Petro-geochemical characterization of supergene copper mineralization in Atacama (Northern Chile) : Uranium-Lead chronometric potential and formation conditions

Les minéralisations cuprifères supergènes (MCS) représentent la viabilité économique de nombreux porphyres cuprifères de par le monde. Ces minéralisations dérivent de processus supergènes, définis comme étant l'altération en conditions oxydantes des sulfures primaires et tout enrichissement en sulfures secondaires qui en découle. Des conditions tectoniques, climatiques et géomorphologiques favorables sont requises pour la formation des minéralisations cuprifères supergènes. La tectonique contrôle le soulèvement nécessaire pour induire la baisse de la nappe phréatique et l'oxydation des sulfures primaires. Le climat contrôle le lessivage du cuivre dans l'environnement supergène et la circulation des eaux météoriques dans le milieu de dépôt. Dans le désert d'Atacama, les MCS semblent se former pendant des périodes climatiques spécifiques du Tertiaire durant la formation du relief Andin. Cependant, de nombreuses incertitudes persistent quant à la genèse et au moment précis de la formation de ces MCS. Ce travail de thèse présente des données minéralogiques et chimiques de minéraux échantillonnés dans des MCS in situ et exotiques provenant de deux zones géologiques et climatiques distinctes, à savoir le désert d'Atacama au nord du Chili, et le district minier de Gaoua, au Burkina Faso. Bien que ces deux régions aient connu une histoire géologique et climatique différente, elles ont toutes deux subi un contrôle géologique et climatique similaire pour former et préserver les MCS. La chrysocolle et la pseudomalachite sont les minéraux les plus abondants dans les MCS du désert d'Atacama. Ceci nous a poussé à tester le potentiel de ces deux minéraux comme géochronomètre pour replacer la formation des MCS dans un contexte géochronologique. Cependant, la variation de la teneur en U d'un minéral à l'autre, la contribution du Pb commun et l'absence de standards spécifiques à ces minéraux ont représenté un challenge pour la datation de ces deux minéraux. Une approche mixte combinant la datation in situ U-Pb LA-ICP-MS et la cartographie isotopique ainsi que les analyses isotopiques de l'oxygène au SIMS a été appliquée aux dépôts exotiques de cuivre de Mina Sur, Damiana et El Cobre et à la minéralisation cuprifère supergène in situ du district minier de Gaoua. Quelle que soit leur localisation, les résultats démontrent le rôle important joué par les paramètres géologiques locaux sur le contrôle du chronomètre U-Pb dans les minéraux supergènes de cuivre. La teneur initiale élevée en U du porphyre source peut favoriser la présence de minéraux cuprifères supergènes riches en U, comme c'est le cas à Mina Sur. En outre, une altération supergène à long terme favorisera une circulation continue des eaux météoriques dans l'environnement de dépôt, ce qui peut entraîner le lessivage de l'U du porphyre source et permettre la formation de minéraux cuprifères supergènes pauvres en U, à une époque relativement récente. Les résultats prometteurs obtenus pendant cette thèse représentent de nouveaux outils pour comprendre les conditions physico-chimiques, climatiques et géologiques qui ont prévalu lors de la formation des minéralisations cuprifères supergènes dans le désert d'Atacama, mais aussi dans la région de Gaoua au Burkina Faso, et fournissent des indications quant à leur prospection dans le monde entier.Supergene copper mineralization (SCM) are nowadays the economic viability of many porphyry copper deposits worldwide. These mineralization are derived from supergene processes, defined as sulfide oxidation and leaching of ore deposits in the weathering environment, and any attendant secondary sulfide enrichment. For supergene copper mineralization to form, favorable tectonics, climate and geomorphologic conditions are required. Tectonics control the uplift needed to induce groundwater lowering and leaching of sulphides from a porphyry copper deposit. Climate controls copper leaching in the supergene environment and groundwater circulation towards the locus where supergene copper-bearing minerals precipitate. In Atacama Desert of northern Chile, SCM seem to take place during specific Tertiary climatic periods and relief formation. But many uncertainties remain regarding the genesis and the exact timing for SCM formation. We present mineralogical and chemical data on supergene copper-bearing minerals sampled from in situ and exotic SCM from two geologically and climatically distinct areas, namely the Atacama Desert of northern Chile and the Gaoua porphyry Cu-Au district in Burkina Faso. Although both areas have experienced different geological conditions, they both underwent similar geological and climatic controls to form and preserve SCM. Chrysocolla and pseudomalachite are the most common copper-bearing minerals found in SCM from the Atacama Desert of northern Chile. This led us to test the potential of both minerals as dating materials to place the SCM formation in a geochronological context. However, variation of U content from one mineral to another, common Pb contribution and the absence of matrix-matched-standard for both minerals made U-Pb LA-ICP-MS dating of chrysocolla and pseudomalachite challenging. A mixed approach combining texturally-controlled in situ LA-ICP-MS U-Pb dating and multi-elements mapping together with SIMS oxygen isotope analyses were applied to Mina Sur, Damiana and El Cobre exotic copper deposits and the in situ SCM of the Gaoua porphyry Cu-Au district. Regardless their location, the results demonstrate the important role played by the local geological parameters on the control of the U-Pb chronometer in supergene copper minerals. Initial high U content of the porphyry source can promote U-rich supergene copper minerals as it is the case at Mina Sur. Additionally, a long-term supergene alteration will favor long term water circulation in the depositional environment which can leached U from the porphyry source and allow the formation of U-low supergene copper minerals during recent times. The promising results obtained represent a new tool to understand the physico-chemical, climatic and geological conditions that prevailed during the formation of supergene copper deposits and a proxy for their prospection around the world