Characterization of the structural framework and fluid circulations in the environment of the unconformity-related U-deposits: example of the Cigar Lake deposit (Saskatchewan, Canada)
Caractérisations structurale et des circulations fluides dans l'environnement des gisements de type discordance : exemple du gisement de Cigar Lake (Saskatchewan, Canada)
Résumé
The Athabasca basin has been recognized since the 1970s as a strategic exploration target for Proterozoic unconformities-related uranium deposits. Known deposits and occurrences are spatially associated with syn- to post-Athabasca reactivated basement faults with intense hydrothermal clay-rich alterations. Intersections between these faults, acting as fluid conduits, and the Proterozoic unconformity is the main exploration guide for discovering new deposits. However, alteration intensity variations and mineralization quantities observed along these structures reveal differences in the hydrothermal fluids draining efficiency and the uranium mineralization deposition. While structural control and reactivation of these inherited structures are identified as essential parameters for fluid circulation and uranium deposition, the key geological factors that allow the transformation of impermeable structures into permeable ones remain unknown. To identify these factors, this thesis approach relies on the comparison between fertile and sterile fault zones, using the Cigar Main fault and his associated Cigar Lake deposit and the Cigar North fault and its mineralized occurrences. The specificity of this study is based on the structural and petrophysical analysis techniques used in the characterization of geological reservoirs and active geothermal systems to the fossil hydrothermal system of the Cigar Lake deposit environment. The study area scale structural analysis reveals a heterogeneous distribution of pre-uranium deformation controlled by various lithological contacts. This contrasting structural inheritage results in a preferential deformation focalisation on the Cigar North fault localized at lithological blocks interface. Due to the higher deformation accumulation, larger displacements, and tectonic reactivations increases, the Cigar North fault is interpreted as the principal, highly mature fault, while the Cigar Main fault is considered as a less mature secondary fault. This maturity difference is associated with in the morphological and mineralogical fault zones variations, which impact their petrophysical footprints and lead to specific hydraulic behaviors. These hydraulic behavior variations are related to the development of fracturing and hydrothermal alteration, which control the morphology of porous networks and the matrix hydraulic properties at sample scale. By reconstructing the evolution of these parameters through petrophysical paths and comparing them with the different alteration phases, these study identify the pre-, syn-, and post-uranium hydraulic evolution of the fault zones. The results of this study point the control of the initial structural inheritage on the development of pre-uranium fracturing and alteration in secondary faults as the key factor, which leads to the creation of effective drains for the circulation of a large amount of uranium-rich fluids and the deposition of economically ore bodies.
La région du bassin de l'Athabasca est reconnue depuis les années 1970 comme une cible d'exploration stratégique pour les gisements d'uranium associés aux discordances protérozoïques. Les gisements et indices connus sont spatialement associés à des failles de socle réactivées syn- à post-Athabasca, le long desquelles d'intenses altérations hydrothermales argileuses sont observées. L'intersection entre ces zones de faille vectrices des circulations fluides et la discordance paléo-protérozoïque constitue le guide d'exploration principal pour la découverte de nouveaux gisements. Cependant, les variations de l'intensité des altérations et des quantités de minéralisations retrouvées dans ces structures, font apparaître une différence dans l'efficacité de ces conduits pour le drainage des fluides hydrothermaux et le dépôt des minéralisations uranifères. Si le contrôle structural et la réactivation de ces structures héritées sont identifiés comme des paramètres essentiels à la circulation de ces fluides et à la mise en place des gisements, les facteurs géologiques clefs permettant la transformation des structures imperméables en structures perméables sont encore inconnus. Afin de déterminer ces facteurs, cette thèse propose de comparer des zones de faille de fertilité en minéralisations uranifères contrastée, en prenant pour exemples la faille de Cigar Main contenant le gisement de Cigar Lake et la faille de Cigar Nord et ses indices minéralisés. La spécificité de cette étude repose sur l'application de techniques d'analyses structurales et prétrophysiques employées dans la caractérisation des réservoirs géologiques et des systèmes géothermiques actifs, au système hydrothermal fossile mis en place dans l'environnement du gisement de Cigar Lake. L'analyse structurale réalisée à l'échelle de la zone d'étude met en avant la répartition hétérogène de la déformation pré-uranium contrôlée par des contacts lithologiques de natures différentes. Cet héritage structural contrasté a pour effet de focaliser préférentiellement la déformation sur la faille de Cigar Nord à l'interface entre deux blocs lithologiques. De par l'accumulation plus forte de la déformation, les déplacements plus importants et les réactivations tectoniques plus nombreuses, la faille de Cigar Nord est interprétée comme la faille principale à forte maturité et la faille de Cigar Main comme une faille secondaire moins mature. Cette différence de maturité est associée à des variations de la morphologie et de la minéralogie des zones de faille qui impactent leurs signatures pétrophysiques et conduit à des comportements hydrauliques spécifiques. Ces variations de comportements hydrauliques sont liées au développement de la fracturation et de l'altération hydrothermale, paramètres contrôlant la morphologie des réseaux poreux et les propriétés hydrauliques matricielles des échantillons. La reconstitution de l'évolution de ces paramètres au travers de trajets pétrophysiques et leur mise en parallèle avec les différentes phases d'altérations, a permis de retracer l'évolution hydraulique pré-, syn- et post-uranium des zones de faille. Les résultats de cette étude mettent en avant l'importance du contrôle de l'héritage structural initial sur le développement de la fracturation et de l'altération pré-uranium dans les failles secondaires, à l'origine de la création de drains efficaces pour la circulation d'une grande quantité de fluides enrichis en uranium et le dépôt de gisements d'importance économique.
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