Abridged English version
1 Introduction
Epithermal ore deposits result from the overprinting of magmatic, tectonic, and hydrothermal processes in both time and space. Recent studies [8,10,11,17,20] have shown that magmas play a significant role in the formation of epithermal deposits as source of heat, fluids and metals [6], even if the connection between Cu-porphyry deposits (magmatism) and low-sulfidation epithermal vein systems (hydrothermalism) remains a subject of debate. It has been proposed that such associations can either be genetic or result from the telescoping or the collapse of the epithermal/magmatic system [16].
The Bolcana Cu-porphyry (Apuseni Mountains, Romania), is associated over a small area (8 km2) with several low-sulfidation epithermal deposits [13]. The close association between these deposits is a good opportunity to investigate the possible genetic link between porphyry and low-sulfidation epithermal deposits. In addition, the presence of numerous mining galleries extending from the epithermal deposits to the porphyry core can be used to carry out a comprehensive structural study as well as exhaustive sampling. A structural study combined with a 3D modelling of the Bolcana area has been performed in order to determine the relation between all deposits (telescoped systems or not).
2 Geologic setting
The studied area is located in the Apuseni Mountains (Romania), which includes numerous Neogene andesitic intrusions. These represent the final stage of Alpine magmatism, and contain several low-sulfidation epithermal deposits and Cu-porphyry type deposits, many of which have been used for the production of ore [2,19] (Fig. 1A). Several low-sulfidation epithermal mineralizations are located around the Bolcana Cu-porphyry, including the PbZn deposit of Trestia towards the northwest, the Au deposit of Magura towards the south, and the Au and PbZn Troita deposits towards the west. Au mineralization forms the western part of the Troita mine, whereas the PbZn ore is located in the eastern part. Such zoned deposits have been observed in other epithermal ore deposit and geothermal systems [1,4,17,18], but in the present case they are additionally spatially associated with a Cu-porphyry deposit.
(A) Carte géologique simplifiée de la chaîne des Carpates. La zone d'étude dans les monts Apuseni (D) est limitée par le carré. (B) Modèle géotectonique de mise en place de l'activité magmatique vers 15,5–11 Ma dans la région des Carpates et du bassin pannonien (d'après Seghedi et al. [15]). (C) Carte du volcanisme néogène des monts Apuseni et âges K–Ar des différents corps intrusifs (d'après Pecskay et al. [14]). (D) Carte géologique du secteur d'étude où figurent les principales galeries de mine et les stéréogrammes d'orientation des pôles des filons en différents sites d'observation.
(A) Simplified geologic map of the Carpathian arc. The square in the Apuseni Mountains localizes the studied area. (B) Geotectonic model of volcanic activity in the Carpathian–Pannonian region at 15.5–11 Ma (after Seghedi et al. [15]). (C) Map of the Neogene volcanism in the Apuseni Mountains and K–Ar dating of the magmatic activity (after Pecskay et al. [14]). (D) Geologic map of the studied area. The main mine galleries and the stereograms of pole's directions of veins in several observation site are reported.
3 Structural study and 3D representation
3.1 Structural study
Nearly 200 veins and fractures have been measured in the field [3], all of which concern to Troita-Bolcana and Magura sites. There structures are organised according to two average N150°E and N20°E trends at Troita-Bolcana, and an average N170°E trend at Magura (Fig. 1D). The fact that the directions of the veins are similar in all deposits strongly suggests a synchronous formation through a mechanism that should be related to a regional state of stress, assumed to be extension [15].
3.2 GOCAD model
The GOCAD software (©2004, Earth Decisions Sciences) is herein used to represent the 3D relations between the Cu-porphyry and the epithermal deposits, as well as of the mine galleries and types of mineralization (Au, PbZn). The GOCAD software is also used to carry out a volumetric interpolation of punctual information. As mentioned above, the question is to know whether or not the spatial association of the various ore deposits results from a telescoping phenomenon [16].
The input data consist of both own field data and other information from the literature. Data from active mining galleries [12,13], and older mining works operated prior to 1941 [5] are used. All this information concerns a 2-km-wide, 3-km-long, and approximately 300-m-high volume.
