benjamin brigaud

sédimentologue

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Les fluorines de Bourgogne à la Une du site web de l’INSU-CNRS

11 janvier 2016 /

Prospection sur le plateau d’Antully, fev 2013. © Benjamin Brigaud

Le sous-sol français renferme l’une des plus importantes réserves de fluor du monde. Des chercheurs de laboratoire GEOPS (CNRS, Université Paris-Sud), en collaboration avec le BRGM, ont examiné de près ces réserves françaises de fluorine, le minéral hôte, pour en caractériser l’origine. L’objectif estde mieux comprendre leur formation afin de mieux orienter les futures prospections. Les gisements ont été observés de l’échelle de l’affleurement jusqu’à l’échelle microscopique par différentes méthodes, ces travaux les ont conduit à déterminer très précisément la nature et la température des fluides minéralisateurs et d’établir un rapprochement avec les grands événements géodynamique dont l’ouverture de l’Atlantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Ore Geology Review.


Observation en cathodoluminescence de cubes de fluorine, apparaissant en violet. © Morgane Gigoux

Le fluor, un élément aux usages multiples dans l’industrie

En effet, la fluorine est l’un des seuls minéraux contenant assez de fluor pour être exploité; près de 5,5 Millions de tonnes de ce minéral sont présents dans des gisements localisés en Bourgogne, ce qui place la France au sixième rang mondial des pays ayant des réserves connues.

Le fluor est un élément hautement important pour l’économie française car beaucoup d’industries en dépendent. Le fluor est indispensable à la fabrication de nombreux composants permettant à la France d’être en bonne position dans le domaine de l’énergie ou de l’automobile: c’est un élément de base utilisé pour séparer les isotopes de l’uranium dans la fabrication des combustibles nucléaires, ou pour la fabrication de l’acide fluorhydrique (HF) qui permet d’éliminer tous les oxydes inorganiques dans l’industrie du verre, des aciers inoxydables (automobile, éolienne, hydrolienne…) ou du silicium des semi-conducteurs (électronique, photovoltaïque, voiture électrique), ou encore dans son utilisation comme catalyseur des réactions du butène dans le raffinage du pétrole. Il est également présent dans notre vie quotidienne en composant nos dentifrices, les mousses synthétiques de nos matelas, les gaz réfrigérants de nos réfrigérateurs ou nos casseroles au téflon. A ce titre, le fluor est classé par l’Union Européenne comme un élément critique du fait de son importance économique et de notre quasi totale dépendance des importations.

Afin de reconstruire le cadre géodynamique dans lequel les gisements français de fluorine se sont mis en place, les températures de cristallisation, salinité et âge ont été recherchées. L’étude a porté sur quatre importants gisements bourguignons encaissés dans des calcaires, dolomites et grès. Le niveau minéralisé se localise toujours dans les premiers niveaux sédimentaires remplissant la base du bassin de Paris dans sa partie sud-ouest, et déposés à la fin du Trias et début du Jurassique (210-195 Ma). Les échantillons collectés sur le terrain ont été minutieusement observés à l’aide de plusieurs microscopes: photonique, à cathodoluminescence et électronique. Les gisements renferment environ une trentaine de pourcent de fluorine (CaF2), le reste étant principalement du quartz (SiO2) et de la barytine (BaSO4).

Cette phase d’observation a permis d’identifier les deux principaux événements minéralisateurs avec d’abord une phase de dissolution des carbonates suivie par la cristallisation de fluorine, barytine et quartz à partir de fluides à la salinité de type CaCl2, comprise autour de 10%, à des températures comprises entre 80 et 100°C, parfois plus élevées (jusqu’ 200°C). Le stade principal de minéralisation de fluorine a été daté à 130 Ma, soit 80 Ma d’année après le dépôt sédimentaire carbonaté.


