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Stages 2015

Modélisation des ions Cl/Br dans les argiles de Tournemire : Paléo-enfouissement et géodynamique

Stagiaire: Pricillia Préheau
Encadrants : Jocelyn Barbarand (GEOPS), Jean-Michel Matray (IRSN), Yves Missenard
(GEOPS)

Statut du stagiaire : stagiaire IRSN
L’argilite de Tournemire possède des propriétés remarquables en ce qui concerne la géochimie des ions Cl et Br dissous dans l’eau porale avec en particulier des valeurs de d37Cl et de d81Br extrêmement élevées démontrant un phénomène de diffusion très long des halogénures entre la couche argileuse du massif rocheux et son encaissant carbonaté. La présence de cette série argileuse à proximité ou non de la surface, c’est-à-dire son paléoenfouissement, contrôle étroitement la durée d’échange entre les eaux météoriques et les eaux marines piégées lors de la sédimentation ; l’existence de périodes d’incursion marines au dessus de la série jurassique actuelle va influencer les mélanges ; enfin la mise en charge de l’aquifère inférieur (Carixien) est liée au fonctionnement du bassin et notamment à son inversion.
Nous proposons d’aborder ces questions en caractérisant le paléoenfouissement à l’échelle régionale autour de Tournemire et en reconstituant la dynamique du bassin et le rejeu des failles principales. L’histoire thermique sera déterminée à partir de (1) la thermochronologie basse température sur des échantillons de socle prélevés en bordure du bassin des Causses et sous la couverture jurassique, (2) l’évolution (Tmax) de la matière organique prélevée dans le Lias. Les paléotempératures seront converties en épaisseur en faisant différentes hypothèses
sur le flux géothermique et en déterminant à l’échelle du bassin mais également dans les bassins voisins les épaisseurs des séries sédimentaires préservées. La détermination des épaisseurs érodées couplées à l’analyse de quelques grands accidents du bassin permettra de proposer un modèle d’évolution géodynamique du bassin. Enfin les modèles robustes établis à partir de ces approches seront testés par la modélisation, de la diffusion des ions Cl et Br afin de converger vers un modèle satisfaisant les données géologiques régionales, l’histoire
thermique du bassin et les propriétés d’échange ionique. Le travail nécessitera une approche multiple incluant une synthèse bibliographique suivie d’une mission de collecte d’échantillons dans la région des grands Causses et de leur analyse à l’Université de Paris Sud. Les résultats permettront d’élaborer divers scénarios de paléoenfouissement qui seront testés à l’IRSN, à l’aide du code Hytec qui permet de simuler en 1D, le transport des halogénures et de leurs isotopes stables.

Évolution de la marge nord Atlantique depuis le Mésozoïque : le cas des iles Lofoten et Vesterålen (Norvège

Stagiaire: Sébastien Lénard

Encadrants : Cécile Gautheron (GEOPS), Bernard Bingen (NGU)

Stage GEOPS

La marge nord Atlantique a subi une histoire géologique pluriphasée avec des phases d’érosion et de subsidence depuis l’ouverture de l’océan Atlantique au Mésozoïque. Cette histoire reste peu connue ainsi que l’origine et la chronologie de la mise en place des reliefs actuels. Plus particulièrement, les îles Lofoten et Vesterålen (Norvège) font partie de cette marge nord Atlantique et sont caractérisées par des reliefs importants (jusqu’à 1300m). Leur morphologie actuelle est complexe et l’on peut distinguer l’impact de l’érosion glaciaire quaternaire ainsi des structures particulières de « strandflat » d’âges débattus. Ces strandflats sont supposés dus à l’impact des glaciers quaternaires ou à la pénéplanation Mésozoïque établie avant la mise en place du rifting.

Ce stage de Master 2 propose de reconstituer l’histoire géodynamique de la marge nord-Atlantique, et plus particulièrement des îles Lofoten et Vesterålen. Ce stage sera composé de plusieurs volets alliant étude morphologique afin de carter les strandflats de la zone d’étude et de réaliser des datations thermochronologiques basses température (U-Th)/He sur apatite couplées à des modélisations. La modélisation des données (U-Th)/He sur apatite et les données traces de fission de la littérature permettront de déterminer l’histoire thermique des différents échantillons. L’ensemble des modélisations sera utilisé afin de construire un modèle global des phases d’érosion et de subsidence depuis l’ouverture de l’océan Atlantique. Si possible, des hypothèses quant à la mise en place du relief et de la morphologie actuelle seront formulées.

