Anisotropies magnétique et de porosité des argilites du Callovo-Oxfordien du laboratoire souterrain de l'Andra (Meuse/Haute-Marne, Bassin de Paris)
Résumé
In order to test the feasibility of nuclear waste storage, Andra, the French Agency in charge of radioactive waste management, gave us the opportunity to study preserved specimens of Jurassic clay-rich rocks from eastern Paris Basin. These rocks, deposited during the Callovian and beginning of the Oxfordian, are dark- to light-grey marls that consist mainly in a mixture of clay, calcite and silt. Core-specimens regularly collected along the Callovo-Oxfordian formation from several vertical and oblique boreholes, were subjected to a magnetic mineralogy study, and to a petrofabric study with respect to the geographical frame, itself related to a study of the pore network.
The mineralogy study helps to characterize the nature of the para- and -ferrimagnetic fractions at the origin of the magnetic susceptibility and remanence which vary according to the clay/calcite/silt ratios, the latter being mostly made of detrital grains of magnetite. In the clay-rich rocks (illite and smectites), the ferrimagnetic fraction is also made of authigenic sulfides, possibly greigite, which accompany the ubiquitous framboids of pyrite. This fraction seems to equate with the soft coercive fraction which was used to re-orient the vertical borehole cores with respect to the present magnetic north. The hard fraction equates with the iron-oxides, in agreement with the random nature of the natural remanence. Hence, the coexistence in the same sediment of iron-sulfides and iron-oxides is related to distinct origins rather than to variable conditions during sedimentation or diagenesis. Preservation of these species is attributed to the very low permeability that the sediment reached after its compaction.
The anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) reflects the zone-axis organization of the clay minerals, and eventually the shape fabric of the ferromagnetic fraction. Expectedly, the short axis of the AMS (K3) is vertical (perpendicular to bedding) with an anisotropy degree on the order of 0,3-5%, and the long axis (K1) is constantly trending around N-S in the clay-rich levels and around NW-SE in the silt-enriched levels. This linear fabric is argued to derive either from an anisotropic compaction toward the depocenter, or to parallel the direction of the currents coming from the NE (Bohemian and Rhenan massifs) or from the NW (London-Brabant massif) during sedimentation.
This mineral fabric is compared to the anisotropy of the pore network connectivity in representative lithologies of the formation. We performed high pressure mercury injections parallel to the AMS axes, in order to reflect the anisotropy of connectivity, and AMS measurements after impregnation with a ferrofluid at different pressures, in order to obtain the shapes of the pore network. From these data, we tentatively propose three pore models, the first one for the silt-enriched specimens where vertically pathways seem to control the connectivity, the second one for the carbonate-enriched specimens where the highest connectivity is parallel to bedding, and which is almost isotropic in the bedding plane in spite of an anisotropic pore structure, and the third one for the clay-enriched specimens (at the site of the Andra Laboratory), where the highest connectivity, also parallel to bedding, parallels the magnetic lineation.
In conclusion, in addition to this petrophysical modelling of the pore network, in relation with the rock texture at the micro-scale, our mineralogical approach helped to confirm (and locally refine) the sequential stratigraphy of this part of the Jurassic, corresponding to a colder event in-between two carbonaceous-plateforms. Our mineralogical approach added to fabric considerations helped us to propose an original dynamical scenario of the sedimentary supplies.
The mineralogy study helps to characterize the nature of the para- and -ferrimagnetic fractions at the origin of the magnetic susceptibility and remanence which vary according to the clay/calcite/silt ratios, the latter being mostly made of detrital grains of magnetite. In the clay-rich rocks (illite and smectites), the ferrimagnetic fraction is also made of authigenic sulfides, possibly greigite, which accompany the ubiquitous framboids of pyrite. This fraction seems to equate with the soft coercive fraction which was used to re-orient the vertical borehole cores with respect to the present magnetic north. The hard fraction equates with the iron-oxides, in agreement with the random nature of the natural remanence. Hence, the coexistence in the same sediment of iron-sulfides and iron-oxides is related to distinct origins rather than to variable conditions during sedimentation or diagenesis. Preservation of these species is attributed to the very low permeability that the sediment reached after its compaction.
The anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) reflects the zone-axis organization of the clay minerals, and eventually the shape fabric of the ferromagnetic fraction. Expectedly, the short axis of the AMS (K3) is vertical (perpendicular to bedding) with an anisotropy degree on the order of 0,3-5%, and the long axis (K1) is constantly trending around N-S in the clay-rich levels and around NW-SE in the silt-enriched levels. This linear fabric is argued to derive either from an anisotropic compaction toward the depocenter, or to parallel the direction of the currents coming from the NE (Bohemian and Rhenan massifs) or from the NW (London-Brabant massif) during sedimentation.