Gisement de Pierre-Perthuis, © Benjamin Brigaud

Le lien avec les grands mouvements de plaques tectoniques

Cette période de formation des gisements de fluorine de Bourgogne est marquée par des mouvements géodynamiques importants avec le début de l’ouverture de l’Atlantique centrale, le Rifting du Golfe de Gascogne et la zone de rifting qui était positionnée à la place des Pyrénées. Ces mouvements se font ressentir jusque dans la moitié nord de la France, où les bordures du bassin de Paris se sont surélevées. Des fluides météoriques se sont infiltrés jusqu’à plusieurs kilomètres de profondeur dans le socle granitique en s’enrichissant en fluor (F). Ces fluides chauds remontent ensuite par l’intermédiaire d’un réseau de faille et le dépôt de fluorine se produit dans un milieu riche en Calcium (Ca), présent dans les roches carbonatées ou grès à ciment calcitique. Cette circulation est à l’origine de la mise en place de ces importants gisements en France à la base du bassin de Paris.

Ce modèle implique que des gisements peuvent être présents vers l’intérieur du bassin et à sa base. Il faut donc explorer l’interface socle/couverture sédimentaire proche des zones faillées vers l’intérieur du bassin.

Retrouvez l’actu de l’Insu du 5 janvier 2016 sur les travaux de GEOPS sur les Fluorines.

Article sur le site web de l’INSU

Lien en le cycle du carbone et les faciès carbonatés d'eaux peu profondes

Article à Cretaceous Research

6 septembre 2015 /

Les activités anthropiques aboutissent à un relargage important de CO2 qui entraine un enrichissement en carbone de l’atmosphère, contribuant ainsi au réchauffement actuel de la planète. Il est important de comprendre l’influence des changements du climat et du cycle du carbone sur la vie, et notamment sur des écosystèmes à la biodiversité très riche et sensible comme le sont les plateformes carbonatées (Bahamas, Grande barrière de corail, Maldives, Nouvelle-Calédonie…).
Pour cela, nous avons étudié des roches qui formaient une ancienne plateforme carbonatée en France (Nord du Bassin Aquitain) il y a environ 100 millions d’années (Crétacé). Le niveau des océans était alors bien plus élevé qu’aujourd’hui et la température de l’eau de mer en France était comparable avec celle des mers tropicales actuelles.
Nous avons reconstitué l’évolution de cette plateforme carbonatée pendant plus d’un million d’années en nous intéressant par exemple à sa morphologie et à la vie qui s’y développait.
Le δ13C est proportionnel au rapport entre deux isotopes du carbone : 13C/12C, le 12C étant enrichi dans la matière organique constituant le plancton marin. Une augmentation de ce rapport dans l’océan est associée à un stockage de carbone organique dans les sédiments, lors d’anoxie de l’océan. L’absence d’oxygène dans la colonne d’eau est provoquée par des blooms de production organique, consommant l’oxygène, et favorisés entre autres par l’augmentation du transfert de nutriments lors de périodes chaudes, marquées par l’augmentation du CO2 atmosphérique. Ces anoxies empêchent la matière organique de se dégrader. Le signal isotopique du carbone enregistré dans les sédiments marins est donc un bon marqueur du cycle du carbone.
Dans notre travail, l’étude des microfaciès carbonatés d’eaux peu profondes a permis d’en reconstituer deux types. Le premier est un faciès photozoan, riches en coraux, peloïdes et oolites, typique d’eaux oligotrophiques, c’est-à-dire pauvre en nutriments organiques (plancton). Le deuxième est un faciès heterozoan, riches en échinodermes, rudistes, bryozoaires et brachiopodes, typique d’eaux mésotrophiques à eutrophiques (riches en nutriments). L’analyse du δ13C a permis de reconstituer ses variations dans l’océan de manière très fine pendant la période géologique du Cénomanien (environ 95 Ma). Notre travail montre que l’augmentation du δ13C (>2,5‰) de l’océan Atlantique et Téthys est corrélé à un bouleversement de l’écosystème de la plateforme carbonatée : les coraux disparaissent au profit des bivalves, échinodermes et bryozoaires. L’augmentation du δ13C indique probablement une hausse de la productivité primaire de l’océan, impactant les plates-formes carbonatées d’eaux très peu profondes. Ce changement en termes de biodiversité est associé avec un changement de morphologie de la plate-forme marquée par l’apparition de cordons sableux (à débris bioclastiques d’échinodermes) et de bioconstructions à rudistes. Lorsque le δ13C augmente encore davantage (>3‰), les roches carbonatées disparaissent au profit de sédiments argileux et la vie devient beaucoup plus rare.
Cette étude tend à montrer que le cycle du carbone a une influence importante sur des écosystèmes très riches tels que les lagons ou les récifs coralliens.

