Shales cuprifères (kupferschiefer)

Le terme kupferschiefer est un mot d’origine allemand. Il désigne un niveau stratigraphique, de shale bitumineux riche en Cu, du Permien supérieur (= Zechtein allemand) de l’Europe centrale et occidentale. A cette définition stratigraphique s’est superposée une définition métallogénique ; « gisement type kupferschiefer » en raison de la concentration du cuivre dans des niveaux de shales noirs. 

Le kupferschiefer ou shale cuprifère ou tout simplement schiste cuprifère renferme aussi des concentrations importantes de Pb, Zn, Ag, Co…, et malgré l’importance de ces éléments, en garde l’appellation cuprifère vu l’importance économique et historique du Cu dans ce type. Le type désigne donc la concentration de métaux lourds Cu, Pb, Zn, Ag, Co,… dans des shales riches en matière organique. 

Les gisements les plus célèbres se rencontrent au sein de deux provinces ; le Kupferschiefer d’âge Permo-Trias en Europe et le Shaba d’âge Protérozoïque à la frontière R.D.C (ex-Zaïre)/Zambie.

Les gisements type « schistes cuprifères » produiraient 27% du cuivre mondial. La teneur moyenne d'exploitation est élevée (2,4% Cu). Les mines du Shaba représentent à elles seules 20% du cuivre et les 70% du cobalt dans le monde (réserves 150 Mt Cu, 8 Mt Co).

Les minéralisations apparaissent dans les bassins intracratoniques en extension. Elles sont connues après l'Archéen, en particulier à la fin du Paléozoïque. Les minéralisations généralement très concordantes, se situent dans des séries transgressives, au passage entre des niveaux oxydants, rouges et des niveaux réducteurs, riches en soufre et/ou en matière organique. Les concentrations se situent près des paléoreliefs. 

Dans la province métallifère du RDC-Zambie, 36 mines forment une ceinture de près de 520 km de long, entre le Sud-Est du Zaïre et le Nord de la Zambie et représente 20% du cuivre et les 70% du cobalt dans le monde (réserves 150 Mt Cu, 8 Mt Co). Des gisements de type « shales cuprifères » existent aussi dans le NW des Etats Unis et au Canada (Province d'Alberta et Colombie britannique).

Shales cuprifères de l’Europe

Le Kupferschiefer de l'Europe correspond à des gisements stratiformes de cuivre encaissés dans des shales du Permien supérieur (districts du Mansfeld et du Lubin). La minéralisation est associée à la transgression permienne. Elle apparaît au contact entre les grès du Rotliegendes et les évaporites et carbonates du Zechstein. Il s'agit d'un mince niveau (60 cm) de schistes calcareux et bitumineux marins. Ce niveau est connu de l'Angleterre à la Pologne, soit sur 600 000 km², mais il n'est exploitable que sur 0,2% de sa superficie, en bordure méridionale du bassin du Zechstein. Il a produit plus de 2 Mt Cu à des teneurs de 1,5% Cu.

Au Permien supérieur (Zechstein), l’Europe centrale et occidentale correspond à un bras de mer qui s’ouvre vers le Nord (Fig.1). Il s’agit d’un bassin peu profond et euxinique (faible communication avec la mer libre), comportant des îles, de nombreux golfes fermés et des lagunes. L’absence de circulations verticales interdit le renouvellement des eaux profondes, donc l’oxygénation, ce qui confère au bassin un caractère réducteur ; conservation de la matière organique qui s’accumule sur le fond. 

Figure (1) : (a) : Extension des dépôts marins du Zechstein en Europe (Permien). D'après Wyzykowski (1971) et Rentzsch (1974) (simplifié, in Routhier 1980). 1 : Limites des dépôts marins du Zechstein ; 2 : Principaux districts cuprifères : Ma = Mansfeld, Lu = Lubin. (b) : Succession lithologique dans le Permien du Mansfeld (d’après Rentzch, 1974, in Routhier, 1980). 1- anhydrite, 2 : dolomite, 3- calcaire, 4- shales cuprifères, 5- minéralisation exploitable, 6- grès, 7- faciès hématitique (Rote faule), 8- limite entre faciès réduit et faciès oxydé.

Le Permien supérieur, support de la minéralisation, arrive en transgression sur le Permien inférieur et le socle hercynien. Le Permien inférieur formé de conglomérats et des grès est surmontés par un niveau peu épais (0,50 m environ) de marnes à gypse et anhydrite, riche en bitumes et renfermant des sulfures de cuivre (shale cuprifère). Les couches de dessus sont des carbonates (dolomies, calcaires), puis des évaporites (anhydrite, halite) (Fig.1).

