Origine des lentilles riches en sulfures des gisements de palladium du lac des iles

La mine de palladium (Pd) du Lac des Iles , située dans l’ouest de l’Ontario, est le seul producteur primaire d’éléments du groupe du platine (EGP) au Canada. Même si le Lac des Iles est le cinquième plus important producteur de Pd au monde , il ne fournit que 2,6 % de la production mondiale (Johnson Matthey, Platinum 2013). La plupart de la production mondiale de Pd provient des minéralisations stratiformes de type reef présentes au sein de larges intrusions litées (e.g., le Merensky Reef et le Platreef du Complexe du Bushveld en Afrique du Sud; la Main Sulfide Zone du Great Dyke au Zimbabwe; le J-M Reef du Complexe du Stillwater aux Étas-Unis) et des gisements de sulfures magmatiques associés aux coulées basaltiques de la région de Noril’sk en Russie .

Les gisements de Pd du Lac des Iles (Roby, Offset, Twilight et High-grade zones) présentent des aspects bien différents de la plupart des autres gisements de Pd. Contrairement aux reefs des larges intrusions litées, les gisements du Lac des Iles sont contenus dans une intrusion ayant une faible superficie en surface (1,5 km x 3 km). Les zones minéralisées du Lac des Iles (~ 900 m x 700 m) sont présentes au sein de l’intrusion et s’étendent en profondeur. En revanche, tous les reefs (sauf le Platreef) sont des zones stratiformes étroites (1 à 3 m d’épaisseur). Le Platreef est plus large, mais à l’inverse des gisements du Lac des Iles, il est localisé à la marge du Complexe du Bushveld. Les roches des zones minéralisées du Lac des Iles sont caractérisées par des textures ignées complexes (e.g., brèches magmatiques, pegmatites …), des degrés d’altération variables, et une faible proportion de sulfures (0,1 à 3 %) qui sont finement disséminés. La minéralisation, qui est constituée de sulfures de métaux de base (i.e., pyrrhotite, pentlandite et chalcopyrite) et de minéraux du groupe du platine (MGP), est caractérisée par un fractionnement du Pd par rapport aux EGP plus importants que dans les autres gisements (Barnes et Gomwe, 2011 et références citées) qui ont généralement des ratios similaires aux magmas dérivés du manteau.

GÉOCHIMIE DU PALLADIUM

D’après Goldschmidt (1937), le Pd et autres EGP sont des éléments au comportement sidérophile dans les conditions du système solaire. Le Pd incorpore donc préférentiellement des alliages de Fe-Ni, entraînant alors son appauvrissement dans le manteau lors de la formation du noyau. Par conséquence, les EGP sont présents en faibles proportions dans le manteau (Lorand et Allard, 2001). Mitchell et Keays (1981) ont déterminé que dans le manteau, les EGP sont accommodés par des phases sulfurées et que la concentration moyenne en Pd y est d’environ 4 ppb.

Au cours de la fusion partielle du manteau, les phases sulfurées contenant les EGP se dissolvent dans le magma. Keays (1995) a calculé qu’approximativement 25% de fusion partielle été requit pour que le magma nouvellement formé puisse absorber tous les sulfures disponibles dans le manteau. Un taux élevé de fusion partielle est donc nécessaire pour dissoudre les sulfures dans le magma nouvellement formé et augmenter sa concentration en Pd (Barnes et Lightfood, 2005). Barnes et al. (1985) ont montré que le fractionnement des EGP au cours de la fusion partielle du manteau se faisait par ordre décroissant de point de fusion, témoignant de différence de solubilité entre les éléments. Ainsi il est possible de répartir les EGP en deux sous-groupes en fonction de leur comportement : les EGP du groupe de l’Ir (EGPI) qui sont compatibles, et les EGP du groupe du Pd (EGPP) qui sont incompatibles. La différence de comportement entre les EGPI et les EGPP entraîne alors le fractionnement des EGP pendant la fusion partielle du manteau (Barnes et al., 1985 ; Bockrath et al., 2004). Borisov et al. (1994) ont démontré que la solubilité du Pd dans le magma silicaté était de l’ordre de la centaine de ppb.

Borisov et al. (1994) ont également démontré que dans les conditions de fugacité d’O et de température du manteau, la forme prédominante du Pd dans le magma était ionique et non pas métallique. Ringwood (1955) a mis en évidence le rôle de l’électronégativité des éléments lors de leur distribution durant la cristallisation magmatique. Il suggère qu’un cation de plus faible électronégativité se combinera préférentiellement à un anion. Ainsi dans des milieux riches en O tels que ceux du manteau et de la croûte, les cations faiblement électronégatifs se combinent en priorité à O2- . Par conséquence, les éléments hautement électronégatifs tel que le Pd (2,2) possèdent une forte tendance à créer des liaisons covalentes avec le S, l’anion le plus disponible après l’O. Sous des conditions crustales, le Pd devient alors chalcophile et c’est la raison pour laquelle il se trouve dans les sulfures plutôt que dans les silicates ou les oxydes (Barnes et Maier, 1999). Cela se manifeste par le coefficient de partage élevé du Pd entre les sulfures et le magma silicaté (Barnes et Lightfood, 2005).

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Table des matières

CHAPITRE 1 – Introduction
1.1 Introduction
1.2 Contexte
1.3 Problématique
1.3.1 Hypothèses
1.3.2 Concepts fondamentaux
1.3.2.1 Géochimie du palladium
1.3.2.2 Saturation en soufre du magma
1.3.2.3 Dépôt des sulfures dans la croûte
1.3.2.4 Processus d’enrichissement des sulfures en métaux
1.3.2.5 Cristallisation fractionnées des liquides sulfurés
1.3.2.6 Organisation des sulfures
1.3.2.7 Solubilité et spéciation du Pd dans les fluides
1.3.2.8 Précipitation de sulfures à partir de fluides
1.3.3 Objectifs
1.3.4 Méthodologie
1.3.4.1 Travail de terrain
1.3.4.2 Analyse pétrographique
1.3.4.3 Géochimie
1.3.4.4 Isotopes du soufre
1.4 Zone d’étude
1.4.1 Contexte géologique régional
1.4.2 Contexte géologique local
1.5 Format de la thèse
1.6 Déclaration de contribution originale
1.7 Contribution des collaborateurs
1.8 Références
CHAPITRE 2 – Geology, petrography and geochemistry of sulfide-rich pods from the Lac des Iles Pd deposits (Western Ontario, Canada) and a model for their genesis
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Introduction
2.4 Geological background
2.4.1 Regional setting
2.4.2 Geology and petrology of the Mine Block Intrusion
2.4.3 Deformation
2.4.4 Shape and stratigraphy
2.4.5 Alteration
2.4.6 Mineralization
2.5 Sampling and analytical methos
2.6 Results and interpretation
2.6.1 Geology of sulfide-rich pods
2.6.2 Petrology and mineralogy
2.6.2.1 Sulfide assemblages and textures
2.6.2.2 Platinum-group minerals
2.6.2.3 Silicate minerals
2.6.2.4 Interpretation of the petrology
2.6.3 Whole-rock
2.6.3.1 Major and minor elements
2.6.3.2 Platinum-group elements
2.6.3.3 Primitive mantle normalized patterns
CONCLUSION