Andrieu, S., Brigaud, B., Rabourg, T., Noret, A., 2015. The Mid-Cenomanian Event in shallow marine environments : Influence on carbonate producers and depositional sequences (northern Aquitaine Basin, France). Cretaceous Research. 56, 587-607

7 février 2015 /

L’article intitulé « Acoustic and reservoir properties of microporous carbonate rocks : implication of micrite particle size and morphology » par Jean-Baptiste Reget, Philippe Robion, Christian David, Jérôme Fortin, Benjamin Brigaud et Béatrice Yven est prêt pour une publication dans la revue Journal of Geophysical Research : Solid Earth.

Ce travail correspond à une collaboartion entre l’Université de Cergy-Pontoise et l’Université Paris-Sud sur le projet de recherche « Apport de la connaissance des propriétés acoustiques des roches sur la conceptualisation des niveaux transmissifs de la Zone de transposition Andra « , projet financé par le programme interdisciplinaire du CNRS « PACEN » (Programme sur l’Aval du Cycle et l’Energie Nucléaire).

Les principaux résultats ont permis d’améliorer notre connaissance de l’influence des paramètres microstructuraux sur la propogation des ondes acoustiques (P et S) dans les carbonates micritiques. Il s’avère que la vitesse de ces ondes sont largement influencée par la morphologie des cristaux microscopiques de calcite (micrites) et par la nature de leur contact (degré de coalescence).

15 juillet 2014 /

L’article intitulé « Characterization and origin of permeability-porosity heterogeneity in shallow-marine carbonates : from core scale to 3D reservoir dimension (Middle Jurassic, Paris Basin, France) » par Benjamin Brigaud, Benoît Vincent, Christophe Durlet, Jean-François Deconinck, Emmanuel Jobard, Niel Pickard, Béatrice Yven et Philippe Landrein est prêt pour une publication dans la revue Marine and Petroleum Geology.

Un des défis dans le domaine des sciences de la terre est d’arriver à mieux appréhender le changement d’échelle entre la caractéristique d’un échantillon de roche observée en laboratoire, parfois jusqu’à l’échelle micrométrique et son comportement in situ, dans le sous-sol à l’échelle plurikilométrique. Ce changement d’échelle peut s’avérer particulièrement important pour comprendre, prédire et ainsi visualiser en 3D certaines ressources présentes dans le sous-sol comme l’eau, les hydrocarbures ou les métaux. Les roches sédimentaires du sous-sol, notamment carbonatées, peuvent former des réservoirs pour les ressources en eau ou en hydrocarbures, dont une forte porosité et perméabilité est un gage de qualité. Ces aquifères ou réservoirs d’hydrocarbures sont étudiés à partir de forages, donnant un aperçu très ponctuel de la qualité, par exemple 2 km de long avec un diamètre ne dépassant pas 20 cm, de l’ensemble de la roche contenant cette ressource, dont le volume total peut atteindre plusieurs milliers de kilomètres cube.

