Univ. Ibn Zohr, Fac. Sci. Agadir. Dép. Géol. Md. Gîtologie/Métallogénie (STU6) -2012/2013-

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Introduction à l’étude des

gisements miniers

I) Définitions

I-1) Métallogénie et gîtologie I-2) Notion de gisement (ou gîte) minéral

I-2-1) Définition économique I-2-2) Définition géochimique

I-3) Minerai et paragenèse minérale I-3-1) Minerai I-3-2) Paragenèse minérale

I-4) Texture et structure I-5) Morphologie des corps minéralisés

I-5-1) Minéralisations discordantes I-5-1-1) Filons I-5-1-2) Lentilles et amas I-5-1-3) Pipes et cheminées

I-5-2) Minéralisation concordante I-6) Minéralisation syngénétique et minéralisation épigénétique

II) Processus de concentration II-1) processus exogènes

II-1-1) Altération II-1-1-1) Altération des roches banales II-1-1-2) Altération de minerais préexistants

II-1-2) Sédimentation II-1-2-1) Sédimentation détritique II-1-2-2) Sédimentation chimique

II-2) processus endogènes II-2-1) Cristallisation fractionnée II-2-2) Enrichissement dans les liquides silicatés résiduels II-2-3) Processus hydrothermaux

III) Classification des gisements métallifères

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I) Définitions

1) Métallogénie

La métallogénie a pour but de (i) décrire les gîtes minéraux et les formations géologiques environnantes, (ii) comprendre les mécanismes de formation de ces gîtes (processus géologiques et physico-chimiques qui ont régi l’accumulation du minerai), (iii) rechercher des conclusions génétiques et enfin (iv) fournir à l'explorateur minier des guides de prospection. Le terme de gîtologie en désigne la partie descriptive.

Un gisement minéral « minier » est le fruit de la conjugaison de plusieurs facteurs métallogéniques qui agissent en même temps ou plus ou moins successivement. Certains de ces facteurs restent déterminants et peuvent servir de guides de prospection « métallotectes ».

Par définition une métallotecte désigne « tout objet et phénomène géologique relatif à la lithologie, à la structure, à la géochimie etc.… qui semble favoriser l’édification d’une accumulation minéral » (Lafitte et al., 1965).

La métallogénie cherche à proposer des scenarios de mise en place « reconstitution de l’histoire de genèse des gisements miniers», c'est-à-dire chercher la source et les conditions de transport et du dépôt.

On devra d’abord déterminer l’âge de la minéralisation par rapport à l’encaissant et à l’évolution géologique,

puis d’une manière absolue (chronomètres isotopiques).

Les conditions de transport et de dépôt pourront être approchées par :

- l’étude des inclusions fluides,

- l’étude des équilibres minéralogiques des minéralisations et des altérations,

- la géothermométrie isotopique,

Quant à la recherche de la source on fait appel à :

- la géochimie des éléments en trace,

- la pétrologie et la géochimie isotopique.

L’élaboration d’une synthèse pourra s’effectuer au sein d’un modèle descriptif ou d’un modèle génétique .

L’étude métallogénique d’un gîte minéral fait donc appel aux diverses disciplines géologiques. A titre d’exemple, un gisement encaissé dans des formations sédimentaires implique l’examen de la couche minéralisée et de sa position dans l’échelle des temps (étude stratigraphique et sédimentologique). Par ailleurs, l’évolution pétrogénétique des formations encaissantes ; diagenèse, métamorphisme, granitisation, altération sont autant d’étapes susceptibles de déterminer ou de modifier le mode de présentation des concentrations minérales.

2) Notion de gisement (ou gîte) minéral

Un gîte minéral est une concentration de substances minérales utiles, au sein de formations stériles, il n'est pas toujours exploitable, alors qu’un gisement est une concentration minérale exploitable économiquement. Un indice (ou occurrence ) est une indication de la présence de minéralisation.

Il existe deux définitions de la notion de gisement, l’une économique et l’autre géochimique :

2-1) Définition économique : un gisement métallifère est une accumulation de minerai métallique d’un tonnage suffisant pour que l’exploitation puisse en être effectuée avec profit.

