Caractérisations structurales et des conditions decirculations fluides dans l'environnement des gisements de type discordance :exemple du gisement de Cigar Lake (Saskatchewan, Canada)

characterization of the structural framework and of theconditions of fluid circulations in the environment of the unconformity-relatedU deposits : example of the Cigar Lake deposit (Saskatchewan, Canada)

• Auteur / Autrice : Martin Quessandier
• Direction : Yves Géraud, Julien Mercadier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 26/09/2019
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Hydrothermalisme

Gisement Cigar Lake

Structurale

Discordance

Faille

Uranium

Structural

Fault

Hydrothermalism

Unconformity

Cigar Lake deposit

Uranium

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'apporter des nouvelles contraintes sur le contexte structural associé à la circulation des fluides dans l'environnement des gisements d'uranium de type discordance du bassin d'Athabasca (Saskatchewan, Canada). Le but est de comprendre comment les différents types de fluide ont pu circuler à l'interface entre un bassin sédimentaire (le bassin d'Athabasca) et un socle archéen à paléoprotérozoïque, pour former les gisements d'uranium les plus riches au monde. Contexte : les gisements d'uranium de type discordance du bassin d'Athabasca font l'objet de campagne d'exploration depuis plusieurs décennies du fait de leur très haute teneur en uranium (jusqu'à 20% pour les gisements de Cigar Lake et McArthur River par exemple). Plusieurs modèles de formation ont été avancés au fur et à mesure de l'amélioration des connaissances scientifiques sur ces objets. Certaines contraintes de premier ordre sont aujourd'hui acceptées (comme la nature des fluides minéralisateurs par exemple) mais plusieurs aspects sont encore débattus, limitant la détermination de guides d'exploration efficaces. Parmi ces points de discussion, les contextes géodynamiques et structuraux à l'origine de la circulation des fluides à l'interface bassin – socle et du dépôt de minéralisations uranifères massives sont mal contraints. Les chemins de circulations des différents fluides aux différentes échelles (kms à µm) et les modifications physico-chimiques associées pour les fluides et les roches restent à définir. Cette thèse a pour but d'apporter des réponses à ces questions via 3 objectifs définis ci-dessous et appliqués au gisement de Cigar Lake et à son environnement. Objectif 1 : Implémentation et validation d'un modèle géologique 3D et caractérisation des structures « vecteurs » des circulations des fluides minéralisateurs. Il s'agit en premier lieu d'identifier et reconnaitre le rôle et la dynamique des différents vecteurs fluide mis en jeu dans les gisements de type discordance (chronologie, géométrie, cinématique, mécanisme de déformation, conditions pression température de déformation et réactivation), en particulier de déterminer ceux permettant l'infiltration et l'exhaure des fluides minéralisateurs et donc le lessivage de larges domaines de socle et de bassin et les dépôts hydrothermaux et minéralisateurs. Les conditions de fonctionnement et de circulation des fluides dans les différentes failles et shear zones de la zone de Cigar Lake seront spécifiquement étudiées. L'un des objectifs et de tester l'analogie avec les systèmes géothermaux naturels et améliorés subactuels, objets géologiques actuellement beaucoup mieux contraints au niveau de leur conditions de fonctionnement que les gisements de type discordance formés il y a plus de 1.5 Ga. Dans cette perspective, il sera nécessaire d'implémenter et de prioriser dans un modèle géologique 3D les données structurales, microstructurales et pétrophysiques pertinentes sur les différentes structures et zones minéralisées de l'environnement de Cigar Lake en champ proche et en champ lointain du gisement (comme initié pendant la thèse de P. Martz réalisée à GeoRessources). Ces données seront extraites de la base de données Orano et complétées des données acquises sur échantillons. Une étude structurale spécifique et un échantillonnage complémentaire seront conduits par l'étudiant et ses encadrants sur zone afin d'identifier et caractériser les éléments considérés de premier ordre mentionnés ci-dessous. Une attention particulière sera portée sur la chronologie des épisodes de déformation et de déplacement (cinématique, chronologie relative et datation absolue), la géométrie et l'architecture des failles réactivées et néoformées en référence à la discordance, le développement de la perméabilité de fracture (mécanismes de déformation, phénomène de dissolution et de recristallisation, croissance et propagation des failles et de la déformation associée), le remplissage des zones en extension afin de déterminer la nature de la ou les phase(s) fluide(s), son (leurs) origine(s) et sa (leurs) période(s) de circulation. Des compléments quant à la nature des fluides, leur chimie (teneurs en métaux) et leurs propriétés P-T de circulation seront acquis. Cette étude