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Variabilité verticale
Les variations verticales sont dues aux variations du niveau marin relatif au cours du Callovo-Oxfordien. Ce sont ces variations qui ont permis de différencier les trois séquences décrites ci-dessus. Les trois séquences ont une durée qui atteint ou dépasse le million d’années. Des variations plus ténues ont une fréquence plus élevée, en relation avec de légères variations climatiques induites par les cycles orbitaux. La durée de ces dernières variations ne dépasse pas les 100.000 ans. Les processus sédimentaires induisent des variations verticales dans les proportions relatives des trois principaux constituants de l’argilite : quartz, carbonates et minéraux argileux. De façon générale, les bases de séquences sont plus carbonatées, les maxima d’inondation sont plus argileux, les pourcentages de quartz, sous forme de silts, ont une évolution différente. Les minéraux argileux représentent entre 40 – 50 % de la roche, avec un maximum de 60 % dans la séquence médiane. Il y a cinq types représentés qui, en abondance décroissante d’argile, sont :
l’illite, les interstratifiés illite-smectite réguliers R1 (60 à 75 % d’illite), les interstratifiés illite-smectite irréguliers R0 (40 à 60 % de smectite), la chlorite et la kaolinite. Les carbonates sont présents sur l’ensemble de la formation dans une proportion moyenne de 20 à 35 %, pouvant dépasser 60 % dans certains horizons décimétriques. Ces carbonates sont, soit dispersés dans la matrice, soit sous la forme de nodules. La séquence supérieure est la plus carbonatée.
Les propriétés mécaniques des argilites varient selon leur composition minéralogique, elles sont sensibles aux variations de teneurs en carbonates et en silts. C’est dans les zones plus riches en argiles (maximum d’inondation de la séquence médiane) présentant un comportement plus homogène que devrait être implanté le stockage.
Variabilité latérale
Les conditions paléogéographiques et/ou climatiques ont permis le dépôt de particules fines pour former des corps sédimentaires étalés largement sur un fond marin relativement plan. Il en résulte une variabilité latérale faible sur la zone de transposition. La présence de quelques épisodes à sédimentation condensée et de possibles hiatus ne modifie pas les propriétés intrinsèques de la formation.
Connaissances déjà acquises sur le Callovo-Oxfordien
L’ANDRA mène, depuis 1994, un ensemble de recherches pour caractériser les argilites du Callovo-Oxfordien, afin de bien connaître leurs propriétés physiques, chimiques, physico-chimiques, structurelles, microstructurelles, etc. Sur la base de la connaissance des certains propriétés nécessaires pour assurer l’éventuel stockage des déchets radioactifs, la question est : comment prédire l’extension spatiale des ces propriétés. Trois thèses financées par l’ANDRA abordent cette question. Un court résumé de chacune d’elles est présenté ici.
Thèse d’Anne LEFRANCOIS (1995)
« Etude de la variabilité sédimentaire dans le Callovo Oxfordien de la bordure ardennaise du bassin Parisien » Cette thèse a été inscrite dans le cadre de la recherche de l’ANDRA pour construire un laboratoire souterrain permettant d’étudier la faisabilité de stocker les déchets radioactifs en formation géologique. Le but de la thèse était de « définir les échelles de variabilité horizontale et verticale de la formation argileuse du Callovo-Oxfordien sur la bordure N.NE du Bassin de Paris, dans la région de Montcornet ». L’étude suivant l’échelle horizontale s’étend sur une surface d’environ 1200 km. L’échelle verticale a été étudiée depuis le toit du Paléozoïque jusqu’au sommet de l’Oxfordien. Le travail a été effectué à partir de données géochimiques, géophysiques, physiques et diagraphiques, provenant d’un sondage, de cinq puits diagraphiques, de huit profils sismiques et de quelques affleurements.
L’étude de la variabilité verticale, principalement à partir du sondage carotté, sur une durée de 10 Ma (ensemble du Callovien et de l’Oxfordien, d’après Gradstein et al., 1994) représentant 300 m
de série sédimentaire, a été effectuée. La variabilité horizontale à été étudiée à partir de l’affleurement de Dommery qui s’étend sur 90 m horizontalement et sur 60 m verticalement. Afin d’atteindre des dimensions plurikilométriques, les profils sismiques effectués sur une surface d’environ 110 km, ainsi que les mesures diagraphiques ont été utilisées. Différentes échelles de variabilité ont été déterminées (kilométriques, décamétriques, métriques), associées à des processus sédimentaires, tectoniques, eustatistiques et diagénétiques. Des variations des épaisseurs dans l’Oxfordien supérieur ont été observées selon la direction SW-NE. L’épaisseur de la couche localisée entre le Callovien supérieur et la base de l’Oxfordien inférieur est quasiment constante, de 120 à 130 m.