D’après cette définition, il y’a lieu de prendre en compte plusieurs facteurs liés au gisement lui-même (l’éloignement, coûts de l’énergie de l’exploitation …), à la structure du marché et à des considérations politiques (l'existence de monopole).

2-2) Définition géochimique : un gisement métallifère est une concentration anormale en élément(s) métallique(s).

Le tableau (1) compare, pour un certain nombre de métaux, les teneurs moyennes crustales (clarke ) aux teneurs limites d'exploitation , c'est-à-dire les teneurs au dessous desquelles la concentration n'est plus exploitable et perd sa qualité de gisement. On en déduit aisément les taux de concentration (Clarke de concentration ) que doivent présenter les accumulations minérales pour être exploitables avec profit et être considérées comme des gisements. Ce facteur de concentration correspond au taux d'enrichissement en un élément chimique, c'est à dire au rapport entre sa teneur moyenne d'exploitation et son clarke.

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Pour obtenir une teneur en fer exploitable, il suffit que son clarke soit multiplié par 6 (Fig.1). Ce facteur de concentration étant peu élevé, ce qui permet d’envisager que des teneurs en fer exploitables se rencontreront fréquemment dans la nature. En revanche, dans le cas de l’étain par exemple, le taux de concentration étant de 250, on peut prévoir que des concentrations stannifères exploitables ne se rencontreront qu’exceptionnellement.

Métal Al Fe Mn Cr Cu Ni Zn Sn Pb U

Clarke % 8,13 5 0,1 0,02 0,007 0,008 0,013 0,004 0,0016 0,0002

Teneur limite d'exploitation % 30 30 35 30 1 1,5 4 1 4 0,1

Taux de concentration 4 6 350 1500 140 175 300 250 2500 500

Tab. (1) : Clarkes et teneurs limites d'exploitation (exprimés en % pondérale) et taux de concentration.

De ces considérations, il apparaît que, mis à part Al et Fe, les gisements de métaux apparaissent comme de véritables anomalies géochimiques de l'écorce terrestre. Il est facile de confirmer cette proposition en rappelant la composition chimique de la croûte (Tab. 2 et 3). De ces tableaux, on constate que 99 % du poids de l’écorce terrestre sont constitués par les 8 premiers éléments de la liste. Le 1 % restant contient tous les métaux de base (Cu, Pb, Zn...), précieux, terres rares etc.

Si l'on considère les proportions volumétriques de ces 8 premiers éléments (Tab. 3), on constate, que plus de 90 % de l'écorce terrestre sont occupés par des ions oxygène.

Tab. (2) : Composition chimique moyenne de la croûte continentale terrestre d’après les données disponibles pour la croûte continentale (Taylor et Mc Lennan, 1995 ; Rudnick et Fountain, 1995 ; Plank et Langmuir, 1998). De O à Mg les quantités sont exprimées en pourcentage du poids, de C à Lu en ppm et de Cd à Os en ppb.

%en Poids % en Atomes Rayon (A) % en volume O 46,6 62,55 1,4 93,77 Si 27,72 21,22 0,42 0,86 Al 8,13 6,47 0,51 0,47 Fe 5 1,92 0,74 0,43 Mg 2,09 1,84 0,66 0,29 Ca 3,63 1,94 0,99 1,03 Na 2,83 2,64 0,97 1,32 K 2,59 1,42 1,33 1,83 Pb 0,15.10-2 15,5.10-5 1,2 1,46.10-2 U 0,02.10-2 1,8.10-5 0,8 0,05.10-2

Tab. (3) : Répartition volumique des éléments dans l'écorce terrestre (Goldschmidt).

Le caractère exceptionnel des gisements minéraux est corroboré, de manière qualitative, par la minéralogie. Lorsqu’on se réfère aux statistiques des espèces minérales (on connaît aujourd'hui plus de 3000 espèces minérales) :

- 50 espèces participent à la composition des roches et, parmi elles, seules 29 peuvent être considérées comme fréquentes (quartz, feldspaths, péridots, pyroxènes…) ;

- 200 espèces sont cataloguées comme économiques, c’est à dire comme fréquemment exploitées (galène, sphalérite, béryl, topaze…) ;

- toutes les autres espèces, proviennent des gisements minéraux où elles ne constituent le plus souvent que des raretés minéralogiques.