suivra la démarche faite par P. Martz sur le gisement de Cigar Lake. Une évaluation des conditions les plus favorables à la stimulation et à l'accroissement des perméabilités des structures héritées du socle (orientation par rapport aux contraintes, contrastes rhéologiques, intersection de structures superposées, conditions pression-température, texture, minéralogie…) sera conduite. L'examen et l'analyse de ces différentes données avec les géologues et géophysiciens d'Orano Canada permettra d'en extraire les connaissances géologiques fondamentales pour l'étude de ce type de minéralisations et d'identifier les informations de premier ordre pour construire un modèle géologique 3D structuralement pertinent. Objectif 2 : Paramètres physiques et chimiques des structures « vecteur » des circulations des fluides minéralisateurs à l'échelle du gisement de Cigar Lake Une fois identifiées grâce à l'objectif 1, les structures « vecteurs » de circulation des fluides minéralisateurs serviront de référentiel dans un cadre géologique 3D pour une estimation des valeurs des différents paramètres de transferts de fluides, de matière et de chaleur à l'époque de la formation des gisements. En S'appuyant sur le concept de système géothermique, plusieurs paramètres seront définis pour ces structures. Quatre zones doivent être définies : la zone d'infiltration, la zone de recharge, la zone de drainage ascendant et la zone d'accumulation. Pour chacune des zones, l'analyse structurale détaillée dans l'objectif 1 sera complétée par la détermination des éléments constitutifs du réseau poreux et des propriétés pétrophysiques. L'analyse conduite sera multiéchelle (du µm à >m) et les éléments constitutifs seront séparés en objets de grande taille (failles et fractures) et en objet structurant la matrice (pores et fissures). Pour les failles et fractures, il s'agit de reconnaitre leur organisation, distribution de longueur, orientation et d'ouverture ou paléo-ouverture, et d'en déduire leur paléoconnectivité au moment des minéralisations. L'estimation des propriétés de stockage (porosité) et de transfert (perméabilité) sera obtenue par calcul. Cette analyse permettra de hiérarchiser les structures et d'estimer les volumes poreux et les propriétés de transfert pour chacune des zones définies. Ces propriétés peuvent être mesurées directement sur échantillons analogues après une analyse des structures des roches prélevées par forage dans les zones d'intérêt. L'analyse des images acquises sur les lames minces permettra de remonter à la paléo-porosité et aux propriétés associées, dont les paléo-vitesse d'écoulement et les rapports eau-roche. La mesure des propriétés comme la résistivité électrique, la susceptibilité magnétique ou la densité, seront utilisées pour caractériser de façon indirecte la porosité mais pourront également servir à l'interprétation des données de géophysique de subsurface et de puits. La caractérisation multi-propriétés de ces différents volumes permettra de construire un modèle 3D de la « plomberie » utilisée pour permettre les transferts de fluides, de chaleur et de matière entre les différents compartiments et à l'origine du gisement de Cigar Lake. Ces données serviront de base pour une modélisation THMC (Thermo-Hydro-Mecanique-Chimique) réalisée en parallèle à cette thèse avec l'implication d'un post-doctorat sur la période 2020-2021. Objectif 3. Extension du domaine modélisé et des structures « vecteurs » de premier ordre : un modèle à l'échelle du projet Waterbury Cigar et vers l'application à d'autres cas d'étude Ces analyses à l'échelle des structures et des échantillons et la définition des paramètres physiques et chimiques fourniront une représentation du réseau de perméabilité dans l'environnement de Cigar Lake qui sera utilisé pour les modélisations 3D et THMC (voir objectif 2). L'extension de ce domaine modélisé dans le cadre régional du champ hydrothermal nécessitera l'intégration des données géophysiques et géologiques régionales afin de définir le cadre lithologique et structural approprié et si possible la création de modèles de propriétés à plus large échelle. Cette modélisation à l'échelle du projet s'appuiera essentiellement sur la base de données résultant du projet d'exploration WaterburyCigar et contenant l'ensemble des données 1D issue des forages, des coupes géologiques et des modélisations géophysiques en 2D, des propriétés physiques mesurées sur échantillons, des modèles géologiques en 3D. L'extension de la représentation du réseau de perméabilité déterminé localement a un modèle de perméabilité à l'échelle du projet, et donc possiblement la caractérisation et la localisation des boucles de circulation des saumures du bassin et de leur interaction avec les fluides et les roches du socle, sera l'objectif final vers lequel tendra ce projet. Si les résultats sont prometteurs sur la zone Waterbury-Cigar, une application à plus large échelle sera réalisée en fin de thèse (détermination de l'objet et échelle suite à validation par Orano)

