Abridged English version
1 Rules and realities of tropical weathering of sulphidic mineralisations
Lateritic ironcrusts and gossans are relict supergene ferruginous rocks, the discrimination of which is difficult [22]. As ironcrusts prevail in the landscape like in West Africa, one remains in suspense everywhere.
Consequently, there is a problem for identifying and investigating gossans. The principle of distinction lies on the lithodependence of weathering products and ferruginisations, mineralisations being special rocks [4,7,8,16,20,27]. Distinctive criteria for gossans developed in ironcrust-bearing environments were established from studies in Togo, Burkina, Brazil and from other well-known examples [3,5,6,10–15,17,18,21,26].
2 Morphology of outcrops
Sizes and forms of supergene rocks are initially dependent on volume, morphology and composition of weathered and transformed parent rocks. Gossans are small, frequently oriented ferruginous bodies [3,5,10,22], mapped to 1:1000 to 1:10 000.
Lateritic ironcrusts develop on plateaus, levelled surfaces, pediments, mapped to 1:50 000 to 1:200 000, and their morphology is frequently lithodependent [7,16,27].
3 Macroscopic facies and microstructures
Gossans are characterized by juxtaposition of several facies on a same ferruginous outcrop [3,5,25]: for example, shaly, gritty, massive, scoriaceous, brecciated, onion-like facies…
Specific microstructures are pseudomorphic ferruginous replica figures of sulphides and secondary metallic minerals (carbonates, sulphates…) [2,14,25].
However, goethite can develop its peculiar crystalline forms (matting, rosettes, mamelons or spherules) without clear pseudomorphoses.
The facies of ironcrusts characteristic of outcrops are massive, alveolar, gritty, nodular, pseudo-conglomeratic or pisolitic and lithodependent [1,9,16,27].
4 Chemical composition and geochemistry
It is the geochemical domain that is the most explored in prospections as well as during modern studies on gossans [10,11,14,23,26], tropical weathering zones being excluded.
Gossans' composition is characterized by more than 95% SiO2, Fe2O3, and H2O (Table 1). According to the origin and evolution, Zn, Cu, Pb, As, P, S, Ba, Ag, Ni contents are high and heterogeneous.
Compositions comparées d'un chapeau de fer et d'une cuirasse en Afrique de l'Ouest. 1 = moyenne ; 2 = écart type ; 3 = coefficient de variation (%). Chapeau de fer de Pagala (Togo), n=114 sur 0,5 km2 [17,25] ; cuirasse du plateau de Gaoua (Burkina), n=98 sur 50 km2 [9]. Analyses : Centre de géochimie de la surface (CNRS) de Strasbourg
Comparison between the composition of a gossan and a lateritic duricrust from West Africa. 1 = average; 2 = standard deviation; 3 = coefficient of variation (%). Gossan from Pagala (Togo), n=114 over 0,5 km2 [17,25]; plateau lateritic duricrust from Gaoua (Burkina), n=98 over 50 km2 [9]. Assays from the ‘Centre de géochimie de la surface (CNRS) de Strasbourg’
Chapeau de fer | |||||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | Mn3O4 | CaO | Na2O | TiO2 | P2O5 | PF | |
1 | 16,70 | 3,22 | 67,73 | 1,10 | 0,08 | 0,06 | 0,11 | 0,47 | 8,81 |
2 | 14,93 | 1,83 | 13,63 | 2,03 | 0,12 | 0,04 | 0,08 | 0,37 | 2,56 |
3 | 89 | 57 | 20 | 184 | 151 | 66 | 71 | 80 | 29 |
Ba | Co | Ni | Zn | Cu | Sr | Cr | V | Zr | |
1 | 1679 | 109 | 187 | 2815 | 61 | 16 | 35 | 55 | 56 |
2 | 2510 | 104 | 141 | 3301 | 60 | 27 | 27 | 38 | 26 |
3 | 149 | 95 | 75 | 117 | 99 | 173 | 79 | 69 | 46 |
Cuirasse latéritique | |||||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | Mn3O4 | CaO | Na2O | TiO2 | P2O5 | PF | |
1 | 31,93 | 12,93 | 43,66 | 0,19 | 0,20 | 0,06 | 0,60 | 0,34 | 9,41 |
2 | 8,64 | 3,01 | 6,12 | 0,18 | 0,02 | 0,03 | 0,10 | 0,12 | 1,20 |
3 | 27 | 23 | 14 | 95 | 10 | 50 | 17 | 35 | 13 |
Ba | Co | Ni | Zn | Cu | Sr | Cr | V | Zr | |
1 | 209 | 44 | 54 | 45 | 117 | 19 | 347 | 746 | 252 |
2 | 238 | 27 | 53 | 19 | 45 | 7 | 93 | 158 | 50 |
3 | 114 | 63 | 100 | 42 | 38 | 36 | 27 | 21 | 20 |
Ironcrusts' composition is characterized by more than SiO2, Al2O3, Fe2O3, H2O (Table 1). The typical accessory elements are Cr, V, Zr and Ti.