La concentration d’un élément dans un certain volume rocheux entraîne généralement l’apparition de minéraux où l’élément concentré est un constituant majeur. Il n'en est pas toujours ainsi, et certains métaux ne s'expriment pratiquement jamais sous une forme minéralogique où ils joueraient le rôle de constituant majeur : indium, rubidium, gallium, hafnium, rhénium ... Ces éléments interviennent en faible proportion dans la constitution

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d'espèces ou un autre élément métallique, qu'ils remplacent le plus souvent, joue ce rôle de constituant majeur (Zn pour In et Ga ; K pour Rb ; Zr pour Hf ; Mo pour Re ...)

Les gisements de ces métaux mineurs s'identifient, la plupart du temps, aux gisements des métaux qu’ils substituent ; les premiers sont récupérés sous la forme de sous-produits de la métallurgie des seconds.

3) Minerai et paragenèse minérale

3-1) Minerai

Un minerai est un minéral ou une association de minéraux contenant un ou plusieurs éléments susceptibles d’être exploités industriellement. Les tableaux 4 et 5 réunissent les principales espèces exploitées du Fe.

Pour qu’un minéral (ou une association de minéraux) soit considéré comme un minerai, il faut que certaines conditions soient réalisées : la teneur en élément (métal) doit être suffisante et il doit exister un mode d’extraction industriel du métal.

Il existe des minerais métalliques et des minerais non métalliques (=substances minérales au sens strict) :

� Minerais métalliques

- Métaux ferreux : Fe, Mn, Cr Métallurgique, Mo, Ni, Co, W, V, etc.

- Métaux non ferreux :

Métaux de base : Cu, Pb, Zn, Sn, etc.

Métaux légers : Al, Mg, Ti, etc. ;

Métaux précieux : Au, Ag, Pt, etc. ;

Métaux rares : Ra, Be, etc. ;

Métaux radio-actifs : U, Th…,

� Substances non métalliques

- Matériaux de construction : sables, graviers, pierres à bâtir et ornementales, calcaires, gypse…

- Matériaux chimiques pour l’industrie : Sel, Fluorine, Chromite chimique Pyrite (soufre)…

- Engrais : Phosphates, Potasse, Nitrates, Talc…

- Matériaux céramiques : Argiles, Silice (sable pour verrerie), Feldspaths, talc…

- Réfractaires : Silice, Argiles, Chromite…

- Abrasifs : Corindon, diamant industriel…

- Isolants : Amiante, Mica, Magnésie (Talc)…

- Peinture ou support de produits chimiques : Ocre, Argiles, Kaolinite, Diatomie, Barytine, Titane…

- Produits pharmaceutiques : Talc, pyrophyllite, argile (attapulgite)…

- Pierres précieuses et semi précieuses : Diamant (joaillerie)

(HYDR) OXYDES

MAGNETITE FeO . Fe2O3

HEMATITE Fe2O3

GOETHITE Fe3+O(OH)

LIMONITE Fe3+O(OH). nH2O Mélange d’oxydes de Fe hydratés

SULFURES

PYRITE FeS2

PYRRHOTITE Fe1-xS

CARBONATES

SIDERITE FeO. CO2

SILICATES

FAYALITE (pôle Fe de l’olivine) 2FeO . SiO

Tab. (5) : Principaux minerais de fer.

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4-2) Paragenèse minérale

Une « association minérale » est un assemblage de minéraux dont la formation peut être due à des événements divers et génétiquement différents. Inversement, une paragenèse représente « une association minérale résultant d’un processus géologique ou géochimique donné » (Routhier, 1983).

Paragenèse

H-T: Cassitérite + wolframite.

SnO2 FeWO2

B-T: Hématite + Goethite

Fe2O3 FeO(OH)

Association

- Chalcopyrite + Pyrite + Goethite + Malachite

paragenèse primaire + paragenèse secondaire

4) Texture et structure

- la texture est utilisée pour décrire les relations spatiales entre des populations minérales (entre deux ou plusieurs minéraux ou minerais). L’étude des textures relève donc de l’observation directe à l’échelle de l’échantillon, voir de l’affleurement.