 

Variabilité des faciès et de la nature des argiles dans les grès du Jurassique moyen de la Mer du Nord (Graben central) : Impact sur les propriétés réservoir

Stagiaire: Justine Négrel

Encadrant Université Paris-Sud : Benjamin Brigaud
Encadrant Gdf-Suez : Eric Portier
Statut du stagiaire : stagiaire ENGIE

Ces vingt dernières années, les travaux sur la diagenèse des grès montrent que la présence de tapissages argileux (ou grain coatings), notamment de chlorite, entourant les grains de quartz contrôle l’existence de fortes perméabilités dans les réservoirs (Ehrenberg, 1993, Bloch et al., 2002, Worden and Morad, 2003, Dowey, 2012). Ces tapissages inhibent la précipitation de ciment de quartz au cours de la diagenèse d’enfouissement, et préservent les fortes porosités (>20%) et perméabilités (>100mD) même à des profondeurs très importantes (>3500 m). Ces grain coatings se mettent en place préférentiellement dans les grès se déposant dans des environnements d’estuaires soumis à une dynamique tidale. Cependant, même si le lien entre présence de grain coating et bonne perméabilité est maintenant bien admise, il existe beaucoup d’incertitudes sur leur variabilité spatiale, ce qui limite la prédiction des qualités réservoirs des grès. L’origine de ce facteur de contrôle fait l’objet actuellement de débats dans la communauté scientifique. En effet, les données de sub-surface montrent que ces grains coatings ont une répartition très hétérogène, même dans un cadre sédimentologique bien contraint (barres sableuses tidales), et leur présence est difficilement prédictible. Afin d’améliorer nos connaissances sur la nature des minéraux argileux, leur localisation spatiale, leur timing d’apparition et leur possible lien avec les faciès sédimentaires ou la stratigraphie séquentielle, une analyse fine des minéraux argileux dans des échantillons provenant de forages réalisés dans un réservoir profond de gaz en Mer du Nord (secteur Hollande) est proposée. Les objectifs de ce stage seront d’établir les différents faciès, de caractériser le cortège argileux, de proposer une séquence paragénétique et d’établir les potentielles relations entre faciès, cortèges argileux et porosité/perméabilité. Un travail d’observation de carottes et de lames minces au microscope optique sera à prévoir en février afin de bien reconstituer les microfaciès et les environnements de dépôt. Il sera suivi par une partie minéralogie et pétrographie/diagenèse en mars/mai (microscopie optique en lumière réfléchie, cathodoluminescence, MEB, analyses DRX) afin de reconstituer une paragenèse minérale. Cette étude devra apporter un début de réponse sur la paragenèse minérale et la répartition spatiale des argiles et leur possible lien avec l’environnement de dépôt et les propriétés de porosité/perméabilité dans ce réservoir en Mer du Nord. Ce genre d’étude semble être un prérequis à toute amélioration de la prédiction des qualités réservoirs tenant compte de la présence ou le type des minéraux argileux dans les grès.

Reconstruction de l’architecture des systèmes sédimentaires du Bassin de Paris à partir de forages et diagraphies : Influence sur la distribution des propriétés pétrophysiques des calcaires jurassiques

Stagiaire: Vincent Deliancourt

Encadrant Université Paris-Sud : Benjamin Brigaud
Encadrant Vermillon Energy : Chaker Raddadi
Statut du stagiaire : stagiaire Vermilion REP SAS