The SiO2–Al2O3–Fe2O3 ternary diagram (Fig. 1) differentiates correctly the two formations. Moreover, significant Al, Cr, Zr, V and Ti contents are typical of lateritic ironcrusts (Table 1).
5 Mineralogical composition, role of iron oxihydroxides and weathering minerals
Gossans typical of tropical zones are exclusively composed of iron and manganese oxihydroxides and quartz, without any other secondary mineral [3,5,25]. In other climatic zones, the mineralogical composition is larger [10,18,23,26]. Non-bauxitic ironcrusts are mixtures of goethite, hematite, kaolinite, and quartz. The presence of clays is typical of ironcrust formation (Table 2).
Constitution minéralogique moyenne pondérale (%) de chapeaux de fer de Pagala et d'une cuirasse de Gaoua [9,25]. (m) calculée d'après les analyses thermiques et de composition chimique (v=min–max), d'après les analyses de diffraction des RX et de composition chimique (σ = écart type)
Average mineralogical compositions (in %weight) of Pagala gossans and lateritic duricrust from Gaoua [9,25]. (m) computed according to thermal analysis and chemical composition (v=min–max), computed according to X-ray diffraction analysis and chemical composition (σ = standard deviation)
Chapeau de fer | Cuirasse | |||
m | v | σ | ||
Quartz | 12 | 21 | 12 | |
Kaolinite | 3 | 28 | 8 | |
Hématite | 21 | 0–63 | 18 | 7 |
Gœthite | 57 | 24–83 | 34 | 8 |
Gibbsite | nd | tr | ||
Micas | 7 | abs |
Gossans and lateritic ironcrusts are weathering horizons with vertical zonality of their characteristics and components [16,22]. The profile sections are unambiguously silicated in the case of lateritic profiles, mixed in the case of sulphide weathering.
Goethite is the prevailing mineral of gossans (Table 2), in which Si is always present together with other elements, such as Al, Zn, Cu, Ni, Pb, S, P, As (Table 3) trapped in haematites and goethites. Al is frequently trapped in haematites and goethites of lateritic ironcrusts [9,16], whilst the other elements are found close to mineralisations [9,11,19].
Charge minérale des gœthites de différents types de minéralisations : Pagala ZnBa, Canoas PbZnBa, O'Toole NiCuPge, Iréce PbZnP. 1, Présence (%) des éléments dans la gœthite ; 2, composition moyenne atomique des gœthites
Mineral load of goethites from different types of mineralisations: Pagala ZnBa, Canoas PbZnBa, O'Toole NiCuPge, Iréce PbZnP: 1, elements in goethites; 2, average atomic composition of goethites
1 – Présence des éléments dans les gœthites (%) | |||||||||||
Si | Al | Mn | Zn | Pb | Cu | Ni | S | As | P | ||
Pagala | 99 | 90 | 88 | 88 | 54 | 33 | 76 | 69 | |||
Canoas | 100 | 91 | 0 | 64 | 71 | 0 | 0 | 63 | 43 | 46 | |
O'Toole | 99 | 55 | 17 | 0 | 0 | 23 | 59 | 89 | 0 | 0 | |
Iréce | 100 | 67 | 0 | 74 | 54 | 15 | 0 | 74 | 73 | 76 | |
2 – Charge moyenne atomique des gœthites | |||||||||||
Si | Al | Mn | Zn | Pb | Cu | Ni | S | As | P | Fe | |
Pagala | 0,95 | 0,21 | 0,31 | 0,29 | 0,03 | 0,02 | 0,15 | 0,06 | 34,37 | ||
Canoas | 2,35 | 0,95 | 0 | 0,33 | 0,27 | 0 | 0 | 0,41 | 0,09 | 0,07 | 34,48 |
O'Toole | 3,27 | 0,28 | 0,21 | 0 | 0 | 0,07 | 0,63 | 0,34 | 0 | 0 | 34,33 |
Iréce | 1,52 | 0,57 | 0 | 0,41 | 0,06 | 0,01 | 0 | 0,41 | 0,49 | 0,38 | 35,54 |
6 From juxtaposition to confusion of both formations
Without a minimum of observations, there are frequent confusions between the different facies [22], or diagnostic errors [3,5,14,26].
