Pour l'obtention du grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées
Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers - IC2MP (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)
École doctorale : Sciences pour l'environnement - Gay Lussac (La Rochelle) Secteur de recherche : Terre solide et enveloppes superficielles
Présentée par :
Thomas Riegler
Système d'altération et minéralisation en uranium le long du faisceau structural Kiggavik-Andrew Lake (Nunavut, Canada) :
modèle génétique et guides d'exploration
Directeur(s) de Thèse : Daniel Beaufort
Soutenue le 10 décembre 2013 devant le jury Jury :
Président Alain Meunier Professeur des Universités, Université de Poitiers Rapporteur Michel Cuney Directeur de recherche CNRS, Université de Nancy 1 Rapporteur Michel Jébrak Professeur, Université du Québec à Montréal
Membre Daniel Beaufort Professeur des Universités, Université de Poitiers
Membre Maurice Pagel Professeur des Universités, Université Paris Sud 11, Orsay Membre David Quirt Senior Geoscientist, AREVA Resources Canada
Membre Thierry Allard Directeur de recherche CNRS, Université Paris 6, Jussieu Membre Charlie Jefferson GEM uranium Project leader, Geological Survey of Canada
Pour citer cette thèse :
Thomas Riegler. Système d'altération et minéralisation en uranium le long du faisceau structural Kiggavik-Andrew
Lake (Nunavut, Canada) : modèle génétique et guides d'exploration [En ligne]. Thèse Terre solide et enveloppes
THESE
Pour l’obtention du Grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS
(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006) UFR Sciences Fondamentales et Appliquées Ecole Doctorale : Gay-Lussac
Secteur de Recherche : Terre solide et enveloppes superficielles. Présentée par :
Thomas Riegler ************************
Système d’altération et minéralisation en uranium le long du faisceau
structural Kiggavik - Andrew Lake (Nunavut, Canada) : modèle
génétique et guides d’exploration
************************Directeur de Thèse : M. Daniel Beaufort ************************
Soutenue le 10 décembre 2013
devant la Commission d’Examen
************************
JURY
Rapporteurs: MM. M. Cuney Directeur de recherche CNRS, Nancy I M. Jébrak Professeur, Université du Québec à Montréal Examinateurs: MM. M. Pagel Professeur, Université Paris Sud XI Orsay
D. Quirt Senior Geoscientist, AREVA Resources Canada
C. Jefferson GEM uranium Project Leader, Geological Survey of Canada T. Allard Directeur de recherche CNRS, Paris VI Jussieu
A. Meunier Professeur, Université de Poitiers D. Beaufort Professeur, Université de Poitiers
Remerciements
Ce travail est le fruit d’une longue aventure commencée dans les prairies de la Saskatchewan, il y a de cela trois années. Je remercie donc les initiateurs de se projet : Joseph Roux, Dave Quirt, Jean-Pierre Milesi et Jean-Luc Lescuyer de m’avoir fait confiance pour mener à bien cette étude. Merci à AREVA Resources Canada, AREVA NC et ERM pour le support financier et admnistratif de cette thèse, enfin bien sur au laboratoire HydrASA pour son acceuil.
Je tiens également remercier Daniel Beaufort, pour sa patience, ses conseils, et le partage de ses connaissances. Ce fût un plaisir depuis notre première rencontre à Shea Creek, et j’espère que cette relation scientifique et amicale durera après le strict cadre de cette thèse.
Bien évidement je suis reconnaissant à Michel Cuney et Michel Jébrak de bien vouloir être les rapporteurs de ce travail. A Maurice Pagel, Dave Quirt, Charlie Jefferson, Thierry Allard et Alain Meunier de me faire eux aussi l’honneur de faire partie de mon jury.
De manière plus particulière je voudrais remercier Thierry Allard, Mostafa Fayek et Maurice Pagel pour leur accueil dans leurs laboratoires respectifs et de leur aide au cours de ce travail.
Une pensée chaleureuse pour Peter Wollenberg donc la contribution a été essentielle de par son experience et sa connaissance de la zone de Kiggavik. J’attends avec impatience le livre du récit de tes aventures arctiques !
J’aurai aussi une pensée pour mes collègues et amis, présents ou passés. De l’Université de Poitiers ou d’HydrASA ; merci Alain pour tes conseils toujours judicieux, ta disponibilité et ton humour, à mes voisins de palier Paul et Laurent, Thierry toujours là quand il faut, Abder bien sûr, et pardon pour tous les autres. Je garderai un excellent souvenir de mon passage ici. Merci également à Marion, Freddy, Mélissa, Emilie, Antoine et Jo pour votre accueil lors de mon arrivé à Poitiers. Plus récement à Fabien, Jean-Christophe, Sophie et Valentin pour leur amitié, avec une mention spéciale pour les pros de la belote et de l’ultracentrifugeuse. Un pensée aussi pour les amis de l’ESIP, Anne-Laure et Benoit ; du 504 à Orsay, Tony et Morgane ; ou ceux Dysart Road à U of M, thanks Ryan. Enfin, de Saskatoon, Dwayne, Mario, et tout particulièrement Nancy, Drew, et Rebecca.
Ces trois années à Poitiers ont été riches de nouvelles rencontres. La liste est trop longue, mais je ne peux pas oublier Lindsay, Mariana, Juan-Pablo, Jamal, Solweig, Camila, Chi-Wei, Blandine, Emilie, et Gabriel.
Une pensée aux Gaúchos : Amanda, et sa famille ; Edson, Victória.
À Christophe mon camarade depuis maintenant 10 ans. Pour le soutien dans les moments difficiles et les discussions sur la métallogénie toujours passionnante.
Enfin merci à ma famille ; à Mathias, Maud, et Mathieu pour leur générosité lors de mes nombreux passages à Paris ; à ma sœur Chloé bien sûr, et tout particulièrement à mes parents pour leur soutien indéfectible depuis toujours.
Aussi audacieux soit-il d’explorer
l’inconnu, il l’est plus encore de remettre
le connu en question.
Kaspar
C’était un ancien basset qui, à force de travail, d’énergie, d’ambition, de
volonté, de sens civique, avait réussi à devenir un saint-bernard fort correct.
