A stationary redox front as a critical factor in the formation of high-grade, unconformity-type uranium ores in the Athabasca basin, Saskatchewan, Canada

Studies of clay mineral distribution and diagenetic patterns in Athabasca Group red beds and in alteration haloes associated with unconformity-type uranium ore deposits, have established intimate relationships between red bed diagenesis, host rock alteration, mineralization and basin evolution. Primary mineralization took place during an advanced stage of basin evolution under conditions of deep burial and high-grade diagenesis with temperatures in the order of 200 °C. Three episodes of mineralization, remobilization and host rock alteration are recognized which correlate with distinct stages of prograde and retrograde diagenesis and with episodes of tectonic reactivation of the basin. The first stage of mineralization, which represents the main ore-forming event, took place approximately 100-150 Ma after deposition of the Athabasca Group red beds, during the interval 1350-1250 Ma, coincident with a phase of tensional tectonism and diabase magmatic activity in the basin. This stage generated high-grade ore bodies near the unconformity containing pitchblende and Ni-Co-arsenides and sulpharsenides. Associated host rock alteration is marked by (1) alteration of clay mineral species ; (2) intensive quartz dissolution leading to collapse of the sandstone and the formation of a distinct clay cap due to residual clay enrichment ; (3) graphite destruction and concomitant formation of solid hydrocarbon beads ; (4) formation of a zone of secondary hematite enrichment around pods of high-grade ore. The second stage of mineralization, during the interval 1100-1050 Ma, represents a basin-wide reactivation of diagenetic-hydrothermal activity, possibly in response to a second pulse of diabase magmatism and tensional tectonism. Ore produced during this stage is characterized by pitchblende associated with a sulphidic assemblage of Ni, Co and base metals. Host rock alteration is marked by euhedral quartz veins, tourmaline, siderite, ferrous iron chlorite/berthierine, graphite destruction, hydrocarbon formation and by very extensive superimposed bleaching of hematitic rocks. The third stage represents an event of uranium remobilization during the interval —300-250 Ma, whose effects upon the deposits were of variable intensity. In unconformity-type deposits, this event generated an assemblage of sooty pitchblende, coffinite and minor sulphide. In addition, new mineral occurrences were formed that are characterized by a pitchblende-hematite assemblage and bear no obvious relationship to the sub-Athabasca unconformity. Host rock alteration is marked by intensive kaolinization, which is equated with fault-controlled, retro grade-diagenetic kaolinitization elsewhere in the basin. A qualitative metallogenetic model is discussed in which diagenetic-hydrothermal systems of sandstone-basement interaction are driven by a combination of large-scale free convection in the lower Athabasca aquifer and by small-scale forced convection in the basement. Convection in the aquifer and hydrothermal activity at the unconformity are thought to have been regulated by temporal variations in heat flow associated with episodes of tectonic reactivation and diabase intrusive activity. The model envisages that Athabasca formation waters penetrated below the unconformity and reacted with graphitic basement rocks to yield reducing fluids containing hydrocarbon. At sites of discharge, ore formation resulted from mixing of the newly formed reducing fluids emerging from the basement with uranium-bearing oxidizing pore waters of the Athabasca aquifer and was, consequently, subject to hydrodynamic control. Significant ore was formed only in systems where fluid mixing led to the establishment of a stationary redox front, providing for focussed precipitation of ore constituents. Barren clay alteration haloes resulted where no stationary redox front developed. In ore-forming systems, exceptionally high grades, which are so characteristic of unconformity-type deposits, accumulated over time in a situation of prolonged steady-state hydrodynamic conditions, in systems characterized by continuous replenishment of ore constituents and continuous generation of hydrocarbon reductants.Les études de la distribution des minéraux argileux et des structures diagénétiques dans les couches rouges du groupe Athabasca et dans les halos d'altération associés aux gisements d'uranium de type discordance ont permis d'établir les relations étroites entre la diagenèse des couches rouges, l'altération des roches encaissantes, la minéralisation et l'évolution du bassin. La minéralisation primaire s'est mise en place pendant une phase tardive de l'évolution du