Dotations en or des gisements porphyriques contrôlées par l’efficacité des précipitations

Collecte et filtrage des données

Dotations en métaux, géochimie des roches (valeurs Sr/Y, affinité magmatique en termes d’alcalinité) et les données géochronologiques de 118 gisements porphyriques de Cu-Au (Données complémentaires 1) ont été collectées à partir d’études antérieures et de ressources en ligne (USGS Porphyry Copper deposits of the world at http://mrdata.usgs.gov/porcu/ ; http://www.portergeo.com.au/database/). Les valeurs Sr/Y disponibles des roches magmatiques associées à chaque gisement de porphyre ont été moyennées et les valeurs d’écart type 1 associées ont été calculées (Supplementary Data 1).

L’affinité magmatique en termes d’alcalinité des roches magmatiques associées aux gisements a été dérivée principalement d’une étude précédente7 et mise en œuvre par des données provenant d’études supplémentaires menées sur les gisements de porphyre qui n’ont pas été rapportées par la réf. 7 (Données supplémentaires 1). Dans ce dernier cas, l’affinité magmatique a été évaluée en utilisant l’enrichissement en K2O dans un graphique K2O vs. SiO216, qui permet de distinguer les roches en calc-alcalines, calc-alcalines à haute teneur en K et alcalines (shoshonitiques). Lorsque les analyses géochimiques n’étaient pas disponibles, la discrimination a été faite en utilisant la nomenclature des roches porphyriques associées (voir Méthodes pour plus de détails).

Les dotations en Cu et Au ici rapportées (Données supplémentaires 1) sont sans aucun doute sujettes à des incertitudes comme le montrent les différentes valeurs rapportées pour le même gisement par des sources distinctes (Données supplémentaires 1) et l’affinement des réserves et ressources au fil du temps. Cependant, la gamme globale des dotations en métaux de tous les porphyres mondiaux s’étend sur plusieurs ordres de grandeur, ce qui est beaucoup plus important que les incertitudes possibles des dotations en métaux d’un seul gisement.

Un autre point à souligner est que les gisements à plusieurs étapes comme Grasberg sont caractérisés par des corps minéralisés individuels, formés à différents moments, qui peuvent avoir des rapports Cu/Au variables. A Grasberg, la minéralisation qui se produit dans les roches de Dalam et dans le corps d’Ertsberg a des rapports Cu/Au légèrement plus élevés (~2,0 ; où Cu est en % en poids et Au est en g t-1) que tous les autres corps minéralisés (0,75-1,40) et que le district de Grasberg-Ertsberg (~1,0)14. Les raisons de ces différences locales sont la surimpression des stades ultérieurs du minerai et les différentes profondeurs de formation du minerai14 (les valeurs Cu/Au plus élevées des minerais dans les roches de Dalam et à Ertsberg sont accompagnées de teneurs plus élevées en molybdène dans les parties plus profondes des corps minéralisés). Dans ce qui suit, j’ai considéré les dotations en Au et Cu de l’ensemble du district de Grasberg-Ertsberg, qui reflètent les rapports Au/Cu de la plus grande majorité (>90% en termes de tonnage)14 des corps minéralisés du district.

Les données géochronologiques utilisées sur les gisements porphyriques (Données complémentaires 1 et Note complémentaire 1) ont été obtenues par des techniques de pointe17 (datation U-Pb des zircons des intrusions porphyriques par CA-ID-TIMS, SHRIMP et LA-ICPMS, âges Re-Os de la molybdénite par N-TIMS, datation 40Ar/39Ar des minéraux hydrothermaux : Supplementary Note 1) au cours des 20 dernières années et la plupart d’entre elles (15 sur 22) au cours des 10 dernières années. Les données, en conjonction avec les interprétations fournies par les auteurs de ces études, ont été utilisées pour calculer la durée globale du processus de minéralisation du minerai, c’est-à-dire l’intervalle temporel englobant, autant que possible, la majeure partie du processus de minéralisation dans un gisement spécifique (Données supplémentaires 1 et Note supplémentaire 1). Ceci a été basé soit sur une mise entre parenthèses temporelle en utilisant la datation U-Pb des zircons de porphyre avant et après la découverte du minerai, soit sur la datation Re-Os de la molybdénite provenant de plusieurs stades du minerai, contrainte texturalement, éventuellement mise en œuvre par la datation 40Ar/39Ar des minéraux d’altération associés au minerai (voir la note supplémentaire 1 pour une description détaillée de la façon dont les durées globales du processus de minéralisation ont été obtenues pour chaque gisement). Ceci est particulièrement vrai pour les plus grands systèmes porphyriques composites, comme, entre autres, Chuquicamata, Rio Blanco et Grasberg. En raison de l’inévitable sous-échantillonnage, les intervalles de temps ainsi déterminés sont des approximations de premier ordre des durées réelles des événements de minéralisation dans chaque gisement porphyrique. Il est néanmoins significatif que des valeurs similaires pour la durée des processus miniers aient été obtenues par des études distinctes, lorsqu’elles sont disponibles sur le même gisement (par ex, El Teniente, Grasberg et Chuquicamata ; Données supplémentaires 1).

