Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Geochemical variation of oxide-apatite mineralization associated with Proterozoic massif-type anorthosites in the Central Grenville Province, Quebec, Canada

Miloski Guimarães Pedro. (2023). Geochemical variation of oxide-apatite mineralization associated with Proterozoic massif-type anorthosites in the Central Grenville Province, Quebec, Canada. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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A variety of magmatic oxide-apatite mineralization is spatially and temporally associated with Proterozoic AMCG (Anorthosite–Mangerite–Charnockite–Granite) suites, being of both economic and scientific interest, hosting significant amounts of critical and strategic metals, such as Ti, V and P. However, the origin and genetic relationship of both AMCG host and oxide-apatite mineralization are still highly debated, as well as the exact tectonic setting. Oxide-apatite mineralization is commonly interpreted as crystallizing from residual Fe-Ti-V-P rich melts (ferrodiorite/jotunite composition), after extensive polybaric crystallization of plagioclase and mafic silicates during the formation of anorthosite massifs. The two younger AMCG suites in the Central Grenville Province (1082-1045 Ma Pipmuacan and 1020-1008 Ma Valin) have a complex petrogenetic evolution, presenting a geochemical variation of oxide-apatite mineralization (from Ti-magnetite-dominated to hemo-ilmenite-dominated mineralization) according to the host anorthosite composition (labradorite- or andesine-type) and its age. Andesine-type anorthosite massifs that are younger than 1100 Ma are orthopyroxene-bearing and host hemo-ilmenite (± apatite) mineralization, whereas labradorite-type anorthosite massifs which are older than 1100 Ma, are olivine-bearing and host Ti-magnetite (± apatite) mineralization. The reason for this mineralogical and geochemical variation of oxide-apatite mineralization with time is not understood but could be due change in parental melts and/or degrees of crustal contamination or fractional crystallization. This thesis aims to better characterize this geochemical variation in both ore-deposit and regional scales in the Central Grenville Province, understanding the processes that control their compositional variation (e.g., source of magma, crustal contamination, evolution of residual ferrodiorite/jotuntite magmas) through LA-ICP-MS whole rock and mineral chemistry of plagioclase, ilmenite, magnetite and apatite, as well U-Pb-Hf isotopes in zircon. This methodology was applied to Fe-Ti-(P) mineralization (hemo-ilmenite dominated) at three different scales to better characterize the geochemical variation within: I) a single lenticular oxide-apatite-norite deposit (Lac à l’Orignal); a larger scale through II) several mineralized lenses composed by different Fe-Ti-P cumulates (e.g., massive oxides, nelsonite and oxide-apatite-norite at Lac Mirepoix); a regional scale, III) comparing the different locations of Fe-Ti-P mineralization hosted in the anorthosites and mangerites of the Pipmuacan (Lac de l’Abbondance, L’Étang, Lac Périgny) and Valin (Lac Brûlé, Mattawa and La Hache) AMCG suites with mineralization at Lac à l’Orignal and Lac Mirepoix (Vanel Anorthosite), as well as published data from Fe-Ti-P deposits from the Grenville Province (e.g, Lac Tio, Grader Intrusion, Saint Urbain). The Lac à l’Orignal Fe-Ti-P deposit, hosted in the 1080 (±2) Ma Vanel Anorthosite near the northern border of the 1016 (±2) Ma Mattawa Anorthosite, comprises a lenticular structure of oxide apatite norite (OAN) with thin layers of apatite-bearing anorthosite and minor amounts of nelsonite (massive Fe-Ti oxides and apatite). The mineralization is dominated by hemo-ilmenite, accompanied by apatite and a minor amount of magnetite at the borders, whereas the core is dominated by ilmenite, magnetite, and apatite. In-situ U-Pb dating of magmatic zircon from the mineralization indicates that the Lac à l’Orignal deposit is a multi-injection intrusion with two different crystallization ages between the younger core (993 ± 13 Ma) and the older upper border (1069 ± 12 Ma) of the intrusion. These ages are similar to those of nearby anorthosite massifs (Mattawa and Vanel anorthosites, respectively). In-situ trace element analysis of plagioclase, apatite and oxides reveals subtle variations in Cr, Ni and V related to differentiation under relatively high-fO2 conditions (FMQ = +0.9 to +1.7). Calculated melt compositions from apatite indicates a similar parental magma for both the border and core that matches the composition of high-Fe-Ti-P ferrodiorite dykes at Lac à l’Original. Sub-solidus inter-oxide equilibration modified the original composition of the different cumulates in the intrusion. The absence of extensive massive oxide cumulates and the presence of higher amounts of cumulus magnetite and apatite, supported by mineral chemistry, denotes a more evolved character for the Lac à l’Orignal deposit compared with other Fe-Ti-(P) deposits in the Grenville Province (e.g., Lac Tio, Grader intrusion). Petrogenetically, the Lac à l’Orignal Fe-Ti-P deposit corresponds to an evolved part of a low-Ti/Fe system in the Grenville