Traçage des fluides et conditions PVTX-déformation de mise en place des veines minéralisées d’un gisement de type porphyre-épithermal à Cu-Mo-Re-Au (Pagoni Rachi, Thrace occidentale, Grèce)

Fluid tracking and PVTX conditions for the emplacement of mineralized veins in a porphyry-epithermal Cu-Mo (Re-Au) deposit and influence of deformation (Pagoni Rachi, Western Thrace, Greece)

• Auteur / Autrice : Baptiste Abiven
• Direction : Alexandre Tarantola, Antonin Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 24/02/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Damien Guillaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Tarantola, Antonin Richard, Giada Iacono-Marziano, Philippe Boulvais, Véronique Le Roux, Julien Mercadier, Philippe Goncalves
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giada Iacono-Marziano, Philippe Boulvais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inclusions fluides

Paragenèse (géologie)

Prospection géophysique

Métallogénie

Gisements hydrothermaux

Thrace (Grèce)

Porphyre (pétrologie)

Mots clés libres

Porphyre-Épithermal

Traçage

Déformation

Fluides minéralisateurs

Inclusions fluides

Porphyry-Epithermal

Tracking

Deformation

Mineralizing fluids

Fluid inclusions

Résumé

Les gisements de type porphyre-épithermal représentent près de 75 % du Cu, 95 % du Mo, et près de 20 % de l'Au exploités dans le monde. Nombre de ces gisements se concentrent au sein de la Ceinture Métallogénique Téthysienne, notamment dans la région sud-est des Balkans-Rhodopes. Le nord-est de la Grèce présente une occurrence de ces gisements parmi les plus riches en métaux accessoires dans le monde. Ceci rend cette région propice à la prospection et à la compréhension des processus d'enrichissement dans ce type de système métallogénique associé à un contexte géodynamique particulier — post-collision et amincissement de la croûte continentale. Le site de Pagoni Rachi présente un gisement de type porphyre à Cu-Mo (Re-Au) et sub-épithermal à Pb-Zn télescopés, encaissé dans une granodiorite altérée, sous la forme d'un stockwork minéralisé en métaux de base (Cu, Pb, Zn), précieux (Au, Ag) et critiques (Mo, Re, Ga, Ge, Te), caractéristiques de ces systèmes. La présence de molybdénite enrichie en Re (>4,7 % en poids) avec la présence de rhéniite (ReS₂) en plus du cortège métallique Cu-Mo rend cette minéralisation atypique. Son étude permettra de mieux contraindre les conditions du transport hydrothermal des métaux. L'étude de terrain et pétrographique indique une succession de veines caractéristiques des systèmes porphyres et épithermaux : A/M ondulante à quartz-hématite-pyrite/magnétite-hématite, B1 droite à quartz, C en réouverture des veines précédentes, à chalcopyrite-molybdénite ± rhéniite, D à pyrite massive, B2 rubanée en stockwork massif en partie sommitale du système, E1 à quartz-calcite-sphalérite-galène, et E2 à calcite-pyrite associées à un système sub-épithermal tardif. L'imagerie des veines de quartz par cathodoluminescence révèle des réouvertures de veines, une croissance oscillatoire des cristaux de quartz, ainsi que des textures de recristallisation dynamique témoignant d'une transition progressive d'un domaine de déformation chaud-ductile (~600 °C) à froid-cassant (<250 °C). L'étude de cette déformation, combinée à celle des éléments traces, montre une mobilité du titane dans le quartz à de hauts taux de déformation avec des textures typiques de recristallisation dynamique des quartz, comme les textures GBM, et des textures CL en ghostbands et mottled. L'implication de tel processus et de la formation de quartz dans des conditions hors équilibre rend impossible l'utilisation du thermomètre du Ti dans le quartz, rendant des valeurs de température éronées. De plus, ce décalage a pour effet de complexifier la lecture des diagrammes de classification élémentaire des veines de type porphyre et épithermal (Al/Ti vs. Ge/Ti), avec de mauvaises interprétations. L'étude des inclusions fluides dans le quartz indique une circulation continue de fluides pendant la cristallisation et la recristallisation du quartz, marquée par une ébullition autour de 485 °C, et une mise en place de veine de pression lithostatique à hydrostatique associée à la formation de la minéralisation à Cu, Mo, et Re, puis par un refroidissement et une dilution par des fluides de surface liés à l'événement épithermal à métaux critiques. La combinaison des isotopes stables de l'oxygène, de l'hydrogène, du carbone et des éléments traces des minéraux de gangue des différentes veines montre que la mise en place du système porphyre évolue d'un domaine de magmatisme sous-marin en contexte d'arrière arc vers un domaine continental dominé par les eaux météoriques. En effet, la signature géochimique des fluides évolue d'un pôle magmatique vers un pôle d'eau de mer, avec un mélange progressif des veines de type A à B2. Suivi d'une incursion tardive d'eau météorique et d'une interaction fluide-roche associée à la formation de failles et à un phénomène de soulèvement avec les veines type E1 et E2. Avec une de baisse, de température, pH pression. Ce processus est ensuite suivi par une érosion exposant le gisement à la surface.