- la structure désigne les particularités d’un cristal sans tenir compte de ses relations spatiales avec ses voisins. La structure d’un minéral est définie donc par sa morphologie externe (forme et dimension) et interne (macles, lacunes de croissance, inclusions….). D’une manière générale, les structures ne peuvent être étudiées qu’à l’aide d’instruments physiques (loupe, microscope…).

Exemples de textures (Fig.1)

- Texture massive : les minéraux sont répartie d’une manière homogène dans l’ensemble du corps minéralisé ;

- Texture rubanée : les minéraux sont disposés en bandes généralement parallèles depuis les bords de la roche encaissante jusqu’au centre du corps minéralisé

- Texture concentrique : les minéraux s’organisent en zones concentriques autour d’un noyau (enclave) emprunté à la roche encaissante ;

- Texture bréchique : des fragments anguleux de la roche encaissante sont cimentés par la minéralisation ;

- Texture collomorphe : constituée par des dépôts en couches concentriques très fines, convexes vers la surface libre.

Fig.(1) : Exemples de textures

Exemples de structures (Fig.2)

- Structure zonée : modification de la composition chimique d’un minéral du cœur vers la périphérie, qui se traduit souvent par un changement de coloration ;

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- Structure d’exsolution : un minéral, en cristaux très petits, est englobé dans un autre minéral en grande plage ;

- Structure de remplacement : un minéral B remplace un minéral A.

Fig.(2) : Exemples de structures

5) Morphologie des corps minéralisés

Selon la concordance entre la minéralisation et son enveloppe, on distingue deux types morphologiques :

� minéralisation discordante ;

� minéralisation concordante ;

5-1) Minéralisation discordante

La morphologie la plus typique des concentrations minérales discordantes sur leur enveloppe est représentée par les filons et les pipes. II existe aussi des gîtes en lentilles ou en amas plus ou moins discordants sur les structures des roches encaissantes.

5-1-1) Filons

Ils représentent le remplissage de failles par des substances utiles véhiculées par des circulations de fluides (Fig.3).

Fig. (3) : Filon

Le remplissage du filon (le volume occupé par le filon) est la caisse filonienne constituée par le minerai proprement dit et la gangue (stérile).

En métallogénie, la terminologie des formes des filons est calquée généralement sur la terminologie utilisée en tectonique : filons en échelon, en queue de cheval, en chapelets, en relais ...

Les filons étroits sont désignés par le terme de "veines ou veinules". Un réseau de veinules irrégulières est un stockwerk (Fig.4).

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Fig.(4) : Minéralisation en stockwerk

D'une manière générale, la minéralisation utile ou atteignant le seuil de teneur requis pour une exploitation payante, n'occupe qu'une partie de la caisse filonienne ; alternance de parties enrichies et de parties diluées en composant utile (Fig.5). Les parties enrichies sont appelées les colonnes minéralisées.

Fig.(5) : Exemple de colonnes minéralisées. A- variation du remplissage filonien. B- variation de l’épaisseur de la caisse filonienne.

5-1-2) Lentilles et amas

Les lentilles et les amas minéralisés sont de nature et d'origine très diverses. Ils existent aussi bien dans des formations sédimentaires que dans des formations magmatiques (Fig.6).

Fig.(6) : A- Lentille de sulfures dans des pélites noires. B- Amas de bauxite en remplissage de poches dans des calcaires karstifiés. C- Amas de chromite dans des roches ultra-basiques.

5-1-3) Pipes et cheminées

Ce sont des corps minéralisés, de section circulaire ou elliptique, dont la mise en place relève de processus divers.

Comme exemple on cite :

- les cheminées formées vraisemblablement à haute pression et dans des conditions explosives. Ce sont notamment les cheminées de kimberlite diamantifère (Fig.7) ;

- les complexes alcalins avec ou sans carbonatites, à Nb, terres rares, phosphates, etc ;

- les pipes ou cheminées liées à la mise en place d'un pluton de roches cristallines, dans les gisements de type porphyre.