Gossans display numerous features of similarity with sedimentary, magmatic and filonian ferruginous primary mineralisations, as well as with ironcrusts on ultrabasites, discriminated by specific elements such as Ni, Cr, Co.
Between the impossibility [22] and the obviousness of the characterization of gossans in ironcrust-bearing environments, there are intermediary states. Ironcrusts close to mineralisations display special features [1,9,19,24]. Facies of ironcrusts, with total or hair-like enrichment goethite, or ironcrusts with detrital aspect, including blocks of gossans [1,3,5,6,15,19] likely give evidence of unknown or scattered mineralisations.
7 Conclusion
Superimposition of tropical weathering upon sulphides' alteration leads to results that set some problems, only partially solved.
The criteria here defined permit a differential diagnose of gossans as compared to lateritic ironcrusts.
By means of iron oxihydroxides preserved in tropical environments, gossan remains a useful guide for direct access to mineralisations (Table 4).
Caractéristiques schématiques des critères de discrimination des chapeaux de fer en milieu cuirassé ferrugineux
Schematic characteristics of discrimination criteria of gossans in ferruginous lateritic environment
Cuirasse latéritique Fe | Chapeau de fer | |
Morphologie | surface cartographiable | corps minces et allongés |
Faciès | relativement homogènes sur un site | variés sur un même site |
Microtexture | effacement des textures minérales | figures de réplique des minéraux primaires et forte recristallisation de la gœthite |
Composition chimique | dominée par Fe, Al et Si ; éléments traces : V, Cr, Ti, Zr | dominée par Fe et Si importance des éléments traces Cu, Pb, Zn, Ni, As, Mo… |
Minéralogie | le plus souvent ternaire : gœthite, kaolinite, quartz | le plus souvent binaire : gœthite, quartz |
Composition de la gœthite | substitution fréquente en Al | fixation des éléments traces à l'intérieur ou hors du réseau |
Cortège d'altération | zonation silicatée, oxyhydroxydée | zonation sulfatée, carbonatée, oxyhydroxydée |
In West Africa, such criteria permitted me to give some metallogenic interest to the eastern border of Volta Basin, Togo [5], and to the border of the Taoudeni Basin, northern Burkina.
1 Principes et réalités de l'altération tropicale des minéralisations sulfurées
En Afrique tropicale, les cuirasses latéritiques sont un des éléments majeurs des paysages et des affleurements. Cette domination est un problème pour l'identification des formations ferrugineuses d'origine et de nature différentes. C'est notamment un des obstacles à la recherche des chapeaux de fer [22].
2 Définitions
Les cuirasses latéritiques et les chapeaux de fer sont des roches ferrugineuses supergènes résiduelles. La cuirasse latéritique est issue de l'altération climatique tropicale de nombreux types de roches parentales, où les minéraux ferrifères sont souvent des silicates ferromagnésiens [20]. Le chapeau de fer est issu de l'altération de roches particulières, de diverses origines, à forte concentration de minéraux sulfurés ou carbonatés, notamment ferrifères, quel que soit le domaine climatique ; le terme de gossan, fréquent dans les références, est utilisé comme synonyme [10,13,22,23].