bassin, sous des conditions d'enfouissement profond et de diagenèse poussée, à des températures de l'ordre de 200 °C. Trois épisodes de minéralisation, de remobilisation et d'altération des roches encaissantes, sont reconnus. Ils sont corrélés avec des phases distinctes de diagenèse prograde et rétrograde, et avec des périodes de réactivation tectonique du bassin. La première phase de minéralisation, qui représente l'événement minéralisateur principal, a eu lieu approximativement 100 à 150 Ma après le dépôt des "red-beds"du groupe Athabasca, pendant la période 1350-1250 Ma, correspondant à une phase de tectonique en extension et d'activité magmatique (diabase) dans le bassin. Cette phase a produit des corps minéralisés à haute teneur, près de la discordance, contenant de la pechblende et des arséniures et sulfo-arséniures de Ni-Co. L'altération des roches encaissantes qui lui est associée est caractérisée par : (1) L'altération des espèces minérales argileuses. (2) La dissolution intense du quartz, conduisant à l'effondrement des grès et à la formation d'un chapeau d'argile lié à l'enrichissement en argiles résiduelles. (3) La destruction du graphite et la formation concomitante de gouttes d'hydrocarbures solides. (4) La formation d'une zone d'enrichissement secondaire en hématite autour des masses minéralisées à haute teneur. La seconde phase de minéralisation, pendant la période 1100-1050 Ma, représente une réactivation, sur l'ensemble du bassin, de l'activité diagénétique - hydrothermale, peut-être liée à une seconde phase de magmatisme diabasique et de tectonique en extension. Les dépôts correspondant à cette phase sont caractérisés par de la pechblende associée à un assemblage de sulfures de Ni, Co et des métaux de base. L'altération de l'encaissant est marquée par des filonnets à quartz automorphes, par la tourmaline, la sidérite, la chlorite ferrifère/berthierine, par la destruction du graphite, la formation d'hydrocarbures et enfin par une décoloration très étendue des roches hématitiques. La troisième phase correspond à une remobilisation de l'uranium durant la période 300-250 Ma, dont les effets sur les gisements ont été d'intensité variable. Sur les gisements de discordance, cet événement a produit un assemblage à "produits noirs", coffinite et sulfures subordonnés. En outre, de nouvelles occurrences minérales apparaissent, caractérisées par un assemblage à pechblende - hématite et sans relation spatiale évidente avec la discordance sub-Athabasca. L'altération des roches encaissantes se distingue par une kaolinisation intense, qui est à mettre en parallèle avec la kaolinisation de diagenèse rétrograde contrôlée par la fracturation qu'on rencontre ailleurs dans le bassin. Un modèle métallogénique qualitatif est discuté, dans lequel des systèmes diagénétiques - hydrothermaux d'interaction grès - socle sont induits par la combinaison d'une convection libre à grande échelle à la base de l'aquifère Athabasca d'une part, et d'une convection forcée et à petite échelle dans le socle d'autre part. La convection dans l'aquifère et l'activité hydrothermale à la discordance sont supposées avoir été régulées par des variations dans le temps du flux thermique, associées à des épisodes de réactivation tectonique et de l'activité intrusive des diabases. Le modèle envisage la pénétration des eaux de formation du groupe Athabasca sous la discordance et leur interaction avec les roches du socle graphitique pour produire des fluides réducteurs contenant des hydrocarbures. Dans les zones de décharge, le dépôt du minerai résulte du mélange entre ces fluides réducteurs nouvellement formés émergeant du socle et des eaux interstitielles oxydantes riches en uranium issues de l'aquifère Athabasca : elle serait en conséquence sujette à un contrôle hydrodynamique. Une quantité significative de minerai n'a été formée que dans les systèmes où le mélange des fluides a induit un front redox stationnaire permettant une précipitation localisée des constituants de la minéralisation. Les halos d'altération argileux stériles se sont formés là où aucun front redox stationnaire n'a pu se développer. Dans ces systèmes minéralisateurs, les teneurs exceptionnellement élevées — qui sont si caractéristiques des gisements de discordance — se sont accumulées pendant une longue période de régime hydrodynamique stable, dans des milieux caractérisés par un apport continu de constituants de la minéralisation et par une production continue d'agents réducteurs hydrocarbonés.Hoeve Jan, Quirt David. A stationary redox front as a critical factor in the formation of high-grade, unconformity-type uranium ores in the Athabasca basin, Saskatchewan, Canada. In: Bulletin de Minéralogie, volume 110, 2-3, 1987. Les mécanismes de concentration de l'uranium dans les environnements géologiques