3 Dynamique sédimentaire de l’Oxfordien calcaire : le forage EST205 56
3.1 Faciès et Paléoenvironnements . . . 56 3.2 Cadre séquentiel . . . 58
4 Propriétés physiques de l’Oxfordien calcaire 62
4.1 Les niveaux transmissifs oxfordiens . . . 62 4.2 Matériel et méthode . . . 63 4.2.1 La porosimétrie à l’eau . . . 63 4.2.2 La porosimétrie mercure . . . 64 4.2.3 La permeabilité : limite et condition de la loi de Darcy . . . 65 4.2.4 La permeabilité : appareillage et méthode de mesure . . . 67 4.2.5 La conductivité électrique . . . 67 4.2.6 Les vitesses d’onde P & S . . . 69
5 Propriétés acoustiques et réservoirs des roches carbonatées micropo-reuses : le rôle des microstructures 70
6 Abstract 74
8 Geological settings and sedimentological framework 80
9 Sampling and Methodology 82
9.1 Detailed Petrography . . . 82 9.2 Physical properties . . . 84 9.3 Wireline logs . . . 85 9.3.1 Combinable Magnetic Resonance Porosity (CMRP) . . . 85 9.3.2 Sonic log data . . . 85
10 Results 86
10.1 Sedimentary Texture . . . 86 10.2 Micrite microtextures . . . 87 10.3 Petrophysical properties . . . 90 10.3.1 Porosity and Pore Throat Diameter . . . 90 10.3.2 Permeability . . . 91 10.3.3 Electrical conductivity . . . 91 10.3.4 P and S-wave velocities . . . 95 10.3.5 Comparison with logging data . . . 96
11 Discussion 100
11.1 Micrite microtextures as “poro-acoustic” fabrics . . . 101 11.2 Frequency dependence of acoustic properties . . . 102 11.3 Factors controlling the micrite distribution . . . 108
12 Conclusion 110
12.1 Conséquences pour la modélisation des circulations fluides du secteur . . . . 122 12.2 Émersions et propriétés physiques des HP oxfordiens . . . 123 12.3 Préservation de la microporosité . . . 123
12.3.1 Le colmatage de la porosité par des phases cristallines ultérieurement dissoutes . . . 126 12.3.2 Des phénomènes de surpression de pore . . . 126 12.3.3 Changement de propriété de l’eau dans les micro et nano-confinements127 12.4 Modélisation des perméabilité de l’Oxfordien calcaire . . . 128 12.5 Mesure de l’atténuation sismique en laboratoire . . . 129 12.5.1 Principe d’atténuation . . . 129
12.5.2 Méthode de mesure : le rapport de spectres . . . 129 12.5.3 Résultats des mesures et perspectives . . . 130 12.6 Anisotropie de perméabilité de roches carbonatées . . . 131 12.6.1 Cadre d’étude . . . 131 12.6.2 Mesure de la perméabilité sous pression . . . 132
C
etteétude financée dans le cadre d’un contrat ForPro a été effectuée au sein du labora-toire Géosciences et Environnement Cergy de l’Université de Cergy-Pontoise, en partenariat avec l’UMR CNRS 8148 Géosciences Paris Sud de l’Université d’Orsay et le Laboratoire de Géologie de l’École Normale Supérieure de Paris, UMR CNRS 8538.Ce travail s’intègre dans un vaste programme de reconnaissance géologique du site de Bure (département de la Meuse/Haute-Marne), dont un des objectifs est l’élaboration d’un mo-dèle hydrogéologique des écoulements du secteur. En particulier, l’objet de cette étude est d’apporter une meilleure connaissance des propriétés physiques des carbonates de l’Oxfor-dien moyen et supérieur de l’Est du Bassin de Paris. Ces carbonates constituent la couver-ture sus-jacente à la couche-hôte argileuse du Callovo-Oxfordien susceptible d’accueillir les déchets radioactifs à haute activité (HA) et moyenne activité à vie longue (M A−V L). Cette série carbonatée présente de nombreux contrastes de porosité et de perméabilité et sept niveaux en particulier ont fourni des venues d’eau lors des différentes campagnes de forage effectuées sur le site (ici, le forage EST205) ou dans la zone de transposition. Les propriétés physiques de ces formations calcaires régissent donc en grande partie les possibles circulations de fluides. Comprendre les paramètres qui contrôlent ces paramètres physiques constitue un enjeu scientifique essentiel à la compréhension du modèle hydrologique actuel du secteur.
D’autre part, cette étude s’intègre pleinement dans les thématiques des réservoirs carbona-tés microporeux dans lesquels les paramètres de contrôle microstructuraux sur les propriécarbona-tés physiques sont très peu documentés ou non identifiés.
