Transfert de fluides dans les milieux poreux, le cas des carbonates et des interfaces argiles/calcaire. Etude intégrée de pétrophysique, de sédimentologie microstructurales.Le cas de deux carbonates : le cas de deux carbonates : l'Oolithe Blanche du Bassin de Paris et la formation du Globigerina Limestone des îles maltaises., Fluids transfert in porous media, the case of carbonates and clay/limestone interfaces. Integrated study of petrophysic, sedimentology and microstructures.The case of two carbonates : the case of two carbonates : the Oolithe Blanche from the Paris Basin and the Globigerina Limestone of maltese islands.

Université de Cergy-Pontoise



THESE

Pour obtenir le grade de docteur de l’Université de Cergy-Pontoise


Spécialité : Géologie


Par
Lisa Casteleyn


Transfert de fluides dans les milieux poreux, le cas des carbonates
et des interfaces argiles/calcaire. Etudes intégrées de
pétrophysique, de sédimentologie et des microstructures.
Le cas de deux carbonates : l’Oolithe Blanche du Bassin de Paris et la
formation du Globigerina Limestone des îles maltaises.



Soutenance prévue le 28 février 2011,
Devant le jury composé de :

Mr Rudy Swennen (Université de Louvain, Belgique) Rapporteur
Mr Patrick Rasolofosaon (IFP Energies Nouvelles) Rapporteur
Mr Maurice Pagel (Université Paris – Sud XI) Examinateur
Mr Christian David (Université de Cergy-Pontoise) Examinateur
Mr Philippe Robion (Université de Cergy-Pontoise) Directeur de thèse
Mme Beatriz Menéndez (Université de Cergy-Pontoise) Co-directrice de thèse
Mr Pierre-Yves Collin (Université Pierre et Maris Curie – Paris VI) Co-directeur de thèse
Mme Muriel Rocher (IRSN) Invitée
Mr Christophe Rigollet (BRGM) Invité
Résumé

Le stockage géologique est aujourd’hui considéré comme une solution technique
envisageable pour apporter une réponse aux problèmes environnementaux que sont les
émissions de gaz à effet de serre (notamment le CO ) et la gestion des déchets radioactifs 2
de haute activité (HA) et de moyenne activité à vie longue (MAVL). Un stockage géologique
est un projet à long terme qui nécessite un protocole d’étude particulier afin de déterminer et
comprendre au mieux la formation hôte envisagée, notamment en termes de mécanismes de
transport. Les formations géologiques étudiées sont fonction du type de stockage dans le
sens où un stockage de gaz ou de déchet radioactifs ne va pas requérir les mêmes besoins.
Dans le cas d’un stockage de CO , la formation hôte doit posséder de bonnes propriétés 2
réservoir afin de faciliter l’injection, la sécurité du stockage étant garantie par la présence de
pièges (structural, résiduel, minéral) et d’une couverture. En ce qui concerne le stockage de
déchets radioactifs HA-MAVL, la formation hôte doit, au contraire, contenir au maximum les
éventuelles fuites de fluides et gaz contaminés, c’est pourquoi les sites de stockage
envisagés sont au sein de formations très peu poreuses et très peu perméables, argilite ou
granite notamment.

Les travaux de cette thèse sont liés à deux projets de stockage. Le premier a pour
but l’étude pétrophysique d’une formation potentiellement hôte d’un stockage de CO dans le 2
Bassin Parisien, la formation carbonatée de l’Oolithe Blanche. Le second projet est basé sur
l’étude d’un analogue de terrain à la pile sédimentaire explorée au moyen du laboratoire de
Meuse/Haute-Marne (Bure) de l’ANDRA pour le stockage de déchets radioactifs HA-MAVL.
L’analogue de terrain étudié ici est l’archipel maltais qui présente une structure tabulaire
similaire de celle observée dans la région du laboratoire de Meuse/Haute-Marne, avec une
alternance calcaire/argile/calcaire plurihectométrique affectée par une faible déformation
tectonique.

