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L’âge des gisements de cuivre d’Afrique centrale a été mesuré

Les ressources minérales sont d’une importance majeure pour l’humanité, puisqu’elles lui fournissent les matières premières dont elle a besoin pour ses technologies. Le cuivre est utilisé comme conducteur électrique et pour la fabrication d’alliages. Avec l’or, c’est le premier métal utilisé par l’humanité. Le type de minerai le plus important est le porphyre, exploité tout le long de la côte ouest des deux Amériques, en premier lieu au Chili et au Pérou, où il est lié au fonctionnement du volcanisme andin. Les gisements porphyriques fournissent 75 % du cuivre mondial.

Les gisements stratiformes viennent en deuxième position. La moitié des réserves se trouve dans la « Ceinture de cuivre » (Copperbelt en anglais) du bassin du Katanga en Afrique centrale, qui s’est constitué durant le Néoprotérozoïque (de 1000 à 541 millions d’années). Par le mot ceinture, les géologues désignent toute structure ayant une forme allongée sur une carte. Les deux autres grands gisements sont le bassin paléoprotérozoïque (de 2500 à 1600 Ma) Kodaro-Udokan en Sibérie et le bassin permien (de 299 à 252 Ma) du Zechtein en Europe du Nord. Ces gisements se présentent sous la forme de couches enrichies en cuivre dans des sédiments, dont l’épaisseur n’est que de quelques mètres. Les teneurs de cuivre, de 2 à 4 %, sont cependant plutôt bonnes. Le bassin du Katanga est à cheval entre la République démocratique du Congo et la Zambie. Il comporte plusieurs gisements fournissant également du cobalt. L’exploitation a commencé dans les années 1930 et a dépassé les 600 000 tonnes par an dans les années 1960, au profit des colons belges et anglais. Elle a chuté à partir de 1973 après l’effondrement des prix du cuivre et la nationalisation des mines, avant de reprendre depuis une vingtaine d’années.

Localisation et âge des gisements du cuivre du bassin du Katanga. Les isogrades indiquent le degré de métamorphisme. Noter une minéralisation de cuivre dans les roches du socle, entre 1089 et 1054 Ma.

Pour comprendre comment la Ceinture de cuivre s’est formée, il faut connaître l’histoire géologique de l’Afrique australe. Dans la zone que nous considérons, il existait deux cratons, c’est-à-dire deux anciennes croûtes continentales : celui du Kalahari et celui du Congo. Il y a 880 Ma, un rift les a séparés. Le même phénomène se produit en ce moment à l’Est de l’Afrique. Des sédiments ont commencé à se déposer dans ce fossé. Ce sont des carbonates nécessairement formés en milieu aquatique et des sables assez fins provenant de l’érosion des terres émergées. Ces derniers sont dits « siliclastiques » car ils sont constitués de silicates (argiles, grains de quartz…). Le premier dépôt de sédiments constitue le groupe de Roan, celui qui héberge le cuivre. Il est daté de 880 à 727 Ma. Dans la zone actuellement située en RDC, il y avait un vaste environnement de sebkha (ou sabkha) : un milieu très peu profond, périodiquement envahi par les marées ou les vagues de tempêtes, où l’évaporation était intense. Des incursions marines se produisaient de temps en temps, entraînant une sédimentation siliclastique. Ces évaporites étaient du gypse, des anhydres ou du sel. Par suite, elles ont formé des dômes qui, à cause de leur faible densité, sont montés en repoussant les sédiments situés au-dessus d’eux. On les appelle des diapirs. Ces sédiments plus récents sont ceux du groupe de Nguba (727-632 Ma), marqué par du volcanisme de rift, et ceux du groupe de Kundelungu. La période de Nguba correspond au Cryogénien. durant lequel la Terre a connu deux glaciations globales, dites sturtienne et marinoenne, qui l’ont transformée en une « boule de neige ». Des dépôts glaciaires ont été trouvés, ainsi que des cap-carbonates, sédiments résultant de la fonte des glaces.