Après avoir rappelé le cadre géologique de l’étude, les différents éléments de sédimentologie, primordiaux afin d’identifier les microstructures rencontrées le long de l’intervalle considéré sont présentés. L’ensemble des protocoles utilisés pour l’acquisition des données fait l’objet
d’un chapitre détaillé. Les résultats des interprétations ont donné lieu à une publication présentée au chapitre 5 de cette partie. Les derniers chapitres sont consacrés à une discussion sur l’origine géologique des niveaux microporeux observés dans l’oxfordien calcaire du bassin de Paris et les mécanismes possibles de leur préservation au cours du temps.
2.1 Contexte géologique
Le bassin de Paris figure parmi les entités géologiques les plus étudiées dans le monde. L’avènement de la stratigraphie séquentielle et le regain pour l’exploration pétrolière dans les années 70-90, ont rendu possible de nombreuses investigations géologiques s’appuyant notamment sur des forages et des mesures géophysiques [De Wever et al. 2002õö ÷ ø ù úû ü sin de Paris fait partie intégrante d’une grande aire sédimentaire intra-cratonique formée durant la grande période d’extension océanique du Permo-Trias [Guillocheau et al. 2000õö Ces bassins voient leur subsidence évoluer à très long terme (100 à 200 Ma) sous l’effet du refroidissement de la lithosphère [Robin, 1997 ; De Wever et al. 2002õö ýú þÿ ] ø ø û ú (sag bassin) caractéristique ne sera acquise qu’au cours du Cénozoïque. De manière géné-rale, le bassin de Paris est le résultat d’un cycle sédimentaire de plus de 240 Ma qui forme aujourd’hui une flexure lithosphérique de grande longueur d’onde (600 km) avec une épais-seur de plus de 3000 m de sédiments accumulés au cours du Mésozoïque et du Cénozoïque [De Wever et al. 2002õ ]ø ö
F re26 – Coupe théorique Est-Ouest du Bassin de Paris, modifié d’après Delmas et al. [2010].
L’évolution géodynamique du Bassin de Paris au Jurassique supérieur est étroitement liée à celle de la marge Atlantique Nord, et dans une moindre mesure à celle de la marge Téthysienne. à l’échelle des plaques lithosphériques, l’Océan Atlantique n’est alors qu’au
stade de proto-océan et l’Europe du Nord-Ouest est encore rattachée au Groenland et à l’Amérique du Nord [Enay 1980$ %& '& () * !+ , # -* * ". (# "* /0 1 1& . "3&# 4#/ &. domaine téthysien déjà bien individualisé [Enay, 1980 ; Guillocheau et al. 2000$ 5 6 "7& # 27). Dans ce cadre de distension généralisée, qui se traduit par la réactivation de failles hercyniennes, le bassin de Paris enregistre une tectonique distensive de grande longueur d’onde et d’orientation Est-Ouest.
8 9:;re 27 – Carte paléogéographique Péri-Téthys du Jurassique Supérieur (Kimmerid-gien), modifié d’après Dercourt et al. [1993].
De nombreux travaux ayant abouti à la création de cartes paléogéographiques [Dercourt
et al. 1993$* "!&#.! ,#<* * ". ( # "* = ( #* ,!"!&(#* /01> "* #* #.! #?@
◦et 35◦de latitude nord à l’Oxfordien. Plusieurs plates-formes ou rampes carbonatées peu profondes s’étendent du Bassin de Paris au Jura. La plate-forme Lorraine est connectée au sud-est avec les environnements de plates-formes externe jurassiens. Ces derniers s’ouvrent vers le sud sur le Bassin Dauphinois et la Téthys. Le nord de l’Europe est quant à lui le siège d’une sédimentation silicoclastique intense dont le matériel provient des massifs cristallins émergés tels que le massif Bohémien, le Massif Rhénan, le Massif Londres-Brabant et le Massif armoricain. Ces deux derniers alimentent de manière sporadique le Bassin de Paris (Figure 28).
Le site Andra se situe dans l’Est du Bassin de Paris sur la commune de Bure. En surface, le site est implanté sur les calcaires tithoniens du Jurassique supérieur. Dans l’Est du Bas-sin de Paris, les affleurements du Malm sont organisés selon une bande orientée nord-sud
W XYZre 28 – Carte paléogéographique du Bassin de Paris à l’Oxfordien, modifié d’après Carpentier et al. [2010].
délimitée au nord par le massif Brabant-Ardennes et au sud par la partie septentrionale du Massif Central (Figure 29).
