Géologie de la Mine East-Sullivan, Abitibi-Est, Val-d'Or, Québec

CHAPITRE III CARACTÉRISATION LITHOGÉOCHIMIQUE DES ROCHES VOLCANIQUES DE EAST-SULLIVAN

3.1 INTRODUCTION

3.1.1 Subdivision des unités volcaniques

La caractérisation géochimique des unités lithologiques encaissantes et associées est primordiale dans la compréhension des phénomènes d'altération, du contexte géologique et paléogéographique d'un gisement de sulfures massifs volcanogènes. Une présentation des caractéristiques géochimiques des unités lithologiques est donc faite dans ce chapitre. Les roches de East-Sullivan seront identifiées selon leur classification pétrographique, par leurs caractéristiques génétiques et ensuite par environnement géotectonique. Les résultats complets des différentes analyses lithogéochimiques sont disponibles aux annexes 1, 2 et 3.

Dans cette section, les roches volcaniques de East-Sullivan sont séparées en trois groupes selon leur identification initiale de terrain. Ces groupes sont : 1) les volcanoclastites de composition principalement felsique, 2) les coulées massives intermédiaires à mafiques et 3) les coulées massives felsiques. À la suite du traitement initial des données géochimiques, ce dernier groupe a été séparé en deux. Le groupe "A" est près de deux fois plus riche en éléments incompatibles et en ÉTR que les laves felsiques du groupe "B". De plus la géochimie permet de nettement distinguer entre les formations de Val-d'Or et de Héva.

3.1.2 Méthodes analytiques et limites de détection

Les analyses d'éléments majeurs, d'éléments traces et d'éléments du groupe des terres rares ont été faites aux laboratoires du Centre de recherche minérale (CRM) du Ministère des Ressources Naturelles du Québec. Les éléments majeurs sont dosés par fluorescence X avec une préparation sous forme de perle boratée. L'ensemble des éléments traces est dosé par spectrométrie d'émission atomique au plasma, sous forme d'une préparation solubilisée par les acides perchlorique et fluorhydrique. Les éléments majeurs SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO et Na2O ont une limite de détection de 0,1 %, K2O, TiO2, MnO, P2O5 et Cr2O3 ont une limite de détection de 0,01 % et CaO est détectable jusqu'à 0,02 %. Le zirconium et l'yttrium ont une limite de détection de 3 ppm. Le cuivre et le zinc sont quant à eux détectables jusqu'à 1 ppm.

Une partie des résultats d'éléments du groupe des terres rares (annexe 2) proviennent d'analyses par activation neutronique (INAA) réalisées dans les laboratoires d'analyses géochimiques du département des Sciences Appliquées de l'Université du Québec à Chicoutimi. Ces dernières analyses d'éléments du groupe des terres rares ont été faites selon la méthode analytique décrite par Bédard et Barnes (1990). La précision des analyses est de 5% pour le Sc, de 10% pour le As, Hf, La, Sb, Ta, Tb, Yb, de 15% pour le Ce, Co, Cr, Cs, Eu, Nd et de 20% pour le Lu.

3.2 CLASSIFICATION DES ROCHES

3.2.1 Classification pétrographique

Les compositions lithogéochimiques des unités volcaniques de la mine East-Sullivan montrent une grande diversité dans les éléments majeurs (figure 3.1). Les diagrammes classiques de classification qui utilisent la somme des alcalis versus la silice (Le Maitre 1989) ou d'autres qui utilisent les oxydes métalliques (Jensen et Pyke 1982; Rickwood 1989) sont généralement efficaces pour des laves fraîches, mais ils arrivent difficilement à séparer les roches altérées et métamorphisées des ceintures de roches vertes archéennes. Par exemple, sur le diagramme de Le Maitre et al. (1989) (figure 3.1), les roches volcaniques de East-Sullivan varient de près de 40% à 75% SiO2, ce qui indique des compositions théoriques qui vont des rhyolites aux komatiites, alors qu'il n'y a pas de roche ultramafique à East-Sullivan. Les concentrations en éléments alcalins sont facilement influencées par l'altération hydrothermale qui est souvent associée à des changements de masse pouvantaller jusqu'à 50 % en plus ou en moins (Barrett et MacLean 1994). Les mêmes échantillons mis dans un diagramme de Jensen (1976) vont cette fois-ci des rhyolites aux basaltes, mais presque toutes les analyses sont regroupées à la limite du champ tholéiitique et du champ calco-alcalin en gris sur le diagramme. La classification pétrographique des laves de East-Sullivan avec la seule utilisation des éléments majeurs présente donc des difficultés importantes.

Figure 3.1 : Classification pétrographique des roches volcaniques de East-Sullivan.

