Cadre géochronologique de la formation des gisements d'uranium à haute teneur du bassin de l'Athabasca (Canada)

Geochronological framework of the formation of high-grade uranium deposits in the Athabasca Basin (Canada)

• Auteur / Autrice : Quentin Boulogne
• Direction : Julien Mercadier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/06/2026
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Pik
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Cenki-tok, Oscar Laurent, Valérie Bosse, Julien Mercadier, Marc Poujol, Emilie Janots
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Poujol, Emilie Janots

Mots clés

Mots clés libres

Uranium

Athabasca

Géochronologie

Circulation des fluides hydrothermaux

Uranium

Athabasca

Geochronology

Hydrothermal fluid circulation

Résumé

Les gisements d'uranium de type discordance du bassin de l'Athabasca (Saskatchewan, Canada) constituent la province métallogénique uranifère la plus riche au monde, avec des teneurs pouvant dépasser 20 % U3O8. Ces gisements hydrothermaux se localisent à l'interface entre un socle cristallin paléoprotérozoïque structuré par l'orogène Trans-Hudson (~1840-1720 Ma) et la couverture sédimentaire du Supergroupe d'Athabasca (~1760-1540 Ma), en association étroite avec des zones de cisaillement graphiteuses réactivées. Malgré cinquante ans de recherches, le cadre temporel de leur formation reste débattu : les données U-Pb sur oxydes d'uranium et K-Ar et 40Ar/39Ar sur minéraux argileux couvrent plus d'un milliard d'années sans permettre de distinguer âges primaires et artéfacts isotopiques, soulevant des questions fondamentales sur la synchronicité des épisodes hydrothermaux, la réactivation d'un socle cratonique stabilisé depuis ~1800 Ma, et les conditions distinguant conducteurs graphiteux minéralisés et stériles. Cette thèse reconstruit une chronologie intégrée de ces systèmes en couplant caractérisation pétrographique, cartographie géochimique par microsonde, datation UPb in situ sur oxydes d'uranium et, pour la première fois dans ce contexte, géochronologie RbSr in situ sur muscovites hydrothermales et métamorphiques, replacée dans un cadre géodynamique continental pour évaluer le contrôle tectonique sur les circulations minéralisatrices et leurs perturbations ultérieures. L'approche est appliquée à Waterfound, Cigar Lake et McClean South dans le domaine nord-est, et à McArthur River dans le domaine sudest, choisis pour leur diversité de taille, de style de minéralisation et de contexte structural. Les résultats établissent une chronologie multi-géochronomètre de l'histoire hydrothermale du système socle-bassin. Un épisode pré-bassin à ~1750-1731 Ma enregistre la circulation de fluides aqueux-carboniques dans les zones de cisaillement ductiles à ductiles-cassantes héritées de la THO. Un épisode régional majeur contraint à ~1640 Ma par le système Rb-Sr documente une altération illite-sudoite à grande échelle, commune à tous les sites indépendamment de leur degré de minéralisation, transformant le socle en réservoir métallifère de longue durée. Des épisodes minéralisateurs s'expriment ensuite de façon variable selon les secteurs : précoces dans le domaine sud-est à McArthur River (~1458-1540 Ma), puis un épisode de surpression fluide bien caractérisé à Waterfound dans le domaine nord-est (~1330-1378 Ma), ayant probablement également affecté le domaine sud-est, témoignant d'une hétérogénéité temporelle à l'échelle du bassin plutôt que d'un événement minéralisateur unique et synchrone.

Unconformity-related uranium deposits of the Athabasca Basin (Saskatchewan, Canada) represent the world's highest-grade uranium metallogenic province, with grades locally exceeding 20% U₃O₈. These hydrothermal deposits are located at the interface between a Paleoproterozoic crystalline basement structured by the Trans-Hudsonian Orogen (~1840-1720 Ma) and the Athabasca Supergroup sedimentary cover (~1760-1540 Ma), in close spatial association with reactivated graphitic shear zones. Despite five decades of research, their temporal framework remains fundamentally debated: U-Pb ages on uranium oxides and K-Ar and 40Ar/39Ar ages on clay minerals span more than one billion years without allowing robust discrimination between primary crystallisation ages and isotopic artefacts, raising fundamental questions regarding the synchronicity of hydrothermal episodes, the reactivation mechanisms of a cratonic basement stabilised since ~1800 Ma, and the geological conditions distinguishing mineralised from barren graphitic conductors. This thesis reconstructs an integrated chronology of these systems by coupling petrographic characterisation, electron microprobe geochemical mapping, in situ U-Pb dating of uranium oxides and, for the first time in this metallogenic context, in situ Rb-Sr geochronology applied to hydrothermal and metamorphic muscovite, placed within a continental geodynamic framework to assess tectonic control on mineralising fluid circulations and their subsequent perturbations. The approach is applied to Waterfound, Cigar Lake and McClean South in the northeastern domain, and McArthur River in the southeastern domain, selected for their contrasting deposit sizes, mineralisation styles and structural settings. The results establish a multi-geochronometer chronology of the hydrothermal history of the basement-basin system. A pre-basin episode at ~1750-1731 Ma records aqueous-carbonic fluid circulation within ductile to ductile-brittle shear zones inherited from the THO. A major regional episode constrained at ~1640 Ma by the Rb-Sr system documents pervasive illite-sudoite alteration throughout the eastern basin basement, common to all investigated sites regardless of their degree of mineralisation, transforming the crystalline basement into a long-lived metalliferous fluid reservoir. Mineralising episodes then vary across the basin: earlier in the southeastern domain at McArthur River (~1458-1540 Ma), followed by a well-characterised fluid overpressure episode at Waterfound in the northeastern domain (~1330-1378 Ma), which likely also affected the southeastern domain, reflecting temporal heterogeneity at the basin scale rather than a single synchronous mineralising event.