This mineral fabric is compared to the anisotropy of the pore network connectivity in representative lithologies of the formation. We performed high pressure mercury injections parallel to the AMS axes, in order to reflect the anisotropy of connectivity, and AMS measurements after impregnation with a ferrofluid at different pressures, in order to obtain the shapes of the pore network. From these data, we tentatively propose three pore models, the first one for the silt-enriched specimens where vertically pathways seem to control the connectivity, the second one for the carbonate-enriched specimens where the highest connectivity is parallel to bedding, and which is almost isotropic in the bedding plane in spite of an anisotropic pore structure, and the third one for the clay-enriched specimens (at the site of the Andra Laboratory), where the highest connectivity, also parallel to bedding, parallels the magnetic lineation.
In conclusion, in addition to this petrophysical modelling of the pore network, in relation with the rock texture at the micro-scale, our mineralogical approach helped to confirm (and locally refine) the sequential stratigraphy of this part of the Jurassic, corresponding to a colder event in-between two carbonaceous-plateforms. Our mineralogical approach added to fabric considerations helped us to propose an original dynamical scenario of the sedimentary supplies.
Afin d'étudier la faisabilité du stockage des déchets radioactifs, l'Andra, (agence nationale française pour la gestion des déchets radioactifs) nous donne l'opportunité d'étudier la formation argileuse du Jurassique devant abriter le laboratoire de Meuse/Haute-Marne, à l'Est du bassin de Paris. Ces roches, datant du Callovien et du début de l'Oxfordien, sont des marnes plus ou moins grises formées d'un mélange d'argiles, de carbonate et de silt. Les échantillons, collectés régulièrement le long de la formation du Callovo-Oxfordien à partir de plusieurs forages verticaux et obliques, ont été le sujet d'une étude de minéralogie magnétique et une étude de la fabrique minérale replacée dans le cadre géographique, elle-même reliée à une étude du réseau poreux et de son anisotropie.
L'étude de minéralogie nous aide à caractériser la nature des fractions para- et ferrimagnétique à l'origine de la susceptibilité et de la rémanence magnétique, qui varient en fonction de la concentration en argile/carbonate/silt, ces silts étant composés en partie de grains de magnétite détritique. Dans les niveaux les plus argileux (illites et smectites), la fraction ferrimagnétique est aussi composée de sulfures de fer authigènes, peut-être de greigite, qui acccompagnent les pyrites framboïdes omniprésentes. Cette fraction semble correspondre à la fraction de faible coercivité qui a été utilisée pour la ré-orientation des forages verticaux par rapport au Nord magnétique. La fraction de plus forte coercivité est composée des oxydes de fer détritiques, en accord avec la faible valeur de la rémanence naturelle. Ainsi, la coexistence dans la même roche sédimentaire de sulfures de fer et d'oxydes de fer doit-être reliée à des origines distinctes, plutôt qu'à des conditions variables de sédimentation ou de diagenèse. La préservation de ces espèces est attribuée à la très faible perméabilité que le sédiment a acquis après sa compaction.
L'anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM) reflète l'organisation principalement planaire des minéraux argileux, et éventuellement la fabrique de forme de la fraction ferrimagnétique. Comme on s'y attend, l'axe court de l'ASM (K3) est vertical (perpendiculaire au litage) avec un degré d'anisotropie de 0,3% à 5%; et un axe long (K1) qui est constant en direction, autour de N-S dans les niveaux plus argileux et autour de NW-SE dans les niveaux plus silteux. L'origine de cette linéation magnétique peut venir soit d'une compaction anisotrope en direction du dépo-centre, soit, hypothèse que nous préférons, d'une orientation des particules parallèlement à la direction des courants venant du NE (Massifs Bohémien et Rhénan) ou venant du NW (massif Londres-Brabant) pendant la compaction.