The first stage characterizes numerically each type of object by its and z coordinates, compatible with the input format of the GOCAD software. Additional information (such as type of mineralization type or host rock nature) is associated with these coordinates as a property. The punctual data consisting of approximately 900 data points have subsequently been interpolated using a discrete smooth interpolation technique (DSI) [9] over a grid, the dimensions of which are , , , consisting of 22,050 parallelepipedic meshes (, , ) (Fig. 2B). The model contains both surface objects (such as the porphyry) and successive cross-sections deduced from the grid, allowing an estimation of the volume distribution of the different features. The mine galleries are represented by a three-dimensional network of discrete points (Fig. 2A). With the Gocad software camera, all the objects can be visualized simultaneously and their spatial relations identified.
Modélisation géométrique des gisements grâce au logiciel GOCAD (©2004, Earth Decisions Sciences). (A) Représentation en plan et projection horizontale sur un plan vertical AB de la répartition des différentes galeries de mine par rapport au porphyre de Bolcana. (B) Représentation en perspective de la zonation à Au et à PbZn, obtenue grâce à l'interpolation du logiciel.
Geometric deposit modelling with GOCAD software (©2004, Earth Decisions Sciences). (A) Horizontal plane and horizontal projection in a vertical AB plane of the epithermal exploitation mine galleries around the porphyry of Bolcana. (B) Au and PbZn zonation represented in a prospect plan, obtained by software interpolation.
Representations in a horizontal plane as well as in a flat projection on a vertical plane show that the Au and PbZn ore deposits are spatially distinct. It can be inferred from Fig. 2A that the PbZn epithermal deposits are closer to the porphyry and located deeper compared to the Au epithermal veins which are more distant from the porphyry and closer to the surface (Fig. 2A).
Field observations indicate no evidence of telescoping between the epithermal deposits and the porphyry. Indeed, results of the model are in agreement with the field observations, and indicating a 3D zonality of the Au and PbZn epithermal deposits centred on the porphyry (Fig. 2B). This zonality appears relatively cylindrical, and the 3D distribution of the mineralizations seems homogeneous around the contour of the intrusive body. The model further indicates that the gold bearing epithermal deposit only occurs at a certain distance from the porphyry. This distance is anisotropic and organized according to an ellipse, whose long axis is N150°E oriented and 1500-m long, and short axis is 1000-m long. Within this elliptic sector centred on the porphyry, only PbZn epithermal ore deposits are found. Although this epithermal mineralization zoning centered on the porphyry is not a significant argument for the demonstration of a genetic relation between the porphyry and the low-sulfidation epithermal deposits, this relation clearly undermines the hypothesis of telescoped systems.
4 Conclusion
This preliminary study indicates that the epithermal deposits of Troita, Trestia and Magura (Apuseni Mountains, Romania) are organized according to directions that are compatible with regional constraints, and that there is no spatial superposition of the various objects. In addition, a zoning of the epithermal deposits around the porphyry has been demonstrated indicating that the spatial association of the deposits cannot be the result of a collapse or telescoped systems.
Therefore, the Bolcana deposits constitute an excellent case of study to demonstrate a potential genetic relation between porphyry and epithermal deposits.
Finally, in a methodological point of view, this preliminary study demonstrates that the interpretation of structural data collected in the field with the aid of 3D modelling software as GOCAD can constitute a powerful tool for ore-deposit prospection. Many other parameters can be incorporated in the model, including the composition and the temperature of hydrothermal fluids, the extent of the hydrothermal alteration, the isotopic data, and the age of the mineralisations, which will make it possible to observe the distribution and evolution of these parameters in a 3D space.