Province in the late stages of differentiation of ferrodiorite/jotunite magmas. The nearby Lac Mirepoix Fe-Ti-P mineralization is also (hemo)-ilmenite-dominated, accompanied by magnetite and apatite. This ‘layered intrusion’ is subdivided in three different zones due to the appearance of different cumulate phases: zone I comprises mainly massive oxide (>70% hemo-ilmenite ± magnetite) layers hosted in anorthosite. Towards the center (zone II), massive oxide layers are less common whereas apatite-bearing cumulates appear, forming massive nelsonite (50-70% magnetite ± ilmenite and 25-30% apatite) and oxide apatite norite (OAN, 15-25% hemo-ilmenite ± magnetite and 8-20% apatite). Finally, zone III is marked by the alternance of OAN layers (10-25m), richer in magnetite, in addition to (hemo)-ilmenite and apatite, and an absence of massive oxide and nelsonite. In-situ trace element analysis of plagioclase, apatite and oxides reveals cryptic variations related to magma differentiation and multiple injections of ferrodiorite parental magmas of similar composition from which the OAN and nelsonite crysatllized from. Similar to Lac à l’Orignal, in-situ U-Pb dating of zircon from the OAN mineralization itself indicates two different crystallization ages between zone III (1048 ± 8Ma) and zone I (964 ± 9 Ma), favoring a model of multi-injections rather than in-situ crystallization of a single layered intrusion, which is supported by trace element geochemistry. The Lac Mirepoix mineralization records the following fractional crystallization sequence of a high-Ti-P magma, residual after the anorthosite formation: first, massive oxides of hemo-ilmenite crystallized (high Ti/Fe) by oxide settling, with primitive compositions, similar to the world-class Lac Tio deposit. The oxide-apatite mineralization (nelsonite and OAN) crystallized from the residual liquid (lower Ti/Fe, evolved compositions) in which magnetite and apatite were more abundant, similar to nearby mineralization in the area (e.g. Lac à l’Orignal Fe-Ti-P mineralization). The observed decrease in Ti content of the evolving melt is supported by the liquid line of descent of several ferrodiorite dykes within the host-rocks and mineralization. The regional study of several Fe-Ti-P mineralization in the two younger Pipmuacan and Valin AMCG suites demonstrates a similar geochemical evolution related to fractional crystallization of parental ferrodiorite magma, with massive oxides (hemo-ilmenite ± magnetite) crystallizing first from high Ti/Fe residual melts followed by apatite-bearing nelsonites ((hemo)-ilmenite + magnetite + apatite), oxide apatite norite ((hemo)-ilmenite + magnetite + apatite + silicates) crystallizing from low-Ti/Fe melts. The most evolved melts (jotunite composition) formed mineralized mangerites (ilmenite + magnetite + apatite + oligoclase + K-feldspar + quartz). Most of the Fe-Ti-P mineralization in this study is within the range of previous ages for the Pimuacan and Valin AMCG suites (1080 – 950Ma). However, U-Pb dating of the mineralized cumulates in this study resulted in quite different ages (>50Ma) from previously publications on each respective host-AMCG. We propose a complex model of multiple injections of residual Fe-Ti-P-rich liquids drained from or filter-pressed within diapirs of plagioclase-rich mushes that were emplaced over 80 Mys apart along the same crustal detachment zone. In-situ U-Pb-Hf isotopes in zircon from Fe-Ti-P mineralization in this study have mainly chondritic to slightly positive and negative εHf values, in which mineralization in the Labrieville and Mattawa anorthosites present more suprachondritic Hf signature (εHf: +3.0 to +7.0; U-Pb dating: 1065 (± 5Ma) to 990 (± 7Ma)), possibly reflecting contamination from juvenile crust, similar to mineralization in the Saint Urbain Anorthosite. Mineralization associated with the Vanel Anorthosite and the mangerites of La Hache and Poulin de Courval present a more enriched Hf signature (εHf: -5.0 to +7.4; U-Pb dating: 964 (± 9Ma) to 1115 (± 11Ma)), either being relatively more contaminated, and/or associated with more enriched mantle source(s) in relation to the mineralization at Labrieville and Mattawa. The trace element patterns of apatite from all of the Fe-Ti-P mineralization have LREE enriched patterns very similar to apatite from mafic layered intrusions, associated with mantle plumes, with negligible crustal contamination. This indicates the involvement of an asthenospheric enriched mantle source in forming the Fe-Ti-P rich melts for the different Fe-Ti-P mineralization in this study, rather than a depleted mantle source or enriched subcontinental lithospheric mantle as commonly proposed in previous tectonic models for the Grenville AMCG magmatism. Moreover, the Lu-Hf data reveal that Fe-Ti-P mineralization in Vanel Anorthosite and the mangerites of La Hache and Poulin de Courval probably underwent low- to moderate lower crustal contamination. Therefore, we show for the first time that apatite and zircon geochemistry provide important constraints on the mantle source and role of contamination in the petrogenesis of AMCG suites in the Grenville Province, which should be taken into account for the tectonic model of the Grenville.