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Fig.(7) : Cheminées de kimberlite diamantifère

5-2) Minéralisation concordante

La minéralisation concordante se présente sous forme de lit (couche ou strate) (Fig.8). Cette morphologie est fréquente dans les gisements sédimentaires : lits de minerai de fer oolithique, lits d'oxydes de manganèse … Une minéralisation en lits peut exister aussi dans des formations magmatiques : lits de chromite dans des roches ultrabasiques.

Lorsque le minerai est massif, il peut occuper la totalité de la roche support et apparaître ainsi comme une véritable strate de nature particulière au sein d'une séquence de dépôt. C’est le cas de certains gîtes comme ceux de phosphate, de soufre, de manganèse, de potasse…. Le minerai peut également être disséminé à l'intérieur de son enveloppe et en concordance avec celle-ci, c’est le cas des gîtes stratiformes sensu stricto : comme dans les gisements stratiformes de plomb-zinc ou le minerai cimente des éléments détritiques.

Fig. (8) : A- lits d'oxydes de manganèse. B- Chromites disséminées dans des péridotites. C- Sulfure de Pb (galène) cimentant des débris détritiques.

6) Minéralisation syngénétique et minéralisation ép igénétique

Une minéralisation syngénitique est une minéralisation dont la précipitation est contemporaine ou sub-comtemporaine de la mise en place de la roche support.

Une minéralisation épigénitique est une minéralisation dont la précipitation est nettement postérieure à la mise en place de la roche support.

La notion de minéralisation épigénétique et syngénétique est importante. Elle consiste en effet à dater la précipitation initiale en faisant abstraction des remobilisations ultérieures. Dans les milieux anciens, affectés par la tectonique et le métamorphisme, la précipitation peut être syngénétique, mais les textures de recristallisation tardives présentent toujours un aspect épigénétique.

II) Processus de concentration Les processus qui interviennent dans la formation de gisements métalliques sont soient exogènes soient

endogènes.

1) processus exogènes

1-1) Altération

1-1-1) Altération des roches banales

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Au cours de l’altération supergène, le comportement des cations dépend de leur potentiel ionique (Fig.10). Certains cations sont solubles voir très solubles et migrent aisément, tels que: K+, Na+, Ca++, Mg++, Fe++, Zn++, Cu++… Ces éléments sont entraînés, par les eaux continentales à pH généralement acide, vers les bassins de sédimentation où ils pourront éventuellement précipiter.

D’autres, en revanche, sont peu solubles et s’accumulent sur le continent : Al3+, Fe3+, Ti4+… C’est de cette manière que se forment, sur le continent émergé, des concentrations d’Al exploitables (latérites alumineuses).

Fig. (10) : classification de Goldschmidt.

1-1-2) Altération de minerais préexistants

Lorsque des minerais sulfurés, par exemple, arrivent à l’affleurement par le jeu de l’érosion, ils s’altèrent car les sulfures ne se sont pas stables dans les conditions de surface. Leur altération conduit à la formation de « chapeau d’oxydation » et à des gisements de cimentation. Ces derniers, prennent naissance par précipitation de métaux récoltés par les eaux acides dans la partie superficielle (la zone d’oxydation) et redéposés plus bas, au contact de la minéralisation primaire « le protore » (cf. gisements de cimentations).

1-2) Sédimentation

1-2-1) Sédimentation détritique

L’altération chimique et la désagrégation mécanique des roches permettent la libération de minéraux résistants et denses (magnétite, ilménite, zircon, cassitérite …). Ces minéraux s’accumulent tout d’abord sur les versants des reliefs, puis ils sont entraînés par les eaux de ruissellement et se concentrent dans les alluvions des cours d’eaux ainsi que sur certaines plages en bordure de mer (placers).

1-2-2) Sédimentation chimique et/ou biochimique

L’altération libère les éléments chimiques. Les plus solubles migrent en solution et sont entraînés vers les bassins de sédimentation (lacs, lagunes, mers, océans). Là, ils peuvent précipiter directement ou indirectement (participation d’organismes) et donc se concentrer en raison des variations des conditions physiques et chimiques du milieu (changement de pH, Eh …). C’est ainsi que se forme les gisements sédimentaires de Mn.

