Origin of stratabound fluorite deposits in the southeastern part of the Paris Basin

En France, des minéralisations stratiformes de fluorine spatialement liées à une discordance socle/couverture sont localisées à la base de la série sédimentaire mésozoïque du bassin de Paris autour du Morvan cristallin, avec des réserves estimées à environ 5.5 Mt de fluorine. Ce travail concerne principalement quatre gisements de fluorine développés au sein de grès/conglomérats à Antully, de calcaires à Courcelles-Frémoy et de dolomies à Pierre-Perthuis et Marigny-sur-Yonne. L’objectif est d’apporter des contraintes sur l’âge et l’origine de ces minéralisations à l’aide d’une approche pluri-disciplinaire combinant géochronologie, pétrographie, géochimie élémentaire et isotopique afin d’élaborer un modèle métallogénique. Une première étude géochronologique permet de déterminer l’âge de mise en place des minéralisations de la génération géodique de fluorine de Pierre-Perthuis à 130 ± 15 Ma. L’élaboration d’une paragenèse générale détaillée révèle deux séquences minérales de type « fluorine-barytine-quartz », précédées par un événement de dissolution/karstification affectant les phases carbonatées des roches encaissantes. Au cours de ces phases de dissolution, le fluide s’enrichit en calcium et joue un rôle majeur pour la minéralisation en fluorine. Une étude microthermométrique des inclusions fluides piégées dans les cristaux géodiques de fluorine montre la présence de fluides particulièrement riches en CaCl₂ avec des températures entre 80-100°C, et des températures ponctuellement plus élevées. L’ensemble de ces données a été confronté à l’histoire thermique du sud-est du bassin de Paris et permet d’évoquer une remontée de fluides hydrothermaux au Crétacé inférieur jusqu’à la discontinuité entre le socle et la base du bassin sédimentaire. L’origine météorique de l’eau a été identifiée par les isotopes stables de l’oxygène sur les générations de quartz. L’implication d’une source granitique a été démontrée par les rapports isotopiques ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb très radiogéniques dans la galène et l’étude des minéraux constituants du socle granitique, avec l’implication de la biotite en tant que source potentielle du fluor. Au cours du Crétacé inférieur, le soulèvement des bordures du bassin de Paris génère un gradient hydraulique susceptible de provoquer la mise en charge de fluides météoriques dans les massifs cristallins, percolant à travers le socle en profondeur (2 à 5 km). La dissolution des carbonates par les fluides ascendants hydrothermaux contenant du fluor va permettre la formation de la fluorine au cours de l’enrichissement du fluide en calcium dans le bassin au niveau de la discontinuité socle/couverture.In France, unconformity-related stratabound fluorite deposits occurred at the base of Mesozoic sedimentary units from the Paris Basin around the Morvan Massif, and reserves are estimated to about 5.5 Mt. This work mainly concerns four fluorite deposits in sandstones at Antully, in limestones at Courcelles-Frémoy and in dolomite at Pierre-Perthuis and Marigny-sur-Yonne. The aim of this study is to constrain the age and origin of mineralizations inferred from a multi-disciplinary approach including geochronoly, petrography, elementary and isotopic geochemistry in order to produce a metallogenic model. Firstly, the geochronological study allows to determine the age of the geodic fluorite stage at Pierre-Perthuis at 130 ± 15 Ma. The detailed paragenetic sequence displays two major mineral successions of “fluorite-barite-quartz”, occurring after two dissolution or karstification events that affect the carbonate phases in host-rocks. During the dissolution event, the fluid is enriched in calcium and plays a key role for the fluorite mineralization. The microthermometric study of fluid inclusions in geodic fluorite crystals shows CaCl₂-rich fluids with temperature around 80-100°C, with sporadic higher temperatures. All these data has been confronted to the thermal history of southeastern part of Paris Basin and allows to evoke deep ascendant hydrothermal brine circulation during the Early Cretaceous at the basement/basin unconformity. The meteoritic origin of fluid is determined by the oxygen isotopic compositions in the quartz stages. The implication of basement source has been demonstrated by the radiogenic lead isotopic compositions added to the study of major minerals in basement with the involvement of biotite as a potential source of fluor. During the Early Cretaceous, it is proposed that flows of meteoric waters percolated downwards to depths of 2-5 km, driven by a hydraulic gradient due to the flexural deformation of the Paris Basin. The carbonate dissolution by the fluor-bearing ascendant hydrothermal fluids will allows the deposition of fluorite mineralization during the Ca enrichment of fluids in the basin at the basement/cover unconformity