L’étude de la formation de l’Oolithe Blanche a été réalisée sur un analogue de terrain
car nous n’avons pas eu accès aux échantillons prélevés en profondeur. Ce projet est donc
basé sur des échantillons prélevés sur des affleurements de la formation de l’Oolithe
Blanche, en Bourgogne. Ces travaux ont permis de déterminer dans un premier temps les
propriétés réservoir des trois faciès principaux de la formation. Ces trois faciès se
différencient par des environnements et des énergies de dépôt différentes mais localisés
dans une zone infratidale (shoreface). Ils sont composés d’oolithes, de pellets et de
bioclastes dans des proportions variant légèrement d’un faciès à l’autre. L’étude des
1 propriétés réservoir a montré que la formation de l’Oolithe Blanche est une formation
microporeuse. Les paramètres microstructuraux influençant les propriétés réservoir sont : la
nature du liant (sparite ou micrite), la quantité de compaction caractérisée par la quantité de
liant et le contact entre les éléments et, enfin, la taille des pores et leur distribution (micro,
méso, macropores et distribution dans les éléments).
Un second aspect de l’étude de l’Oolithe Blanche s’est concentré sur une étude plus
pétrophysique. Le but principal de ce second volet est de caractériser l’influence du réseau
poreux (volume, forme dans l’espace) sur les vitesses acoustiques, la conductivité électrique
et la perméabilité. L’étude est complétée par l’application de modèles prédictifs de
perméabilité basés sur les spectres de porosimétrie mercure.

L’étude de l’archipel maltais est basée sur plusieurs observations réalisées par
Missenard et al. (en prep.), Rocher et al., (2008) et Missenard et al. (2009, 2011) sur la Blue
Clay Formation, épaisse de plusieurs centaines de mètres, ainsi que sur la formation
carbonatée sous-jacente : le Globigerina Limestone. La formation argileuse présente un
intense réseau de fractures à remplissage gypseux ainsi qu’une oxydation ocre sur
l’ensemble de la longueur de la fracture. Une oxydation similaire est aussi observée dans la
formation carbonatée du Globigerina Limestone sous la forme de structures en lobes ou en
champignons d’oxydation.
Cette étude est développée, elle aussi, en deux volets. Le premier concerne l’étude
des remplissages gypseux des fractures. L’étude de ces remplissages est directement liée à
la thématique du stockage car, dans le cas d’un stockage de déchets radioactifs, l’absence
de fracture et de mouvement de fluides est une condition sine qua non pour en assurer la
sécurité. Dans le cas des remplissages maltais, l’étude porte sur des mesures géochimiques
18 34 87 86des isotopes de l’oxygène (δ O), du soufre (δ S) et du strontium ( Sr/ Sr) couplées à une
étude d’inclusions fluides. Ces analyses ont permis de proposer un modèle de circulation
des fluides descendants au sein de la pile argileuse. La source des fluides à partir desquels
ont précipités les cristaux de gypses semble être d’âge plus récent que les formations dans
lesquelles on les trouve aujourd’hui. Au vue de la position et de l’âge des formations
présentes dans les îles maltaises, une source potentielle est le niveau évaporitique du
Messinien dont le rapport de strontium correspond à nos données.
Le second volet concerne les structures d’oxydation en lobes observés dans la
formation du Globigerina Limestone. L’objectif est ici de déterminer le ou les processus de
mise en place de la coloration secondaire que l’on appelle « oxydation ». La question
principale qui se pose est la suivante : les structures d’oxydation observées sont-elles dues à
une hétérogénéité présente dans la roche au moment de son dépôt ou bien seulement à la
trace d’un arrêt d’un mécanisme d'écoulement des fluides après la mise en place des unités
2 sédimentaires (arrêt du fluide oxydant ou arrêt de la réaction causant la coloration)? Pour
cela, nous avons réalisé des études portant sur le squelette de la roche (minéralogie,
minéralogie magnétique, étude microstructurale, géochimie), sur les pores et la porosité
(mesure de la porosité, porosimétrie mercure…), sur les transferts de fluides (perméabilité)
ainsi que sur l’anisotropie de la roche (anisotropie de susceptibilité magnétique (ASM) et de
vitesse des ondes P (AVP)). Des différences contradictoires existent, notamment dans les
données d’anisotropie, laissant supposer un mode de mise en place complexe.
3
4 Abstract

Geological storage is now considered as a technical solution for CO storage and 2
nuclear waste management (for high-level and intermediate-level long-lived radioactive
waste). A geological storage is a long term project which implies a particular protocol in order
to better determine and to better understand the host rock, especially in terms of transport
mechanisms. The geological formations studied are chosen in function of their storage
capacity because gas storage or nuclear waste storage do not n