Table des matières
1. INTRODUCTION ... 9
1.1. Introduction générale ... 9
1.2. Enjeux ... 10
2. PRÉSENTATION DU MÉMOIRE DE THÈSE ... 11
3. RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES ... 14
3.1. Le ou lie Ca adie et les assi s d’âge Pal op ot ozoi ue ... 14
3.2. Les minéralisations de type discordance ... 19
3.3. Gitologie des i alisatio s u a if es asso i es au dis o da es d’âge pal op ot ozoï ue 21 3.4. Contrôle structural régional et local des minéralisations ... 25
3.5. Typologie des altérations ... 26
3.6. Quelques repères chronologiques : âges des minéralisations, événements thermiques (diagenèse & intrusions) et o te te g od a i ue e lie ave les i alisatio s d’u a iu de l’Atha as a et du Thelon 30 3.7. G ologie des gise e ts d’u a iu du dist i t de Kiggavik ... 32
4. RÉFÉRENCES ... 41
5. ECHANTILLONNAGE ... 47
A. LE SYSTEME D’ALTERATION DU FAISCEAU DE KIGGAVIK-ANDREW LAKE ET SES RELATIONS AVEC LES MINERALISATIONS EN URANIUM ... 48
1. ALTERATION RELATED TO URANIUM DEPOSITS IN THE KIGGAVIK-ANDREW LAKE STRUCTURAL TREND,NUNAVUT,CANADA; NEW INSIGHTS FROM PETROGRAPHY AND CLAY MINERALOGY ... 49
1.1. Abstract ... 49
1.2. Introduction ... 50
1.3. Geological setting ... 53
1.4. Sampling and analytical procedure ... 54
1.5. Petrography and mineralogy... 57
1.7. Phyllosilicate crystal chemistry ... 66
1.8. Discussion ... 69
1.9. Concluding remarks ... 77
1.10. References ... 79
2. ETUDE MICROTHERMOMETRIQUE DES INCLUSIONS FLUIDES DANS LES QUARTZ ET DOLOMITE ASSOCIEES AUX MINERALISATIONS URANIFERES DU FAISCEAU STRUCTURAL KIGGAVIK-ANDREW LAKE ... 83
2.1. Introduction ... 83
2.2. Bong ... 83
2.3. End Grid ... 85
2.4. Interprétations et perspectives... 91
3. ILLITE &URANINITE GEOCHRONOLOGY ... 96
3.1. Introduction ... 96
3.2. Ar/Ar principle and method ... 96
3.3. Samples ... 98
3.4. Results ... 99
3.5. Discussion ... 103
3.6. References ... 107
4. THE BASAL THELON FORMATION AT KIGGAVIK ... 108
4.1. Methods ... 108
4.2. Sandstones regional setting ... 109
4.3. Bulk-rock chemistry of the Basal Thelon sandstones ... 112
4.4. Petrography and mineralogy... 114
4.5. Crystallochemical properties of kaolin minerals... 120
4.6. Microcrystalline quartz cement chemistry and in situ composition of oxygen isotopes ... 126
4.7. Discussion ... 128
4.8. Conclusion ... 133
4.9. References ... 135
5. CARBONACEOUS MATERIAL OCCURRENCE IN THE KIGGAVIK URANIUM DEPOSITS (THELON,NUNAVUT,CANADA). ... 139
5.2. Geological setting and petrography ... 141
5.3. Samples & Methods ... 144
5.4. Results ... 144
5.5. Discussion ... 151
5.6. Conclusion ... 157
5.7. References ... 157
B. LES MARQUEURS MINÉRALOGIQUES ... 163
1. SPATIAL DISTRIBUTION AND COMPOSITIONAL VARIATION OF APS MINERALS RELATED TO URANIUM DEPOSITS IN THE KIGGAVIK ANDREW LAKE STRUCTURAL TREND,NUNAVUT,CANADA. ... 164
1.1. Abstract ... 164
1.2. Introduction ... 165
1.3. Regional geological setting ... 166
1.4. Sampling and methods ... 169
1.5. APS minerals and alteration petrography ... 172
1.6. Electron microprobe data ... 179
1.7. Whole rock chemistry and REE distribution... 188
1.8. Discussion ... 193
1.9. Conclusion ... 200
1.10. References ... 202
2. NATURE AND STABILITY OF RADIATION INDUCED DEFECTS IN NATURAL ILLITE NEW RESULTS AND IMPLICATIONS FOR ANCIENT RADIOELEMENT MOBILITY ... 205
2.1. Introduction ... 205
2.2. Sampling ... 206
2.3. Methods ... 207
2.4. Annealing Experiments protocol ... 208
2.5. Results ... 209
2.6. Preliminary discussion and concluding remarks ... 214
C. DISCUSSION GÉNÉRALE, CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ... 217
1. DISCUSSION GENERALE ... 218
1.1. Histoi e des v e e ts d’alt atio ... 219
1.2. Evénements précoces Hudsoniens ... 219
1.3. Mise e pla e du p ofil d’alt atio P -Thélon ... 223
1.4. Diagenèse et évolution du bassin du Thelon ... 224
1.5. Altération hydrothermale et mise en place de la minéralisation ... 225
2. CONCLUSION GENERALES ET PERSPECTIVES ... 228
1.
Introduction
1.1. Introduction générale
La région de Kiggavik dans le Territoire du Nunavut est un district majeur pour l’exploration de l’uranium dans le bouclier Canadien, et l’un des plus actifs au Canada en dehors de l’Athabasca dans la province de la Saskatchewan. Les premiers travaux d’exploration menés dans la zone du bassin du Thelon, il y a une trentaine d’années ont fait suite aux découvertes
de minéralisations uranifères à hautes teneurs dans le bassin Paléoprotérozoïque de
l’Athabasca. Dans les deux cas, les reconnaissances radiométriques au sol et aéroportées ont
permis la découverte des minéralisations encaissées dans le socle et dans les formations gréseuses sus-jacentes. Par la suite, lorsque le modèle de minéralisation de type discordance a
été établi, l’exploration s’est poursuivie plus en profondeur, sur des cibles cachées sous la
couverture sédimentaire et parfois même sous des épaisseurs conséquentes de roches de socle. Ainsi la géophysique a permis d’identifier les grandes structures régionales tandis que la pétrographie, la minéralogie, et la géochimie ont fourni les outils pour tracer les systèmes hydrothermaux potentiellement favorables à la formation de gites uranifères. A Kiggavik les minéralisations ne sont pour le moment que rattachées par extrapolation à un modèle de type discordance, de par leur localisation à deux kilomètres des grès de la Formation du Thelon. Il est alors fondamental de le confirmer par une approche gîtologique, et pétrographique géochimique, minéralogique afin de mieux cerner le fonctionnement du système d’altération et de minéralisation et si possible de définir des métallotectes pertinents. Enfin la position des minéralisations reconnues à plusieurs centaines de mètres sous la surface d’érosion actuelle à Kiggavik, pose la question de l’extension potentielle en profondeur des minéralisations
encaissées dans le socle dans l’Athabasca. Il y a alors une problématique aux multiples
d’autre district uranifère associées aux discordances, dans le bouclier Canadien ou en
Australie.