Une variété de minéralisations magmatiques d'oxyde-apatite sont associées spatialement et temporellement aux suites AMCG (Anorthosite – Mangerite – Charnockite – Granite) protérozoïques, présentant un intérêt à la fois économique et scientifique, abritant des quantités importantes de métaux critiques et stratégiques, tels que Ti, V et P. Cependant, l'origine et la relation génétique entre la minéralisation oxyde-apatite et l’hôte AMCG sont encore très controversées, ainsi que le cadre tectonique exact. La minéralisation en oxyde-apatite est communément interprétée comme une cristallisation à partir de liquide résiduel riche en Fe-Ti-V-P (composition ferrodiorite/jotunite), après une cristallisation polybarique étendue de plagioclase et de silicates mafiques lors de la formation de massifs d'anorthosite. Les deux suites AMCG plus jeunes de la province centrale du Grenville (suites AMCG Pipmuacan 1082-1045 Ma et Valin 1020-1008 Ma) ont une évolution pétrogénétique complexe, présentant une variation géochimique de la minéralisation en oxyde-apatite (de la minéralisation dominée par la Ti-magnétite à l'hémo- minéralisation à dominante ilménite) selon la composition de l'anorthosite encaissante (type labradorite ou andésine) et son âge. Les massifs d'anorthosite de type andésine datant de moins de 1100 Ma sont à orthopyroxène et contiennent des minéralisations à hémo-ilménite (± apatite), tandis que les massifs d'anorthosite de type labradorite, plus âgés que 1100 Ma, sont à olivine et contiennent des minéralisations à Ti-magnétite (± apatite). La raison de cette variation minéralogique et géochimique de la minéralisation d'oxyde-apatite avec le temps n'est pas comprise, mais pourrait être due à un changement dans les magmas parentales et/ou aux degrés de contamination crustale ou de cristallisation fractionnée. Cette thèse vise à mieux caractériser cette variation géochimique à l'échelle du gisement et à l'échelle régionale dans la Province du Grenville, en comprenant les processus qui contrôlent leur variation de composition (ex. source de magma, contamination crustale, évolution des magmas résiduels de ferrodiorite/jotuntite) utilisant la chimie minérale du plagioclase, de l'ilménite, de la magnétite et de l'apatite, ainsi que des isotopes U-Pb-Hf dans le zircon. Cette méthodologie a été appliquée à la minéralisation Fe-Ti-(P) (dominée par l'hémo-ilménite) à trois échelles différentes afin de mieux caractériser la variation géochimique au sein: I) d'un seul gisement lenticulaire d'oxyde-apatite-norite (Lac à l'Orignal); à plus grande échelle jusqu'à II) plusieurs lentilles minéralisées composées des différents cumulâtes de Fe-Ti-P (ex. oxydes massifs, nelsonite et oxyde-apatite-norite au Lac Mirepoix); une échelle régionale, III) comparant les différentes localisations de minéralisation Fe-Ti-P encaissées dans les anorthosites et mangérites aux Suites AMCG de Pipmuacan (Lac de l'Abbondance, L'Étang, Lac Périgny) et Valin (Lac Brûlé, Mattawa et La Hache ) avec minéralisation au Lac à l'Orignal et au Lac Mirepoix (Anorthosite de Vanel), ainsi que les données publiées des gisements Fe-Ti-P de la Province du Grenville (ex. Lac Tio, Grader Intrusion, Saint Urbain). Le gisement Fe-Ti-P du Lac à l'Orignal, encaissé dans l'anorthosite de Vanel )1080 (±2) Ma) près de la limite nord de l'anorthosite de Mattawa (1016 (±2) Ma), comprend une structure lenticulaire d'oxide-apatite-norite (OAN) avec de fines couches d'anorthosite à apatite et des quantités mineures de nelsonite (oxydes massifs de Fe-Ti et apatite). La minéralisation est dominée par l'hémo-ilménite, accompagnée d'apatite et d'une quantité mineure de magnétite aux bordures, tandis que le noyau est dominé par l'ilménite, la magnétite et l'apatite. La datation U-Pb in situ des zircons magmatiques de la minéralisation indique que le gisement