Modélisation pétrologique

La modélisation de Monte Carlo des processus pétrologiques (Méthodes et Tableau 1) a été appliquée pour extraire des informations sur les processus métallogéniques capables d’expliquer les dotations en Cu et Au des gisements porphyriques et leurs échelles de temps de formation (voir ci-dessus). J’ai utilisé le bilan de masse et l’approche pétrologique de la réf. 2 pour estimer les volumes magmatiques et les quantités de fluide, de Cu et d’Au exsolubles à partir de ces magmas, ainsi que leurs teneurs en SiO2 (pour plus de détails, voir Méthodes, Fig. 1-5 et Tableau 1 supplémentaires). Les masses et volumes des magmas sont déterminés en paramétrant les conditions thermodynamiques décrites par la réf. 18 pour la génération de masses fondues dans les zones crustales chaudes. Dans le modèle, la fonte basaltique est injectée dans la croûte à des profondeurs variables, à un taux fixe, typique et moyen à long terme, de 5 mm par an-1 (réf. 18) pour un intervalle de temps compris entre 0 et 5 Ma. En fonction de la profondeur à laquelle l’injection a lieu, la fonte résiduelle provenant du fractionnement du basalte injecté commence à s’accumuler après un certain temps d’incubation (Fig. 1 supplémentaire). La dépendance du temps d’incubation à la profondeur d’injection s’explique par le fait que la température de la roche hôte augmente avec la profondeur selon le gradient géothermique (20 °C km-1 dans le modèle18). Par conséquent, à des niveaux plus profonds (c’est-à-dire à des températures plus élevées de la roche hôte), les temps d’incubation pour la formation initiale de la fonte résiduelle seront plus courts. En même temps, l’injection continue de la fonte basaltique entraînera également une augmentation de la température des roches hôtes, qui, après un certain temps d’incubation, différent de celui de la formation de la fonte résiduelle, pourrait atteindre le solidus de ces roches avec leur fusion partielle conséquente (fonte partielle crustale : figure supplémentaire 1). La fonte résultant de tout ce processus est une fonte hybride composite dérivant de la somme des fontes résiduelles et crustales à tout moment depuis le début de l’injection et à toute profondeur à laquelle l’injection basaltique se produit (Fig. 1 supplémentaire). Au fil du temps, la quantité de fonte accumulée à une profondeur spécifique augmente, comme le montre la figure supplémentaire 1. La productivité de la fonte aux niveaux crustaux plus profonds sera plus importante qu’aux niveaux crustaux moins profonds (figure supplémentaire 1).

Tableau 1 Valeurs des paramètres d’entrée utilisés pour les simulations de Monte Carlo. Les simulations sont effectuées pour un taux d’injection de 5 mm par an-1 d’une fonte basaltique à 1200 °C à travers un disque de 7500 m de rayona (équivalent à un flux magmatique de 0,0009 km3 par an-1), dans une croûte caractérisée par un gradient géothermique de 20 °C km-1 (réf. 18).

