Compaction mécanique et chimique des roches carbonatées

Résumé
La compréhension des mécanismes de compaction des roches et des sédiments est importante
dans différents domaine des géosciences en particulier pour caractériser la compaction dans
les bassins sédimentaires ou le colmatage dans les failles actives. Les objectifs de cette thèse
sont d’une part de séparer et de quantifier le rôle respectif de la compaction mécanique et
chimique dans les sédiments carbonatés. D’autre part d’obtenir une meilleure compréhension
des procédés aboutissant au fluage des roches sédimentaires carbonatées.
La perte de porosité par compaction mécanique a été étudiée en réalisant des essais triaxiaux K0 sur des échantillons provenant de plateformes carbonatées. Onze échantillons cimentés
par de la calcite faiblement magnésienne et cinq échantillons dolomitisés provenant du Marion Plateau au large de la côte nord-est Australienne (ODP (ocean drilling program) Leg194)
ont été compactés de manière uniaxiale à des contraintes effectives allant jusqu’à 70 MPa. La
cimentation à faible profondeur à laquelle ces échantillons ont été soumis a créé une structure
cimentée stable ayant un fort degré de sur–consolidation et une faible compressibilité. La plupart des échantillons testés étaient tellement cimentés à 30–400 mètres que la perte de porosité
à des profondeurs atteignant 4–5 km doit être principalement liée à des procédés chimiques
et non à des procédés mécaniques. Pour étudier ces processus chimiques deux autres types
d’expériences ont été réalisées.
La dissolution sous contrainte est le principal mécanisme responsable du fluage des roches
sédimentaires pendant leur enfouissement. Par conséquent la vitesse de déformation de la calcite par dissolution sous contrainte à l’échelle d’un contact a été étudiée. Les résultats obtenus
permettent l’identification de l’importance respective de la dissolution sous contrainte résultant
de l’application de la contrainte normale et celle de la dissolution au niveau des surfaces ’libres’
résultant de l’accumulation de l’énergie élastique ou plastique. Deux mécanismes différents se
produisent lors de la dissolution sous contrainte de cristaux de calcite à l’échelle du grain. Dans
un premier cas, la diffusion du solide en solution se produit dans le fluide présent à l’interface
rugueuse entre la calcite et le poinçon. Dans un deuxième cas, la diffusion se produit le long
de fractures qui se propagent du contact vers la partie du cristal soumise à des contraintes plus
faibles. Les vitesses de déformation sont plus élevées dans les expériences pour lesquelles la
propagation de fractures se produit. De manière générale la vitesse de déformation n’apparait
pas comme étant dépendante de la contrainte, mais plutôt de la propagation ou non de fractures.
Finalement, les procédés mécaniques et chimiques actifs pendant la compaction ont été
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étudiés sur des agrégats de cristaux de calcite ou de sables bioclastique. Les expériences montrent que la compaction des sables carbonatés doit être modélisée en prenant en compte à la
fois la compaction mécanique et chimique. Dans toutes les expériences la nature du fluide
saturant, l’organisation initiale des grains et la taille des grains sont des paramètres important
contrôlant la déformation finale ainsi que la vitesse de déformation à une contrainte donnée.
La déformation des échantillons saturés avec des fluides non réactifs, e.g. air ou décane, est
moins importante qu’avec des fluides réactifs, puisque dans ce cas la compaction est seulement
mécanique. Pendant la phase de chargement, la compaction chimique se produit par dissolution
sous contrainte, dont la vitesse est augmentée par la présence de petites fractures au niveau des
contacts intergranulaires. Cette interprétation est confirmée par l’observation des échantillons
en lame-minces. Les vitesses ultrasoniques se propageant dans les agrégats saturés avec des fluides réactifs ont été mesurées et il a pu être montré que la dissolution et le transport de matière
affectant la géométrie des contacts au niveau des grains, ainsi que la fracturation des grains sont
probablement les raison de cette diminution de vitesse.
En conclusion, la perte de porosité dans les sédiments carbonatés est principalement due
à la compaction chimique et très peu à la compaction mécanique. Les procédés chimique de
la compaction sont d’une part la dissolution sous contrainte, et d’autre part la dissolution sous
contrainte assistée par la propagation sous–critique de fissures. La prédominance de l’un ou
l’autre de ces procédés est liée à la nature du fluide présent dans l’espace poreux ainsi qu’á la
nature des grains.
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