Thèse de Stéphanie BREGOIN (2003)
« Variabilité spatiale et temporelle des caractéristiques du Callovo-Oxfordien de Meuse/Haute-Marne » Cette thèse se situe toujours dans le cadre des recherches effectuées par l’ANDRA sur les argilites du Callovo-Oxfordien. L’objectif de ce travail était d’ « identifier la variabilité spatiale et temporelle des propriétés des argilites callovo-oxfordiennes de la Meuse/Haute-Marne, aux alentours du laboratoire de Bure ».
Les données utilisées dans cette étude correspondent à des données qualitatives et quantitatives. Les données qualitatives concernent les logs géologiques, la description de faciès et la biostratigraphie des ammonites. Les données quantitatives sont des mesures diagraphiques, des analyses minéralogiques, géochimiques et géotechniques, provenant de six forages (MSE101, HTM102, EST103, EST104, EST204 et EST205). Deux de ces forages correspondent aux carottes des puits d’accès au laboratoire, et les quatre restants à des puits diagraphiques localisés aux alentours. L’étude variographique a été faite principalement sur les données diagraphiques (sonique, gamma ray et densité) échantillonnées au pas de 15,24 cm.
La mise en parallèle du processus sédimentaire et de la connaissance géologique du secteur avec l’étude statistique et géostatistique a permis de trouver trois échelles de variations verticales : une première échelle de grandes tendances correspond aux variations lithologiques liées au cycle d’ordre 3 du niveau marin. Une deuxième échelle liée à l’alternance fine de niveaux argileux et carbonatés est déterminée à partir de la périodicité des variogrammes des paramètres diagraphiques. Une troisième échelle est constituée par les valeurs anormales dans la tendance générale du signal qui sont particulièrement perceptibles sur les courbes isotopiques du 13C et 18O. S. BRÉGOIN a établi aussi des variations d’épaisseur entre les différents forages étudiés.
Thèse de Marie LEFRANC (2007)
« Variations et variabilité spatio-temporelle des argilites callovo-oxfordiennes de Meuse/Haute-Marne. Valorisation géostatistique des données diagraphiques » Les objectifs principaux de cette thèse étaient « de valoriser les données diagraphiques classiques et à haute résolution au sein des argilites du Callovo-Oxfordien » et « d’optimiser l’étude des paramètres diagraphiques pour caractériser et préciser les variations et la variabilité spatio-temporelle des argilites du site de Meuse/Haute-Marne ». La surface de la zone d’étude appelée zone de transposition s’étend sur 250 km autour du laboratoire de Bure. Les variables issues de diagraphies conventionnelles comportent le gamma ray, le sonique, la densité et les résistivités. L’échantillonnage de ces données est en général fait tous les 15,24 cm. Les variogrammes de ces données ont été calculés le long des forages avec soit un pas de 10 cm soit de 15 cm. Les données à haute résolution sont des imageries de paroi obtenues à partir des outils de microrésistivités ou ultrasoniques. Parmi les nombreuses variables fournies par l’outil de mesures de microrésistivité FMI (Fullbore Formation MicroImager) M. LEFRANC a travaillé avec la conductivité de la matrice, la proportion d’inclusions conductrices et la proportion d’inclusions résistantes. Le pas d’échantillonnage de cet outil est de 2.54 mm, le même pas a été utilisé pour le calcul des variogrammes le long de forages. L’outil de mesures ultrasoniques utilisé – la sonde DSI (Dipole Shear Sonic Imager) – fournit deux variables le DTRP (Delta-T compressional, Receiver Array, Monopole P&S Acoustic Slowness) et le DTTP (Delta-T compressional, Transmitter Array, Monopole P&S Acoustic Slowness), mais seul DTTP a suivi une analyse variographique, avec un pas de calcul égal au pas d’échantillonnage de 15,24 cm. L’analyse variographique des diagraphies conventionnelles et à haute résolution a permis l’identification de trois échelles de variation verticale, qui sont associées à la périodicité des cycles orbitaux :
· Échelle pluri-métrique. Les résultats ont été obtenus à partir de diagraphies conventionnelles (le gamma ray, le sonique et les résistivités). Des variations d’épaisseur ont aussi été observées, ainsi que de la condensation.
