Study of the clay fractions of sedimentary successions from East and South-East France. Reconstitution of the diagenetic history and of the physical and chemical characteristics of the sequences. Mineralogical, geochemical and isotopic approaches.
Etude de la fraction argileuse de séquences sédimentaires de la Meuse et du Gard. Reconstitution de l'histoire diagénétique et des caractéristiques physico-chimiques des cibles.
Aspects minéralogiques, géochimiques et isotopiques.
Résumé
Very low-permeable argillaceous rocks like Callovo-Oxfordian claystones or Vraconian siltstones were
chosen to host a research laboratory built to determine the physico-chemical properties of the host
formations for a potential underground disposal of radioactive waste. Knowledge and understanding of
post-sedimentary modifications are of prime importance for definition of these properties; evaluation and quantification of the post-sedimentary changes represent the aim of this study, focused
specifically on the clay material of the sequences.
Samples were taken from two drillings (HTM102 and MAR501). In the HTM102 core samples, illite
and mixed-layers illite/smectite are the dominant clay components of most clay fractions. Systematic
SEM and TEM observations and isotopic K-Ar and Rb-Sr analyses pointed to diagenetic neoformations of carbonates (calcite, dolomite) and clays. For instance, veils and laths of authigenic clay particles around old detrital ones can distinctly be observed. The epoch, duration and extent of the diagenetic activity(ies) are difficult to evaluate because of an overall detrital contribution even in the finest granulometric fractions. However, analysis of a bentonite layer in the sequence provides a diagenetic reference for the authigenic clay material. Correlation between relative sea level and authigenesis of smectite-rich mineral has been outlined. Chemistry of diagenetic fluids also seems to be reliable with sea level variations. These observations argue in favour of diagenetic activities limited in restricted rock volumes.
The case study of MAR501 is close to the HTM102 one: smectite-rich illite/smectite mixed-layers
represent the major component of the clay fraction and K-Ar values argue in the sense of a mixing
between detrital and younger clay populations. Diagenetic glauconites in the sequence yield an age
close to 93,7±0,3Ma for Vraconian level, in agreement with stratigraphical data. The case study of a
clay-filled fault within the sequence favors a confined-sequence behaviour. Indeed, no migrations of
elements and especially of REE took place during fluid flows, the clay minerals preserving their
geochemical properties.
All the results favor reliable confinment properties of the low-permeable argillaceous sequences.
chosen to host a research laboratory built to determine the physico-chemical properties of the host
formations for a potential underground disposal of radioactive waste. Knowledge and understanding of
post-sedimentary modifications are of prime importance for definition of these properties; evaluation and quantification of the post-sedimentary changes represent the aim of this study, focused
specifically on the clay material of the sequences.
Samples were taken from two drillings (HTM102 and MAR501). In the HTM102 core samples, illite
and mixed-layers illite/smectite are the dominant clay components of most clay fractions. Systematic
SEM and TEM observations and isotopic K-Ar and Rb-Sr analyses pointed to diagenetic neoformations of carbonates (calcite, dolomite) and clays. For instance, veils and laths of authigenic clay particles around old detrital ones can distinctly be observed. The epoch, duration and extent of the diagenetic activity(ies) are difficult to evaluate because of an overall detrital contribution even in the finest granulometric fractions. However, analysis of a bentonite layer in the sequence provides a diagenetic reference for the authigenic clay material. Correlation between relative sea level and authigenesis of smectite-rich mineral has been outlined. Chemistry of diagenetic fluids also seems to be reliable with sea level variations. These observations argue in favour of diagenetic activities limited in restricted rock volumes.
The case study of MAR501 is close to the HTM102 one: smectite-rich illite/smectite mixed-layers
represent the major component of the clay fraction and K-Ar values argue in the sense of a mixing
between detrital and younger clay populations. Diagenetic glauconites in the sequence yield an age
close to 93,7±0,3Ma for Vraconian level, in agreement with stratigraphical data. The case study of a
clay-filled fault within the sequence favors a confined-sequence behaviour. Indeed, no migrations of
elements and especially of REE took place during fluid flows, the clay minerals preserving their
geochemical properties.
All the results favor reliable confinment properties of the low-permeable argillaceous sequences.
Les séquences argileuses peu perméables telles que les argilites callovo-oxfordiennes du bassin de
Paris ou les siltites vraconiennes du Gard, ont été choisies pour l'implantation éventuelle d'un
laboratoire souterrain destiné à tester les propriétés physico-chimiques de ces formations dans
l'éventualité d'un stockage profond de déchets nucléaires. La connaissance et la compréhension des
modifications post-sédimentaires sont fondamentales dans la définition de ces propriétés. Le but du
présent travail visait donc à évaluer et quantifier ces changements par l'étude de ces roches, en
particulier des minéraux argileux.
