Mobilités du carbone et du soufre dans l’environnement du Bassin de l’Athabasca (Saskatchewan, Canada) et impact(s) sur la formation des gisements d’uranium de type discordance

Carbon and sulfur mobilities in the Athabasca Basin environment (Saskatchewan, Canada) and impact(s) on the formation of unconformity-related uranium deposits

• Auteur / Autrice : Thomas Obin
• Direction : Julien Mercadier, Raymond Michels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 30/01/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Ledésert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Mercadier, Raymond Michels, Yannick Branquet, Laurent Truche, Marianne Conin, Baptiste Debret, Christophe Thomazo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Béatrice Ledésert, Yannick Branquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zones de failles

Altération hydrothermale

Soufre

Carbone

Athabasca (Canada)

Métallogénie

Uranium -- Gisements

Mots clés libres

Discordance

Uranium

Carbone

Soufre

Athabasca

Unconformity

Uranium

Carbon

Sulfur

Athabasca

Résumé

Les gisements d'uranium de type discordance sont des gisements formés au Protérozoïque dans différentes provinces mondiales, dont le Bassin de l'Athabasca situé au Canada (Saskatchewan). Ces gisements hydrothermaux, caractérisés par les plus fortes teneurs en uranium connues sur Terre, se forment à la discordance entre un bassin et un socle cristallin traversé par des zones de cisaillement riches en graphite et pyrite. Le carbone (C) et le soufre (S) sont des éléments ubiquistes dans l'environnement de ces gisements et y sont présents sous différentes formes (minéraux, gaz) au sein du socle et du bassin, démontrant une mobilité de ces éléments depuis ces zones de cisaillement. Ces deux éléments sont considérés comme des acteurs clés dans la formation de ces gisements, sans qu'un consensus ait pu jusqu'ici être atteint quant à leur(s) rôle(s) respectif(s) dans les mécanismes aboutissant à ces gisements exceptionnels. Dans ce contexte, cette thèse est consacrée à l'étude de la mobilité du C et du S au cours du temps dans le système métallogénique considéré via l'étude des différents porteurs minéraux et gazeux de C et S, depuis les premiers enrichissements en C et S dans les zones de cisaillement liées à l'orogène Trans-Hudsonnien (ca. 1,85-1,75 Ga) et jusqu'à la formation après le dépôt du bassin des minéralisations primaires d'uranium (1,6-1,3 Ga) et des phases hydrothermales contemporaines porteuses de C et S. Dans ce contexte, cette thèse est consacrée à l'étude de la mobilité du C et du S au cours du temps dans le système métallogénique considéré via l'étude des différents porteurs minéraux et gazeux de C et S, depuis les premiers enrichissements en C et S dans les zones de cisaillement liées à l'orogène Trans-Hudsonnien (ca. 1,85-1,75 Ga) et jusqu'à la formation après le dépôt du bassin des minéralisations primaires d'uranium (1,6-1,3 Ga) et des phases hydrothermales contemporaines porteuses de C et S. Deux projets d'exploration récemment forés par Orano dans l'est du bassin, McClean South et Waterfound, présentant des minéralisations uranifères de tailles variables, ont été choisis comme cas d'étude. Ces sites possèdent les caractéristiques des grands gisements, mais leur volume réduit et leurs structures mieux préservées des phénomènes d'altération tardifs permettent une étude plus complète des mobilités de ces deux éléments. Les travaux s'appuient sur une approche combinant i) des observations de terrain (levés de log sur forages, mesures structurales des différents objets structuraux pré- et post-bassin), ii) des travaux en laboratoire (pétrographie, études microscopiques, analyses chimiques par microsonde électronique, analyses isotopiques du C et du S par microsonde ionique et analyses chimiques en roche totale) et iii) des modélisations isotopiques des mobilités de ces deux éléments. Ce travail original permet d'aboutir à la déconvolution des conditions de mobilité successives du carbone et du soufre sur près de 500 millions d'années. Les implications de ces résultats sont ensuite discutées à l'échelle du bassin en intégrant les données disponibles pour les gisements de l'ouest. Cette discussion globale permet ainsi de proposer des hypothèses quant aux mécanismes et rôles de ces deux éléments dans la formation des gisements de type discordance dans le Bassin de l'Athabasca.

Unconformity-related uranium deposits are Proterozoic deposits formed in various provinces around the world, including the Athabasca Basin in Canada (Saskatchewan). These hydrothermal deposits, characterized by the highest uranium grades recorded on Earth, form at the unconformity between the basin and its crystalline basement, in spatial association with graphite- and pyrite-rich shear zones. Carbon (C) and sulfur (S) are ubiquitous elements in the environment of these deposits and are present in various forms (minerals, gases) within the basement and the basin, reflecting their mobility from these shear zones. Both elements are considered key players in the formation of these deposits, although no consensus has yet been reached regarding their respective role(s) in the mechanisms leading to such exceptional deposits. In this context, this thesis is dedicated to the study of C and S mobility over time in the metallogenic system under consideration via the study of the various mineral and gaseous C and S carriers, from the first C and S enrichments in the shear zones associated with the Trans-Hudsonnian orogen (ca. 1.85-1.75 Ga) to the post-basin emplacement of primary uranium mineralization (1.6-1.3 Ga) and contemporary C and S-bearing hydrothermal phases. Two exploration projects recently drilled by Orano in the eastern part of the basin, McClean South and Waterfound, with uranium mineralization of varying sizes, were selected as case studies. These sites have the same characteristics as large deposits, but their smaller volume and structures better preserved from late-stage alteration phenomena enable a more comprehensive study of the mobility of both elements. The work is based on an approach combining i) field observations (drillhole log surveys, structural measurements of various pre- and post-basin structural objects), ii) laboratory work (petrography, microscopic studies, chemical analyses by electron microprobe, isotopic analyses of C and S by ion microprobe and whole rock chemical analyses) and iii) isotopic modelling of the mobilities of these two elements. This original work enables us to deconvolve the successive mobility conditions of carbon and sulfur over nearly 500 million years. The implications of these results are then discussed on a basin-wide scale, integrating the data available for the western deposits. This overall discussion enables us to propose hypotheses as to the mechanisms and roles of these two elements in the formation of unconformity-related uranium deposits in the Athabasca Basin.