Analyse des microfaciès des Mn-carbonate rich black mudstones (F7c)

Le microfaciès F7c portant la minéralisation en Mn (Mn > 15 wt. %) a été divisé en trois sous-microfaciès fonction de la nature des grains et de l'importance du ciment. Il s'avère que les teneurs Mn mesurées avec le niton (valeurs fluorescence X portable: Niton; annexe 2) discriminent également les deux microfaciès avec des teneurs comprises entre 25 et 35 wt. % pour le sous-microfaciès F7c1 et comprissent entre 15 et 25 wt. % pour le sous-sous-microfaciès F7c2. Le troisième sous-microfaciès est caractérisé par une importante phase de ciment et les valeurs en Mn varient entre 15 et 25 wt. %. De façon générale, ces microfaciès sont très riches en carbonates de manganèse (> 50%; Fig. V.1a-d)

Chapitre V

Fig. V.1: Vue de détail de la lame-mince C070030-108 montrant la répartition des principaux éléments chimiques constitutif de la roche (a, les flèches indiquent la matière organique intergranulaire ou intragranulaire interprétée comme des reliques de biofilms; 1: ciment; 2: grain de dolomie; 3: grains à cœur enrichi en Mn et finement lié à des voiles de matière organique noirs sur la photo originale) et cartographies des principaux éléments chimiques: Mn (b), Ca (c), Mg (d), Al (e), Si (f; flèches indiquent des grains de quartz), Fe (g), S (h). (MEB couplé à l'EDX ; 15kV, temps de comptage: 2 h).

Etude détaillée du protore manganésifère Ils sont également riches en matière organique finement liée à l'argile ou en reliques de films organiques (Fig. V.1a) et plus ou moins de pyrite comme le témoignent les Fig. V.1 g et h ou l'on observe que le fer et le soufre se superposent parfaitement. Ils sont pauvres en argiles et en grains de silts (quartz ; Fig. V.1e&f).

La matière organique est probablement produite in situ et la migration serait primaire. Contrairement au faciès plus argileux, on n'observe pas ou très peu de vacuole d'hydrocarbure ce qui témoignant d'une porosité très faible et d'un pouvoir d'imperméabilité important.

Les carbonates de Mn se présente sous forme de grains avec un nucléus de type dolomie ou de dolomie manganésifère (2 sur la figure Fig. V.1a) ou avec un nucléus plus riche en Mn finement lié à des voiles de matière organique (3 sur la figure Fig. V.1a). Le ciment est composé de carbonates dolomitiques enrichis en Mn (type kutnohorite; Fig. V.1b-d, 1 sur la Fig. V.1a). Les argiles composent la phase intergranulaire et représente environ 20 % de la roche (pourcentage déterminé sur lame-mince).

La Fig. V.2 synthétise, sous forme de schémas, les trois micro-textures observées, caractérisant les trois sous-microfaciès, à savoir (Fig. V.2) :

- F7c1: Faciès à micronodules de Mn-carbonates jointifs (Mn > 25);

- F7c2: Faciès à microconcrétions bactériomorphes et grains de Mn-carbonates (Mn [12-25]);

- F7c3: Faciès à wavy Mn-carbonates cement (Mn: [15-25]).

Fig. V.2: Tableau et schémas représentatifs des trois sous-microfaciès: F7c1: Micronodules de Mn-carbonates jointifs; F7c2: Microconcrétions bactériomorphes et grains de Mn-carbonates; F7c3: Wavy Mn-carbonates cement. Le pourcentage de Mn diminue lorsque les grains terrigènes (principalement du quartz) et l'argile augmentent. Les pourcentages du tableau sont des pourcentages surfaciques relevés sur les observations en lames-minces.

Chapitre V

Le lien entre la texture et le pourcentage de Mn a pu être établi grâce aux données de fluorescence X portable (Niton; annexe 2) permettant d'établir une valeur approximative du pourcentage de Mn. On peut noter au premier ordre, que le pourcentage de Mn diminue avec la quantité de grains de quartz et d'argile (Fig. V.2)

Sous microfaciès F7c1: Micronodules de Mn-carbonates jointifs

De façon générale, ce sous-microfaciès se caractérise par une alternance de niveaux de carbonates de manganèse (0.5-5 mm d'épaisseur) au sein d'une rare matrice argileuse riche en matière organique (Fig. V.3b) et de niveaux fins (100-200 µm) plus argileux (Fig. V.3a), également riches en matière organique. On observe des micropyrites dispersées. Les niveaux de carbonates de manganèse granulaire peuvent être localement cimentés par des carbonates de manganèse (Fig. V.3d).

