Étude couplée de géochimie organique, sédimentologie et stratigraphie séquentielle

Étude coupléede géochimie organique,

sédimentologie et stratigraphie séquentielle

Caractérisation moléculaire de la matière organique des argilites

callovo-oxfordiennesde l’Est du bassin de Paris

Yann Hautevelle

Directeurs de thèse : Raymond Michels (G2R) Fabrice Malartre (G2R) Luis Martinez (G2R)

Correspondant ANDRA : Alain TrouillerParrain de thèse : Hervé Chamley

Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004

I) Contexte géologique des argilites callovo-oxfordiennes

II) Méthodologie

III) Composition et variabilité du signal moléculaire

IV) Variation du rapport rétène/cadalène

INTRODUCTION

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Plan


Les argilites callovo-oxfordiennes de l’Est du bassin de Paris sont réputées monotones mais certains changements y ont été décrits :

— sédimentologiques (bioturbations; niveaux plus carbonatés et plus bioclastiques…)

— minéralogiques (évolution de la minéralogie des argiles ; Pellenard, 1999)

— la diagenèse précoce et thermique

La composition moléculaire de la matière organique est particulièrement sensible à :

— l’origine et la nature de la MO enfouie dans le sédiment

Dans les séries argileuses monotones, la matière organique est susceptible d’avoir enregistré des évolutions paléo-

environnementales et diagénétiques inaccessibles par la sédimentologie de faciès.

INTRODUCTION


Dans le bassin de Paris au Jurassique, de vastes plates-formes sont successivement érigées.

Développement de plates-formes

carbonatées

Ces plates-formes sont périodiquement ennoyées au cours des inondations maximales de second ordre pendant lesquelles la sédimentation devient argilo-détritique.

Modifié d’aprèsGuillocheau et al.

(2000)

I) Contexte géologique du Callovo-Oxfordien

Dans le bassin de Paris au Jurassique, de vastes plates-formes sont successivement érigées.

Ces plates-formes sont périodiquement ennoyées au cours des inondations maximales de second ordre pendant lesquelles la sédimentation devient argilo-détritique.

Modifié d’aprèsGuillocheau et al.

(2000)

I) Contexte géologique du Callovo-Oxfordien


1ère étape :

II) Méthodologie

Protocole analytique

2ème étape :

broyage fin de la roche après description pétrographique la plus détaillée possible de l’échantillon (présence d’éléments figurés, bioturbation…)

extraction de la matière organique soluble au dichlorométhane. Extraction automatique

DIONEX.Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004



3ème étape : fractionnement de l’extrait par chromatographie liquide sur phase solide.Trois fractions sont récupérées :

II) Méthodologie

— fraction aliphatiquehydrocarbures non aromatiques

— fraction aromatiquehydrocarbures aromatiques + quelques

composés soufrés et oxygénés

— fraction polairecomposés fonctionnalisés



4ème étape : analyse des fractions aliphatiques et aromatiques par couplage chromatographie en phase gazeuse (GC, séparation des composés) et spectrométrie de masse (MS, détermination des composés) Exemple de chromatogramme d’une fraction aliphatique

temps de rétention

inte

nsit

éII) Méthodologie

Pr

Ph

16

15

1920 21

2223

24

Pr : pristane

Ph : phytane

numéros : n-alcanes,le numéro indique lenombre d’atomes de carbone



5ème phase : étude des chromatogrammes et détermination des composés.

temps de rétention

II) Méthodologie

chromatogramme

Inventaire des composés présents

dans la fraction analysée

Pr

Ph

191 fragmentogramme

Classement des fragments moléculairesselon m/z

Signature de chaque composé


Secteur d’étude

Dans l’Est du bassin de Paris, l’Andra a foré plusieurs puits dans la région de Bure.Cette étude concerne 3 d’entre eux.

Transect NNO-SSEMSE 101-EST 205-HTM 102(plus de 80 échantillons analysés)

4 km

II) Méthodologie


Caneva géologique du transect NNO-SSE

II) Méthodologie

Changement minéralogique

Callovienmoy.

Callovien sup.

Oxfordieninf.

Oxfordienmoy.