1 Introduction
Les gisements épithermaux sont des objets complexes qui résultent de la superposition temporelle et spatiale de processus magmatiques, tectoniques et hydrothermaux. Les mécanismes responsables de leur formation ne sont pas tous bien connus, en particulier leurs effets à l'échelle de l'ensemble de la lithosphère. Il est admis que les magmas peuvent jouer un rôle important dans la formation des gisements épithermaux comme source d'énergie, de fluides et de métaux [6,8,10,11,17,20]. Cependant, bien que l'existence d'une relation spatiale entre magma (à l'origine des porphyres) et système hydrothermal (gisements épithermaux de type low-sulfidation) soit évidente sur le terrain, leurs relations temporelles et génétiques ne sont toujours pas clairement démontrées. La résolution de cette problématique s'avère pourtant importante, tant sur un plan scientifique que pour ses conséquences en termes économiques.
Une étude des mécanismes de formation de ces types de gisements a été entreprise à partir de l'exemple des gisements d'or et de plomb–zinc des monts Apuseni (Roumanie). De nombreux gisements hydrothermaux de type porphyre et épithermal de type low-sulfidation y sont décrits et exploités, en association avec des intrusions andésitiques [2,19]. L'association de ces gisements sur une très faible superficie (8 km2), comme c'est le cas sur notre secteur d'étude, est très rarement observable en continu sur le terrain. Cette zone s'avère donc propice à l'étude de la connexion génétique supposée par Simmons [17] ou Hedenquist et Lowenstern [8] entre les gisements de type porphyre et épithermal de type low-sulfidation. Cependant, si l'association spatiale de ces deux types de gisement y est évidente, elle pourrait être interprétée comme résultant d'un phénomène de télescopage [16] entre les filons épithermaux et le porphyre.
Avec l'objectif de se situer entre ces deux hypothèses, une représentation 3D de la zone d'étude a été réalisée avec le logiciel GOCAD (©2004, Earth Decisions Sciences) à partir de données structurales de terrain et d'une compilation des nombreuses informations concernant les travaux passés [5].
2 Contexte géologique
Les gisements cibles se trouvent en Roumanie, au cœur de la région des monts Apuseni (Fig. 1A), aux pieds de la chaîne des Carpates. Les monts Apuseni présentent de nombreuses intrusions andésitiques néogènes représentant le stade final du magmatisme alpin. Leur mise en place est interprétée comme étant le résultat de la rotation de la plaque Tisia entre 15 et 11 Ma, associée à une fracturation résultante N120°E (Fig. 1B) [15]. Il faut noter que de nombreuses intrusions s'alignent selon cette direction et montrent une chronologie de mise en place depuis les plus anciennes, au nord-ouest, vers les plus récentes, au sud-est (Fig. 1C) [14]. De nombreux gisements hydrothermaux de type porphyre et épithermal de type low-sulfidation sont décrits et exploités en association avec ces intrusions [2,19]. Le porphyre cuprifère à or de Bolcana (Roumanie) [12,13] possède la particularité d'être bordé par un ensemble de filons épithermaux de type low-sulfidation minéralisés à plomb–zinc (mines de Troita et Trestia), mais aussi à or (mine de Magura). Cette diversité de minéralisations se concentre sur un secteur de 8 km2 (Fig. 1D). De nombreuses galeries de mines existent, reliant entre eux les différents systèmes, et permettent un échantillonnage sur différents niveaux verticaux et de manière continue du porphyre vers les différents indices ou gisements épithermaux en exploitation.
3 Les gisements de Trestia, Troita-Bolcana et Magura
La mine de Trestia, au nord-ouest (épithermal de type low-sulfidation [19]), est constituée de quatre filons principaux exploités pour le plomb–zinc (Fig. 1D). Leur puissance est très variable, allant de quelques centimètres à un mètre. Leurs épontes, fortement kaolinisées, témoignent d'une altération importante [5].