 La succession lithostratigraphique du kupferscheifer de Mansfelf est donnée en figure (2). L'épaisseur du niveau minéralisé est très faible en regard de son extension considérable (0.5 m de puissance pour une extension de plus de 1500 km) ce qui suggère un bassin très plat et une subsidence faible et régulière. Le contexte de mise en place est donc celui d’une plate-forme continentale ou épicontinentale stable. 

	Puissance (cm)	Lithologie
Schawarge Berge	12 à 17	marnes plus ou moins argileuses peu bitumineuses
schieferkopf	10 à 12	même composition, mais un peu plus riche en Cu
Kammschale	3 à 4	même composition, mais très bitumineux
Grobe Lette	6 à 9	argilite calcaire et sableuse, très bitumineuse
Feine Lette	2 à 4	argile impure à sableuse, très bitumineuse

Fig.(2) : La succession lithostratigraphique du kupferscheifer de Mansfelf  (Eisenhuth et Kautsch, 1954).

Des zones rubéfiées (hématitique), appelées « Rote Faule » (Fig. 14b), sont interprétées soit comme des îles, soit comme l’ancien littoral qui correspondraient à des zones parcourues par des eaux continentales oxydantes.

La composition minéralogique moyenne du kepfersckiefer, donnée en tableau (1), montre une très faible proportion des minéraux terrigènes. Cette particularité témoigne que sur le continent l’altération chimique l’emporte très largement sur l’érosion mécanique.

La minéralisation se présente sous forme de minces lits stratiformes de sulfures (Cu, Zn, Pb et Ag)  dans les shales. La partie exploitable des shales n'est épaisse que d'une vingtaine de centimètres environ. 

Quartz	5%
Feldspaths	7%
Calcaire, dolomite, gypse, anhydrite	41%
kaolin	5%
Séricite	2%
Substances carbonées	9%
Gel siliceux	29%
Sulfures métalliques	2%

Tab. (1) : Minéralogie du kepfersckiefer

L’association paragenétique est composée de pyrite, bornite, chalcocite, chalcopyrite, galène, sphalérite, argent natif. Les teneurs en Cu métal peuvent dépasser 6%. La teneur minimale d’exploitation est de 1.5 %.

Les parties les plus riches de la couche exploitée sont situées en domaine réducteur, à faible distance des faciès hématitiques (Fig.13b), par conséquent à proximité de l’ancien littoral. Plus loin, vers le large, les teneurs en Cu diminuent mais la couche minéralisée s’enrichie en Pb (galène) et en Zn (sphalérite) : il existe donc une zonalité horizontale de la minéralisation. Cette zonalité s’explique par la solubilité des sulfures et par la chalcophylie des métaux (affinité vis à vis du soufre).

      La solubilité :                         

Cu₂S   =   7   10^-21 

PbS    =  17   10^-19

ZnS    =   4.5 10^-4  

      La chalcophylie :      Cu,   Pb,   Zn,   Fe.

Si l’on considère un apport métallique constant venant du continent, en arrivant dans le bassin, les métaux dont les sulfures sont les plus insolubles (Cu, Ag) précipitent en premier dans la zone externe. Les sulfures les plus solubles précipitent vers le large (Pb, Zn).

La zonalité verticale s’exprime par une diminution du Cu et Ag du bas en haut au profit d’une augmentation de Pb puis Zn.  Cette zonalité est le reflet de la zonalité horizontale qui se décale (se déplace) dans le temps en raison du caractère transgressif du milieu. Elle confirme que les minéralisations correspondent à un faciès de bordure d’un bassin à caractère transgressif.

La minéralisation est portée par des sédiments détritiques très fins (argile calcareux), déposés dans un bassin de sédimentation, à la limite paléogéographique bassin sédimentaire - terre émergée. Le dépôt des métaux serait contemporain à la sédimentation, avec une évolution minéralogique au cours de la diagenèse. Dans la couche minéralisée, les teneurs en bitume (et donc en carbone organique) présente une corrélation positive avec les teneurs en cuivre, ce qui permet d’envisager un piégeage du cuivre par des composés organiques au moment de la sédimentation, le cuivre est susceptible également d'être piégé par des argiles.

La sulfuration des métaux est réalisée par réduction bactérienne des sulfates au cours de la diagenèse. Les sulfates des eaux du bassin sont réduits par les bactéries anaérobies en utilisant de la matière organique présente et libèrent ainsi du soufre (H₂S).

Les métaux concentrés dans le kepfersckiefer proviennent du lessivage du continent (socle hercynien et Permien inférieur) émergé et qui contient de très nombreuses occurrences de métaux lourds, voir des concentrations économiques en Cu, Pb… (filons de Pb, Zn et Cu hercyniens, Red-bed du Permien inférieur, laves anomaliques en Cu du Permien inférieur). Leur transport a pu s'effectuer par des eaux superficielles ou par des nappes souterraines.