La classification des roches ferrugineuses, génétique, est simple dans son principe [10,23], mais les incertitudes sont fréquentes [11,21]. Les roches climatiques tropicales ont une place dans cette classification, avec la particularité de genèse de roches ferrugineuses, dans un contexte d'altérations puissantes, et l'Afrique de l'Ouest en est la région la plus typique [5]. Cependant, comme les produits d'altération, cuirassés ou non, sont fortement dépendants de la nature de la roche [4,7,8,16,27], il peut être admis que les minéralisations sont des roches particulières, avec des altérations spécifiques.
Les critères de la reconnaissance et de l'identification des chapeaux de fer en milieu cuirassé qui sont proposés ici ont été établis à partir d'études réalisées au Togo [3,5,6,17,25]. Ils ont été vérifiés dans les altérations de mines au Brésil [12,18] et comparés à des exemples connus ailleurs [10,11,14,23]. Ces critères ont été appliqués au Burkina sur des exemples connus et en tant que méthode de prospection [3,15]. Les exceptions et les confusions possibles pour chacun des critères seront regroupées après les définitions.
3 Morphologie des affleurements
Les dimensions et les formes des roches supergènes dépendent initialement du volume, de la morphologie et de la composition des roches parentales altérées et transformées.
Les chapeaux de fer apparaissent à l'image, plus ou moins fidèle, de la roche minéralisée dont ils sont issus, en corps lenticulaires plus ou moins bien délimités, continus ou non, présentant fréquemment une orientation préférentielle [22]. Les corps ferrugineux sont petits, décamétriques à hectométriques [3,5,10], pouvant être limités à quelques blocs, et leur cartographie s'effectue le plus souvent de 1:1000 à 1:10 000. Les blocs indépendants, sans rattachement évident à une minéralisation, sont une dégradation d'un affleurement antérieur.
Pour les cuirasses ferrugineuses, les appellations de plateau, de surface, de glacis sont les plus souvent employées, avec des échelles de cartographie de 1:50 000 à 1:200 000, à la dimension des formations parentales. En même temps, la morphologie de la cuirasse est en grande partie dépendante de la nature de la roche [7,16,27]. La dégradation des cuirasses se marque par une division en blocs dispersés et en gravillons [16].
4 Faciès macroscopiques et microstructures
Les chapeaux de fer se caractérisent par la juxtaposition de plusieurs faciès sur un même affleurement ferrugineux [3,5,25]. Certains sont des ferruginisations de roches conservant orientations, textures et structures : faciès schistosés, faciès gréseux. D'autres faciès, massifs ou scoriacés, conservent plus ou moins la texture du corps minéralisé. Enfin, les faciès, en « pelure d'oignon » ou massifs, ou encore pseudo-bréchiques, échappent à l'héritage et s'expriment par des remobilisations contraintes par le milieu où elles se développent. Ces roches ferrugineuses, avec ou sans manganèse, sont accompagnées de roches profondément altérées, argilifiées, décolorées ou avec des teintes vives variées, et vidées de leurs minéraux primaires. Cet ensemble se traduit sur l'affleurement par de brutales variations de couleur, de densité, de porosité et de contenu chimique et minéralogique.
Les microstructures spécifiques sont les figures de réplique ferrugineuses pseudomorphiques des sulfures et des minéraux métalliques secondaires (carbonates, …) [2,14,25]. C'est le critère de reconnaissance le plus direct à toutes les étapes de l'altération des roches sulfurées, c'est aussi le plus ancien critère utilisé [2,13,14]. Ces figures sont diluées ou concentrées suivant le type de minerai, mais elles peuvent aussi être effacées par la dynamique propre à la cristallogenèse des oxyhydroxydes de fer. Cependant, la gœthite peut développer ses propres formes cristallines (feutrage, rosettes, sphérules ou mamelons), sans pseudomorphoses nettes.