1.2. Enjeux
Les enjeux de ce travail sont multiples et recouvrent à la fois la minéralogie, pétrologie, la géochimie et la gîtologie des minéralisations uranifère de Kiggavik pour tenter de comprendre
les relations entre l’altération et les concentrations en uranium dans une vue prospective. Pour cela une approche globale, de l’échelle du district à celle du minéral, a été nécessaire afin de
cerner les objets minéralisés dans leur contexte. Il s’est agi de prendre en compte l’ensemble des éléments favorables à la formation des concentrations en uranium tels que les
discontinuités, les lithologies, les minéraux ou bien encore les paramètres contrôlant l’oxydo-réduction pour n’en citer que quelques uns. C’est donc par une approche multidisciplinaire,
intégrée, et en ayant recourt à un grand nombre de méthodes chacune pertinente pour la
compréhension d’un élément clef du système géologique si particulier qu’est un gîte
métallique que nous tenterons de répondre aux thématiques ou questions suivantes :
- Quelles sont les paragenèses d’altération associées aux minéralisations uranifère de
Kiggavik ?
- Quelles sont leurs implications pour l’interprétation géologique et quel potentiel
représentent les minéraux argileux produits par ces altérations pour l’exploration.
- Comment s’organisent ces altérations à l’échelle régionale ?
2.
Présentation du mémoire de thèse
Les résultats présentés dans ce mémoire s’organisent autour de β grandes parties, elles-mêmes
subdivisées en chapitres, principalement sous forme d’articles. De manière préliminaire le
cadre géologique régional, local concernant les minéralisations en uranium, sera présenté de
même que l’échantillonnage de la zone d’étude.
Le premier volet de ce travail (partie A) s’attardera sur la caractérisation du système
d’altération et ses relations avec les minéralisations en uranium, tandis que le second (partie
B) sera axé sur les marqueurs minéralogiques s.l. de ce système. Enfin les éléments présentés
dans ces deux grands axes feront l’objet d’une synthèse et seront discutés dans la partie C.
Dans le premier chapitre (article 1), il s’agit de caractériser l’altération en relation avec les
minéralisations uranifère de Kiggavik et pour cela d’identifier la minéralogie et les paragenèses minérales résultant des différents épisodes d’interactions fluide roches qui se sont
succédés au cours du temps. La minéralogie permet alors de proposer des clefs
d’interprétation des systèmes hydrothermaux de Kiggavik par comparaison avec les signatures d’altération déjà identifiées autour des gisements de type associés aux discordances
au Canada et en Australie et de proposer des pistes pour les transferts élémentaires lors de
l’altération. Enfin la cristallographie détaillée des minéraux argileux, permet, en plus des aspects comparatifs, de proposer un nouvel outil cartographique de l’altération. De plus cet
article sera complété d'un deuxième chapitre traitant des aspects paléofluides afin de mieux
cerner les fluides en relations avec les phénomènes d’altération et de minéralisation. Enfin, un
troisième chapitre présentera des éléments de géochronologie, à la fois sur les minéraux argileux et sur la minéralisation.
Dans un quatrième chapitre (article 2), on s’interessera aux relations entre le socle et la
s’agira alors de retracer la nature et l’origine des apports sédimentaires puis de suivre l’évolution diagénétique du bassin grâce entre autres aux minéraux du groupe kaolin.
Enfin en prélude à la conclusion de cette première partie, le cinquième chapitre (article 3) concernera les matières carbonées, autre composante fréquemment associée aux gîtes de type
discordance. Elles feront l’objet d’une caractérisation poussée afin de proposer leur intégration comme une composante de la paragenèse d’altération.
La deuxième partie (B) du manuscrit sera consacrée à l’identification de marqueurs minéralogiques connus pour leur réponse cristallochimique aux variations du pH et des
conditions d’oxydoréduction du milieu ou leur potentiel pour la dosimétrie de la radioactivité
naturelle. Le premier chapitre (article 4), consiste en la compréhension spatiale et temporelle des phosphates et sulfates d’aluminium formés lors des événements diagénétiques et
hydrothermaux. Il s’agit également de comprendre, à travers le prisme des terres rares, les
transferts et la mobilité des éléments, dont l’uranium, au cours de l’histoire géologique ayant conduit à la formation des zones minéralisées à Kiggavik. Une approche « bilan de masse »
sera mise en œuvre pour compléter la pétrographie et la cristallochimie. Le deuxième chapitre aura pour objet la compréhension de l’expression des défauts d’irradiation dans l’illite. Il s’agit de raffiner la compréhension de la manifestation des différentes composantes constitutives du signal RPE dans l’illite pour dégager ses caractéristiques fondamentales et
ainsi contribuer à une meilleure interprétation des circulations des radioéléments (pre, syn ou
post minéralisation) dans un système géologique ou les remobilisations de l’uranium sont un
phénomène fréquent (article 5).
Enfin, la troisième dernière partie (C) sera consacrée à une discussion globale de l’ensemble des résultats des travaux de la thèse dans laquelle l‘accent sera mis sur la proposition d’un
modèle métallogénique pour les minéralisations uranifère du faisceau structural de Kiggavik – Andrew Lake et sur les perspectives scientifiques.
3.
Rappels bibliographiques
La présentation du contexte géologique multi-échelle qui suit a pour objectif de replacer la zone de Kiggavik dans un cadre lithologique et structural en accordant une attention
particulière à la métallogénie de l’uranium et aux processus d’altération associés. Bien
évidemment compte tenu de la proximité des contextes géologiques, de nombreux éléments de la littérature qui font référence aux bassins d’âge Méso-Paléoproterozoique de l’Athabasca (Canada) et de Kombolgie (Australie) seront également mentionnés.
