Retrouvez nos derniers résultats scientifiques sur la méthode U-Pb appliquée au phénomène de karstification dans la revue Geology et dans la newsletter du CNRS.
Notre étude montre que la méthode de datation in situ des spéléothèmes de karst très anciens peuvent être datés assez précisément. Ces datations révèlent que le karst dans les carbonates oligocènes du Bassin de Paris s’est formé il y a 29 millions d’années, juste après la roche elle-même ! Une percée importante qui éclaire l’évolution des paysages et des eaux souterraines.
Ce travail a été le fruit d’une collaboration étroite avec les collègues du BRGM dans le cadre du chantier RGF « Bassin de Paris ». https://rgf.brgm.fr/page/bassin-parisien
Moreau, K., Brigaud, B., Andrieu, S., Briais, J., Quesnel, F., 2024. Determining the age and origin of a Tertiary karstic system by in situ U-Pb geochronology on speleothems. Geology 52, 689–694. https://doi.org/10.1130/G52263.1
L’article intitulé « Upscaling of geological properties in a world-class carbonate geothermal system in France: From core scale to 3D regional reservoir dimensions » par Hadrien Thomas, Benjamin Brigaud, Thomas Blaise, Elodie Zordan, Hermann Zeyen, Maxime Catinat, Simon Andrieu, Emmanuel Mouche et Marc Fleury vient d’être publié à la revue Geothermics.
L’article intitulé « Estimating permeability in a limestone geothermal reservoir from NMR laboratory experiments » par Maxime Catinat, Marc Fleury, Benjamin Brigaud, Miklos Antics et Pierre Ungemach vient d’être publié à la revue Geothermics.
L’article intitulé « Giant subaqueous carbonate dunes: a revised interpretation of large-scale oo-bioclastic clinoforms in the middle Jurassic of the Paris Basin and its implications » vient d’être publié à la revue Facies par Benoît Vincent, Benjamin Brigaud, Hadrien Thomas et Fabrice Gaumet.
Les accumulations sédimentaires sont marquées par de nombreux arrêts de sédimentation ou hiatus formant des discontinuités. Sur les plates-formes carbonatées marines, les discontinuités de type hardground (ou fond durci) sont marquées par des surfaces lithifiées lors d’un processus diagénétique de cimentation synsédimentaire, ce fond étant alors perforé par des organismes lithophages comme certains bivalves. Les discontinuités forment d’importantes surfaces stratigraphiques qui peuvent être utilisées à l’échelle du bassin pour corréler les limites des séquences stratigraphiques et reconstruire les géométries sédimentaires. Bien que ces surfaces soient couramment utilisées en stratigraphie séquentielle, le moment et la durée de leur lithification et de la cristallisation des premiers ciments restent peu explorés. Dans cette étude, les premiers ciments calcitiques obturant l’espace inter-granulaire des calcaires du Jurassique des bassins de Paris et Aquitain ont été datés, directement sur les lames minces d’échantillons, par la géochronologie U-Pb. La cohérence ou la légère déviation entre l’âge des ciments et l’âge stratigraphique des discontinuités illustre le fait que la cimentation s’est produite au début de l’histoire diagénétique. La méthode géochronologique in situ permet de dater de très petits ciments, ici d’une taille inférieure à 200 micromètres. Les âges obtenus sur les ciments en dents de chien, (âge à 163.5±6.0 Ma, soit ± 3.7% à 2σ) et les ciments microstalactitiques (âge à 164.0±9 Ma, ± 5.5% à 2σ) sont très cohérents avec les âges supposés de la sédimentation. D’autres âges obtenus montrent que la 1ère cimentation du sédiment peut se réaliser jusqu’à 20 Ma après le dépôt. Outre la datation de la diagenèse, la bonne cohérence entre l’âge des dépôts et les âges obtenus sur certains ciments suggère que la géochronologie in situ U-Pb sur calcite serait une méthode prometteuse pour dater les limites des séquences stratigraphiques et affiner, dans le futur, l’échelle des temps géologiques du Jurassique.
Une acquisition par drone équipé d’un appareil photo haute résolution (12 Mpix) géoréférencée, associée avec les techniques de photogrammétrie, a permis de réaliser une modélisation 3D virtuelle d’un affleurement de roches calcaires avec une précision centimétrique. Celui-ci est ainsi rapidement « transportable » au laboratoire et permet de localiser les échantillons prélevés, la levée de logs supplémentaires, une cartographique complète et la corrélation des faciès observés sur le terrain. Des données complémentaires peuvent être extraites telles que des mesures de fractures ou de pendages (exemple ici). À titre d’exemple, les calcaires du Bathonien de la carrière de Massangis (Bourgogne) ont été investigués avec cette technique. La carrière couvre une superficie de 0,4 km2 et a longtemps été considérée comme un analogue à l’affleurement du réservoir géothermique de l’Oolithe Blanche, réservoir situé à environ 1500 m de profondeur en région parisienne.