Les faciès des cuirasses sont massifs, alvéolaires, gravillonnaires, nodulaires, pseudo-conglomératiques ou pisolitiques [1,9,16], et varient relativement peu sur un même affleurement. Le rattachement direct du faciès à une roche parentale est rarement aisé, sauf quand des traits spécifiques sont conservés ou développés [27] avec des minéraux résiduels ou néogénétiques, des textures ou des colorations typiques (cuirasse granitique, gréseuse, sur roches ultrabasiques, sur jaspe, sur gondite, présence d'une schistosité…). Dans les cuirasses latéritiques, on évoque plutôt des fantômes de minéraux que des figures de remplacement.
5 Composition chimique et géochimie
C'est le domaine géochimique qui a été le plus exploré, aussi bien dans les prospections que dans les travaux récents sur les chapeaux de fer, à l'exclusion du cadre tropical [10,11,14,23,26].
Les chapeaux de fer sont composés à plus de 95 % de SiO2, Fe2O3 et H2O (Tableau 1). La richesse en fer est extrême par rapport à tous les autres éléments, silice à part. Suivant la nature de la minéralisation altérée, les teneurs sont fortes en un ou plusieurs éléments comme Zn, Cu, Pb, As, P, S, Ba, Ag, Ni… En même temps, l'hétérogénéité se traduit par une grande variabilité des teneurs (coefficient de variation élevé), qui explique les problèmes de représentativité de l'échantillonnage.
Les cuirasses sont composées à plus de 95 % de SiO2, Al2O3, Fe2O3 et H2O (Tableau 1). L'alumine y est toujours bien représentée. Les éléments accessoires typiques sont Cr, Zr et Ti, provenant de minéraux résistants et V, accompagnateur de fer issu des silicates ferromagnésiens. Les variations de composition dans une cuirasse sont faibles (coefficient de variation faible).
La distinction entre la composition des cuirasses et des chapeaux de fer est bien exprimée par le diagramme triangulaire SiO2–Al2O3–Fe2O3 (Fig. 1). De manière complémentaire, des teneurs bien marquées en Al, Cr, Zr, V et Ti sont typiques des cuirasses latéritiques, alors que tous les autres éléments traces caractérisent les chapeaux de fer (Tableau 1).
6 Constitution minéralogique, rôle des oxyhydroxydes de fer et cortège d'altération
Les chapeaux de fer matures sont de constitution simple, avec surtout des oxydes et hydroxydes de fer et éventuellement de manganèse, du quartz et peu ou pas d'argiles [5]. Aucun autre minéral supergène n'a été reconnu dans les exemples ouest-africains [5,8,25]. Dans les régions à climats moins agressifs, comme en Arabie [23] et au Brésil [18], d'autres minéraux secondaires sont toujours associés aux oxyhydroxydes (sulfates, carbonates, arséniates, phosphates…).
Les cuirasses latéritiques non bauxitiques sont, quant à elles, un mélange intime de gœthite, d'hématite, de kaolinite et de quartz, avec des minéraux mineurs résiduels (ilménite, rutile, anatase, zircon, chromite) et néogénétiques (gibbsite).
La présence d'argile en association intime avec les oxyhydroxydes apparaît donc comme le critère propre au cuirassement latéritique (Tableau 2).
Les chapeaux de fer et les cuirasses latéritiques sont des horizons qui s'expriment dans une zonalité verticale des propriétés et des constituants. Les horizons intermédiaires sont complexes, à carbonates, sulfophosphates, oxydes… pour les altérations de minerais, simples, silicatés et hydroxylés pour les altérations latéritiques [16,22]. Les coupes devraient être sans ambiguïté pour finaliser le diagnostic, mais il est peu probable que les horizons secondaires d'altération des sulfures soient conservés, en raison des conditions de l'altération tropicale. La seule certitude est le maintien des blocs holoferrugineux superficiels, organisés ou non.
Dans les chapeaux de fer, la gœthite est le minéral le plus abondant (Tableau 2), avec Si toujours présent et des teneurs élevées fréquentes en Al, Zn, Cu, Ni, Pb, S, P, As… (Tableau 3). Ces teneurs élevées peuvent relever de pièges spécifiques dans des minéraux secondaires associés, mais ils sont inexistants dans les exemples africains. La gœthite, et dans une moindre mesure l'hématite, est le plus fréquemment le piège exclusif des éléments typiques de la minéralisation. La forme du piégeage est quelque fois mise en évidence, avec l'aluminium substitué dans les hématites et gœthites, le nickel et le cuivre structuraux dans les gœthites [12,15].