Les diagrammes Winchester et Floyd (1977) (figure 3.2), qui utilisent la conjonction d'éléments traces beaucoup moins sensibles à l'altération et aux phénomènes métamorphiques avec la silice, permettent de mieux séparer les laves. Le diagramme de la silice versus le rapport zirconium sur titane donne d'assez bons résultats. Toutes les coulées identifiées sur le terrain comme intermédiaires sont dans les champs des andésites ou des basaltes alors que les unités felsiques massives montrent un éventail plus large de composition qui va des andésites aux rhyolites. Les unités volcanoclastiques de par leur nature détritique et souvent polymictes sont éparpillées dans tout le spectre de silice. Toutes ces valeurs sont conformes avec les variations généralement observées dans la Formation de Val-d'Or (Scott et al. 2002).

Figure 3.2 : Classification pétrographique avec les éléments traces.

Sur un diagramme impliquant uniquement des éléments immobiles, soit Zr/TiO2 versus Nb/Y (figure 3.2b), la dispersion de la composition des unités volcaniques se rétrécie. Les laves felsiques se classent dans les champs andésitique et dacitique alors que les unités intermédiaires sont séparées en deux groupes bien définis de basaltes et de basaltes subalcalins. La majorité des échantillons classés comme basaltes sub-alcalins ont été prélevés dans des forages. L'unité de laves sphérolitiques rencontrée à l'est dans un forage, marquée pour fin de comparaison, est nettement séparée du regroupement car sa teneur exceptionnelle en yttrium (103 ppm) à un effet réducteur important sur le ratio Nb/Y.

3.2.2 Signatures géochimiques

Les éléments du groupe des terres rares ainsi que les éléments traces qui sont analysés de façon plus routinière servent à caractériser l'affinité géochimique des roches volcaniques. Cette filiation magmatique est ensuite utile lors de l'identification de l'environnement géodynamique de l'éruption. Les données sur les diagrammes sont séparées par type et composition des coulées : 1a) les coulées felsiques massives sous-jacentes au gisement ; 1b) les coulées felsiques massives encaissantes du gisement ; 2) les coulées intermédiaires et 3) les volcanoclastites felsiques.

Les analyses géochimiques des différents types de roches volcaniques de East-Sullivan varient majoritairement entre 40 et 75 % SiO2. Sur un diagramme de Harker, la sommation absolue à 100 % donne une relation négative à tout autre élément majeur lorsque qu'il est mis en relation avec SiO2 (Rollinson 1993). Selon cette prémisse, les diagrammes doivent généralement présenter une courbe de différentiation magmatique linéaire (figure 3.3).

Figure 3.3 : Diagrammes de Harker de certains éléments majeurs et éléments traces des différents types de roches volcaniques de East-Sullivan.

Les éléments qui ont un coefficient de partage (Kd) supérieur et qui diminuent linéairement avec l'augmentation du SiO2 sont : Fe2O3T, MgO, CaO. Ces éléments laissés derrière par les différentes étapes de différentiation peuvent tous entrer dans le système cristallin de la hornblende (Green et Pearson 1985). Les éléments qui semblent avoir une évolution différente des autres sont le Al2O3 et le TiO2. Ces éléments montrent un profil plutôt plat par rapport à l'augmentation du SiO2. Le Al2O3 est un élément qui entre dans le système cristallin de la hornblende et du plagioclase (Deer et al. 1992). La combinaison de la cristallisation fractionnée de la hornblende et du plagioclase peut produire une courbe de différentiation relativement planaire. Cependant, les tendances sur un diagramme binaire sont significatives seulement dans le cas où le dénominateur commun serait conservé tout au long des processus physico-chimiques ayant produit les variations chimiques dans les données (Nicholls et Russel 1990). Le dénominateur commun dans ce cas est l'élément en abscisse soit SiO2 (figure 3.3).

Pour mettre en évidence les familles de magmas différenciés présentes dans les données, il faut utiliser un dénominateur immobile commun sur les deux axes. Le diagramme Log(0,5Fe2O3T/TiO2) sur Log(MgO/TiO2) (figure 3.3) montre un Kd moyen bien aligné de 0,5 pour l'ensemble des laves felsiques et une dispersion avec un Kd moyen de 0,03 pour les laves intermédiaires. Ces valeurs démontrent que l'ensemble des laves felsiques provient du même processus de cristallisation fractionnée alors que les roches intermédiaires originent d'une autre source et processus (Pearce 1990).