La quantité de H2O dissous dans ces fontes hybrides accumulée à différentes profondeurs crustales et après différents temps d’accumulation (c’est-à-dire, temps depuis le début du processus d’injection) peut être déterminée en tenant compte des teneurs initiales en H2O de la fonte basaltique primitive et des roches crustales (tableau 1), et de la dépendance de la solubilité de H2O dans les fusions de silicates vis-à-vis de la pression et de la composition de la fonte19 (figures supplémentaires 2-4). Enfin, les quantités de Cu et d’Au dans l’H2O exsoluble sont déterminées en utilisant une gamme de coefficients de partage appropriés pour ces métaux entre le fluide et le silicate fondu et des teneurs appropriées en Cu et Au dans les fontes (tableau 1 et figure supplémentaire. 5).

Dotations en métaux et échelles de temps des gisements porphyriques de Cu-Au

Le tracé des dotations en Au en fonction de celles en Cu montre que les gisements porphyriques de Cu-Au définissent soit une tendance riche en Cu (Au/Cu ~4 × 10-6), soit une tendance riche en Au (Au/Cu ~80 × 10-6) (Fig. 1a). La tendance riche en Au est essentiellement contrôlée par les sept plus grands gisements d’or (contenant presque 60% de l’or des gisements de porphyre Cu-Au20). Ces sept gisements (Kadjaran, Cadia, Kalmakyr, Oyu Tolgoi, Bingham, Grasberg et Pebble) sont tous associés à des roches calco-alcalines ou alcalines à forte teneur en K. Le long de la tendance riche en Au, on trouve des gisements de cuivre et d’or dans les régions de l’est et de l’ouest. Le long de la tendance riche en Au, on trouve également tous les autres gisements plus petits associés à des magmas variablement alcalins et plusieurs gisements associés à des magmas calco-alcalins normaux (par exemple, Far Southeast-Lepanto, Reko Diq, Panguna, Cerro Casale, Batu Hijau pour mentionner certains des plus grands). En revanche, tous les gisements de la tendance riche en Cu ne sont associés qu’à des roches calco-alcalines normales.

Fig. 1 : Dotations en métaux, géochimie des roches associées et durées des minerais des gisements porphyriques riches en Cu vs. Au-riches.
figure1

a Cu (Mt) vs Au (tonnes) des gisements porphyriques Cu-Au ; b durée du minerai (Ma) vs Au (tonnes) des gisements porphyriques Cu-Au. Tous les gisements sont grossièrement répartis le long de l’une ou l’autre des deux lignes pointillées, ce qui permet d’identifier deux familles distinctes de porphyres de Cu-Au, les riches en Cu (Au/Cu~4 × 10-6 et ~100 t Au Ma-1) et les riches en Au (Au/Cu~80 × 10-6 et ~4500 t Au Ma-1). Les lignes pointillées représentent les taux moyens de dépôt de Cu et d’Au et ne sont pas des lignes statistiquement les mieux ajustées ; c Au (tonnes) en fonction des valeurs moyennes Sr/Y des roches magmatiques associées aux gisements de porphyre Cu-Au. Les barres pour les valeurs Sr/Y sont des incertitudes de 1 s.d. calculées à partir des valeurs Sr/Y disponibles des roches magmatiques associées à chaque gisement (voir Données supplémentaires 1) ; d durée du minerai (Ma) par rapport à Cu (Mt) des gisements de porphyre Cu-Au. Les barres associées aux valeurs de durée du minerai sont des incertitudes propagées de 2 s.d. comme expliqué dans la note supplémentaire 1. Abréviations des gisements porphyriques : Ak Aksug, BH Batu Hijau, Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, EA El Abra, ES El Salvador, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Ju Junin, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, Mt Marte, OK Ok Tedi, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Png Panguna, Po Potrerillos, Qu Qulong, RB Rio Blanco, RD Reko Diq, Skouries, Tk Toki. Bingham a deux points (Bh et Bh2) en raison des différents tonnages rapportés dans différentes études (voir Données supplémentaires 1).