3.1. Le bouclier Canadien et les bassins d’âge Paléoprotérozoique
Figure 3-1 : Carte géologique simplifiée du bouclier canadien, (Corrigan et al. 2007)
Le bouclier canadien, figure 3-1, est un ensemble géologique complexe dont l’organisation
actuelle est liée à l’accrétion de cratons archéens soudés par des ceintures orogéniques lors
1988; Hoffman 1990). Le supercontinent de la Laurentia était alors composé de blocs constitués des provinces du Supérieur-Nain, de Churchill-Wyoming et de l’Esclave
respectivement à l’est et l’ouest de la baie d’Hudson. De grandes zone mylonitiques à l’échelle lithosphérique telle que la Snowbird Tectonic Zone (STZ) séparant les sous provinces de Rae et de Hearne constituent l’une des discontinuités majeures de la partie ouest
de la province de Chuchill. Elles marquent un événement majeur de dislocation puis de suture du bloc Churchill-Wyoming avec le bloc de Queen Maude (Hanmer et al. 1995; Hoffman 1988). Au final, la configuration du bouclier résulte à la fois des phases multiples de
structuration des cratons à l’Archéen, et des phases d’extension (rifting) avec mise en place de
séries volcano-sédimentaires archéennes au niveau des marges passives de ces cratons qui
sont à l’origine des ceintures de roches vertes avec les groupes de Murmac Bay, Woodburn,
Prince Albert et Mary River pour la province de Churchill (Hartlaub et al. 2004; Ashton 1988).
L’orogène Trans- Hudsonien est d’une importance majeure du point de vue métallogénique.
On retrouve toutes les étapes de son évolution sur une période allant de 2.45 à 1.95 Ga,
incluant la phase de rifting lors de l’ouverture de l’océan Manikewan (Stauffer 1984) suivie
du dépôt de sédiments sur les marges des cratons archéens ou des bassins intra-cratoniques (e.g Groupe de Wollaston, Hurwitz, Amer) (Aspler et al. 2001), puis la formation de croûte
océanique, d’arc volcaniques océaniques et continentaux et de bassins d’arrière arc. Cet enregistrement complet de l’orogène et la variété des environnements géologiques qui le
composent expliquent sa renommée mondiale pour les amas sulfurés volcanogéniques (e.g Flin-Flon), magmatiques à Ni-Cu-EGP (e.g Thompson, Raglan) et dans une moindre mesure pour l’or orogénique (e.g Seabee), ainsi que pour les formations de fer rubanées (Corrigan et al. 2007; Kerrich et al. 2005). A cela s’ajoute des événements tectono-metamorphiques exprimés dans une tectonique ductile le long de zones de cisaillement, d’écaillage et de
plissement ainsi que la recristallisation des roches dans les conditions des faciès schiste vert à amphibolite supérieur du métamorphisme régional (Aspler et al. 2002).
Vers la transition Paléo -Méso-protérozoique, de grands bassins intra-continentaux de composition silicoclastique se sont mis en place lors des phases de démantèlement des grands
orogènes Paléoproterozoiques. On en identifie plusieurs au Canada: Il s’agit des bassins d’Athabasca, du Thelon, d’Hurwitz, ou d’Hornby Bay (Figures 3-1 et 3-3). Parmi ces
bassins, certains possèdent des gisements d’uranium associés à des discordances en cours
d’exploitation et/ou de prospection (Athabasca, Thelon) et les autres présentent de forte
potentialité pour l’exploration (Jefferson et al. 2007a). Enfin les études géodynamiques et les reconstructions paléogéographiques suggèrent un lien génétique entre le fonctionnement des grandes orogénèses du Protérozoïque et la formation de grands bassins intra-continentaux via
des phénomènes de tectonique d’échappement et de contraintes à distance, ou de flexuration thermique d’une croûte épaissie et structurée (Karlstrom et al. 2001; Molnar et al. 1998;
Eriksson et al. 2001; Ramaekers and Catuneanu 2004). Il existe des similitudes entre les caractéristiques des bassins silicoclasitiques du bouclier Canadien et celles du bouclier nord-australien, en terme de facies sédimentaires, d’âge, de position paléogéographique et de
métallogénie de l’uranium. Ceci est à rapprocher des reconstitutions paléogéographiques
(Figure 3-2) qui indiquent la proximité des bassins de la Laurentia avec ceux du craton nord australien vers la fin du Paléoprotérozoique (Betts et al. 2008; Kerrich et al. 2005; Zhao et al. 2004).
Figure 3-2 : Reconstitution de l’évolution de l’ensemble Australia-East Antartica et Laurentia entre 1780-1650 Ma. In (Betts et al. 2008) d’après (Bagas 2004; Duebendorfer and Houston 1987; Duebendorfer et al. 2001; Karlstrom and Bowring 1988)
Les minéralisations d’uranium sont associées à ces bassins intracontinetaux formés d’une séquence sédimentaire quasi horizontale, dominée par des environnements fluviatiles, continentaux dans lesquelles des grés très riches en quartz constituent la lithologie dominante.
On retrouve néanmoins des red beds et des siltites que l’on peut rapprocher de facies de plaine d’inondation ainsi que des facies conglomératiques fluviatiles, comme par exemple ceux qui
sont mentionnés à la base de la formation du Thelon (Rainbird et al. 2003; Rainbird and Davis 2007). Ces bassins sont décrits comme de grands lacs intracontinentaux remplis de sables et de graviers avec un début de sédimentation estimé entre 1730-1740 Ma pour le bassin
d’Athabasca et 17β0-1750 Ma pour le Thelon, soit quelques dizaines de millions d’années
après les derniers événements du métamorphisme enregistrées dans les sphènes des roches de la ceinture de plis de Wollaston et daté à 1750Ma (Rainbird et al. 2006; Miller et al. 1989; Orrell et al. 1999).
Les roches du socle situées au niveau de la discordance sont affectées par une intense hématitisation dont l’épaisseur varie de quelques centimètres à plusieurs centaines de mètres.