Dans le cas de cette étude, le modèle de la carrière de Massangis représente un bon analogue pour représenter un réservoir microporeux et/ou dominé par une porosité secondaire associée à la dédolomitisation. Les espaces poreux rhomboédriques de type moldique associés à la dédolomitisation sont bien exprimés au sein de très grandes dunes sous-marines de 15 à 20 m de hauteur. La photogrammétrie par drone combinée à l’utilisation du Géomodeleur Petrel® est utilisée pour créer un modèle géologique qui reproduit fidèlement l’architecture des faciès observés dans la carrière. La photogrammétrie par drone peut être combinée avec des travaux de terrain pour décrire et localiser les faciès et ainsi contraindre la distribution spatiale des propriétés pétrophysiques. Elle permet également de contraindre les formes des corps réservoir dans une grille fine (XYZ = 1 m x 1 m x 0.5 m) pour des modèles géologiques statiques plus réalistes. Cette méthodologie rapide va aider à fournir des modèles pétrophysiques 3D, de l’échelle micrométrique (pore) à kilométrique, à partir d’analogue d’affleurement pour les réservoirs géothermiques.
Contribution of drone photogrammetry to 3D outcrop modeling of facies, porosity, and permeability heterogeneities in carbonate reservoirs (Paris Basin, Middle Jurassic) – Marine Petroleum Geology, 104772
Thomas, H., Brigaud, B., Blaise, T., Saint-Bezar, B., Zordan, E., Zeyen, H., Andrieu, S., Vincent, B., Chirol, H., Portier, E., Mouche, E.
En collaboration avec l’Andra, l’origine de la fin de la production carbonatée sur la plate-forme ouest Téthysienne vers la limite Jurassique/Crétacé a été examinée dans le Bassin de Paris. Vers cette limite Jurassique-Crétacé, au contraire d’autres limites de période, il a été impossible de trouver des marqueurs géo-biologiques globaux. Même des marqueurs communs au domaine ouest Téthysien n’ont pas été reconnus empêchant d’effectuer des corrélations inter-bassins très fiables de marqueur visible à grande échelle et empêchant de placer cette limite de manière certaine sur un grand nombre de coupes. Cette caractéristique de la limite Jurassique-Crétacé en fait une limite spéciale et compliquée à étudier. Les études de cette transition ont récemment connues un regain d’intérêt à travers les travaux du Berriasian Working Group travaillant sur la définition d’une coupe marquant la limite Jurassique-Crétacé (Gradstein, 2012). Ces travaux amènent d’intenses débats, sur la définition de cette limite. Malgré des affleurements de très bonne qualité, l’Est du Bassin de Paris n’a reçu que très peu d’attention comparé à d’autres dépôts de la même période dans le Jura, dans le Dorset et le dans Boulonnais. Afin de participer aux débats sur la définition de cette limite, une collaboration a été montée entre l’Université Paris-Sud (Benjamin Brigaud et Maurice Pagel), l’Andra (Philippe Landrein et Emilia Huret) et Cambridge Carbonate (Benoît Vincent) afin d’essayer de contribuer à apporter des précisions sur les changements paléo-environnementaux autour de cette limite. Un des objectifs affichés a été de déchiffrer l’influence respective des perturbations géodynamiques et climatiques par l’étude des affleurements situés à proximité de la commune de Bure (Meuse). D’un point de vue plus appliqué, les formations sédimentaires de la limite Jurassique-Crétacé forment les formations de surface situées à l’aplomb du Centre industriel de stockage géologique (Cigéo) de l’Andra. Caractériser les architectures sédimentaires des formations de la limite Jurassique/Crétacé est donc de tout intérêt puisque ces formations sont censées être excavées et aménagées lors de la construction éventuelle des descenderies et des rampes d’accès au site de stockage souterrain des déchets radioactifs.
Dans cette partie du Bassin de Paris, bassin intracratonique réputé relativement stable, quatorze lithofaciès ont été observés se répartissant dans deux grands systèmes de dépôt (1) une plate-forme carbonatée et (2) un environnement deltaïque. La production carbonatée de la plate-forme se termine entre le Berriasien inférieur et supérieur. Elle est d’ailleurs marquée par un processus de dolomitisation. Les signaux isotopiques de la dolomite (δ18O compris entre +2 et+4 et δ13C entre 1 et 3) suggèrent une dolomitisation syn-sédimentaire du sommet de plate-forme en environnements salés et sub-évaporitiques. Les reconstructions de l’architecture et du faciès ont permis de bien contraindre la grande discordance Jurassique-Crétacé (Jurassic Cretaceous Unconformity – JCU), qui est reconnue comme étant un important épisode structural dans le bassin de Paris. Elle se marque dans l’Est du Bassin de Paris par une surrection estimée à environ 80 m et une déformation NW-SE de faible longueur d’onde aboutissant à la mise en place d’un synclinal de 15 km de large sur 30 km de long. Cet événement tectonique tend très probablement à maintenir une sédimentation côtière dans des lagunes et des marais d’eau saumâtre à salée d’environnements supratidaux. L’évolution vers des environnements de plus en plus restreints sur la plate-forme est très probablement à l’origine des dolomites qui marquent les faciès purbeckiens. Il s’avère qu’un changement climatique (condition plus aride) associé à une tectonique locale a permis de déposer des sédiments dolomitiques et évaporitiques dans un synclinal.