La mine de Troita, à l'ouest (épithermal de type low-sulfidation [19]), est exploitée pour l'or dans sa partie ouest et pour le plomb–zinc dans sa partie est (Fig. 1D). Cette zonation, déjà observée dans d'autres gisements épithermaux de type low-sulfidation et dans des systèmes géothermiques [1,4,7,18] présente ici l'intérêt d'être spatialement associée à un porphyre. Dans ce gisement, les travaux miniers n'ont pas permis de mettre en évidence de zonalité verticale. Les galeries d'exploitation se prolongent vers l'est sur 1 km rejoignant la partie souterraine du porphyre minéralisé de Bolcana exploité pour le cuivre (Fig. 1D). Cette galerie recoupe plusieurs filons sub-verticaux d'orientation nord–sud, pentés ouest. En galerie, la proximité du porphyre minéralisé est caractérisée par la présence d'un stockwork anisotrope, dont les veines sont pentées majoritairement à l'est, vers le cœur du porphyre [3].
La mine de Magura (épithermal de type low-sulfidation à or), située au sud du secteur d'étude, est constituée de plusieurs filons sub-verticaux aurifères, parallèles et de direction nord–sud (Fig. 1D). D'après les informations minières récoltées sur place, il a été observé dans cette mine une zonalité verticale des minéralisations avec, en profondeur, le PbZn et, au sommet, l'Au.
Tous les filons sont généralement encaissés dans des faciès andésitiques, appartenant à un appareil volcanique complexe. Ils sont assez bréchiques et limités par des épontes argilisées.
Des blocs siliceux de 3 à 5 m de haut, créant un relief dans la topographie, ont pu être observés en surface entre les mines de Magura et de Troita.
La minéralogie des filons dans les différents épithermaux est similaire d'un gisement à l'autre. La minéralisation sulfurée, pyrite, chalcopyrite, sphalérite, galène, tennantite, tétraédrite, est associée à une gangue constituée de quartz, adulaire et une phase tardive à barytine.
Les caractéristiques structurales de ces différents filons ont été relevées lors d'une campagne de mesures en septembre 2003 [3].
4 Étude structurale et représentation 3D
4.1 Étude structurale
Les directions, pendages, épaisseurs et remplissages ont été systématiquement mesurés sur près de 200 structures (filons minéralisés, fractures, failles...) en mine et en surface (Fig. 1D). Les filons s'organisent en deux familles essentiellement orientées N150° et N20° E sur le site de Troita-Bolcana. Les filons de Magura présentent quant à eux une orientation moyenne autour de N170°E. Cette similitude entre les systèmes de filons et de fractures du Nord et du Sud du secteur coïncide avec les structures régionales. Ceci suggère fortement une formation synchrone, les venues siliceuses ayant été favorisées par la réouverture de fractures lors de la phase d'extension accompagnant la mise en place des différentes intrusions dans les monts Apuseni [14]. En allant vers le sud-est, l'âge des intrusifs diminue (Fig. 1D), ce qui correspondrait à une ouverture progressive depuis le nord-ouest vers le sud-est, lors d'un épisode extensif régional NW–SE [15]. L'ensemble des données structurales a permis de préciser la représentation 3D des minéralisations dans la zone étudiée.
4.2 Représentation 3D
Le logiciel GOCAD (©2004, Earth Decisions Sciences) a été utilisé d'une part pour permettre la visualisation en 3D des différents objets observés sur le terrain (porphyre, galeries de mine, veines épithermales minéralisées) en les différenciant en fonction de leurs caractéristiques (type de minéralisation : Au, PbZn, Cu, roche encaissante,...), d'autre part pour réaliser une représentation volumique des données, afin de préciser si l'association spatiale des différents gisements était liée ou non à un phénomène de télescopage [16].
Les données d'entrée du modèle proviennent en partie de Ghitulescu et Socolescu [5]. Ces auteurs ont recensé tous les gisements connus à cette époque dans la région, avec les plans précis des galeries minières, leur altitude ainsi que la description minéralogique du minerai exploité. Depuis la publication de cet ouvrage en 1941, de nouvelles galeries ont été ouvertes, mais les zones exploitées ont assez peu changé. Ce document apporte donc des informations sur les anciens niveaux inaccessibles à l'heure actuelle. Le seul objet non décrit à cette époque est le porphyre de Bolcana qui, n'affleurant pas, n'a été découvert que lors de la phase d'exploration de la mine dans les années 1970. Les informations concernant les filons découverts depuis et le porphyre proviennent des travaux récents de Milu [12,13]. Enfin, de nouvelles données géoréférencées ont été obtenues lors de la mission de terrain de septembre 2003.