du Lac à l'Orignal est une intrusion multi-injection avec deux âges de cristallisation différents entre le noyau le plus jeune (993 ± 13 Ma) et la bordure supérieure la plus ancienne (1069 ± 12 Ma) de l'intrusion. Ces âges sont similaires à ceux des massifs d'anorthosite voisins (anorthosites de Mattawa et Vanel, respectivement). L'analyse in situ des éléments traces du plagioclase, de l'apatite et des oxydes révèle de subtiles variations de Cr, Ni et V liées à la différenciation dans des conditions de fO2 relativement élevées (FMQ = +0,9 à +1,7). Les compositions de la fonte calculées à partir de l'apatite indiquent un magma parental similaire pour la bordure et le noyau qui correspond à la composition des dykes de ferrodiorite à haute teneur en Fe-Ti-P du Lac à l'Original. L'équilibrage d’inter-oxydes sous-solidus a modifié la composition originale des différentes cumulâtes de l'intrusion. L'absence de cumulus de massifs d'oxydes étendus et la présence de quantités plus élevées des cumulus de magnétite et d'apatite, soutenues par la chimie minérale, dénotent un caractère plus évolué du gisement du Lac à l'Orignal par rapport aux autres gisements de Fe-Ti-(P) de la Province du Grenville (ex. Lac Tio, Grader Intrusion). Pétrogénétiquement, le gisement de Fe-Ti-P du Lac à l'Orignal correspond à une partie évoluée d'un système pauvre en Ti/Fe de la Province du Grenville aux derniers stades de différenciation des magmas ferrodiorite/jotunite. La minéralisation Fe-Ti-P du Lac Mirepoix, située à proximité, est également dominée par l'(hémo)-ilménite, accompagnée de magnétite et d'apatite. Cette intrusion litée est subdivisée en trois zones différentes en raison de l'apparition de différentes phases des cumulâtes: la zone I comprend principalement des couches d'oxyde massif (>70 % d'hémo-ilménite ± magnétite) encaissées dans l'anorthosite. Vers le centre (zone II), les couches d'oxydes massifs sont moins fréquentes tandis que des cumulâtes d’apatites apparaissent, formant de la nelsonite massive (50-70 % de magnétite ± ilménite et 25-30 % d'apatite) et d’oxyde-apatite norite (OAN, 15-25 % hémo-ilménite ± magnétite et 8-20% d'apatite). Enfin, la zone III est marquée par l'alternance de couches d'OAN (10-25m), plus riches en magnétite, en plus de l'(hémo)-ilménite et de l'apatite, et par une absence d'oxyde massif et de nelsonite. L'analyse in situ des éléments traces du plagioclase, de l'apatite et des oxydes révèle des variations cryptiques liées à la différenciation du magma et à des injections multiples de magmas parentaux de ferrodiorite de composition similaire à partir desquels l'OAN et la nelsonite ont cristallisé. Semblable au Lac à l'Orignal, la datation U-Pb in situ des zircons de la minéralisation OAN elle-même indique deux âges de cristallisation différents entre la zone III (1048 ± 8 Ma) et la zone I (964 ± 9 Ma), favorisant un modèle de multi-injections plutôt que la cristallisation in situ d'une intrusion litée, qui est soutenue par la géochimie des éléments traces. La minéralisation du Lac Mirepoix enregistre la séquence de cristallisation fractionnée suivante d'un magma à haute teneur en Ti-P, résiduel après la formation de l'anorthosite: d'abord, des oxydes massifs d'hémo-ilménite cristallisés (haute Ti/Fe) par accumulation d'oxydes, avec des compositions primitives, similaires à le gisement de classe mondiale du Lac Tio. La minéralisation d'oxyde-apatite (nelsonite et OAN) s'est cristallisée à partir du liquide résiduel (Ti/Fe inférieur, compositions évoluées) dans lequel la magnétite et l'apatite étaient plus abondantes, semblable à la minéralisation voisine dans la région (ex. Lac à l'Orignal Fe-Ti-P). La diminution observée de la teneur en Ti du magma en évolution est soutenue par la ligne de descente liquide de plusieurs dykes de ferrodiorite au sein des roches encaissantes