Les deux tendances distinctes sont également reconnaissables dans un tracé des dotations en Au vs. les durées du processus de formation du minerai des gisements de Cu-Au porphyriques (Fig. 1b) : dans la tendance des gisements riches en Cu, l’Au est précipité à un taux moyen beaucoup plus lent (~100 tonnes Au/Ma) que dans la tendance des gisements riches en Au (~4500 tonnes Au/Ma). La tendance riche en or est contrôlée par trois grands gisements porphyriques riches en or (pour lesquels des données géochronologiques robustes sont disponibles), qui sont tous associés à des roches calco-alcalines à alcalines à forte teneur en K (Grasberg, Bingham, Pebble) et par trois gisements riches en or associés à des roches calco-alcalines (Reko Diq, Far Southeast-Lepanto et Batu Hijau). Tous les porphyres riches en Au de plus petite taille associés à des roches variablement alcalines et plusieurs autres associés à des roches calco-alcalines normales tombent sur la tendance riche en Au. Là encore, la tendance riche en cuivre est définie par des gisements associés uniquement à des roches calc-alcalines typiques. Les roches magmatiques associées aux gisements porphyriques riches en Au sont caractérisées par des valeurs Sr/Y plus faibles (~50 pour les plus grands gisements porphyriques Au)21 par rapport aux roches associées aux gisements porphyriques riches en Cu (100 ± 50)2 (Fig. 1c et Données supplémentaires 1).

Causes possibles des différentes dotations en Cu et Au

Chiaradia et Caricchi2 ont suggéré que la dotation en Cu des gisements porphyriques riches en Cu de type andin est contrôlée par deux paramètres principaux : le volume de magma généré à des profondeurs crustales moyennes-inférieures, qui détermine la quantité maximale de Cu livrable, et l’intervalle de temps global pendant lequel le magma, avec sa cargaison de fluide et de cuivre, est transféré à des niveaux moins profonds où l’exsolution du fluide se produit et le Cu est précipité. Les conditions les plus favorables à la constitution de volumes importants de magmas et de fluides se situent, comme nous l’avons dit plus haut, dans la croûte moyenne à inférieure, où les magmas modélisés présentent des valeurs Sr/Y (50-150) du même ordre que celles des magmas associés aux plus grands gisements de cuivre porphyriques2. La large corrélation linéaire entre les dotations en Cu et les durées de formation des gisements2 (Fig. 1d) suggère que le processus de transfert du magma, des fluides et du cuivre vers des niveaux moins profonds se produit à une vitesse moyenne similaire pour tous les gisements riches en Cu et que sa durée est le principal paramètre contrôlant les dotations en Cu dans ces gisements. Une conclusion similaire a également été atteinte par la réf. 22. Dans le graphique de la dotation en Cu en fonction de la durée de formation du gisement (Fig. 1d), les gisements riches en Au se situent vers l’extrémité inférieure de la même tendance de régression que les gisements riches en Cu, ce qui suggère que les contrôles de la dotation en Cu et l’efficacité de la précipitation du Cu sont similaires pour les types de gisement riches en Cu et riches en Au.

En revanche, l’apparition de deux tendances linéaires distinctes dans les tracés de tonnage Au-Cu et de durée de tonnage Au-ore (Fig. 1a, b) suggère que la dotation en or est contrôlée par des processus distincts dans les gisements riches en Cu par rapport aux gisements riches en Au. L’association des sept plus grands gisements porphyriques riches en Au avec des roches légèrement alcalines à alcalines (Fig. 1a) pourrait suggérer une sorte de contrôle pétrogénétique, qui n’est pas clairement compris8,23,24. D’un autre côté, les gisements porphyriques riches en or avec des dotations en or variables sont également associés à des roches magmatiques calco-alcalines normales (Fig. 1a). Cela suggère que la chimie du magma ne peut pas être le seul contrôle sur la formation de la tendance des porphyres riches en or. Ici, j’explore trois mécanismes majeurs qui pourraient être responsables de la formation de gisements porphyriques riches en Au et de leur association préférentielle, mais pas unique, avec des magmas variablement alcalins : (i) des teneurs en Au plus élevées dans les magmas alcalins25 (et dans les magmas calco-alcalins associés aux porphyres riches en Au), (ii) des valeurs variables du coefficient de partage fluide-fonte (KD) de l’Au entre les fluides et les fontes et (iii) des efficacités de précipitation différentes.