Une collaboration entre universitaires (Université Paris-Sud et Université de Bourgogne) et industriels (Cambridge Carbonate, Andra, Statoil, Captair) dirigée par Benjamin Brigaud (Géosciences Paris Sud, Université Paris-Sud/CNRS) a apporté une méthode innovante sur ce changement d’échelle en étudiant un ensemble de roches carbonatées épais de 200 m et enfouis à plus de 500 m de profondeur dans l’Est du Bassin de Paris. Cette nouvelle méthode se déroule en cinq étapes. (1) La première consiste à reconstruire précisément, par une étude des faciès sédimentaires, la géométrie de l’ensemble formant un empilement d’une dizaine de couches. (2) La deuxième étape consiste à l’analyse en laboratoire de la perméabilité (de 0,01 mDarcy à 1 Darcy), de la porosité (de 1 à 17%), du rayon de l’espace connectant deux pores entre eux (variant de 0,25 µm à 32 µm) et surtout du signal en résonance magnétique nucléaire (RMN) des roches carbonatées du site prélevées dans un forage, rendant compte de leur hétérogénéité. Sur ces mêmes échantillons, l’espace poreux a été observé à très petite échelle au MEB afin de préciser la forme des pores ou leur variation de taille (de 1 µm à 100 µm). Ces analyses de laboratoire ont permis de redéfinir les équations permettant de calculer à partir du signal RMN, la porosité ou la perméabilité des roches carbonatées. (4) Dans une quatrième étape, le signal RMN a été mesuré dans 12 puits à partir d’une sonde. Les nouvelles équations utilisées ont permis d’avoir un enregistrement continu de la porosité sur presque 2 km. (5) Un logiciel de modélisation géologique performant a été utilisé afin de propager les caractéristiques de perméabilités et porosités mesurées à partir du signal RMN entre les 12 forages dans 109 millions de cellules mesurant 150 m de longueur, 150 m de large et 5 m de hauteur. Les investigations dans les forages permettent de connaître un volume d’environ 20 m3. Ce volume réellement investigué représente 1/1000 d’une cellule du modèle, à comparer aux 109 millions qu’il faut contraindre…

Cette calibration très fine des calculs de perméabilités à partir des signaux RMN mesurés en laboratoire et la mesure de la RMN sur 12 puits en diagraphie permettent d’observer la distribution hétérogène de la porosité et de la perméabilité depuis l’échelle ponctuelle dans les forages à celle d’un réservoir de 400 km3 modélisé en 3D.

 

 