et de la minéralisation. L'étude régionale de plusieurs minéralisations Fe-Ti-P dans les deux suites AMCG plus jeunes de Pipmuacan et Valin démontre une évolution géochimique similaire liée à la cristallisation fractionnée du magma ferrodiorite parental, avec des oxydes massifs (hémo-ilménite ± magnétite) cristallisant d'abord à partir de niveaux élevés de Ti/Fe, suivies par les nelsonites contenant de l'apatite ((hémo)-ilménite + magnétite + apatite), la norite d'oxyde d'apatite ((hémo)-ilménite + magnétite + apatite + silicates) qui cristallisent à partir de liquides résiduelles (ferrodiorite) à faible teneur en Ti/Fe. Les magmas les plus évolués (composition de jotunite) ont formé des mangérites minéralisées (ilménite + magnétite + apatite + oligoclase + feldspath potassique + quartz). La majeure partie de la minéralisation Fe-Ti-P dans cette étude se situe dans la plage des âges précédents pour les suites AMCG Pimuacan et Valin (1080 – 950Ma). Cependant, la datation U-Pb des cumulâtes minéralisés dans cette étude a donné des âges assez différents (> 50 Ma) par rapport aux publications précédentes sur chaque AMCG hôte respectif. Nous proposons un modèle complexe d'injections multiples de liquides résiduels riches en Fe-Ti-P drainés ou filtrés dans des diapirs de bouillies riches en plagioclase qui ont été mises en place à plus de 80 Mys d'intervalle le long de la même zone de détachement crustale. Les isotopes U-Pb-Hf in situ dans le zircon de la minéralisation Fe-Ti-P dans cette étude ont principalement des valeurs εHf chondritiques à légèrement positives et négatives, dans lesquelles la minéralisation des anorthosites de Labrieville et Mattawa présente une signature Hf plus suprachondritique (εHf: + 3,0 à +7,0 ; datation U-Pb : 1065 (± 5Ma) à 990 (± 7Ma)), reflétant peut-être une contamination par une croûte juvénile, similaire à la minéralisation de l'anorthosite de Saint Urbain. Les minéralisations associées à l'anorthosite Vanel et aux mangérites de La Hache et Poulin de Courval présentent une signature Hf plus enrichie (εHf: -5,0 à +7,4 ; datation U-Pb: 964 (± 9Ma) à 1115 (± 11Ma)), soit étant relativement plus contaminés et/ou associés à des sources mantelliques plus enrichies par rapport à la minéralisation de Labrieville et de Mattawa. Les patrons d'éléments traces de l'apatite de toutes les minéralisations Fe-Ti-P ont des patrons enrichis en LREE très similaires à l'apatite provenant d'intrusions litées, associées aux panaches du manteau, avec une contamination crustale négligeable. Cela indique l'implication d'une source de manteau asthénosphérique enrichi dans la formation des magmas riches en Fe-Ti-P pour les différentes minéralisations en Fe-Ti-P dans cette étude, plutôt qu'une source de manteau appauvrie ou un manteau lithosphérique sous-continental enrichi comme communément proposé dans les études précédentes de modèles tectoniques pour le magmatisme AMCG de Grenville. De plus, les données Lu-Hf révèlent que la minéralisation Fe-Ti-P dans l'anorthosite de Vanel et les mangérites de La Hache et Poulin de Courval ont probablement subi une contamination crustale inférieure faible à modérée. Ainsi, nous montrons pour la première fois que la géochimie de l'apatite et du zircon fournit des contraintes importantes sur la source mantellique et le rôle de la contamination dans la pétrogenèse des suites AMCG de la Province du Grenville, qui devraient être prises en compte pour le modèle tectonique du Grenville.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:497
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Dare, Sarah
Mots-clés:anorthosites, Fe-Ti-P deposits, géologie, Fe-Ti-P mineralization, geology of Quebec, oxide-apatite geochemistry
Déposé le:20 févr. 2024 18:37
Dernière modification:22 févr. 2024 20:53
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