Un contrôle de l’efficacité de précipitation pour les dotations en Au

Les simulations Monte Carlo montrent que, en supposant une efficacité de précipitation de 50 % couramment utilisée pour Au et Cu, les volumes magmatiques (~2000 km3) correspondant aux enrichissements les plus élevés en cuivre (~100 Mt Cu) associés aux magmas calco-alcalins2 fourniraient de l’Au en grand excès (valeur médiane de ~14 000 tonnes Au) par rapport à la dotation maximale en or (~2700 tonnes Au) des gisements de porphyres riches en Au (Fig. 2c ; des dotations potentielles en or encore plus élevées sont associées aux plus grands volumes magmatiques simulés des systèmes alcalins à une efficacité de 50% : Fig. 2d). Ceci suggère que le découplage entre les dotations en Cu et en Au dans les gisements porphyriques riches en Cu et les gisements porphyriques riches en Au dans les systèmes alcalins n’est pas le même. Les gisements riches en Au ne sont probablement pas liés uniquement à l’enrichissement en Au des magmas alcalins par rapport aux magmas calco-alcalins25,26, car ces derniers peuvent exsolver des fluides contenant largement assez d’or pour former les plus grands gisements porphyriques riches en Au. Les valeurs variables de KD fluide-fonte de l’or ne peuvent pas non plus expliquer la teneur appauvrie en or des gisements riches en cuivre. En effet, en utilisant des gammes de valeurs KD fluides-fondues communes pour Au (10-100)27 et Cu (2-100)2 et des efficacités de précipitation de 50 % pour Au et Cu, les simulations de Monte Carlo donnent des fluides avec des valeurs Au/Cu beaucoup plus élevées que celles enregistrées par les gisements porphyriques naturels riches en Au pour les magmas calco-alcalins et alcalins (Fig. 3a, b). Il est impossible de reproduire les faibles valeurs Au/Cu des gisements riches en cuivre, à moins de supposer des valeurs KD fluide-fusion déraisonnablement basses pour Au (“1) (Fig. 3c). De plus, les fluides modélisés et géologiques exsolus des magmas (émissions volcaniques et fluides monophasés des gisements porphyriques) ont des valeurs Au/Cu très similaires (Fig. 3, Tableau 2). Cela soutient l’affirmation selon laquelle l’Au et le Cu dans les fluides dérivés des magmas se produisent dans des concentrations qui sont en accord avec celles obtenues en utilisant les valeurs KD fluide-fonte déterminées expérimentalement de l’Au et du Cu.

Fig. 2 : Simulations de Monte Carlo de l’or exsoluble et relation avec les volumes de magma.
figure2

Les tracés de densité des simulations de Monte Carlo (>25 000) montrent que les systèmes magmatiques calco-alcalins (a) et alcalins (b) peuvent potentiellement exsolver des fluides, pendant les durées de vie des gisements porphyriques indiquées par la géochronologie, transportant et précipitant (efficacité de 50%) des quantités d’or bien plus importantes que celles enregistrées par les gisements porphyriques les plus riches en Au ; c histogramme de l’or exsoluble (efficacité de 50%) pour la gamme de volume magmatique (1750-2250 km3) associée aux plus grandes dotations en Cu (efficacité de précipitation de 50%) dans les systèmes magmatiques calco-alcalins : cela correspond à la distribution de densité des simulations d’Au exsolvable pour l’intervalle de volume 1750-2250 km3 dans (a) ; d histogramme de l’or exsolvable (efficacité de 50%) pour la plus grande gamme de volume de magma (1000-1500 km3) obtenue dans les simulations pour les magmas alcalins.

Fig. 3 : Simulations de Monte Carlo (points gris ; >7000) des dotations en Au et Cu obtenues pour différentes valeurs de KD fluide-fondu de Au.
figure3

L’utilisation d’une gamme de valeurs KD communément admises pour Au (10-100)27 et Cu (2-100)2 aboutit à des fluides exsolus avec des valeurs Au/Cu extrêmement élevées à la fois pour les magmas alcalins (a) et calco-alcalins (b). Les très faibles valeurs Au/Cu des gisements riches en Cu ne peuvent être obtenues qu’en supposant des valeurs KD (“1) irréalisablement faibles pour Au (c). Sont également indiqués les rapports Au/Cu pour les émissions volcaniques et les fluides monophasés des gisements de porphyre (champ orange : tableau 2) et des roches calco-alcalines et alcalines (champ rouge : tableau 2). Abréviations des gisements porphyriques : Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Po Potrerillos, RB Rio Blanco, RD Reko Diq. Bingham a deux points (Bh et Bh2) en raison des différents tonnages rapportés dans différentes études (voir Données complémentaires 1).