14 juillet 2014 /

atlas_reptile2L’étude suivante « Les Reptiles et Synapsides fossiles de Bourgogne » vient d’être publiée dans le Hors-Série n°12-2012 de la Revue Scientifique Bourgogne-Nature intitulé ATLAS DES REPTILES DE BOURGOGNE. Cet ouvrage, coordonné par Daniel SIRUGUE et Nicolas VARANGUIN, se veut être une référence pour améliorer ses connaissances sur les Reptiles de Bourgogne. Notre étude sur les fossiles constitue un chapitre de cet Atlas. Ce chapitre vient compléter l’inventaire publié en 2013 sur les Amphibiens fossiles de Bourgogne.  De la même manière que le chapitre sur les amphibiens, il fait donc suite à deux stages universitaires de L3, réalisés en 2004, respectivement sur la « Faune et la Flore du Morvan, du Dévonien au Jurassique » (B. Brigaud) et sur l’«Inventaire, Histoire et Evolution des Reptiles et des Amphibiens fossiles en Bourgogne » (R. Bourillot). Ces deux études, comprenant deux rapports détaillés, ont servi de données de base à Georges Gand, qui les a largement complétées et adaptés à partir de ses données personnelles, de recherches bibliographiques et de plusieurs visites au Muséum d’Histoire naturelle Jacques de La Comble d’Autun. Le texte actuel correspond à un inventaire concernant les Amniotes (Synapsida et Reptiles) fossiles réalisé à partir des collections bourguignonnes. Les fossiles sont présentés dans ce chapitre dans l’ordre stratigraphique. Il montre que les Synapsida (Reptiles Mammaliens) sont représentés au Carbonifère et au Permien inférieur par quelques squelettes. Dans le reste du Permien (moyen ou moyen à supérieur) ) puis au Trias, c’est la palichnofaune qui prend le relai avec quelques empreintes de pas permiennes attribuées à des Capthorinomorpha et avec celles beaucoup plus nombreuses du Trias laissées par une faune très variée. Celle-ci comportait le groupe souche des Crurotarsi d’où sont issus les Crocodylomorpha et les Dinosauria via les Dinosauriformes qui ont laissé des petites traces de pied tridactyles, fréquentes dans le Trias moyen. A partir du Trias supérieur (Rhétien), apparaissent des restes osseux d’Ichthyosaures et de Plésiosaures qui vont être rencontrés jusqu’à la base du Crétacé supérieur. Ces Reptiles marins carnivores ont donc évolué pendant près de 100 millions d’années dans la mer bourguignonne en compagnie de Crocodiliens dont on perd la trace à la fi n du Jurassique dans notre région. La mer du Crétacé supérieur dite de la craie est riche en restes osseux de Mosasaures, grands lézards prédateurs qui semblent avoir pris le relai des Ichthyosaures et des Plésiosaures qui n’ont pas été trouvés dans le reste du Crétacé supérieur bourguignon. Quelques Dinosaures herbivores ont été recueillis dans l’Yonne. Les données paléogéographiques de cette période suggèrent la possibilité d’en trouver d’autres dans ce département. Tous les groupes de Reptiles évoqués précédemment disparaissent au cours du Crétacé supérieur et, peut-être, de manière brutale pour les Dinosaures à la limite du Crétacé et du Tertiaire (crise K-T).
Mais les Reptiles n’ont pas tous disparu car nombreuses sont les familles de Chelonia, Crocodilia, Lacertilia, , Ophidia qui vont survivre à cette crise et continuer leur évolution pendant le Tertiaire. Par suite de modifi cations paléogéographiques et climatiques, en France et en Bourgogne en particulier, hormis celles de Crocodilia, les autres vont devenir résiduelles. L’herpétofaune moderne est globalement mise en place, il y a une centaine de millénaires (Pléistocène). En Bourgogne, il y a actuellement 5 espèces de couleuvres, 1 de vipère (peut-être 2), 5 de lézards et 1 de tortue dont le suivi est assuré par des spécialistes. Face à certaines activités humaines destructrices, quelques unes de ces espèces sont menacées mais depuis une dizaine d’années plusieurs associations et organismes publiques bourguignons, français et européens ont uni leurs efforts pour que cette herpétofaune soit protégée.Amphibiens de type moderne ou Lissamphibiens puis de leurs ancêtres les Stégocéphales bien représentés dans notre région dans les terrains du Carbonifère supérieur et de l’Autunien (Permien inférieur).

9 mai 2014 /

L’article intitulé « Quoi de neuf au Jurassique en France ? » par Pierre Pellenard, Benjamin Brigaud, Guillaume Dera et Pascal Neige vient de paraître dans le numéro 180 de la revue Géologues consacré aux nouveautés sur la Géologie de la France.

Vous trouverez dans ce numéro un point sur les nouveautés concernant le Jurassique mais également un état des connaissances sur la géologie en France métropolitaine, en outre-mer, sur les socles, les bassins sédimentaires, les chaînes de montagnes ou sur le régolithe.

