Signatures géophysiques des intrusions kimberlitiques au Québec
Projet DIVEX SC15
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Introduction
L'exploration diamantifère dans le monde s'est développée autour de régions très particulières associées aux anciens cratons Archéens. Au Canada, la région la plus fertile en découvertes est sans aucun doute les Territoires du Nord Ouest, mais de nombreuses études sont également réalisées dans les autres provinces (Saskatchewan, Ontario). Au Québec, l'exploration s'est accentuée ces dernières années avec notamment la découverte de kimberlites diamantifères par Asthom/Soquem dans la zone Foxtrot (Renard). De nombreuses études ont été réalisées au Québec, mais avec encore très peu de succès en terme économique. Le contexte québécois de mise en place des intrusions kimberlitiques semble différent de celui des autres provinces canadiennes (âge, contexte géologique...), ce qui pourrait expliquer en partie les insuccès de l'exploration.
D'un point de vue général, l'exploration s'initie avec une campagne de levés géologiques de terrain suivie de levés géophysiques aéroportées. L'objectif est alors de trouver des corrélations entre les indicateurs minéralogiques des kimberlites et les anomalies géophysiques afin de restreindre la zone d'études, et d'y réaliser des levés géologiques et géophysiques de détail, ainsi que des forages. Par la suite, et si les forages donnent satisfaction, un modèle 3D des structures est construit à partir de l'information des forages et des résultats de l'analyse des données géophysiques obtenue par l'inversion des données. Les méthodes géophysiques interviennent donc tôt dans le processus de la découverte, et elles jouent un rôle important pour la caractérisation 3D des structures et l’évaluation des volumes.
Cependant, on note que les intrusions kimberlitiques sont généralement de faibles dimensions, typiquement de l'ordre de quelques centaines de mètres de diamètre. Un échantillonnage de haute résolution est donc un premier facteur important dans le processus de la découverte, ce qui renforce l'importance des méthodes géophysiques aéroportées/héliportées pour obtenir de l'information sur des grandes régions difficiles d'accès.
De plus, on a noté que les anomalies géophysiques détectées au dessus de kimberlites reconnues peuvent être parfois négatives, parfois positives, et voire même nulle (aucune anomalie n'est identifiée sur le levé). Ainsi, associer de manière systématique un type d'anomalie avec une kimberlite, et plus encore avec une kimberlite diamantifère, ou une méthode géophysique avec le succès d'une découverte est très difficile, voire risqué. En fait, il existe plusieurs types d'intrusions kimberlitiques dépendamment entre autre du contexte de mise en place et de la composition des roches (minéralogie) de l'encaissant et de l'intrusion, du niveau d'érosion et de la géométrie en profondeur des structures, de l'âge de mise en place (polarité de champ magnétique et rémanence). Les anomalies géophysiques, et en particulièrement leur forme et amplitude, seront fortement affectées par ces facteurs.
Objectifs
Mais étudier seulement les réponses géophysique ne semble pas suffisant. En effet, des études statistiques en 2001 ont montrées que sur près de 6400 kimberlites identifiées dans le monde, 14% étaient diamantifères, 4% avaient une concentration supérieure à 3 carat/100t, et, finalement, seulement moins de 1% de ces kimberlites étaient exploitées. Ainsi, trouver des kimberlites n'est donc pas le seul objectif de l'exploration, mais il s'agit plutôt de trouver ou d'identifier des kimberlites avec un fort potentiel diamantifères.
Connaissant cette diversité de facteurs, notre objectif est de déterminer les signatures géophysiques des structures favorables à l'exploration des diamants, avec pour objectif ultime de développer des outils d'exploration adaptés au contexte québécois.
Méthode
Pour atteindre notre objectif, nous avons considéré trois volets principaux dans cette étude.
Le premier point a consisté en une recherche bibliographique de documents décrivant la structure et les levés géophysiques sur des intrusions kimberlitiques au Canada, et plus particulièrement au Québec. L'objectif était alors de construire une base de données sur ces kimberlites, décrivant celles-ci sous divers champs tel que l'âge de mise en place, les méthodes géophysiques utilisées et les anomalies associées, le contexte géologique, minéralogie et degré d'altération de la kimberlite, les propriétés physiques de l'encaissant et de l'intrusion, la géométrie de l'intrusion (type, dimension), le niveau de faciès actuel de la kimberlite.
Un second volet de cette étude avait pour objectif de documenter les propriétés physiques des kimberlites au Québec, en vue de les comparer avec les mesures réalisées sur les intrusions au Canada et dans le reste du monde. Par des mesures sur échantillons on a estimé la densité, la conductivité électromagnétique et la susceptibilité magnétique. Ces propriétés seraient intégrées dans la base de données.
Finalement, une interprétation de données géophysiques réelles (aéroportée ou au sol) devait permettre de valider les résultats de cette étude. Les mesures des propriétés physiques, ainsi que les informations géologiques disponibles sur la région d'étude, seraient utilisées afin de contraindre les inversions des données géophysiques. L'objectif était donc d'obtenir plus d’information sur la géométrie en profondeur des kimberlites, dans le but ultime de donner un estimé du volume de la kimberlite afin d'établir un estimé de la valeur économique. De plus, comme il est difficile d'avoir des échantillons orientés pour faire l'étude de la rémanence, composant importante de l’anomalie magnétique des kimberlites et qu’on doit considérer dans l’interprétation, on a développé une approche pour l’estimation de cette rémanence (direction, intensité) à partir de données magnétiques au sol ou aéroportées et des paramètres connus du champ magnétique terrestre actuel (intensité, direction, inclinaison).