Tableau 2 Valeurs Au/Cu des tendances porphyriques et des différents matériaux géologiques.

Les tracés des figures 2 et 3, suggèrent donc que les différentes tendances Au/Cu des gisements riches en Au et riches en Cu pourraient être dues à des efficacités de précipitation d’Au différentes. En effet, les deux tendances porphyriques dans l’espace Au-Cu sont bien reproduites par les simulations de Monte Carlo réalisées pour des efficacités de précipitation de l’or qui sont inférieures à celles du Cu d’un facteur de ~6-15 dans les gisements riches en Au et d’un facteur de ~75 dans les gisements riches en Cu (Fig. 4a, b ; voir Méthodes pour plus de détails). Cela se traduit par des efficacités de précipitation de l’Au qui sont ~5-12 fois plus élevées dans les porphyres riches en Au que dans les porphyres riches en Cu (Fig. 4a, b et Méthodes).

Fig. 4 : Simulations de Monte Carlo (points gris clair ; N > 20 000) pour les tendances des gisements porphyriques riches en Cu et riches en Au.
figure4

a simulations réalisées pour des efficacités de précipitation de l’Au qui sont environ cinq fois plus élevées pour la tendance riche en Au liée aux systèmes alcalins que pour la tendance riche en Cu liée aux systèmes calco-alcalins (voir texte, méthodes et tableau 1) ; b simulations effectuées pour des efficacités de précipitation de l’Au qui sont ~12 fois plus élevées pour la tendance riche en Au liée aux systèmes calc-alcalins que pour la tendance riche en Cu liée aux systèmes calc-alcalins (voir le texte, les méthodes et le tableau 1). Les rapports Au/Cu pour les émissions volcaniques et les fluides monophasiques des gisements porphyriques (champ orange : tableau 2) et des roches calco-alcalines et alcalines (champ rouge : tableau 2) sont également indiqués. Abréviations des gisements porphyriques : Bh Bingham, Bt Butte, Ca Cadia, CCas Cerro Casale, Chu Chuquicamata, Cn Cananea, ET El Teniente, FSE Far Southeast-Lepanto, Grasberg, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, LP Los Pelambres, OT Oyu Tolgoi, Pe Pebble, Po Potrerillos, RB Rio Blanco, RD Reko Diq. Bingham a deux points (Bh et Bh2) en raison des différents tonnages rapportés dans différentes études (voir les données supplémentaires 1).

Une efficacité accrue de la précipitation de l’Au, résultant dans la tendance riche en Au des gisements porphyriques, pourrait être due à : (i) la moindre profondeur à laquelle se forment les gisements riches en Au28 et (ii) la plus grande stabilité de l’or hydrosulfuré dans les fluides riches en alcali24. Comme discuté en détail par la réf. 28, dans les systèmes porphyriques peu profonds (<~3 km) la solubilité de l’or et du cuivre diminue rapidement dans une vapeur riche en S en expansion, qui transporte les deux métaux. Le résultat est la co-précipitation de Cu et Au et des valeurs Au/Cu élevées. En revanche, dans les systèmes porphyriques plus profonds (>~3 km), un fluide monophasé prédomine, à partir duquel le Cu précipite principalement lors du refroidissement, tandis que l’Au reste en solution dans une phase vapeur dense. Selon la réf. 24, la présence de chlorures alcalins augmente fortement la solubilité de l’or dans les fluides contenant de l’H2S et pourrait expliquer l’association des gisements porphyriques riches en Au avec des magmas alcalins, desquels, supposément, des fluides à plus forte teneur en chlorures alcalins sont exsolus.

Un facteur supplémentaire responsable du découplage de l’or et du cuivre dans certains gisements porphyriques spécifiques pourrait être la nature réduite du système magmatique-hydrothermal, soit inhérente au magma, soit résultant de l’interaction des fluides avec des roches hôtes réduites29. Contrairement au Cu, dont la solubilité diminue dans les fluides miniers réduits, l’or peut être transporté à des concentrations similaires par les fluides miniers indépendamment de leur état d’oxydation29. Par conséquent, il a été suggéré que les systèmes magmatiques-hydrothermaux réduits pourraient être responsables de la formation de certains gisements porphyriques riches en Au30.