L’hématitisation est particulièrement développée à l’aplomb de grandes structures. Elle est
généralement interprétée comme un paléo-profil d’altération liée à la mise en place d’un
régolithe antérieurement à la formation du bassin sur la base d’arguments texturaux ou
minéralogiques (présence de diaspore) ou bien encore de par la nature graduelle du contact entre les zones à hématite et à chlorite, ou bien par un comportement géochimique des éléments traces analogue à celui décrit dans d’autres profils d’altération continentale d’âge précambrien (Macdonald 1980; Hoeve and Quirt 1984). Toutefois des éléments probants de paléosol (tel que des pisolithes par exemple) reste encore à trouver (Hoeve and Quirt 1984).
Selon une autre hypothèse, l’hématitisation pourrait être la conséquence de l’interaction des
saumures oxydantes issues du bassin avec la partie superficielle des roches réduites du socle au cours de la diagenèse (Cuney et al. 2003).
Figure 3-3 : Localisation actuelle des bassins intracontinentaux MesoProterozoic de la partie West du bouclier
Canadien, d’après Jefferson et al, 2007 et Thomas, 2000.
3.2. Les minéralisations de type discordance
Les gîtes et gisements d’uranium associés aux discordances sont des objets géologiques uniques formant une classe à part parmi les autres types de minéralisation uranifère de part les teneurs (avec en moyenne ≈ β % U pour l’Athabasca, et ≈ 0.4 % pour le Thelon et la Kombolgie) et les tonnages exceptionnels (Gandhi 1995; Ruzicka 1996; Jefferson et al. 2007a). La production issue des mines canadiennes représentait 17 % de l’uranium produit dans le monde en 2011.
La découverte et l‘interprétation des gisements uranifères canadiens est une longue et riche
histoire qui commence par les découvertes de minéralisation de type filoniennes à proximité du Grand lac de l'Ours (Port Radium) aux alentours de 1930, puis en 1952 avec la mine Gunnar à Uranium City, exploitée par Eldorado, une compagnie minière qui deviendra
Cameco Corporation dans les années 80. Elle s’est poursuivie par la découverte d’Elliot Lake, un modèle de minéralisation que l’on pourrait rapprocher de ce qui est connu dans le
Witwatersrand en Afrique du Sud (Hills 1987).
Par la suite, le tournant majeur pour l’exploration de l’uranium au Canada s’est produit à la
fin des années 60, avec la découverte de minéralisations à l’affleurement dans le bassin de l’Athabasca. Le gisement de Rabbit Lake a été découvert conjointement par Gulf Minerals
Ltd & Uranerz Exploration and Mining limited dans l’Est du bassin d’Athabasca en 1968. Celui de Cluff Lake a été découvert dans l’ouest du bassin en 1969 par Amok Limited (Gandhi 2006), Figure 3-4. On peut d’ailleurs noter que les découvertes de Nabarlek et Ranger en (Territoire du Nord, Australie) ont été faites à la même époque.
Figure 3-4 : Panneau d’indication de l’ancien camp d’Amok limited (prédécesseur de COGEMA devenu AREVA Resources Canada) situé entre rive Sud du lac de Carswell et le site minier de Cluff Lake
(Saskatchewan, Canada).
3.3. Gitologie des minéralisations uranifères associées aux discordances d’âge
paléoprotérozoïque
Les minéralisations sont formées de lentilles massives à semi massives mais aussi de veines à
remplissage quasi exclusif d’uraninite (UO2) et situées au voisinage de la discordance basale
des bassins, entre les grès conglomératiques d’âge Paléo à Mésoproterozoiques et leur socle métamorphique d’âge Archéen à Paléoproterozoique.Les minéralisations forment des objets
de dimensions relativement limitées mais pour lesquelles les teneurs peuvent atteindre 15 à 20 % U comme dans les mines de Cigar Lake ou de McArthur River Figure 3-5. On peut également noter que les volumes de minéralisation reconnus pour le bassin du Thelon
représentent le dixième de celle de l’Athabasca et que les teneurs moyennes enregistrées
(environ 0.5 %) sont beaucoup plus faibles que celles mesurées dans l’Athabasca et proches de celles rencontrées dans les gisements Australiens de l’Alligator River (Battey et al. 1987; Ruzicka 1993). Ainsi on peut légitiment questionner le potentiel de découverte pour cette
Figure 3-5 : Relation entre teneur et tonnage des différents gisements d'uranium associés à des discordances en
Australie et au Canada (d'après Gandhi 1995; Ruzicka 1996; Jefferson et al. 2007a; Gandhi 2006). Les différents
gisements et prospects de Kiggavik sont représentés en bleu alors que les deux gisements géants de l’Athabasca que sont McArthur et Cigar sont en rouge. L’encadré donne les teneurs moyennes les ressources et les réserves ainsi que la production passée pour chacun des bassins Paléoprotérozoiques dans lesquels des minéralisations de
type discordances ont été reconnues. Bien qu’il soit distinct du point de vue génétique, le gisement d’Olympic Dam est donné pour comparaison, car il constitue le plus gros gisement connu dans lemonde.
On peut alors distinguer trois sous-types de minéralisation en fonction de la localisation des corps minéralisés (Jefferson et al. 2007b): (1) les minéralisations encaissées dans le socle (gisement de Collins Bay par exemple), (2) les minéralisations distribuées dans des failles ou des corridors de fractures la long de la discordance basale (gisement de Cigar Lake par exemple) et (3) les minéralisations situées au dessus de la discordance (minéralisation dite perchée), Figure 3-6. Les différents sous-types de minéralisation ne sont pas exclusifs. Ils peuvent être associés dans un même gisement comme c’est le cas à Key Lake ou à Shea Creek (Andrade 2002; Thomas et al. 2000). Les profondeurs sous la discordance à laquelle se font les nouvelles découvertes de minéralisation dans le socle sont de plus en plus importantes. Elles atteignent plus de 300m dans le bassin d’Athabasca (Shea Creek) et plus de 200m dans le gisement de Jabiluka (Australie).
Il est également possible de déterminer deux sous ensembles de minéralisation sur une base de critères géochimiques : (1) la minéralisation monométallique est essentiellement constituée
de’uraninite. Elle est surtout encaissée dans le socle et est globalement pauvre en terres rares
légères (2) La minéralisation polymétallique est généralement encaissée dans le grès ou localisée à la discordance. Elle se caractérise par un minerai riche en Ni, Co, Cu, Mo et en terres rares légères, Figure 3-7.