· Échelle métrique. L’analyse géostatistique d’imageries de microrésistivité a permis de mettre en évidence (pour le puits EST322) l’alternance de niveaux conducteurs et plus résistants (équivalent à l’alternance de niveaux plus argileux et plus carbonatés).
· Échelle pluri-décimétrique. Cette échelle a été déterminée à partir de l’identification de nodules carbonatés après l’analyse des données à haute résolution.
L’estimation des taux de sédimentation a été faite en prenant en compte les variations d’épaisseur de l’expression sédimentaire des cycles de durées connues.
La quantification de la durée des unités biochronostratigraphiques a aussi été faite et mise en parallèle avec d’autres études de datation.
Finalement, l’étude a permis de vérifier la fiabilité des outils diagraphiques conventionnels et à haute résolution pour les argilites.
Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I. RENSEIGNEMENTS THEORIQUES
CHAPITRE 1. REFERENCES GEOLOGIQUES DU CALLOVO-OXFORDIEN
1.1. Localisation de la zone d’étude
1.2. Géologie du Callovo-Oxfordien
1.3. Connaissances déjà acquises sur le Callovo-Oxfordien
CHAPITRE 2. NATURE DES DONNEES
2.1. Sismique réflexion 2D
2.2. Diagraphies
2.3. Le profil sismique vertical
PARTIE II. FILTRAGE D’ERREURS DE POINTES SISMIQUES
CHAPITRE 1. INTRODUCTION
1.1. Objectifs
1.2. Base de données
1.3. Echantillonnage
1.4. Validation de la base de données
CHAPITRE 2. ANALYSE EXPLORATOIRE DES DONNEES
2.1. Carte des données
2.2. Histogrammes et statistiques de base
2.3. Carte variographique
2.4. Variogrammes
2.5. Choix de travail
CHAPITRE 3. ÉTUDE DES RESIDUS
3.1. Calcul du résidu stationnaire
3.2. Cartes des résidus
3.3. Histogrammes et statistiques de base
3.4. Cartes variographiques
3.5. Intersections des profils
CHAPITRE 4. MODELISATION
4.1. Formulation d’une hypothèse
4.2. Ajustement des paramètres
CHAPITRE 5. ESTIMATION
5.1. Filtrage des erreurs
5.2. Cartographie des surfaces
CHAPITRE 6. SYNTHESE
PARTIE III. RECONCILIATION DE DEUX MESURES D’IMPEDANCE
CHAPITRE 1. INTRODUCTION ET OBJECTIFS
1.1. Bases de données
1.2. Opérations préliminaires à l’analyse géostatistique
1.3. Trace sismique et puits
CHAPITRE 2. ANALYSE EXPLORATOIRE DES SOUS-UNITES S0S1 ET S1S2
2.1. Généralités
2.2. Histogrammes
2.3. Variations spatiales des impédances
2.4. Variogrammes
CHAPITRE 3. ANALYSE EXPLORATOIRE DES IMPEDANCES
3.1. Statistiques de base
3.2. Variogrammes expérimentaux
CHAPITRE 4. MODELISATION
4.1. Ajustement des variogrammes verticaux
4.2. Ajustement des variogrammes horizontaux
CHAPITRE 5. ESTIMATION
5.1. Estimation de la variable Z
5.2. Voisinage
5.3. Illustration des résultats
CHAPITRE 6. PROPOSITION D’UNE METHODE POUR AMELIORER LA QUALITE DE L’AMPLITUDE
6.1. Nettoyage du profil
6.2. Variogramme des données propres
6.3. Analyse et validation du résultat
CHAPITRE 7. SYNTHESE
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
Annexes
A Résultats de comparaison de traces
B Résultats du filtrage du résidu sismique
C Echantillonnage de l’impédance-log
D Geostatistical approach to evaluate the variability in a clay deposit
E Geostatistical application for the variability study of the Callovo-Oxfordian unit