La figure 3.4a présente les valeurs de Zr versus Y des laves de East-Sullivan. Elles se séparent plus ou moins en deux séries d'affinité géochimique bien distincte. Les champs magmatiques définis par le rapport Zr/Y sont tholéiitique de 2 à 4,5, transitionnel de 4,5 à 7 et calco-alcalin lorsque >7 (Barrett et MacLean 1997). Les laves felsiques se situent dans les champs transitionnel et calco-alcalin alors que les laves intermédiaires sont restreintes au champ tholéiitique. La majorité des roches felsiques ont des rapports Zr/Y qui se situent entres 4,5 et 8. Les roches intermédiaires présentent des rapports Zr/Y situés entre 2 et 3,5. Les roches felsiques se séparent en deux familles "A" et "B", la plus différenciée "A" est plus enrichie en éléments incompatibles avec plus de 230 ppm de Zr et 30 ppm de Y. Dans le diagramme de classification de Miyashiro (1974), les coulées intermédiaires sont aussi plus ou moins dans le champ tholéiitique. En raison du faible nombre d'échantillons analysés, les roches volcanoclastiques ne présentent pas d'affinité bien définie.

Figure 3.4 : Caractérisation des signatures géochimiques des roches volcaniques de East-Sullivan.

Tous les éléments du groupe des terres rares permettent de séparer efficacement les laves felsiques en 2 groupes (figure 3.5). La variété "A" a des teneurs près de 2 fois plus élevées en éléments du groupe des terres rares que la variété "B". Les roches intermédiaires ont quant à elles une concentration en éléments du groupe des terres rares équivalente à moins du quart de celle des laves felsiques "A". Les roches volcanoclastiques ont des teneurs en éléments du groupe des terres rares qui s'étalent du champ des roches intermédiaires à celui des laves felsiques "B".

Figure 3.5 : Diagrammes de Harker des éléments des terres rares des différents types de roches volcaniques de East-Sullivan.

Les profils d'éléments du groupe des terres rares, normalisés à une moyenne de chondrites (Boynton 1984), des roches volcaniques intermédiaires et felsiques sont illustrés aux figures 3.6a et 3.6b, les données complètes étant disponibles à l'annexe 2. Les profils des coulées felsiques massives présentent un enrichissement dans les éléments du groupe des terres rares légères, une pente régulière avec un ratio moyen de La/Yb de 5,23 (tableau 3.1) et une petite anomalie négative en europium. Les profils parallèles, mais avec des différences de concentration, indiquent des niveaux différents de différenciation. La série des laves felsiques "B" particulièrement peu différenciées ont un enrichissement moyen de 20x chondrites alors que toute la série "A" ont des teneurs de près de 85x chondrites. Les coulées intermédiaires avec leurs profils beaucoup plus bas, une moyenne de 8x chondrites et de ratio La/Yb plat de 1,76 sont tholéiitiques. Le profil légèrement au-dessus des autres (97-SL-1055-C2) représente la coulée à petits coussins alors que ceux plus bas sont des coulées massives. Les anomalies positives en Europium contrastent aussi avec celles négatives des laves felsiques.

Figure 3.6 : Profils des ÉTR pour les roches volcaniques de East-sullivan (Normalisé sur les chondrites selon Boynton, 1984).

Tableau 3.1 : Rapports d'éléments traces pour les laves de East-Sullivan.

Le dernier profil d'éléments du groupe des terres rares (figure 3.6c) présente des volcanoclastites felsiques et intermédiaires. Les données complètes de ces analyses sont disponibles à l'annexe 3. Cette dernière série d'analyses a cependant un problème de fiabilité avec les éléments du groupe des terres rares lourdes Tm, Yb et Lu. Ces profils sont à mi-chemin entre les deux types de laves massives. Le profil à forte pente négative (98-SL-1102-B) est celui des tufs encaissant la minéralisation, alors que les trois autres échantillons proviennent des volcanoclastites intermédiaires de la Formation de Val-d'Or. Ces trois derniers sont de nature transitionnelles alors que les tufs felsiques affichent un caractère calco-alcalin (Pearce 1996).

Les roches volcaniques de East-Sullivan forment trois groupes distincts lorsque les données sont présentées sur un diagramme Yb-Zr (figure 3.7a). Ces regroupements reflètent plus ou moins ceux qui sont observés dans le diagramme Zr/Y (figure 3.4a). Les coulées intermédiaires sont situées dans le champ tholéiitique alors que les roches felsiques s'étalent de transitionnelles à calco-alcalines. Cette similarité peut résulter du fait que Yb et Y ont des caractéristiques géochimiques similaires (Barrett et al. 1994). Le rapport Yb/Zr accentue la différence entre les laves felsiques "A" et "B". Cependant, aucune évidence de terrain, distribution ou aspect, ne soutient l'existence de ces deux familles de roches felsiques. Cette séparation est encore plus évidente dans un diagramme La-Zr (figure 3.7b). Cependant, dans ce cas, tous les échantillons forment un seul groupe linéaire de ratio La/Zr de 9. Cet alignement indique que les éléments du groupe des terres rares lourdes caractérisent plus nettement les séries volcaniques que les éléments du groupe des terres rares légères, en fonction de Zr (Barrett et al. 1994). Il en résulte une impossibilité d'utiliser les données des volcanoclastites, leurs éléments du groupe des terres rares lourdes n'étant pas fiables. Pour fin de comparaison seulement l'analyse XRF de La et Zr pour l'échantillon sphérolitique est mis dans le même diagramme.