À la fin du Cryogénien, le mouvement des deux cratons s’inverse : ils se rapprochent. Le rift, qui s’était transformé en un petit océan comparable à la Mer Rouge, se referme. La collision des deux cratons entraîne la surrection d’une chaîne de montagnes aujourd’hui érodées. Elles constituent l’arc lufilien. On y retrouve les sédiments du groupe de Roan, soulevés et métamorphisés. Cette orogenèse est une étape d’un événement plus large : l’assemblage, non pas seulement de l’Afrique, mais du Gondwana, le supercontinent comportant la future Afrique. On l’appelle l’orogenèse panafricaine. Lors de l’orogenèse lufilienne, une volumineuse intrusion de magma granitique se produit. Il se solidifie en un massif appelé le batholite de Hook, plus tard mis à jour par l’érosion. Les âges mesurés vont de 570 à 520 Ma, période durant laquelle commence le Cambrien (de 541 à 485 Ma) avec l’explosion de la vie dans les mers.

Carrollite de Musonoï, bassin du Katanga, RDC. @ Didier Descouens / Wikimedia Commons.

Ce tableau étant brossé, on peut essayer d’expliquer l’origine du minerai de cuivre. La première hypothèse à laquelle les géologues ont pensé est qu’il s’est formé pendant que les sédiments du groupe de Roan se déposaient, entre 880 et 727 Ma, notamment dans les sebkhas. C’étaient des lagunes privées d’oxygène dans lesquelles du carbone organique et de la pyrite, un sulfure de fer de formule FeS₂, pouvaient être conservés. Ce minéral a pu aider à la future minéralisation du cuivre. La deuxième hypothèse fait intervenir la diagenèse, c’est-à-dire la transformation des sédiments lors de leur enfouissement sous le poids des dépôts plus récents. Le groupe de Roan atteint 1000 mètres d’épaisseur ! Plus récemment, des scientifiques ont émis l’hypothèse, basée sur quelques datations, que la minéralisation s’était effectuée durant l’orogenèse lufilienne.

Cette hypothèse critiquée s’est vue confirmée par l’équipe de N.J. Saintilan, de l’université de Durham en Angleterre. Ses résultats ont été publiés dans la revue Scientific Reports en octobre 2018. Il a utilisé des datations de minéraux sulfurés : la carrollite de formule chimique CuCo₂S₂ et la bornite de formule Cu₅FeS₄. Ils proviennent de quinze échantillons du dépôt de Kamoto, en RDC. Quand ils cristallisent, ces minéraux incorporent du rhénium 187, un élément qui a des affinités avec le soufre. Il se transforme par radioactivité bêta en osmium 187 avec une demi-vie de 41,6 milliards d’années. Cette propriété permet la datation.

Les âges mesurés pour la carrollite sont de 518 Ma avec une grosse incertitude de plus ou moins 32 Ma. C’est néanmoins suffisant pour attribuer à coup sûr la minéralisation à l’orogenèse lufilienne, plus exactement à la phase de collision entre les deux cratons. La RDC et la Zambie doivent donc leurs gisements de cuivre et de cobalt (contenu dans la carrollite) à ces anciennes montagnes. Pour la bornite, un âge plus récent et plus précis a été obtenu : 473 ± 4 Ma. Il y a du cuivre et un peu d’or ! Des intrusions de magma qui ont suivi la collision sont probablement en cause. On distingue aussi une formation plus précoce de bornite, à 609 ± 5 Ma, cette fois sans rapport avec l’orogenèse lufilienne.

Le mystère de la Ceinture de cuivre est-il donc résolu ? Oui, mais il reste à expliquer de quelle manière l’orogenèse a permis la formation de ces minéraux. De l’eau chaude sous pression, chargée en sel, a circulé entre les sédiments et le socle, où elle a dissous les minéraux comportant du cuivre. Quant au cobalt, il est probablement originaire de la croûte océanique qui s’était solidifiée lors de l’ouverture du rift, mais aucun vestige n’en a été retrouvé. La tectonique compressive qui s’est mise en œuvre lors de la collision de deux cratons a mobilisé ces fluides salés, permis leur surpression et leur expulsion. Quand ils ont déposé le cuivre et le cobalt dans les sédiments du groupe de Roan, ils devaient avoir une température comprise entre 115 et 220 °C. Leur pourcentage de chlorure de sodium est estimé à 12-20 % en poids. La glaciation marinoenne a peut-être également joué un rôle, les eaux de fonte pénétrant dans les sédiments et accroissant la dissolution des évaporites. Ceci a influencé le mouvement des diapirs, lui-même lié à l’orogenèse.

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N.J. Saintilian et al., Sulphide Re-Os geochronology links orogenesis, salt and Cu-Co ores in the Central African Copperbelt, Scientific Reports, 8 October 2018.

https://www.nature.com/articles/s41598-018-33399-7

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