Un contrôle tectonique pour les dotations en Cu vs Au

Dans les arcs de subduction de type andin, les périodes de compression de longue durée (>2 Ma) conduisent à l’accumulation de volumes magmatiques de taille variable aux niveaux crustaux profonds avec une signature calco-alcaline typique marquée par des valeurs Sr/Y élevées2,31. Dans un tel contexte, les gisements porphyriques riches en cuivre se forment car ils dépendent essentiellement des grands volumes magmatiques accumulés à des profondeurs crustales moyennes et inférieures pendant la période de compression, et de la durée ultérieure de la fuite magmatique-hydrothermale du réservoir profond vers la croûte moins profonde, où se produit le dépôt du minerai. Au cours de ce processus, l’or est précipité à un taux moyen faible (Fig. 1b) car les fluides exsolus de ces magmas calco-alcalins ont une faible efficacité de précipitation pour l’or (~75 fois moins que l’efficacité de précipitation du Cu : voir ci-dessus). Ceci est probablement dû à une formation moyennement profonde de gisements riches en Cu dans un tel contexte28 et, peut-être, à une chimie inefficace des fluides associés24. La figure 5a, b montre que les plus grands gisements porphyriques riches en Cu (>30 Mt Cu) associés à des magmas calco-alcalins se trouvent à des profondeurs >~3 km et ont des dotations en or de <500 tonnes Au. Dans ce cas, une quantité importante d’or peut être perdue dans les émissions volcaniques, qui ont des valeurs Au/Cu élevées similaires à celles des roches magmatiques et à celles des fluides monophasés exsolus des magmas à haute pression (Fig. 5a, b).

Fig. 5 : Profondeur de formation vs. Rapports molaires Cu/Au des gisements de Cu-Au porphyriques et valeurs moyennes Sr/Y des roches magmatiques associées.
figure5

La taille des symboles correspond à différents tonnages de cuivre (a) et d’or (b, c) comme indiqué dans la légende. Les couleurs verte et bleue des symboles font respectivement référence aux systèmes magmatiques calco-alcalins (CA) et calco-alcalins à alcalins (K) à haute teneur en K. Les barres d’erreur associées aux valeurs de profondeur sont issues de la réf. 28 (Supplementary Data 1). Les barres pour les valeurs Sr/Y sont des incertitudes de 1 s.d. calculées à partir des valeurs Sr/Y disponibles des roches magmatiques associées à chaque gisement (voir Supplementary Data 1). Abréviations des gisements porphyriques : Bh Bingham, BjA Bajo de la Alumbrera, Chu Chuquicamata, Dz Dizon, ES El Salvador, FSE Far Southeast-Lepanto, Gl Granisle, Grasberg, Kg Kisladag, Kj Kadjaran, Kk Kalmakyr, PEs Pampa Escondida, Png Panguna, RD Reko Diq, SR Chino/Santa Rita. Autres abréviations : K = rapport moral Cu/Au des roches alcalines ; CA = rapport moral Cu/Au des roches calco-alcalines ; PF = rapport moral Cu/Au des fluides monophasés des porphyres ; VE = rapport moral Cu/Au des émissions volcaniques (tableau 2).

Dans des contextes tardifs à post-subduction et post-collision, les magmas légèrement alcalins à alcalins sont associés à l’extension6 ou au renversement d’arc dans des arcs insulaires plus minces26 (par ex, Grasberg13,14, Bingham11 et Kisladag32). L’extension favorise l’ascension, l’évolution et la mise en place de magmas à des niveaux crustaux moins profonds33,34 alors qu’une croûte plus mince entraîne des niveaux moyens d’évolution magmatique moins profonds31. Les valeurs Sr/Y globalement plus faibles (~50) des magmas variablement alcalins (et certains calco-alcalins) associés aux gisements porphyriques riches en Au (Fig. 1c) soutiennent leur évolution à des niveaux crustaux moyens moins profonds, car Sr/Y est un indicateur de la profondeur de l’évolution magmatique31,35,36. Tous les gisements porphyriques riches en Au associés à des magmas variablement alcalins sont effectivement formés à des niveaux crustaux peu profonds (<~3 km ; Fig. 5b), très probablement en raison de l’association de ces magmas à des contextes tectoniques (extension) et géodynamiques (croûte plus mince) qui favorisent leur mise en place à des niveaux crustaux peu profonds.