Pour réaliser le modèle, chaque type d'objet a été caractérisé numériquement par ses coordonnées et z, compatibles avec le format du logiciel GOCAD. Des informations supplémentaires, comme le type de minéralisation du gisement, ont été associées à ces données sous forme de propriétés. Ces données initialement ponctuelles (900 points) ont été interpolées (DSI, Discrete Smooth Interpolation [9]) dans une grille stratigraphique régulière 3D de dimensions , , , comportant des mailles parallélépipédiques (, , ) (Fig. 2B). Le modèle comporte donc au final des objets surfaciques tels que le porphyre, mais également des coupes sériées déduites de la grille permettant de visualiser la répartition des propriétés dans le volume d'étude. Les galeries de mine sont figurées par un ensemble tridimensionnel de points discrets (Fig. 2A). La caméra du logiciel GOCAD permet alors de visualiser tous les objets simultanément et d'estimer leurs relations spatiales.
La représentation en plan et en coupe montre que les gisements à Au et à PbZn sont spatialement distincts. En effet, les épithermaux à PbZn sont plus proches du porphyre et situés plus en profondeur que les épithermaux à Au qui sont plus distants et plus proches de la surface (Fig. 2A). Sur le terrain, peu de recoupements ont été observés entre le système porphyrique et les veines épithermales. Les rares secteurs où les deux systèmes ont pu être observés montraient plutôt une continuité que des recoupements. Toutefois, cette observation nécessite d'être confirmée par une étude plus approfondie. Les résultats du modèle confirment ces premières observations et montrent qu'il existe une zonalité 3D des filons épithermaux à Au et à PbZn, centrée autour du porphyre (Fig. 2B). La distribution 3D de la minéralisation est homogène autour du contour de l'intrusif. Ce modèle met en évidence que les occurrences épithermales minéralisées à or n'apparaissent qu'à une certaine distance du porphyre et s'organisent selon une ellipse de grand axe orienté N150°E mesurant 1500 m et de petit axe mesurant 1000 m. À l'intérieur de cette ellipse, centrée sur le porphyre, on ne trouve que des minéralisations épithermales à plomb–zinc. Cette zonalité de répartition des minéralisations centrée sur le porphyre n'est toutefois pas une preuve de relation génétique entre le porphyre et l'épithermal de type low-sulfidation, mais elle permet d'écarter l'hypothèse d'un télescopage.
5 Conclusion
Cette étude préliminaire indique que les filons minéralisés s'organisent selon les directions compatibles avec les contraintes régionales, qu'il n'y a pas de superposition spatiale des différents objets et qu'il existe une zonalité des filons épithermaux autour du porphyre. Cette association spatiale de ces différents gisements ne peut donc résulter d'un télescopage.
Cette approche confirme la pertinence de la cible retenue avec un porphyre à Cu, des épithermaux à PbZn, puis des épithermaux à Au, l'ensemble sur une surface restreinte permettant des études détaillées à l'échelle de la zone.
Enfin, sur le plan méthodologique, cette étude préliminaire montre que le couplage d'une étude structurale avec un logiciel de modélisation 3D comme GOCAD se révèle être un outil performant en métallogénie, d'autant que de nombreux autres paramètres tels que la composition et la température du fluide hydrothermal, le positionnement des auréoles d'altération, les données isotopiques ainsi que des datations vont pouvoir être incorporés dans le modèle. À terme, il sera possible d'observer la répartition et l'évolution de ces paramètres et de mieux comprendre les connexions génétiques entre les gisements de type porphyre et épithermal de type low-sulfidation.
Remerciements
Cette étude a été réalisée dans le cadre d'un projet financé par le GdR TRANSMET (Thème 1). Les auteurs remercient les sociétés DEVA Gold et Minvest d'avoir favorisé l'accès aux différents gisements ainsi que d'avoir apporté leur soutien logistique sur le terrain.