Figure 3.7 : Caractérisation de l'affinité magmatique primaire des roches volcaniques de East-Sullivan.

Les diagrammes multi-éléments sont présentés selon trois catégories : laves felsiques massives "A", laves felsiques massives "B" et laves intermédiaires (figure 3.8). Comme les unités volcanoclastiques ne présentent pas de spectre uniforme, elles ont été laissées de côté. Les diagrammes multi-éléments sont une extension des spectres des ETR et sont basés sur les principes de compatibilité des éléments. Les diagrammes multi-éléments sont normalisés selon les valeurs du manteau primitif de McDonough et al. (1991).

Figure 3.8 : Diagrammes multi-éléments pour les roches volcaniques de East-sullivan (Normalisé sur manteau primitif selon McDonough et al., 1991).

Les diagrammes multi-éléments des différents types de laves felsiques montrent des pentes négatives alors que ceux des laves intermédiaires ont des profils désordonnés plus ou moins horizontaux (figure 3.8). Les rapports Th/Yb et Hf/Yb présentent le degré de fractionnement. Pour les laves felsiques, le rapport Th/Yb moyen est de 1,48 pour les laves felsiques "A", de 0,89 pour les laves felsiques "B" et de 0,36 pour les laves intermédiaires (tableau 3.1). Le rapport Hf/Yb varie d'une moyenne de 2,17 pour les laves felsiques "A", à 1,53 pour les laves felsiques "B" et à 0,82 pour les coulées intermédiaires (tableau 3.1). Les laves felsiques des deux familles présentent d'importants appauvrissements en Nb et Ti.

Les diagrammes multi-éléments des laves felsiques indiquent un enrichissement de près d'un ordre de grandeur en éléments à potentiel ionique moyen (Th, La, Ce, Nd, Sm, Zr, Hf) par rapport aux éléments à champ de force élevé (Eu, Tb, Dy, Y, Ho, Yb, Lu) (figure 3.8). Ce spectre d'éléments incompatibles correspond à celui d'une source calco-alcaline de subduction. Le diagramme multi-éléments de laves intermédiaires présente un profil plat avec des teneurs d'ordre comparables pour tous les éléments.

3.2.3 Environnement tectonique

Les rapports de Zr et de Y peuvent être utilisés directement pour évaluer efficacement le contexte pétrogénétique des laves (Pearce et Norry 1979). Les coulées intermédiaires de East-Sullivan se situent dans le champ des basaltes d'arc-volcanique (figures 3.9a). Comme les champs de Pearce et Norry (1979) sont spécifiques aux laves mafiques, les compositions plus différenciées des coulées felsiques les font tous apparaître dans le champ des basaltes intra-plaque. Les éléments (Th, Ta et Yb), utiles pour l'identification de l'environnement tectonique des roches felsiques (Gorton et Schandl 2000), sont tous au seuil de détection. Donc, seules les roches mafiques sont utilisables dans cette étude.

La classification pétrogénétique (Pearce et Norry 1979) des laves de East-Sullivan mentionnée précédemment (figure 3.9a) indiquait pour les andésites un site d'écoulement situé dans un milieu d'arc océanique. Dans un diagramme triangulaire Ti-Zr-Y (Pearce et Cann 1973), la classification du milieu tectonique ne semble pas efficace (figure 3.9b). Les andésites de East-Sullivan sont principalement dans le domaine des basaltes intra-plaque ou tout simplement hors champ. Le diagramme Nb-Zr-Y (Meschede 1986) semble plus efficace pour classifier les andésites de East-Sullivan. Dans ce dernier diagramme (figure 3.9c) les laves mafiques sont toutes dans les champs associés au basalte d'arc-volcanique.

Figure 3.9 : Caractérisation pétrogénétique des coulées de laves de East-Sullivan.

Outre le système Ti-Zr-Y toutes les classifications semblent indiquer que l'environnement de mise en place pour les andésites de la mine East-Sullivan est un arc-volcanique. Ce milieu et la composition tholéiitique correspondent avec le modèle actuel des Formations de Val-d'Or et de Héva (Pilote et al. 1999a; Scott et al. 2002), soit un arc-volcanique en milieu de subduction remplacé ensuite par un système à épanchement important associé à un panache mantellique.

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