Le principal changement de dépôt a eu lieu entre le Berriasien inférieur et supérieur. Il a été marqué par la fin de la production carbonatée (carbonatée et dolomitique) et des dépôts clastiques fluviatiles-deltaïques (faciès Wealdiens). Ce changement sédimentaire majeur s’est produit juste après un événement d’érosion majeur au cours du Berriasien supérieur correspondant à la discordance Ryazanienne (Ryazanian Unconformity – RU). Cette discontinuité se marque dans l’Est du Bassin de Paris par des incisions sur la plateforme forme carbonatée et un changement de lithologie passant de carbonates (faciès Purbeckien) à une série clastique (sables Wealdiens). Cette discontinuité semble être un mélange entre un début de karstification de la plateforme sous climat plutôt humide et une incision par des chenaux en domaine de plaine deltaïque. La phase de rifting dans le golfe de Gascogne et dans la zone pyrénéenne a probablement eu une influence majeure sur le nord de la France en provoquant une surrection globale de près de 120 m cumulée pendant le Tithonien. La géodynamique a très probablement joué un rôle majeur dans la disparition des faciès carbonatés dans le Bassin de Paris, permettant l’émersion de grandes surfaces de la plateforme. Les conditions climatiques locales plus fraîches et surtout plus humides à partir de la seconde moitié du Berriasien favorisent un afflux de sédiments terrigènes depuis le Massif de Londres-Brabant vers des domaines marins qui sont définitivement défavorables à la sédimentation carbonatée.
Pour améliorer notre connaissance de la distribution des propriétés réservoirs (porosité et perméabilité) dans les bordures des plateformes carbonatées, la connexion entre les faciès, la stratigraphie séquentielle et les processus diagénétiques précoces (diagenèse ou lithification du sédiment très rapide après le dépôt) des discontinuités a été étudiée sur la bordure de plateforme oolithique bathonienne du nord-est du Bassin Aquitain (région d’Angoulême).
Huit faciès ont été déterminés le long d’une coupe reliant des affleurements sur une distance d’environ 60 kilomètres. Ils se distribuent dans (1) le pied de pente, (2) la bordure de plateforme progradante, (3) le cordon oolthique, (4) la plateforme intérieure ouverte, (5) le foreshore et (6) le continent. La transition entre les faciès de plateforme interne et de pied de pente est marquée par des clinoformes longs de plus de cents mètres. La production carbonatée est confinée dans la plateforme interne peu profonde et exportée vers le large, entrainant la progradation des clinoformes dont l’angle était compris 20° et 25°. La profondeur de la zone de transition entre les faciès de grainstones oolithiques et les alternances marno-calcaires, à la base de la pente a pu être estimée entre 40 m et 75 m.
Architecture stratigraphique de la bordure de la plateforme carbonatée du Bassin aquitain, associée aux faciès sédimentaires
La dynamique sédimentaire varie de façon similaire au sein des quatre séquences identifiées au cours du Bathonien. Pendant le dépôt des cortèges transgressifs, la sédimentation est essentiellement localisée sur la plateforme interne et l’export de carbonate est négligeable. Pendant le dépôt des cortèges de haut niveau marin, l’export de carbonate augmente, générant la progradation de la bordure de plateforme. Les maximas de régression se marquent par des hiatus sédimentaires sur la plateforme interne, où une même discontinuité passe latéralement d’une surface subaérienne à un hardground marin. L’érosion des hargrounds sous des conditions de fort hydrodynamisme entraine l’export puis le dépôt d’intraclastes précocement cimentés le long de la pente de la bordure de plateforme, formant le cortège de bas-niveau marin.
En ce qui concerne la diagenèse, les ciments précoces sont uniquement localisés un mètre sous les discontinuités sédimentaires dans les dépôts de plateforme interne. Leur absence dans les calcaires de la bordure de plateforme est due à un taux de sédimentation continu, conséquent (1) de l’export des sédiments carbonatés vers le large et (2) de conditions hydrodynamiques plus faibles. Ces conditions particulières font des bordures de plateformes carbonatées un des seuls environnements où des faciès grainstones ne sont pas associés avec le développement de ciments précoces. Dans le cas de la plateforme étudiée, les faciès de sa bordure sont très poreux, peu colmatés par la calcite de blocage lors de l’enfouissement, et forme un excellent réservoir (roche poreuse et perméable).
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).
orcid.org/0000-0001-6961-2177