Dans le Bassin de Paris, les formations calcaires du Jurassique (notamment le Dogger) présentent un intérêt économique et sociétal non négligeable, qui suscitent un regain d’explorations ces dernières années. Dans la partie Est du Bassin de Paris, le Dogger calcaire
forme le soubassement d’une couche argileuse dans laquelle l’Andra (Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs) projette la réalisation d’un stockage de déchets radioactifs à l’horizon 2025. En région parisienne, le Dogger calcaire est actuellement étudié pour son potentiel géothermique. Plusieurs grands projets ont été récemment réalisés comme le projet de géothermie de l’aéroport de Paris-Orly. Le Dogger calcaire a également été étudié dans l’Aube comme cible éventuelle pour la séquestration de CO2. Enfin, suite à l’augmentation des prix du pétrole ces dernières années, le potentiel pétrolier du Dogger de ce Bassin est de nouveau en cours de réévaluation, et de nouvelles campagnes d’exploration se déploient comme la récente campagne de sismique conduite dans la Marne pour la société Lundin. Toutes ces nouvelles problématiques ont permis de montrer les limites actuelles de la connaissance du Dogger calcaire du Bassin de Paris. En effet, les caractéristiques sédimentologiques et le cadre stratigraphique ou pétrophysique sont relativement bien contraints, mais de manière très disparate, les études étant localisées dans des secteurs bien précis, comme sur le site Andra dans l’Est du Bassin (e.g. Brigaud et al., 2014), sur le site de Saint-Martin-de-Bossenay (Delmas et al., 2010), sur le Sud de l’Yonne (Makhloufi et al., 2013) ou encore sur le les champs pétroliers (Villeperdue…). Il manque une réelle synthèse sur les séquences stratigraphiques à l’échelle du bassin.
L’objectif principal de ce stage sera donc de produire un modèle sédimentologique et stratigraphique du Dogger selon un transect W-E à travers la partie Est du Bassin de Paris, depuis le secteur « Andra » au nord de la Haute-Marne, vers le centre du Bassin dans le secteur d’Evry, afin de contraindre la géométrie des cycles de dépôt. Plusieurs étapes sont envisagées lors de ce stage. (1) La première étape (février) consistera en une étude bibliographique de la base de donnée des rapports et des logs de forages de la société Vermillon. Cette étape visera à sélectionner une vingtaine de puits de manière logique et en fonction de leur richesse en faune permettant de dater biostratigraphiquement certain rail de corrélation. (2) Parmi cette sélection, deux à quatre forages de «référence» seront décrit à la carothèque de Boussens (au mois de mars) afin de bien identifier les faciès types et leur réponse diagraphique. (3) Une étude des microfaciès sur lame mince permettra de bien identifier les microfaciès et les environnements de dépôt (avril/mai). (4) Il restera ensuite à habiller ou extrapoler les faciès reconnus sur les forages de références sur sa totalité en fonction des points de calage biostratigraphiques et des signaux diagraphiques.
La finalité de ce travail est de mieux appréhender l’architecture de ce bassin et d’améliorer (1) notre compréhension sur les facteurs contrôlant cette géométrie (eustatisme, tectonique et climat, variation de production carbonatée) ainsi que (2) les prédictions et l’évolution spatiotemporelle des propriétés de porosité et de perméabilité.

Analyse de la fraction fine de roches argileuses jurassiques

Stagiaire: Noël N’Guessan

Encadrants : Benjamin Brigaud (GEOPS) et Jean-Michel Matray (IRSN)
Statut du stagiaire : stagiaire IRSN

Les roches argileuses indurées ont été retenues en France comme en Suisse comme roche hôte potentielle d’un stockage de déchets radioactifs du fait de leur propriétés de confinement remarquables combinant une très faible perméabilité à une capacité élevée de rétention des radionucléides. La composition chimique de l’eau porale de ces roches est une donnée essentielle à acquérir car elle est le vecteur de transfert des radionucléides depuis le stockage jusque vers son encaissant aquifère ainsi que les échanges avec les composants du stockage (bétons et aciers). Du fait de leur très faible perméabilité, le seul moyen d’acquérir la composition des eaux porales est une méthode indirecte qui consiste à appliquer un modèle géochimique basé notamment sur l’équilibre thermodynamique entre l’eau porale et les phases minérales qui l’entourent. L’estimation des espèces cationiques en particulier nécessite de disposer d’une part, des différentes phases minérales qui composent la roche argileuse et
d’autre part, de la Capacité d’Echange Cationique (CEC) qui représente la population de cations adsorbés à la surface de ces minéraux et peut être considérée comme une empreinte de l’équilibre local. Pour calculer la population cationique, il est donc indispensable de pouvoir distribuer cette CEC entre les différents sites d’échange argileux et donc de pouvoir distinguer l’ensemble des minéraux argileux qui composent la phase argileuse. Nous proposons d’aborder cette problématique par l’étude de deux roches argileuses indurées: l’argile à Opalines du Mont Terri (Aalénien, Suisse) et l’argilite de Tournemire (Lias, Causses).
Pour le site du Mont Terri, l’objectif du stage consistera à interpréter les diffractogrammes de rayons X de la fraction fine, glycolée et chauffée, obtenus en 2014 lors d’un stage précédent de Master 2 sur 24 échantillons. Quelques échantillons seront observés au MEB afin d’identifier les microstructures et préciser la morphologie de certaines phases minérales.
Pour le site de Tournemire, les travaux consisteront dans un premier temps à obtenir les diffractogrammes de rayons X sur roche totale puis sur fraction fine, glycolée et chauffée pour 6 échantillons d’argilite du Toarcien supérieur prélevés au sein d’une fracture, à l’interface entre la roche saine et la roche perturbée et pour la roche saine se trouvant de part et d’autre de la structure. Ces échantillons seront également observés au MEB.
Pour chaque échantillon, on cherchera en particulier à détecter et obtenir l’analyse semiquantitative des phases argileuses porteuses de sites d’échange comme l’illite, la smectite et les interstratifiés illite/smectite. On cherchera aussi à identifier la proportion d’illite dans le mélange illite/smectite ainsi que le type d’interstratifié (ordonné R=1 ou désordonné R=0).
Pour chacun des sites étudiés, les données acquises seront comparées aux données de la
littérature.