Résultats
À partir de la synthèse de l’ensemble des mesures, nous avons extrait pour chacun des échantillons de kimberlites du Québec et du Canada quatre données principales : l’âge, le type, la densité et la susceptibilité. Il faut noter ici que la détermination du type de faciès des kimberlites, c’est-à-dire les faciès cratère, diatrème ou hypabyssal, est une donnée plutôt qualitative par rapport aux autres données.
Âge : Les kimberlites du Québec sont, d’une manière générale, d’âge supérieur à 550-600Ma. Une exception est la kimberlite de Guigues Pipes (Teminscamingue) dont l’âge (142Ma) est similaire à ces voisines ontariennes (TE, KL, VP). La majorité des kimberlites du Canada (hors Québec) sont, elles, regroupées autour de 95-100Ma. Quelques échantillons d’âges 440Ma (SW) et 530Ma (SE) sont cependant disponibles. On note en particulier que l’âge des échantillons SE (Snap Lake) sont d’un âge comparable (mais inférieur) à celle de Beaver Lake (BL; 550Ma), et du Torngat (TG; 584Ma).
Type : On n’observe que des kimberlites de type hypabyssale pour le Québec. Ce paramètre n’est donc pas un élément distinctif pour différentier les kimberlites du Québec. Par contre, une plus grande variété de faciès est observée pour les kimberlites du Canada (hors Québec). On note en particulier que les kimberltes d’âge inférieur à 100Ma (« jeunes kimberlites ») sont toutes répertoriées dans un faciès cratère. Par contre, pour les kimberlites d’âge variant entre 140 et 160Ma, c’est-à-dire celles de l’Ontario (VP, KL, TE), et de sa voisine du Québec (GP), on observe les trois différents faciès. On note néanmoins que ces faciès se regroupent géographiquement (VP : faciès cratère; TE et GP : diatrème-hypabyssal).
Densité : On observe très clairement une différence entre les kimberlites du Torngat (TG) et les autres kimberlites du Québec (BL, WE, LT, GP). En effet, les kimberlites du Torngat se distinguent du groupe par une densité plus forte, proche de 3, alors que toutes les autres kimberlites du Québec semblent se regrouper autour d’une densité proche de 2.7, quel que soit l’âge de la kimberlite. Une plus grande diversité de la densité est observée sur les kimberlites du Canada (hors Québec). Cependant, une certaine différentiation est notable en fonction de l’âge de la kimberlite. Pour les kimberlites d’âge 100Ma, deux groupes semblent s’identifier : l’un avec une densité moyenne proche de 2.5, et l’autre avec une densité moyenne plus élevée, proche de 3. Par contre, pour les kimberlites d’âge 140-160Ma, les mesures de la densité semblent se regrouper autour de 2.7. Pour les kimberlites plus âgés (SW et SE; 440 et 530Ma), les mesures montrent des densités plus faibles que celles d’âges 550-630Ma (BL, WE et TG).
Susceptibilité : On observe une grande variation de la susceptibilité magnétique pour les kimberlites des monts Otish (BL), puisque l’on a mesuré des susceptibilités variant de 10-3 à 10-1 SI. Tous les échantillons provenant de Guigues Pipe (GP) et des Torngat montrent des susceptibilités supérieures à 10-2, allant même jusqu'à 10-1 SI (TG). Cette gamme de mesures de la susceptibilité magnétique est également observée sur les kimberlites du Canada (hors Québec). On note cependant que ces mesures ne semblent pas varier de plus d’un ordre de grandeur par zone géographique ou champ de kimberlites, contrairement à BL (2 ordre de grandeurs).
Le graphique montrant la variation de la densité par rapport à la susceptibilité magnétique pour les kimberlites du Québec montre clairement deux populations différentes. Le premier groupe est clairement représenté par les kimberlites des Torngat (TG). Elles sont représentées par une forte susceptibilité et une grande densité. Le second groupe, représenté par les autres kimberlites du Québec, présentent également des fortes susceptibilités (à l’exception des quelques mesures), mais montrent des densités plus faibles, proches de 2.7. On retrouve, dans les kimberlites du Canada (hors Québec) la trace de ce second groupe, mais on ne peut pas identifier clairement le premier groupe. Par contre, on retrouve un troisième groupe présentant d’une part des faibles susceptibilités magnétiques (10-3SI), et des densités variables (de 2 à 3). Ce dernier groupe est clairement associé aux kimberlites SL (Sturgeon Lake).
Graphique de densité en fonction de la susceptibilité magnétique pour les kimberlites du Québec.
Conclusions
Tout d’abord une base de données (propriétés physiques, réponses observées) a été produite à partir des références disponibles. Puis, nous avons mesuré les propriétés physiques (densité, susceptibilité magnétique, conductivité EM) d’échantillons de kimberlites du Québec et de régions immédiatement voisines. Cette base de données peut permettre d’aider à la modélisation et à l’interprétation des réponses géophysiques causées par des kimberlites d’environnement et d’âge variables. Finalement, un code d’inversion 3D des réponses magnétiques des cheminées kimberlitiques a été développé. Ce code permet de déterminer l’aimantation rémanente présente dans les cheminées et de mieux interpréter la géométrie des cheminées (profondeur, diamètre, extension verticale).