La fabrique minérale est comparée à l'anisotropie de la connectivité du réseau poreux dans des lithologies représentatives de la formation. Pour documenter l'anisotropie de connectivité, nous avons réalisé des injections au mercure sous haute pression parallèlement aux axes de l'ASM. Nous avons également réalisé des mesures d'ASM après imprégnation avec un ferrofluide sous différentes pressions, dans le but d'obtenir la forme du réseau poreux. A partir de ces données, nous tentons de proposer trois modèles de pore. Dans le premier modèle, valable pour les échantillons les plus silteux, des chemins verticaux semblent contrôler la connectivité. Le second modèle, correspond aux échantillons les plus carbonatés où la plus forte connectivité, parallèle au litage, est quasiment isotrope dans le plan de litage malgré des formes de pore anisotropes. Enfin dans le troisième modèle, porté par les échantillons les plus argileux et les plus imperméables au niveau du laboratoire Andra, la connectivité est également parallèle au litage, et, dans ce plan, le grand axe de conectivité est parralèle à la linéation magnétique.
En conclusion, outre la modélisation pétrophysique du réseau poreux en relation avec la micro-texture de la roche, notre approche minéralogique nous aide à confirmer, et localement à affiner, la stratigraphie séquentielle de cette partie du Jurassique qui correspond à un épisode de refroidissement entre deux épisodes plus chauds marqués par des plateformes carbonatées. Notre approche minéralogique associée aux considérations de fabrique, nous aide à proposer un scénario original de dynamique des apports sédimentaires.
L'étude de minéralogie nous aide à caractériser la nature des fractions para- et ferrimagnétique à l'origine de la susceptibilité et de la rémanence magnétique, qui varient en fonction de la concentration en argile/carbonate/silt, ces silts étant composés en partie de grains de magnétite détritique. Dans les niveaux les plus argileux (illites et smectites), la fraction ferrimagnétique est aussi composée de sulfures de fer authigènes, peut-être de greigite, qui acccompagnent les pyrites framboïdes omniprésentes. Cette fraction semble correspondre à la fraction de faible coercivité qui a été utilisée pour la ré-orientation des forages verticaux par rapport au Nord magnétique. La fraction de plus forte coercivité est composée des oxydes de fer détritiques, en accord avec la faible valeur de la rémanence naturelle. Ainsi, la coexistence dans la même roche sédimentaire de sulfures de fer et d'oxydes de fer doit-être reliée à des origines distinctes, plutôt qu'à des conditions variables de sédimentation ou de diagenèse. La préservation de ces espèces est attribuée à la très faible perméabilité que le sédiment a acquis après sa compaction.
L'anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM) reflète l'organisation principalement planaire des minéraux argileux, et éventuellement la fabrique de forme de la fraction ferrimagnétique. Comme on s'y attend, l'axe court de l'ASM (K3) est vertical (perpendiculaire au litage) avec un degré d'anisotropie de 0,3% à 5%; et un axe long (K1) qui est constant en direction, autour de N-S dans les niveaux plus argileux et autour de NW-SE dans les niveaux plus silteux. L'origine de cette linéation magnétique peut venir soit d'une compaction anisotrope en direction du dépo-centre, soit, hypothèse que nous préférons, d'une orientation des particules parallèlement à la direction des courants venant du NE (Massifs Bohémien et Rhénan) ou venant du NW (massif Londres-Brabant) pendant la compaction.
La fabrique minérale est comparée à l'anisotropie de la connectivité du réseau poreux dans des lithologies représentatives de la formation. Pour documenter l'anisotropie de connectivité, nous avons réalisé des injections au mercure sous haute pression parallèlement aux axes de l'ASM. Nous avons également réalisé des mesures d'ASM après imprégnation avec un ferrofluide sous différentes pressions, dans le but d'obtenir la forme du réseau poreux. A partir de ces données, nous tentons de proposer trois modèles de pore. Dans le premier modèle, valable pour les échantillons les plus silteux, des chemins verticaux semblent contrôler la connectivité. Le second modèle, correspond aux échantillons les plus carbonatés où la plus forte connectivité, parallèle au litage, est quasiment isotrope dans le plan de litage malgré des formes de pore anisotropes. Enfin dans le troisième modèle, porté par les échantillons les plus argileux et les plus imperméables au niveau du laboratoire Andra, la connectivité est également parallèle au litage, et, dans ce plan, le grand axe de conectivité est parralèle à la linéation magnétique.
En conclusion, outre la modélisation pétrophysique du réseau poreux en relation avec la micro-texture de la roche, notre approche minéralogique nous aide à confirmer, et localement à affiner, la stratigraphie séquentielle de cette partie du Jurassique qui correspond à un épisode de refroidissement entre deux épisodes plus chauds marqués par des plateformes carbonatées. Notre approche minéralogique associée aux considérations de fabrique, nous aide à proposer un scénario original de dynamique des apports sédimentaires.