Les échantillons proviennent de deux forages (HTM102 et MAR501). Les principaux minéraux
argileux dans le forage HTM102 sont l'illite et les interstratifiés illite/smectite. Les observations au
MET et au MEB couplées aux analyses isotopiques K-Ar et Rb-Sr mettent en évidence la néoformation de carbonates (calcite, dolomite) et d'argiles. Celles-ci apparaissent au MET comme des particules authigènes lattées en croissance sur des particules détritiques. La durée et l'extension de ces événements diagénétiques sont difficiles à évaluer du fait d'une contamination systématique des
échantillons par une contribution détritique, et ce même dans les fractions les plus fines. Cependant,
l'étude d'un niveau de bentonite dans la séquence permet de caler l'époque et la durée de la
diagenèse. En assimilant cette bentonite à un pôle authigène, il a été possible de reconstruire les
variations des valeurs K-Ar de chaque fraction argileuse dans la séquence. Ainsi, la corrélation
observée entre les variations du niveau marin relatif et la formation d'un matériel argileux riche en
smectite d'une part, et des chimies de fluides différentes d'autre part, sont autant d'arguments en
faveur de réactions diagénétiques en système sinon clos du moins restreint.
Les travaux sur le forage MAR501 sont comparables à ceux réalisés sur le forage HTM102, avec
également un mélange entre deux populations argileuses d'âge différent. Les glauconites
diagénétiques ont permis de caler le Vraconien au voisinage de 93,7 ± 0,3 Ma, en accord avec les
données stratigraphiques. L'étude d'une fracture colmatée par une matrice essentiellement argileuse
confirme le caractère confiné de cette séquence. Aucune migration d'éléments, et en particulier de
TR, n'a été mise en évidence lors de la circulation de paléofluides, indiquant que les minéraux
argileux ont conservé leurs propriétés géochimiques.
L'ensemble de ces résultats est en faveur de propriétés de confinement fiables dans le cas des deux séquences argileuses.
Paris ou les siltites vraconiennes du Gard, ont été choisies pour l'implantation éventuelle d'un
laboratoire souterrain destiné à tester les propriétés physico-chimiques de ces formations dans
l'éventualité d'un stockage profond de déchets nucléaires. La connaissance et la compréhension des
modifications post-sédimentaires sont fondamentales dans la définition de ces propriétés. Le but du
présent travail visait donc à évaluer et quantifier ces changements par l'étude de ces roches, en
particulier des minéraux argileux.
Les échantillons proviennent de deux forages (HTM102 et MAR501). Les principaux minéraux
argileux dans le forage HTM102 sont l'illite et les interstratifiés illite/smectite. Les observations au
MET et au MEB couplées aux analyses isotopiques K-Ar et Rb-Sr mettent en évidence la néoformation de carbonates (calcite, dolomite) et d'argiles. Celles-ci apparaissent au MET comme des particules authigènes lattées en croissance sur des particules détritiques. La durée et l'extension de ces événements diagénétiques sont difficiles à évaluer du fait d'une contamination systématique des
échantillons par une contribution détritique, et ce même dans les fractions les plus fines. Cependant,
l'étude d'un niveau de bentonite dans la séquence permet de caler l'époque et la durée de la
diagenèse. En assimilant cette bentonite à un pôle authigène, il a été possible de reconstruire les
variations des valeurs K-Ar de chaque fraction argileuse dans la séquence. Ainsi, la corrélation
observée entre les variations du niveau marin relatif et la formation d'un matériel argileux riche en
smectite d'une part, et des chimies de fluides différentes d'autre part, sont autant d'arguments en
faveur de réactions diagénétiques en système sinon clos du moins restreint.
Les travaux sur le forage MAR501 sont comparables à ceux réalisés sur le forage HTM102, avec
également un mélange entre deux populations argileuses d'âge différent. Les glauconites
diagénétiques ont permis de caler le Vraconien au voisinage de 93,7 ± 0,3 Ma, en accord avec les
données stratigraphiques. L'étude d'une fracture colmatée par une matrice essentiellement argileuse
confirme le caractère confiné de cette séquence. Aucune migration d'éléments, et en particulier de
TR, n'a été mise en évidence lors de la circulation de paléofluides, indiquant que les minéraux
argileux ont conservé leurs propriétés géochimiques.
L'ensemble de ces résultats est en faveur de propriétés de confinement fiables dans le cas des deux séquences argileuses.