Porphyry-epithermal deposits account for approximately 75% of the world's Cu, 95% of the Mo, and about 20% of the Au production. Many of these deposits are concentrated within the Tethyan Metallogenic Belt, particularly in the southeastern Balkans-Rhodope region. Northeastern Greece hosts some of the richest occurrences of these deposits in terms of accessory metals worldwide. This makes the region highly favorable for exploration and for understanding the enrichment processes in this type of metallogenic system, which is associated with a specific geodynamic setting—post-collision and continental crust thinning. The Pagoni Rachi site hosts a porphyry-type Cu-Mo (Re-Au) deposit and a telescoped sub-epithermal Pb-Zn system, both hosted in altered granodiorite in the form of a stockwork mineralized in base metals (Cu, Pb, Zn), precious metals (Au, Ag), and critical metals (Mo, Re, Ga, Ge, Te), which are characteristic of such systems. The presence of molybdenite enriched in Re (>4.7 wt%) along with rheniite (ReS₂) in addition to the Cu-Mo metallic suite makes this mineralization atypical. Its study will allow better constraints on the hydrothermal transport conditions of metals. Fieldwork and petrographic analyses reveal a succession of vein types characteristic of porphyry and epithermal systems: A/M veins with wavy quartz-hematite-pyrite/magnetite-hematite, B1 straight quartz veins, C veins reopening earlier veins, with chalcopyrite-molybdenite ± rheniite, D veins with massive pyrite, B2 banded vein as a stockwork in the upper part of the system, E1 quartz-calcite-sphalerite-galena veins, and E2 calcite-pyrite veins associated with a late-stage sub-epithermal system. Quartz vein imaging by cathodoluminescence reveals reopened veins, oscillatory growth of quartz crystals, and dynamic recrystallization textures indicative of a progressive transition from a high-temperature ductile deformation regime (~600 °C) to a low-temperature brittle regime (<250 °C). The study of this deformation, combined with trace element analysis, indicates titanium mobility in quartz under high deformation rates, producing typical dynamic recrystallization textures such as GBM textures and CL textures with ghost bands and mottled patterns. The implications of such processes, along with quartz formation under non-equilibrium conditions, render the use of the Ti-in-quartz thermometer unreliable, as it produces erroneous temperature values. Furthermore, this shift complicates the interpretation of elemental classification diagrams for porphyry and epithermal vein systems (e.g., Al/Ti vs. Ge/Ti), leading to potential misinterpretations. Fluid inclusion studies in quartz indicate continuous fluid circulation during quartz crystallization and recrystallization, marked by boiling around 485 °C and the formation of veins transitioning from lithostatic to hydrostatic pressure. This is associated with the precipitation of Cu, Mo, and Re mineralization, followed by cooling and dilution by surface-derived fluids linked to the epithermal event associated with critical metals. The combination of stable isotopes (oxygen, hydrogen, and carbon) and trace elements in gangue minerals from different vein types shows that the porphyry system evolves from a submarine magmatic domain in a back-arc setting to a continental domain dominated by meteoric waters. The geochemical signature of fluids evolves from a magmatic pole toward a seawater pole, with progressive mixing observed in veins of types A to B2. This is followed by a late-stage incursion of meteoric water and fluid-rock interactions associated with fault formation and uplift, particularly with veins of types E1 and E2. This phase is characterized by decreases in temperature, pH, and pressure. The process is ultimately followed by erosion, exposing the deposit at the surface.