2) processus endogènes

2-1) Cristallisation fractionnée

La cristallisation fractionnée des magmas basaltiques entraîne une ségrégation de minéraux réfractaires qui cristallisent précocement (chromite …). Ces minéraux qui présentent une densité plus élevée que celle du magma, s’accumulent à la base des chambres magmatiques.

2-2) Enrichissement dans les liquides silicatés rési duels

La différenciation magmatique entraîne un enrichissement en certains éléments (Sn, Li, Rb …) dans le liquide silicaté résiduel (éléments incompatibles avec la cristallisation, ou encore résiduels). Lorsque ce liquide, très différencié, cristallise, il présente par rapport au magma initial, un enrichissement notable en ces éléments.

2-3) Processus hydrothermaux

Les fluides hydrothermaux issus de la fin de cristallisation d’un magma granitique, s’enrichi généralement en certains éléments (Be, Li, F, Sn …). Ceux-ci se déposent au toit des coupoles granitiques ou dans des fractures des granites et des roches encaissantes.

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Les fluides hydrothermaux ne sont pas toujours en liaison avec des magmas. Il peut s’agir d’eaux météoriques qui s’infiltrent dans la croûte terrestre, se réchauffent en profondeur, draines des éléments chimiques variés (Pb, Zn, cu, Fe …) dispersés dans les formations géologiques qu’elles ont traversé. Ces fluides remontent ensuite vers la surface et suite à des variations de conditions physico-chimiques (P, T, …), ces fluides déposent, dans les fractures, les éléments chimiques qu’ils contiennent, sous forme d’oxydes, de sulfures, de sulfosels …

III) Classification des gisements métallifères En s’appuyant sur les analogies entre les gîtes métallifères, des classifications peuvent être constituées. Elles

ont pour but de faciliter la découverte de nouveaux gîtes minéraux en se basant sur des similitudes avec des gîtes connus actuellement.

La substance, la morphologie, la température, la profondeur de formation (Lindgren, 1933), la nature des roches associées au gisement (Jébrak, 2004), la relation gîte métallifère et contexte géodynamique et géologique (Mitchell et Garson, 1981 ; Sillitoe ; 1972), lien génétique du gisement avec des processus magmatiques, hydrothermaux ou sédimentaires (Beaudoin, 2002) sont autant de critères utilisées pour classer les gîtes minéraux.

Déjà en 1963, Routhier proposa une classification basée sur la notion de « type de gisement » « ou classe ». Les caractères retenus sont :

Caractères propres au gisement :

- paragenèse ;

- altération superficielle ;

- composition chimique et teneur ;

- tonnage métal ou tonnage du minerai (cote économique).

Caractères de l’enveloppe du gisement :

- lithologie et stratigraphie des roches encaissantes ;

- forme du gisement en liaison avec les structures des roches encaissantes ;

- proximité de roches plutoniques ou volcaniques ;

- âge du gisement.

Cette classification par types a été élaborée dans le souci de répondre à deux questions :

(1) quelle substance minérale peut-on espérer découvrir dans des conditions géologiques déterminées ;

(2) Dans quelles conditions géologiques peut-on découvrir un tel ou tel élément (Pb Cu…) ? Autrement dit, toute prospection minière doit commencer par la détection d’environnements géologiques susceptibles, statistiquement, de contenir des minéralisations.

Un type de gisement est donc constitué par un ensemble de caractères géologiques, minéralogiques, géochimiques communs à plusieurs gisements qui appartiennent au type. Notons qu’un même type de gisement peut présenter des concentrations de métaux différents : par exemple, les imprégnations métallifères dans les sédiments gréseux dites encore gisements de Red-Beds (cf. gisements sédimentaires) peuvent présenter des minéralisations en Cu, Zn, Pb, U, V, SO4Ba, F2Ca…Les Red-Beds cuprifères, plombifères… ne constituent donc pas autant de types identifiés de gisement mais bien des variantes d’un même type.

Dans ce qui suit, nous adoptons une classification basée en premier lieu sur l'association génétique du gisement avec un processus magmatique, hydrothermal, sédimentaire ou avec un phénomène d’altération . À l'intérieur de chaque grande affiliation on envisage la contribution des différents mécanismes de concentration pour distinguer entre les différents types.