En revanche, les gisements porphyriques associés à des roches magmatiques calco-alcalines englobent une gamme plus large de profondeurs de formation, mais seuls les systèmes peu profonds (<~3 km) peuvent être associés à de grands (>500-<1500 tonnes d’Au) porphyres riches en Au (Fig. 5b). Ceci suggère que la mise en place de magmas à faible profondeur et la formation consécutive de systèmes riches en Au peuvent également se produire en association avec des magmas calco-alcalins, à la fois dans des contextes de subduction de type andin (par exemple, les systèmes de porphyres riches en Au de Maricunga37), par exemple pendant des périodes d’extension intercalées dans un régime global de compression38,39, et dans des contextes d’arc insulaire à croûte plus mince, par exemple pendant une extension parallèle à l’arc associée à une collision (par exemple, Batu Hijau40 et Grasberg14).

A l’appui des arguments ci-dessus, les valeurs moyennes Sr/Y des systèmes magmatiques calco-alcalins et variablement alcalins (qui sont une approximation de la profondeur moyenne de l’évolution du magma : voir ci-dessus) sont corrélées avec la profondeur de formation des porphyres (Fig. 5c ; la seule exception est Chino-Santa Rita) : en d’autres termes, plus l’évolution moyenne du magma dans la croûte est faible ou profonde (indépendamment de la chimie du magma), plus l’emplacement du magma dans la croûte supérieure et la formation consécutive de porphyres sont faibles ou profonds. Très probablement, c’est une conséquence du fait que ces deux processus sont contrôlés par l’épaisseur de la croûte et le régime tectonique (compression vs extension).

L’association distincte des plus grands gisements porphyriques riches en Au avec des roches magmatiques légèrement alcalines à alcalines (Fig. 1a), néanmoins, appelle des facteurs supplémentaires qui améliorent encore leur dotation en or. Une comparaison de la modélisation de Monte Carlo pour les systèmes alcalins riches en Au et les systèmes calco-alcalins (Fig. 4a, b) suggère que les dotations en or plus élevées des gisements de porphyre riches en Au associés à des magmas alcalins peuvent être expliquées par les teneurs en or plus élevées dans les magmas alcalins. Un autre facteur améliorant les dotations en Au des gisements porphyriques riches en Au associés aux systèmes alcalins pourrait être la chimie favorable des fluides associés à ces magmas24.

D’autre part, l’évolution des magmas de la croûte peu profonde n’est pas favorable à la génération des plus grands volumes magmatiques possibles et des dotations en Cu2,33. Par conséquent, les gisements formés à faible profondeur ne peuvent pas atteindre les dotations en Cu les plus remarquables (>50 Mt Cu) des systèmes magmatiques associés à la subduction typique de type andin sous une croûte continentale épaisse (Fig. 1d).

Un processus à plusieurs étapes pour les dotations en Cu-Au

Alors que la profondeur de formation du porphyre et la chimie des magmas et des fluides associés semblent contrôler la nature riche en Au vs. Alors que la profondeur de la formation du porphyre et la chimie des magmas et des fluides associés semblent contrôler la nature riche en Au par rapport à la nature riche en Cu des gisements de Cu-Au porphyriques, les augmentations des dotations en Cu et Au avec la durée du dépôt du minerai (Fig. 1b, d) suggèrent que les dotations finales en Cu et Au de ces gisements sont déterminées par le nombre cumulatif d’étapes de minéralisation41,42 qui sont finalement contrôlées par le volume du magma et la durée du processus de minéralisation2. La différence est que les systèmes variablement alcalins et les systèmes calco-alcalins crustaux peu profonds sont intrinsèquement associés à des magmas, dont les fluides sont tectoniquement (c’est-à-dire, mise en place peu profonde : réf. 28) et chimiquement24 optimisés pour une efficacité élevée de précipitation de l’or. En revanche, les magmas calco-alcalins typiques (à haute teneur en Sr/Y) se forment dans un contexte géodynamique qui favorise d’énormes accumulations magmatiques, nécessaires pour produire des gisements riches en Cu de type béhémothique2, mais sont mis en place à des profondeurs auxquelles les fluides exsolus sont moins efficaces pour la précipitation de l’or.

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