Ecole Doctorale Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l

ED EMTSU
Ecole Doctorale
Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l’Univers
Formulaire de demande de
Contrat doctoral institutionnel 2016
1. Informations administratives :
 Nom du Directeur de thèse : Fatima Laggoun-Défarge
 Nom de l’éventuel co-Directeur : Mohammed Boussafir
 Le cas échéant nom, date de recrutement et date de soutenance d’habilitation programmée
du co-encadrant.
 Unité : Institut des Sciences de la Terre d’Orléans, UMR 7327 CNRS/Université
d’Orléans/BRGM
 Email du Directeur de thèse : fatima.laggoun-[email protected]r
2. Titre de la thèse : Évolution comparée de la diagénèse des argiles et de la maturité des
Matières organiques sédimentaires: rôle dans la structuration du réseau poral des roches
Mères à gaz.
3. Résumé : (1 page maximum, en police de caractères « times 11 » et en langage « vulgarisé »)
Les formations argileuses sont généralement des couches très peu perméables qui peuvent être riches en
matières organiques. En général, quand la perméabilité d'une roche est faible, sa porosité l'est aussi. Ce
n'est pas le cas pour certaines formations argileuses riches en matières organiques qui peuvent avoir une
porosité forte (de l'ordre de 10%) avec une perméabilité très faible (de l'ordre du nanodarcy). A ce
paradoxe s'ajoute la difficulté de mesurer la porosité dans ce type de roche. En fonction de la technique
de mesure utilisée, les valeurs peuvent être très variables. La porosité accessible aux fluides circulant à
travers la roche peut être très différente de la porosité totale, éventuellement non connectée.
L'objectif de cette thèse est d'étudier la porosité liée à la présence des minéraux et des matières
organiques ainsi que sa transformation selon le degré d'enfouissement (échantillons naturels) ou
l'intensité d'une maturation artificielle (échantillons expérimentaux).
Contexte scientifique : les assemblages matière organique – argile
En première approche, il semble se dégager une forte relation entre la quantité de matière organique
dans les roches pétroligènes et la quantité de gaz (qui est une première estimation de la porosité). Certes
le gaz est issu du craquage de la matière organique mais il en est ensuite dans la plupart des cas libéré
ou piégé durant l'enfouissement. Les observations montrent que le gaz est préférentiellement contenu
dans la matière organique ou, pour le moins, qu'il existe une relation étroite entre les deux. Les études
de sorption-désorption de la matière organique sur les argiles montrent que le phénomène d'adsorption
est vraisemblablement le processus dominant (Drouin et al. 2010). Ce phénomène est également
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étroitement relié à l'indice de maturité de la roche dont dépend la structure micro-porale. Cette
microstructure, de la fabrique de la roche, résulte autant des modes de mise en place du sédiment
(notamment aux interactions argilo-organique depuis la colonne d’eau formant des agrégats organo-
minéraux) que de son enfouissement et ce au moins jusqu'à la genèse des gaz. C'est à dire que les
propriétés de la porosité observables actuellement témoignent de toute l'histoire sédimentologique et
diagénétique de la roche.
En premier lieu, le gaz provient des différentes étapes de maturation de la matière organique durant son
enfouissement. Ces étapes de transformation de la MO sont aussi intimement liées aux processus de
diagenèse des minéraux, tant du point de vue du réseau poral de la matrice minérale que des interactions
entre les transformations minérales et organiques. Citons à titre d'illustration les études de Berger et al.
(1997) où il est observé une accélération de l'illitisation des smectites en présence de matière organique
en milieu aqueux ou les études de Boussafir et al. (1995 a, 1995b) et Gelin et al. (1995) qui montrent la
préservation de la MO par incorporation du soufre dès la diagenèse précoce (Sinninghe-Damsté et al.,
1989). Des études plus récentes (Drouin 2007), en environnement anoxique lacustre, montrent que cette
sulfuration naturelle se produit dans la colonne d’eau et en association avec les mécanismes
d’adsorptions organo-minéraux. Ces deux mécanismes agissent de concert et permettent aux agrégats
ainsi formés d’échapper au recyclage au cours de la diagenèse précoce.
La formation des roches mères est intimement liée aux associations préférentielles entre la matière
organique et les sédiments de faible granulométrie (Premuzic et al., 1982, Romankevich, 1984). Au
premier ordre, c'est l'adsorption qui apparaît comme le principal moteur de la stabilité des assemblages
organominéraux (Drouin 2007, Drouin et al. 2010). Les molécules organiques semblent recouvrir les
minéraux en formant une couche monomoléculaire (Weiler et Mills, 1965, Suess, 1973, Tanoue et
Handa, 1979, Mayer 1994a, b). Des observations in situ en MET de la MO de marges continentales
(Ransom et al., 1997, 1998) ont montré que dans des sédiments récents, la MO apparaît exclusivement
associée aux domaines riches en argiles parfois jusqu’à l’échelle nanométrique (Pichevin et al. 2004,
Pichevin 2004). La texture de la porosité (rugosité) et la taille des seuils de pores impliquent une grande
surface disponible à l'adsorption (Weiler et Mills 1965, Greenland et Mott, 1978, Titley, 1987, Murray
et Quirk, 1990a, b, Mayer, 1994a) qui est influencée par la nature de la MO (Zullig et Morse, 1988) et
des minéraux (Pinck et al., 1954, Kobayashi et Aomine, 1967, Greaves et Wilson, 1973, Lorenz et
Wackemagel, 1987).
1. L'objectif de cette thèse est d'observer et de comprendre les phénomènes qui concourent aux
propriétés actuelles d'échantillons argilites pétroligènes en connaissant au mieux l'historique
d'enfouissement (thermique, chimique, mécanique, diagenèse minérale et organique) à partir de
données accessibles ou à mesurer par l'étudiant dans le cadre de son étude (focalisée sur l'étude
de la texture de la roche par DRX, MEB, pétrographie adaptée aux minéraux et à la matière
organique...). En particulier, l'accent sera mis sur l'étude de la diagenèse des minéraux pour
identifier la part de la réactivité minérale dans la mise en place de la structure poreuse. Ceci sera
réalisé en observant les liens directs (les transformations minérales comme moteurs de la
structuration du sédiment : l'illitisation des smectites, les surcroissances de quartz ou la
précipitation des ciments carbonatés) ou indirect (préservation "mécanique" de la matière
organique, adsorption, modification de l'activité des espèces minérales en solution) entre les
transformations minérales et organiques.
2. Pour observer les effets du craquage thermique sur la porosité et sur les réorganisations
possibles des assemblages MO-argiles, il sera réalisé un ensemble de simulation au laboratoire.
Ces expériences seront menées sur des roches immatures en utilisant des autoclaves. La
pression et la température sont contrôlées et mesurées durant toute l'expérience Les paramètres
de pression et température seront choisis pour rendre compte des conditions de maturation de la
matière organique mais en veillant à avoir une réactivité suffisante pour être observée. Une
attention particulière sera portée pour s'assurer de ne pas altérer la micro-texture de la roche
aussi bien pendant l'expérience (cellule de confinement mécanique) que pendant la préparation
des échantillons avant caractérisation (imprégnation progressive à la résine par échange de
solvant).