Figure 3-6 : Exemples de gisements illustrant les trois styles de minéralisation dans des gisements d’uranium
Figure 3-7 : Schéma simplifié des environnements géologiques associées aux gîtes mono- et polymétalliques
dans les systèmes de type discordance d’après (Jefferson et al. 2007b; Sibbald et al. 1976; Hoeve and Sibbald
1978; Hoeve and Quirt 1984; Ruzicka 1996; Thomas et al. 2000; Tourigny et al. 2007).
3.4. Contrôle structural régional et local des minéralisations
Quelles que soient les typologies de minéralisation rencontrées, il existe un fort contrôle structural de leur mise en place. A l’échelle régionale, ce contrôle s’exerce par de grandes structures souvent héritées des phases de structuration Archéennes et Paléoprotérozoiques qui sont exprimées sous la forme de zones mylonitiques graphiteuses (Athabasca, bordure Sud ouest du Thelon) ou non (Nord Est du Thelon, Kombolgie) (Wilde and Wall 1987). C’est le cas par exemple de la structure P2 le long de laquelle se distribuent les gisements de Cigare Lake et McArthur River ou bien celle du « Saskatoon Lake Conductor » qui contrôle les minéralisations du district de Shea Creek dans les parties est et ouest du bassin de
l’Athabasca respectivement.
Ces zones de déformation majeure du socle ont ensuite été réactivées lors de l’histoire tectonique post-dépôt sédimentaire. A cela s’ajoute l’ensemble des réseaux de failles subsidiaires qui forment des zones favorables pour la circulation des fluides et dont le rôle
dans le contrôle de la minéralisation à été mis en évidence très tôt sur la mine de Rabbit lake (Hoeve and Sibbald 1978; Hoeve et al. 1980), à Cigare lake (McGill et al. 1993), à Cluff Lake (Beaudemont and Fedorowich 1996) ou bien encore à Shea Creek par le biais de « couloirs brèchiques » (Lorilleux 2001) pour ne citer que quelques exemples.
3.5. Typologie des altérations
La manifestation des interactions fluides roches guidées par les structures et responsables de
la formation des minéralisations, est le témoin d’échanges et de circulations entre le bassin et
les roches de socle sous jacentes. Les conditions nécessaires sont celles décrites par les auteurs du modèle de type diagénétique-hydrothermal dans lequel les saumures de bassins sont à la fois les vecteurs de l’altération et de la minéralisation (Hoeve and Sibbald 1978; Hoeve and Quirt 1984). Ces processus sont mis en œuvre lors des phases de réactivation permettant la mise en circulation de ces fluides, alors que le bassin est soumis à une diagenèse poussée (Pagel 1975).
La minéralogie et la géochimie des altérations des roches encaissantes des gisements
d’uranium associées aux discordances ont fait l’objet d’études au Canada, principalement dans l’Athabasca et dans une moindre mesure dans le Thelon, et en Australie dans l’Alligator
River afin de décrire et comprendre les zonalités des gisements et de les comparer (Hoeve and Quirt 1984; Miller and LeCheminant 1985; Kotzer and Kyser 1995; Kyser et al. 2000; Beaufort et al. 2005; Renac et al. 2002; Cuney et al. 2003; Percival and Kodama 1989), Figure 3-8.
On remarque alors une minéralogie des halos d’altération associés aux minéralisations uranifères très semblable pour les trois bassins Paléoproterozoiques avec un assemblage à illite ( interstratifié illite-smectite) sudoite (chlorite Al-Mg) clinochlore (chlorite Mg)
proportions selon que l’on considère les grès, la discordance ou bien le socle. On note également la présence de la dravite parfois en abondance ( tourmaline magnésienne).
Figure 3-8 : Paragenèse minérales associées aux minéralisations de types discordances dans les Bassins de la
Kombolgie, du Thelon et de l’Athabasca in (Jefferson et al. 2007b) d’après (Kyser et al. 2000; Polito et al. 2004;
Polito et al. 2005; Creaser and Stasiuk 2007)
Cette minéralogie des phases d’altération est fortement dominée par l’illite dont les halos
peuvent s’étendre à plusieurs centaines de mètres des minéralisations aussi bien dans le socle
que dans la couverture sédimentaire. Cette altération se manifeste par une forte desilicification et une déstabilisation des minéraux initialement présents, principalement les aluminosilicates, et aussi les minéraux accessoires (zircon, monazite, tourmaline, etc). Ces processus induisent une déstabilisation des minéraux ferromagnésien du socle tels la biotite ou l’amphibole et se manifeste sous la forme d’un blanchiment des roches ainsi altérées (Hoeve and Quirt 1984).
Enfin, le potassium libéré par la dissolution des aluminosilicates du socle peut alors alimenter
l’illitisation des kaolinites présentes dans la couverture gréseuse.
De plus une zonalité apparaît, dans la répartition des polytypes de l’illite autour des corps minéralisés (Laverret 2002) et la distribution spatiale des différentes chlorites Fe-Mg ou Al-Mg (sudoite) (Hoeve and Quirt 1984). Cette zonation minéralogique est contrôlée par
plusieurs facteurs tels que l’évolution de la composition du fluide hydrothermal, la durée des phénomènes d’interaction fluide-roche ou bien encore l’hydrodynamisme du système.
Enfin la distribution spatiale des altérations argileuses s’exprime schématiquement sous la
forme de deux typologies selon que l’expression de l’altération est prédominante dans le socle
ou dans la couverture, Figure 3-9. Ces distributions donnent lieu à une interprétation selon les modes « egress » ou « ingress » (Quirt 2003). Le mode « egress » se distingue par une large enveloppe à illite sudoite largement exprimée dans la couverture gréseuse entourant une
zone plus riche en sudoite et un cœur riche en chlorite ferromagnésienne, biotite et sudoite qui semble s’enraciner sur la structure guidant l’altération. Le mode « ingress » affecte
essentiellement le socle. Il montre une zonalité inverse des altérations avec au cœur un assemblage à illite sudoite entouré d’un halo à sudoite illite puis d’une zone à chlorite Fe-Mg, biotite et sudoite. On peut éventuellement considérer que ce dernier assemblage,
dominé par les minéraux métamorphiques du socle est l’expression plus distale de l’altération.
Chacune de ces altérations est considérée comme un marqueur du passage des fluides soit du socle vers la couverture (egress) soit de la couverture vers le socle (ingress).