The objective of this PhD is to provide new constraints on the structural framework associated with the circulations of fluids in the environment of the unconformity-related U deposits in the Athabasca Basin (Saskatchewan, Canada). The goal is to understand how the different types of fluid circulated at the interface between a sedimentary basin (the Athabasca Basin) and an Archean to Paleoproterozoic basement, to form the highest grade U deposits on Earth. Context : the unconformity-related U deposits of the Athabasca Basin was a priority target for exploration since decades due to their high grade mineralization (up to 20% for Cigar Lake or McArthur River deposits for example). Several models of formation were proposed through time based on the improvement of the scientific knowledge on these objects. Several first-order parameters are now accepted (like the nature of the mineralizing fluids for example) but several aspects are still in discussion, limiting the determination of efficient exploration guidelines. Among them, the geodynamic and structural contexts at the origin of the fluid circulations at the basin-basement interface and of the formation of the U ores are badly constrained. The circulation paths of the different fluids at the different scales (km to µm) and the associated physico-chemical modifications for fluids and rocks need to be defined. This PhD aims to provide answers to these questions via the 3 objectives proposed below, with an application to the Cigar Lake U deposit and its environment. Objective 1 : building and validation of a 3D structurally-constrained geological model and characterization of the structures implicated in the circulations of mineralizing fluids Identify and define the role and the dynamic of the different structures vectoring fluids in unconformity-related U deposits (chronology, geometry, deformation mechanisms, P-T conditions for deformation and reactivation), with a specific focus on structures controlling the mobility of the mineralizing fluids and their interaction with large-scale domains of the basement and basin at the origin of the deposition of uranium. The active conditions and of fluid circulations in the various faults and shear zones at Cigar Lake will be specifically studied. One of the objectives is to test the potential analogy with the natural current active geothermal systems, geological objects currently much better constrained than the unconformity-related U deposits formed 1.5 Ga ago. This work will be done by developing a 3D geological model based on pertinent structural, microstructural and petrophysical data on the different structures and mineralized zones in the area of the Cigar Lake U deposit, from the deposit to remote areas (as developed in the PhD of P. Martz done at GeoRessources). These data will be extracted from the database of Orano and supplemented by new data measured on selected samples. A specific structural study based on a complementary sampling will be done by the student and his supervisors on site to identify and characterize the firstorder elements described above. A specific work will be done to define the chronology of the episodes of deformation and displacement, the geometry and architecture of the reactivated and newly formed faults, the permeability development of the structures and the infilling of the fractures to determine the nature of the fluids, their P-T conditions and their timing of circulation. Objective 2 : Physical and chemical parameters of the vectoring structures for the mineralizing fluids at the scale of the Cigar Lake U deposit After their identification and characterization thanks to objective 1, the vectoring structures will be implemented in a 3D model for an estimation of the values of various transfer parameters of fluids, matter and heat at the time of the formation of the deposits. Based on the concept of geothermal system, several parameters will be measured for these structures. Four zones will be defined: infiltration zone, charging zone, drainage zone and accumulation zone. For each of this zone, the detailed structural study done in objective 1 will be completed by the determination of the constituent elements of the porous network and of the petrophysical properties. This analysis will be done at multiscale (from µm to > m). For the faults and fractures, the aim is to decipher their organization, their distribution in length, orientation and opening to deduce the paleo-connectivity and paleopermeability at the time of deposit formation. The estimation of the properties of storage (porosity) and transfer (permeability) will be defined by calculation. This work will allow classifying the structures and estimate the porous volume and the transfer properties for each of the defined zones. The analysis of images taken from thin sections will allow determining paleo-porosity and related properties. The specific measurement of electric resistivity, magnetic susceptibility and density at lab will be used to indirectly quantify the paleo-porosity and to interpret the geophysical data and data acquired from drill hole at a larger scale. Such work will lead to a 3D model of plumbing system at the origin of the Cigar Lake deposit. These data will used for THMC (Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical) modelling done in parallel of the PhD with the implication of a post-doc (2020-2021). Objective 3. Towards a model at the scale of the Waterbury Cigar project and potential applications to other case studies The analyses from the scale of samples to the structures and the definition of the different physical and chemical parameters will provide a new view on the permeability network of the Cigar Lake area, which will be used for 3D and THMC modellings (see objective 2). The extension of the modeled area in the regional framework of the hydrothermal field will necessitate the integration of the regional geophysical and geological data to establish the appropriate conditions for the building of a model at a larger sc ale. This regional modelling at the scale of the Waterbury-Cigar project will be based on the geophysical, petrophysical, geochemical and drill hole data from Orano. The determination of the permeability model at the scale of the project and the characterization of the pathways for the circulations of the brines and their interaction with the surrounding rocks is the final objective of the PhD.