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17 février 2014 /

L’article « Impact of basin burial and exhumation on Jurassic carbonates diagenesis on both sides of a thick clay barrier (Paris Basin, NE France) » par Carpentier, C., Brigaud, B., Blaise, T., Vincent, B., Durlet, C., Boulvais, P., Pagel, M., Hibsch, C., Yven, B., Lach, P., Cathelineau, M., Boiron, M-C., Landrein, P., Buschaert, S. 2014. vient d’être publié dans la revue Marine and Petroleum Geology. Cet article présente les processus diagénétiques (surtout une cimentation de calcite) affectant deux formations sédimentaires carbonatées (calcaires du Jurassique moyen ou Dogger et calcaires du Jurassique supérieur ou Malm). Les processus diagenétiques dans ces deux formations calcaires est assez différente dans le détail mais une caractéristique commune est que la porosité diminue fortement par la précipitation de calcite de blocage. Les deux premières générations de calcite, précipitant à partir d’eaux météoriques avec probablement une composante marine, sont liées  à des paléo-recharges durant le Crétacé inférieur lors d’une phase d’exhumation de la bordure ardennaise. Cette phase de circulation d’eau est responsable d’une importante cimentation dans les calcaires du Jurassique moyen mais son développement est très limité dans les calcaires de l’Oxfordien. Deux autres générations tardives sont associées à la télogenèse en présence d’eaux météoriques et correspondent à l’essentiel de la cimentation dans les géodes du Jurassique supérieur. Les fluides circulent dans des fractures pyrénéennes, oligocènes et alpines (Crétacé supérieur à aujourd’hui). Le développement de ces deux dernières générations est très limitées  dans les calcaires du Jurassique moyen.

Planche petro 4

Calcite et fluorine dans les calcaires du Jurassique moyen observées en cathodoluminescence
14 septembre 2013 /

L’étude suivante « Les Amphibiens fossiles de Bourgogne (Temnospondyles et Lissamphibiens) » vient d’être publiée dans le Hors-Série n°11-2012 de la Revue Scientifique Bourgogne-Nature. Cette étude d’inventaire sur les Amphibiens fossiles de Bourgogne avait été initiée il y a une dizaine d’années par G. Gand, Daniel Sirugue et Jacques Thierry. J’étais alors étudiant en L3 à l’Université de Bourgogne, et très intéressé par la paléontologie et la sédimentologie, nous avions fait avec un « pote » Raphaël Bourillot, un stage à la Société d’Histoire Naturelle d’Autun, encadré par G. Gand (l’été 2004). Cette étude sur les Amphibiens fossiles de Bourgogne qui vient d’être publiée fait donc suite à nos deux stages, respectivement sur la « Faune et la Flore du Morvan, du Dévonien au Jurassique » pour moi et sur l’«Inventaire, Histoire et Evolution des Reptiles et des Amphibiens fossiles en Bourgogne » pour Raphaël, réalisés en 2004. Ces deux études, comprenant deux rapports détaillés, ont servi de données de base à Georges, qui les a largement complétées et adaptés à partir de ses données personnelles, de recherches bibliographiques et de plusieurs visites au Muséum d’Histoire naturelle Jacques de La Comble d’Autun. Il en résulta une version qui a été revue par Jean-Claude Rage concernant les Lissamphibiens. Le texte actuel correspond donc à un inventaire des fossiles bourguignons concernant les Amphibiens de type moderne ou Lissamphibiens puis de leurs ancêtres les Stégocéphales bien représentés dans notre région dans les terrains du Carbonifère supérieur et de l’Autunien (Permien inférieur).

Résumé:

L’inventaire actuel des Amphibiens fossiles des collections bourguignonnes montre que les Temnospondyles (Branchiosaures, Eryopidés), Lépospondyles (Nectridiens, Aïstopodes) et Discosauridés du Carbonifère et du Permien sont bien représentés ; ainsi que leurs traces de pas. Par contre, les Lissamphibiens n’ont pas été rencontrés dans les séries du Mésozoïque et du Cénozoïque hormis plusieurs espèces modernes qui ont été récoltées à la faveur des recherches préhistoriques dans le Quaternaire (Pléistocène, Holocène, Actuel).

imagesGand, G., Bourillot, R., Brigaud, B., Steyer, J-S, Peyrouse, J-B. 2013. Les Amphibiens fossiles de Bourgogne (Temnospondyles et Lissamphibiens). in Sirugue, D. ed., Atlas des amphibiens de Bourgogne. Rev. sci. Bourgogne-Nature – Hors-série 11-2012, 47-69

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