Minéralogie des argileschlorite

illite

Interstratifié Illite/smectite

kaolinite

Strati-graphie

Minéralogie des

argiles2040 60 80



Proportions relatives Ali/Aro/Pol

MSE 101HTM 102

HTM 102 et MSE 101

- barycentre identique : % ali = 17%% aro = 13%% pol = 70%

- faible dispersion

bonne homogénéitélatérale et verticale


SOMME

n-alcanes et isoprénoides

Hopanes

Diastérènes

Stéranes

m/z=57

m/z=191

m/z=257 et 271

m/z=217

Les n-alcanes, les isoprénoides, les hopanes, diastérènes et stéranes expliquent à eux seuls la quasi-totalité des chromatogrammes. Chaque catégorie de biomarqueur a une distribution identique dans tous les échantillons.

Composition moléculaire

bonne homogénéitélatérale et verticale

tps de rétention

TIC

Alcanes légers

Biomarqueurs

Échantillon 101.06(613 m)



n-alcanes légers (<C24):contribution marine

n-alcanes lourds (C>24):contribution continentale

PrPh

17

13

18

1920 21

23

24

25

26

27

28

29

3031

3233

34

22

Les n-alcanes

Les calculs du CPI (n-C24+/ impairs/n-C24

+ pairs) montrent des valeurs comprises entre 1,5 et 3, ce qui prouve l’origine essentiellement terrestre des n-C24

+. Les n-C24- sont

typiquement essentiellement d’origine marine. Le rapport n-C24

+/n-C24- varie au cours du temps sur les trois forages.

Échantillon 101.06 (613 m)

m/z=57



C-27

C-29

C-30

C-31

C-32C-33

Les hopanes

i

i

i

Présence de hopènes

i

Ces composés polycycliques dérivent des bactéries du milieu interstitiel.

Échantillon 101.06 (613 m)

m/z=191

diagenèse peu évoluée

**

*et d’hopanes en configuration biologique :



méthyl-diastérènesdiastérènes

C-27

C-28

C-29

C-30

Stéranes (x 10 par rapport au diastérènes)

C-29

C-28

C-27

Ils proviennent des membranes cellulaires des eucaryotes.

Les stéroïdesÉchantillon 101.06 (613 m)

m/z=217

m/z=271m/z=257

Ils sont très essentiellement présents dans le Callovo-Oxfordien sous forme insaturée et réarrangée (diastérènes) qui sont caractéristiques des milieux argileux.

Les stéranes ont essentiellement 27 ou 29 atomes de carbone, ce qui est caractéristique d’un mélange de MO marine et continentale.

originemarine

originecontinentale



alcanes hopanes stéranesdiastérènesméthyl-diastérènes

m/z=57 m/z=191

m/z=217

m/z=257

m/z=271



Les benzohopanesBenzohopanes qui

— se forment pendant la diagenèse précoce;

— sont présents dans tous les échantillons;

— dérivent des normal-hopanes origine bactérienne;

Deux familles sont présentes. + benzohopanes cyclisés en C20 + benzohopanes cyclisés en C16Ils sont instables après le stade de diagenèse précoce, surtout les C16-benzohopanes

Leur présence est un argument supplémentaire en faveur d’une diagenèse peu poussée de la série argileuse.

C31 C32 C33 C34



IV) Variations du rapport rétène/cadalène

Variationrétène/

cadalène

Changement de

paléovégétation

cadalène

biomarqueur deplantes

supérieuresnon spécifiques

rétène

biomarqueurde conifères

Les biomarqueurs de plantes supérieures



MSE 101-649 m m/z=183+219+237+223+241+233 m/z=183+219+ 237+223+241+233MSE 101-493.3 m

MSE 101-649 m

hopanes

Faible teneur enditerpanes

hopanes

MSE 101-493.3 m

Forte teneur enditerpanes

m/z=123+109+ 163+191 m/z=123+109+ 163+191

extrait riche en rétèneextrait pauvre en rétène

Fra

cti

on

alip

hati

qu

eFra

cti

on

aro

mati

qu

e

Le cortège moléculaire associé au rétène



Callovienmoy.

Callovien sup.

Oxfordieninf.

Oxfordienmoy.

(rétène/cadalène)*1000

Evolution de la proportion de rétène


CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

L’étude de la composition moléculaire de la matière organique des argilites callovo-oxfordiennes montre :

— préservation des marqueurs de la diagenèse précoce

— un éventuel changement de paléovégétation à l’Oxfordien inférieur synchrone avec l’apparition des premiers bancs carbonatés qui annoncent l’installation de la plate-forme oxfordienne.

— une bonne homogénéité latérale et verticale du contenu organique

Les séries sédimentaires callovo-oxfordiennes étant très monotones à l’échelle régionale, d’autres sites sont et seront étudiés :A 901 (Aisne), Parson Drove (Angleterre), Normandie.

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