Les carbonates de Mn sont présents en micronodules de rhodochrosite sub-arrondis, émoussés sur le pourtour (5-10 µm; Fig. V.3c-f) pouvant former des amas (150-300 µm) coalescents, non compactés, sub-arrondis (Fig. V.3c&d).

Les micronodules se présentent parfois frangés de pyrite d'origine bactérienne (?; Fig. V.3c&d) avec parfois un cœur noir (reliques de filaments organiques?; Fig. V.3b). Ces micronodules peuvent également être constitués d'enveloppes de kutnohorite et de rhodochrosite (Fig. V.3e) parfois délimitées par des voiles de matière organique (biofilms ?).

On observe également un ciment dolomitique ou enrichi en Mn, localisé autour des amas de micronodules (Fig. V.3d).

Processus de dépôt:

Le milieu de dépôt de ce sous-microfaciès F7c1 est sub-oxique à anoxique et la sédimentation serait quasi entièrement gouvernée par des processus biochimiques. Des processus de diagenèse précoce conduiraient localement à la cimentation des micronodules qui prennent un aspect en grappe.

Etude détaillée du protore manganésifère

Fig. V.3: Sous-microfaciès F7c1: Micronodules de Mn-carbonates jointifs; a) Lame-mince montrant la texture générale où des intervalles riches en carbonates de Mn alternent avec de fines lamines plus riches en argiles et matière organique (C070030-78; OM-LR); b) Amas de micronodules de carbonates de Mn montrant un cœur noir chargé en matière organique. La matrice est principalement argileuse. (BC8-150.8; OM-LN et OM-cathodoluminescence); c&d) Micronodules de carbonates de Mn frangés par de la pyrite (C070030-141; OM-LR (c) et MEB (d)); e&f) Micronodules émoussés de rhodochrosite et grains zonés de kutnohorite et de rhodochrosite dans une matrice argileuse piégeant de la matière organique dans les vides résiduels (C070030-136; MEB).

Sous microfaciès F7c2: Microconcrétions bactériomorphes et grains de Mn-carbonates

La microfabrique de ce sous-microfaciès correspond à des carbonates de manganèse dans une matrice argileuse riche en matière organique avec de rares grains de quartz (< 10 % ; Fig. V.4a&b) et

Chapitre V

des grains de pyrite plus fréquents. On observe aussi des traces de ciment de carbonate manganésifère et de rares vacuoles d'hydrocarbures (Fig. V.4b). La lamination, fruste, est principalement marquée par des alignements de micropyrites (Fig. V.4a) et par les carbonates plus ou moins présents dans la matrice.

Les carbonates de manganèse forment comme précédemment (faciès F7c1) des micronodules de rhodochrosite, mais plus dispersés, uniformes ou présentant des voiles organiques (Fig. V.4d). Ils sont également présents sous forme de microconcrétions bactériomorphes (10-50 µm) ou de grains. Les microconcrétions bactériomorphes sont sub-arrondies avec un cœur de matière organique ou de dolomite plus ou moins riche en Mn. Le pourtour est formé d'une alternance rythmée d'enveloppes de rhodochrosite et de voiles de matière organique (Fig. V.4e & f). Certains grains à nucléus de Mn-dolomite sont entourés d'une ou plusieurs enveloppes de kutnohorite et ou de rhodochrosite (Fig. V.4c). La kutnohorite est aussi présente sous forme de ciment épars.

Processus de dépôt:

Tout comme le microfaciès précédent, le milieu de dépôt de ce sous-microfaciès F7c2 est sub-oxique à ansub-oxique et la sédimentation serait principalement contrôlée par des processus biochimiques. On observe cependant dans ce faciès un peu plus de grains de quartz, ce qui témoignerait d'une faible agitation du milieu à l’origine de la reprise de reliquats détritiques.

Sous microfaciès F7c3: Wavy Mn-carbonates cement

La microfabrique de ce sous-microfaciès montre des "plages" de carbonates de manganèse allongées, ondulées et non continues suivant la lamination alternant avec des lits plus riches en matière organique (Fig. V.5a&b). Ce type de microstructure a été décrite comme des "wavy lamination" dans des black shales carbonatées Protérozoïques du Bassin de Vindhyan en Inde (Schieber, 1999; Schieber et al., 2007; Sur et al., 2006).