Figure 3-9 : Schéma des types de minéralisations "egress" et "ingress" in (Jefferson et al. 2007b) d’après (Hoeve and Quirt 1984; Sibbald 1985; Fayek and Kyser 1997)
3.6. Quelques repères chronologiques : âges des minéralisations, événements
thermiques (diagenèse & intrusions) et contexte géodynamique en lien avec les
minéralisations d’uranium de l’Athabasca et du Thelon
Figure 3-10 : Mise en relation des grands événements tectoniques à l’échelle du bouclier avec les âges des
Les travaux de datation des minéralisations sont toujours complexes de part la forte réactivité
chimique de l’uraninite et sa propension à recristalliser au cours des temps géologiques. Les
différentes études géochronologiques permettent néanmoins de caler l’âge des minéralisations avec un certain nombre de moments clefs de la géodynamique du craton canadien (orogenèses, magmatisme, ritfing, diagenèse), Figure 3-10.
Les principaux âges de mise en place des minéralisations uranifères du le bouclier canadien
s’étalent entre 1800 et 900 Ma. Pour les minéralisations de l’Athabasca, ils peuvent être
résumés comme suit: (1) 1780 20 Ma pour les veines de Beaverlodge (Koeppel 1967), (2) 1586 15 (Alexandre et al. 2009) 1519 22 et 1486 9 Ma U/Pb à McArthur River et 1467 47 à Cigare Lake parmi les plus anciennes mesurées a la sonde ionique dans
l’Athabasca (Fayek et al. 2002), (3) 1329 17 Ma à Key lake (Cumming and Krstic 1992), (4)
1275 22 à Shea Creek, ou bien encore 900 Ma (Fayek et al. 2002). Ces datations
n’excluent pas la possibilité de remobilisations plus tardives d’une partie de la minéralisation
sous la formes de fronts d’oxydo-réduction datés jusqu’à moins de 400 Ma (Mercadier et al. 2010).
A Shea Creek, il existe une bonne concordance entre les âges obtenus sur les illites du halo
d’altération (1453 2, 1330 20 et 1235 Ma ) et ceux obtenus sur les uraninites du gisement
(Laverret et al. 2010).
Comme ces auteurs l’on proposé il est possible de relier ces différents âges d’une part à l’événement diagénétique ayant affecté l’ensemble du bassin au alentour de 1500 Ma
(contemporain de la fin de l’orogène Mazatzal et des minéralisations les plus anciennes) et
d’autre part aux remobilisations qui ont pu être contemporaines d’autres phases tectoniques
tels que les orogènes Bertoud et Grenville respectivement vers 1400 et 1100 Ma et les dykes de Mackenzie à 1267 2 Ma (LeCheminant and Heaman 1989), la formation et dislocation de
la Rhodinia ou de la Pangée (1000, 700 et 300 Ma), ou bien enfin des phénomènes d’uplift et
d’érosion pour les fronts redox mis en place vers 400 Ma.
Les données de datations de la littérature sont bien moins abondantes pour les gisements du bassin du Thelon. On peut toutefois mentionner des âges à 1403 10 Ma U/Pb (Farkas 1984) sur roche totale pour Kiggavik ainsi que des âges K/Ar sur illite à 1386 24 Ma, 1362
21 Ma (Miller and LeCheminant 1985) ou 1073 Ma (Miller 1981). Des âges plus récents à
environ 1200 Ma ont été obtenu sur la minéralisation massive d’End, échantillonné en 2010 et confiée à M. Brouand pour analyse à la microsonde ionique. On retrouve des gammes d’âges concordantes entre évènements de minéralisation et d’altération. On peut noter des âges pafois proches pour les minéralisations en uranium associées à l’Athabasca et au Thelon.
Enfin l’âge de la sédimentation ou du début de la diagenèse à été contraint à 1730-1750 Ma pour le bassin d’Athabasca par la datation des derniers épisodes métamorphiques (Orrell et al. 1999) et à 1720 6 Ma et 1667 5 Ma par datation Pb/Pb sur apatite diagénétique en ciment à la base du Thelon (Miller et al. 1989) et datation in situ U/Pb sur fluorapatite (Davis et al. 2011) respectivement pour le bassin du Thelon .
3.7. Géologie des gisements d’uranium du district de Kiggavik
3.7.1. Localisation et bref historique des travaux d’exploration
Le projet Kiggavik anciennement dénommé Lone Gull est situé à 80 km à l’ouest du hameau
Inuit de Baker Lake, au Nunavut. Les premiers travaux d’exploration de ce gisement qui est
activement prospecté depuis quelques années, remontent à 1974 lors de la découverte de minéralisations uranifères sub-affleurantes à Kiggavik s.s lors d’une campagne de radiométrie aéroportée menée par Urangesellschaft Canada (UG). Ceci conduira à la découverte de la lentille de Main Zone en 1977 avec un premier sondage intersectant 35m de roches altérées contenant 1% U3O8 (Fuchs et al. 1986). L’actuel camp d’exploration des équipes d’AREVA
Resources Canada (ARC) se situe à quelques centaines de mètres à l’Est de cette zone, à l’emplacement de l’ancien camp Schutlz-Sissons South d’UG, Figure 3-11.
Figure 3-11 : Camp d’exploration de Kiggavik, crédit photo aérienne : AREVA Resources Canada
Le district comprend plusieurs zones minéralisées d’importance économique ainsi que de nombreux prospects ou zones à fort potentiel en cours de développement ou de test. Ainsi du Nord Est au Sud Ouest des propriétés formant le projet on retrouve Kiggavik ss., la découverte initiale (1974), Bong (1986) , End (1987), et enfin Andrew (SW Grid, 1988) puis
Jane (1993), l’ensemble de ces zones minéralisées totalise un contenu de ressources historiques d’approximativement 58000t d’uranium. Le projet comprend deux grandes zones non contigües de permis d’exploration composées de St Tropez au Nord et de Kiggavik au
Sud, Figure 3-12 et 3-15.
A l’échelle régionale, les guides de prospection suivis ont été tout d’abord, la géophysique
avec la combinaison de données de résistivité et de gravimétrie permettant de localiser les structures et les zones altérées (Hasegawa et al. 1990). Par la suite de proche en proche,
ou Paléoproterozoïques) et les métagraywackes Archéan du Woodburn Lake Group (WLG). Ce contact étant lui-même souligné par de puissantes zones de brèches à remplissage de quartz, souvent associées à une forte hématitisation. Ces brèches sont par ailleurs recoupées
en sondages dans l’ensemble des zones minéralisées de Kiggavik ou elles délimitent souvent deux zones de minéralisations de part et d’autre du couloir de brèche à remplissage de quartz.