Les moteurs de l’exhumation d’une île océanique : cas des îles Kerguelen vu par la thermochronologie basse à moyenne température (AHe, Ar-Ar)

Stagiaire: Floriane Ahadi
Encadrants : Guillaume DELPECH, Cécile GAUTHERON (GEOPS), Sébastien NOMADE
(LSCE)
Collaboration : Jean BRAUN (Université Joseph Fourier, ISTerre)

Stage GEOPS

L’archipel des îles Kerguelen (Océan Indien) est essentiellement formé de basaltes de plateau (≈ 85%) d’âge Oligocène qui forment des reliefs de plus de 1000 m de hauteur, séparés par un réseau de larges et profondes grandes vallées. Le reste de l’archipel est composé de roches plutoniques intrusives dans ces basaltes, qui ont cristallisé en profondeur (2-3 km) et qui affleurent aujourd’hui à la surface. Ces complexes sont dispersés sur tout l’archipel et leurs âges de mise en place varient depuis l’Oligocène jusqu’au Pliocène, les roches les constituants varient depuis des gabbros jusqu’aux syénites et granites.
Le but de cette étude est d’utiliser les roches plutoniques comme des marqueurs des différents moteurs de l’exhumation de ces roches, depuis leur profondeur de mise en place jusqu’à la surface, depuis l’Oligocène jusqu’à aujourd’hui.
Les premières données obtenues récemment à partir du termochronomètre basse température (U-Th)/He sur apatite (AHe) sur deux complexes plutoniques d’âge différent (Oligocène et Pliocène) varient de 5 et 7 Ma pour le complexe syénitique Pliocène de Rallier du Baty et entre 18 et 29 Ma pour le complexe Oligocène des Montagnes Vertes (Ahadi et al., 2014).
Dans les deux cas, les âges s’expliquent par des phases d’exhumation quelques millions d’années seulement après la mise en place des complexes plutoniques. Les premières données semblent exclure que les variations climatiques dans l’Océan Indien sud entre l’Oligocène et le Pliocène soient le seul moteur de l’exhumation de ces roches. Les seules données (UTh)/He sur apatites ne permettent pas de contraindre avec précision les processus d’exhumation.
Pour répondre à cette problématique, une approche thermochronologique alliant différents thermochronomètres basse température ((U-Th)/He sur apatite et zircon, traces de fission) à moyenne température (Ar-Ar sur biotite) sera utilisée. Grâce à ces données, il s’agira de définir la ou les périodes d’érosion ayant affecté l’archipel depuis sa construction à l’Oligocène avec le but de déterminer des vitesses d’exhumation pour chaque période d’érosion. Des données complémentaires seront à acquérir sur des échantillons déjà analysés mais aussi sur des nouveaux échantillons d’autres complexes plutoniques pour avoir une vision spatiale et temporelle plus large. Enfin, un volet de modélisation numérique des données thermochronologiques permettra de définir les chemins temps-température et les vitesses d’érosion et une modélisation thermo-cinématique en 3D (Pecube) permettra de déterminer l’évolution des reliefs depuis la construction de l’archipel.

Méthodes utilisées : pétrographie, séparation minérale, thermochronologie (U-Th)/He sur
apatite et zircon, Traces de Fission sur apatites, Ar-Ar sur biotite (±amphibole), modélisation
numérique.

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