenite
1.3 High sulphidation epithermal deposits
1.4 Implications for further works
2. Implications of fluid-rock interactions on metal deposition: further experimental investigations

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