Figure 3-12 : Carte des droits miniers pour les projets ARC de la bordure Sud Ouest du bassin du Thelon
3.7.2. Séquence lithostratigraphique de la bordure Sud Est du bassin du Thelon et position des minéralisations
L’encaissant des minéralisations et principalement formé par des métagraywackes Archéens
(2711 3 Ma) appartenant au groupe de Woodburn, et dans une moindre mesure dans des métagranodiorites (assignées au méso-Archéen) mis eu contact avec les métagraywackes par
le biais d’une structure mylonitique plate, parallèle à la foliation, Figure 3-13. Les granites et
syénites Hudsonienne ou Nuetlin peuvent être minéralisés plus rarement. Un lien génétique entre la minéralisation en uranium et les roches intrusives été évoqué dans les travaux historiques sur le gisement de Kiggavik (Weyer et al. 1987). Cette proximité spatiale entre roches intrusives et minéralisations uranifères est exprimée à Kiggavik ss, à End Grid et à Andrew Lake. Les roches intrusives sont majoritairement représentées par des granites et des syénites hudsoniennes souvent riches en fluorine (1840-1830 Ma) sous la forme de dykes sécants sur la foliation horizontale ou de sills entourés d’un fin halo de cornéennes (Jeffrey et al. 2010; Peterson et al. 2002). Les intrusions de l’épisode Nuetlin et leur équivalent volcanique (Pitz rhyolite) datés à à 1750 Ma sont présents à l’affleurement à Andrew lake et sont fréquemment recoupées en sondage sous la forme de dykes de granite porphyrique à texture rapakivi.
Les minéralisations semblent s’enraciner plus en profondeur vers le SW du faisceau minéralisé. De Kiggavik jusqu’à Andew, la minéralisation est trouvée à l’affleurement, dans les métagraywackes altérés. A Jane, elle est encaissée dans des orthogneisses sous la forme de veines à remplissage de pechblende. Les quartzites qui séparent les lentilles supérieures et inférieures du gisement de Kiggavik sont également rencontrés au dessus de la zone minéralisée à Bong, Figure 3-14.
On peut enfin noter que les contacts entre les unités lithologiques ou les structures brêchiques
particulièrement le cas au contact entre les roches intrusives et les méta-graywackes ou autour
des brèches à remplissage de quartz que l’on peut l’observer à Bong ou End.
Figure 3-13 : Coupe géologique dans une section du gisement d’Andrew Lake (données UG/AREVA Resources Canada Inc.)
Figure 3-14 : Coupe du gisement de Center Zone à Kiggavik montrant la position des minéralisations par rapport
aux bancs massifs de quartzite (Weyer 1992)
3.7.3. Structuration ductile et déformation fragile
Comme il a été présenté précédement, un lien fort est établi entre les structures et les minéralisations dans les gisements de type discordance. A Kiggavik l’histoire tectono-métamorphique polyphasée et complexe a contribué au développement des discontinuités qui sont les drains préférentiels des fluides minéralisateurs. On reprendra rapidement ici les résultats établis par les travaux de terrains et les analyses structurales de Jean-Louis Feybesse et Nicolas Flotté réalisés en 2009, 2010 autour de Kiggavik (Flotté 2009; Feybesse 2010).
- La déformation ductile
On peut identifier deux grandes phases tectoniques tardi-archéennes avec (1) la mise en place de plis à vergence NW et NNW dans le socle méso-Archeén puis (2) la mise en place de nappes de chevauchement exprimée par une zone mylonitique faiblement pentée à la base des
métasédiments du Woodburn group et le développement d’une foliation sub-parallèle au
contact mylonitique que l’on retrouve communément dans la zone de Kiggavik (Beaudemont
1995).
Une troisième phase de déformation est caractérisée par le developpement d’une zone de
cisaillement Nβ70 à linéation d’étirement E-W. Elle est principalement observée à la base des
quartzites et elle constitue une des discontinuités majeures de la zone de Kiggavik avec pour
conséquence l’entrainement des quartzites massifs dont la position dans la pile lithologique (elles reposent sur les roches du Woodburn Group par le jeu d’une zone mylonitiques
faiblement pentée vers le Nord) fait toujours l’objet de débat. Cette phase de déformation est attribuée à la phase hudsonienne (Paléoproterozoique)
- Déformation fragile
Plusieurs familles de failles sont identifiées avec à l’échelle régionale. Il s’agit de la faille
du Thelon, Judge Sisson lake ou leur parallèles dont l’expression est visible aussi bien à l’affleurement qu’en sondage autour des zones End Grid et Bong. On a alors, pour structure
de premier ordre, la faille d’Andrew lake, d’orientation NE-SW et de cinématique interprétée dextre par la suite réactivée en senestre. Les minéraliations d’Andrew et Jane se trouvent distribuées le long de cette structure. Le second ordre de faille est d’orientation globale WNW-ESE (N70 à N100) avec une cinématique dextre. Ces dernières structures sont soulignées par une forte cataclase et de puissantes zones de brèches à remplissage de quartz. Elles présentent également une hématitisation intense qui affecte le socle métamorphique, les intrusifs (hudsonien et Nuetlin) ainsi que les sédiments du Thelon.
A ces failles (et les brêches tectoniques associées) sont reliés un ensemble de structures dextres redressées d’orientation N1β0-N130, formant parfois des zones de relais avec les
structures N70 et un autre ensemble de failles normales Est- Ouest faiblement pentées vers le Nord.
Enfin une série de failles tardives sont venues modifier la géométrie des éléments structuraux précédents et affecter les sédiments des bassins de Baker lake et de Wharton. Il s’agit, soit de failles Nord-Sud, à N30 senestres, soit de failles N160 dextre (Rainbird and Hadlari 2000).
Ces structures tardives ne se limitent pas à la zone de Kiggavik. Elles s’expriment dans l’ensemble de la province de Rae. Elles ont été observées dans le gisement de Sue C dans la partie est du bassin d’Athabasca (Flotté et Feybesse, 2008).
4.
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