Les séries forment une structure homoclinale dont le pendage régional est de l’ordre de 2% en direction du centre du Bassin de Paris. Ce pendage est issu des phases tectoniques compressives du Crétacé inférieur et du Tertiaire [Guillocheau et al. 2000[BM V\ ^ _`aT\ ^V la bordure est du Bassin de Paris sont parcourus par des accidents hérités de la phase hercynienne (Faille de Vittel, Faille de Metz, Failles de la Marne, Faille de Saint-Martin-de-Bossenay) ou d’origine présumée plus récente (Fossé de Gondrecourt, Fossé de Joinville) [Le Roux, 1980[BM VbRcdSR TdUSVef^SR\V\UTgVh g fV`Sdi df^VgS ^Vjk lmRg\VUf^V\R SnUo lites callovo-oxfordiennes (Formation des Argiles de la Woëvre). Les couches de couverture correspondent aux carbonates de l’Oxfordien moyen, aux alternances argilo-carbonatées de l’Oxfordien supérieur et du Kimméridgien et aux calcaires tithoniens.
L’objectif de cette partie est de documenter et d’interpréter les variations verticales des faciès rencontrés dans le forage EST205. Ces éléments de sédimentologie sont primordiaux afin d’identifier les microstructures rencontrées le long de l’intervalle, et serviront à l’étude approfondie et détaillée des propriétés physiques de l’Oxfordien. La détermination des fa-ciès et les interprétations environnementales reposent sur l’étude des textures, des éléments constitutifs (bioclastiques et non bioclastiques), des structures sédimentaires, de la bio-turbation et de l’hydrodynamisme [Flügel, 2009¦§ ¨ ©ª ª© «ª¬ © ® ¯° ±²³ ²´ ±µ¬© ¯ «ª« ¶ ©· «© ¸ l’échelle macroscopique sur les carottes des sondages et à partir des lames minces.
3.1 Faciès et Paléoenvironnements
Le modèle sédimentologique proposé met en évidence sept lithofaciès regroupés en quatre associations de faciès caractéristiques d’un environnement de dépôt de plate-forme carbonatée. Les observations des lithofaciès et leurs principales interprétations en termes d’environnements de dépôts sont décrites dans le tableau de faciès de la Figure 30. Les interprétations environnementales de chaque association de faciès sont abordées en détail ci-dessous.
Ñ Ò Ó Ô Õ Ö 30 – De sc rip tion de s lith of ac iè s.
La première association de facies (F1) est caractérisée par des faciès marneux et des
tex-tures mudstones-wackestones parfois très bioturbés, typiques d’environnements d’offshore supérieur. La faune est essentiellement représentée par des bivalves, des échinodermes, et quelques foraminifères benthiques et serpules. La faune benthique est bien préservée et suggère un hydrodynamisme relativement faible. De rares accumulations d’individus frag-mentés impliquent une influence des tempêtes dans un environnement profond, très certai-nement au-dessus de la limite d’action des vagues de tempête. La seconde association de faciès (F2) présente des faciès boundstones, à coraux et microbialites. Ces structures bioher-males peuvent être exclusivement constituées de formes lamellaires, branchues, massives ou un mixte de trois. Le sediment interne et externe est une matrice micritique formée d’une proportion variable de microbialites (structures trombolytique et leiolithique). La faune est abondante, en particulier la cyanobacterie Bacinella irregularis. Cette association F2 est caractéristique d’environnements récifaux de plate-forme interne. La troisième association de faciès (F3) est caractéristique de plate-forme interne. Les faciès sont essentiellement des grainstones oolitiques, bioclastiques, parfois à entroques, et présentant souvent des litages obliques de dunes sous-marines caractérisant les environnements de shoals. Les grainstones sont très bien triés et livrent de petites oolites concentriques (250µm-500µm). En arrière des shoals, des faciès caractéristiques d’environnements protégés de lagons peuvent se déve-lopper (association F4 : packstone à oncolites et péloides, packstone-wackestone à pellets, mudstone-wackestone bioclastique à Bacinella irregularis et des packstones à foraminifères). L’abondance générale en péloides et pellets, la présence d’encoûtement microbiens et la très faible diversité de la faune benthique suggère un environnement marin de faible énergie, protégé (F4b et F4c), ou à la transition lagon-shoal (F4a et F4d). La section étudiée est largement dominée par les faciès micritiques (mudstones, wackestones et packstones) tandis que les faciès granulaires (grainstones) sont localisés sur des niveaux de faible épaisseur. Les carbonates de l’Oxfordien moyen sont représentés essentiellement dans la partie inférieure par des formations récifales alternant avec des faciès oolithiques et/ou oncolithiques de shoal. La partie supérieure de l’Oxfordien moyen correspond à une alternance de calcaires oolithiques et de mudstones proximaux (lagon) de plate-forme peu profonde et des niveaux marneux (Figure 31).