Structural characterization of the mineralogical changes in clay formations: Geochemical control and implication of the illitisation process. Case study on high pH plume perturbation in Callovo-Oxfordian clay - Future underground laboratory Meuse-Haute Ma
Caractérisation structurale des transitions minéralogiques dans les formations argileuses : Contrôles et implications géochimiques des processus d'illitisation. Cas particulier d'une perturbation alcaline dans le Callovo-Oxfordien - Laboratoire souterrain Meuse-Haute Marne
Résumé
The Callovo-Oxfordian clay formation selected to host the French underground laboratory for nuclear waste disposal studies covers a mineralogical transition between two illite/smectite mixed layered minerals. The first one, randomly interstratified (R0), is present in the upper part of the borehole, whereas the other one having an ordered stacking (R1) is present in the deeper part of the series. Both the retention properties of the formation and the reactivity of these minerals in response to a storage-induced physico-chemical perturbation are influenced by clay mineralogy. Usual simplified identification methods described in the literature are shown to be ineffective for accurate clay mineral characterization. Instead, direct comparison between calculated and experimental X ray diffraction diagrams recorded for the same sample after different treatments was used. The structural model was validated if all characteristics (peak positions, intensity ratios, peak profiles) of the experimental traces were successfully reproduced with a unique model. Clay minerals from drill-hole EST104 are described as a mixture of three main phases: illite, smectite and a randomly interstratified illite/expandable mixed layer having a fixed composition (35% exp.). No structural evolution was observed with depth, and the observed mineralogical transition results from contrasting proportions of the different phases. The present results are not consistent with diagenetic illitization processes commonly described in the literature for clay-rich sediments. However, very similar results were obtained by using our methodology on samples from a typical diagenetic series. These original results imply to reconsider the reaction mechanisms proposed for these minerals and their kinetic modeling. Finally, the reactivity of clay minerals from the Callovo-Oxfordian series in response to an alkaline perturbation is very limited because organic matter covers clay particles shielding their reactive sites.
La série argileuse du Callovo-Oxfordien recouvre une transition minéralogique entre un interstratifié illite/smectite désordonné (R0 - partie supérieure) et un autre ordonné (R1 - partie inférieure. Or, la minéralogie de ces argiles conditionne les propriétés de rétention de la formation ainsi que leur réactivité en réponse à une perturbation physico-chimique potentiellement induite par le stockage. Dans une optique de caractérisation fine des minéraux argileux du Callovo-Oxfordien, les méthodes conventionnelles et simplificatrices d'identification comme l'utilisation d'abaques issus de la littérature ont été invalidées. La méthode retenue consiste à comparer directement des diffractogrammes de rayons X calculés avec ceux enregistrés sur un même échantillon après différents traitements et à en reproduire toutes les caractéristiques (positions des pics, rapports d'intensité, profils) à l'aide d'un modèle structural unique. Les minéraux argileux du forage EST104 peuvent ainsi être décrits comme un mélange de trois phases principales : une illite, une smectite et un interstratifié illite/expansible désordonné (R0) de composition fixe (35% exp.). Avec la profondeur les caractéristiques structurales de ces phases sont constantes. La transition minéralogique précédemment décrite traduit la modification des proportions relatives des différentes phases. Cette description diffère de celle classiquement proposée pour l'illitisation diagénétique des séries sédimentaires. Cependant, l'utilisation des mêmes outils sur une série diagénétique de référence conduit à une description similaire. Ces résultats novateurs impliquent de reconsidérer les mécanismes réactionnels proposés pour ces minéraux ainsi que leur modélisation cinétique. Enfin, la réactivité des minéraux argileux du Callovo-Oxfordien en réponse à une perturbation alcaline est très limitée par la présence de matière organique qui recouvre les particules argileuses et protège ainsi les sites réactifs des minéraux argileux.