Dans les cuirasses, seuls les piégeages d'aluminium sont bien connus [9,16], alors que les autres métaux sont trop dilués pour que leur localisation soit définie. Bien entendu, il y a des exceptions dans certaines conditions de minéralisations dispersées ou de proximité de minéralisations [9,11,19].
7 Les principales confusions des critères reconnus
Les confusions de faciès sont fréquentes, car tout ce qui est ferrugineux à l'affleurement, sous climat tropical, est quasi automatiquement considéré comme cuirasse sans investigations complémentaires [22].
Cependant, de vraies confusions restent possibles, en ne prenant en compte qu'une partie des critères définis. Les roches ferrugineuses sédimentaires ou magmatiques, en bancs ou en filons, altérées à l'affleurement, sont les formations qui peuvent être le plus facilement confondues avec les chapeaux de fer, dans la morphologie des affleurements, dans la grande simplicité des compositions chimiques et constitutions minéralogiques et avec certains faciès. Les cuirasses sur roches ultrabasiques présentent, pour leur part, la majorité des critères définis comme caractéristiques des chapeaux de fer, y compris de fortes teneurs en éléments traces, qui sont ici spécifiques, Ni, Cr, Co.
Les formations ferrugineuses continentales, molasses et Continental terminal par exemple, peuvent avoir une morphologie proche de celle des cuirasses latéritiques, mais aucun autre critère ne peut être retenu.
Les confusions les plus délicates se situent aux marges de la coexistence des cuirasses et des chapeaux de fer avec l'altération des faciès peu minéralisés, des épontes de la minéralisation et de sa gangue. Enfin, les cuirasses de proximité de minéralisations peuvent inclure, de différentes manières, des éléments de ces minéralisations [1,19,24].
La superposition de l'altération de corps sulfurés et de l'altération tropicale a pu être observée sous deux aspects différents, au Togo [5,6] et au Burkina [1,3,15,19], avec des cuirasses ferrugineuses d'allure détritique à blocs riches en gœthite, ou avec des variations latérales de puissance et de constitution de la cuirasse [3,6,15]. Les blocs sont à faciès massifs ou scoriacés, les variations latérales dans la cuirasse correspondent à un enrichissement en gœthite d'ensemble ou à un chevelu gœthitique évoquant une réplique de filonnets minéralisés, et il peut être noté en même temps l'absence d'aluminium et l'existence de teneurs élevées en métaux.
8 Conclusion
Le constat d'impossibilité de la distinction des chapeaux de fer en milieu cuirassé, énoncée précédemment [22], reste solidement ancrée et les seuls chapeaux de fer tropicaux connus le sont où il y a eu démantèlement et érosion de la surface cuirassée [6].
Les critères qui permettent de distinguer les chapeaux de fer des cuirasses ferrugineuses ont été acquis sur des sites où la minéralisation est connue. Leur mise en évidence peut être précoce, en même temps que les observations pétrographiques et structurales qui définissent la légitimité géodynamique des minéralisations. Si un critère seul est un indicateur d'alerte, l'addition d'autres de ces critères permet de proposer un diagnostic différentiel, car le chapeau de fer reste un guide direct pour l'accès aux minéralisations, conservé par les oxyhydroxydes de fer, dans les altérations tropicales (Tableau 4).
En Afrique de l'Ouest, hors des régions explorées par la prospection minière, ces critères m'ont permis de donner un intérêt métallogénique à la bordure orientale du bassin de la Volta impliquée dans la chaîne panafricaine des Dahomeyides [5], diagnostic confirmé par la recherche minière, dont des forages à minéralisation massive de blende. Plus récemment [3], j'ai proposé une interprétation de même nature aux affleurements ferrugineux de la bordure du bassin de Taoudéni, au Nord-Burkina.
Acknowledgments
L'auteur remercie Jean Claude Leprun et Jean Claude Parisot pour leurs suggestions et critiques complémentaires, ainsi que Hélène Paquet pour la version anglaise.