On observe la présence de pyrite cubique et framboïdale dispersée (Fig. V.5a)

Les carbonates de Mn (Kutnohorite et Mn-dolomite) sont constitués d'un ciment plus ou moins homogène et "démixé" (Fig. V.5c & d). On observe parfois dans ces ciments, des rhomboèdres de rhodochrosite sub-automorphes qui croissent par enrichissement de la concentration en Mn (Fig. V.5f). Localement on observe des formes bactériomorphes avec des reliques de biofilms organiques et une croissance de pyrite sur le pourtour (Fig. V.5e).

Processus de dépôt:

Le Milieu de dépôt de ce sous-microfaciès est, sub-oxique à anoxique. La structure générale en "wavy lamination" est due à des processus de diagenèse extrêmement précoce juste sous l'interface eau-sédiment où la dégradation des tapis microbiens permet, la formation de carbonates par carbone (HCO3 / CO2) de la matière organique en cour de désintégration dans des formes ondulés suivant la structure du tapis microbiens(Gerdes and Krumbein, 1987; Sur et al., 2006). Le découplement des phases plus ou moins riches en carbonates de Mn implique un réarrangement / redistribution des phases manganésifères pendant la diagenèse précoce. La conservation de forme bactériomorphe indique que le microfaciès initial était probablement F7c1 ou F7c2.

Etude détaillée du protore manganésifère

Fig. V.4: F7c2: Sous-microfaciès F7c2: Microconcrétions bactériomorphes et grains de Mn-carbonates; )&b) Vue générale et vue détaillée en lame-mince montrant la texture des intervalles de carbonates de Mn contenant de nombreuses vacuoles d'hydrocarbures (HC) ; la lamination est soulignée par les dits de micropyrites et de rares grains de quartz (C070030-72; OM-LR; c) Grains de dolomite ou de dolomite manganésifère enveloppés de rhodochrosite dans une matrice argileuse et grains difformes de kutnohorite; d) Micronodules où alternent des voiles organiques et des enveloppes de rhodochrosite (C070030-72-MEB); e&f) Microconcrétions bactériomorphes de kutnohorite alternant avec des voiles organiques. On observe parfois un nucléus de dolomite et une croissance d'ankérite autour de ces microconcrétions (f). La matrice est riche en illite (C070030-108 et BC8-116; MEB).

Chapitre V

Fig. V.5: Sous microfaciès F7c3: Wavy Mn-carbonates cement (C070030-122); a &b) Vue en lame-mince des "wavy lamination" de carbonates de Mn dans une matrice riche en argile et en matière organique associé à de la pyrite framboïdale en lien possible avec une activité bactérienne (OM-LR (a); MEB (b)); c&d) Ciment de carbonates de Mn (Kutnohorite) invasifs par coalescence et aggradation des grains. Les grains sont encore localement visibles en fantôme ; en particulier grâce à la présence de matière organique dans l'espace interstitiel (MEB); e) Microconcrétions bactériomorphes de kutnohorite soulignées par une croissance de voiles organiques zonaires et entourées par une enveloppe de pyrite dans un ciment de kutnohorite (MEB); f) Croissance zonaire de rhodochrosite autour d’un rhomboèdre sub-automorphes de Mn-dolomite dans un ciment de kutnohorite (MEB).

Etude détaillée du protore manganésifère Minéralogie général du protore Mn (Unité 5 et 6)

Une étude minéralogique effectuée par analyse DRX à Eramet Research (Orberger et al., 2013, rapport interne Eramet) présente la minéralogie représentative des unités 5 et 6. Cette étude est basée sur un échantillon de 300 Kg (échantillon E300) qui correspond à un échantillon broyé de l'ensemble des unités 5 et 6 du forage BC8. De plus, deux échantillons types de l'Unité 5 (microfaciès F7e dans un encaissant riche en carbonates de Mn; BC1-128.4) et de l'Unité 6 (microfaciès F7c ; BC8-59 ont également fait l'objet d'analyse DRX. Pour les trois spectres DRX présentés, on observe les phases minéralogiques suivantes (Fig. V.6):

- Principales phases: carbonates de Mn (Rhodochrosite, kutnohorite), dolomie. - Phases peu abondantes: quartz, pyrite, Illite/kaolinite et muscovite (?).

La convexité de la courbe DRX serait due à l'importance de la matière organique. On peut également noter l'absence d'oxy-hydroxydes de Mn. Cette dernière observation est rediscutée dans l'étude géochimique qui suit.

Cet étude minéralogique réalisée à Eramet Research (Orberger et al., 2013) permet de confirmer les phases minéralogiques observées sur les lames-minces, confortant ainsi la nature des phases déterminées par les analyses EDX au MEB. Elle nous confirme également qu'aucune autre phase que celles observées n'est présente.