Geostatistical characterization of the Callovo-Oxfordian clay variability: from conventional and high resolution log data
Variations et variabilité spatio-temporelle des argilites callovo-oxfordiennes de Meuse/Haute-Marne : valorisation géostatistique des données diagraphiques
Résumé
Andra (National Radioactive Waste Management Agency) has conducted studies in its Meuse/Haute-Marne Underground Research Laboratory located at a depth of about 490 m in a 155-million-year-old argillaceous rock: the Callovo-Oxfordian argillite. The purpose of the present work is to obtain as much information as possible from high-resolution log data and to optimize their analysis to specify and characterize space-time variations of the argillites from the Meuse/Haute-Marne site and subsequently predict the evolution of argillite properties on a 250 km2 zone around the underground laboratory (transposition zone). The aim is to outline a methodology to transform depth intervals into geological time intervals and thus to quantify precisely the sedimentation rate variation, estimate duration; for example the duration of biostratigraphical units or of hiatuses. The latter point is particularly important because a continuous time recording is often assumed in geological modelling. The spatial variations can be studied on various scales. First, well-to-well correlations are established between seven wells at different scales. Relative variations of the thickness are observed locally. Second, FMI® (Fullbore Formation MicroImager, Schlumberger) data are studied in detail to extract as much information as possible. For example, the analysis of FMI® images reveals a clear carbonate - clay interbedding which displays cycles. Third, geostatistical tools are used to study these cycles. The variographic analysis of conventional log data shows onemetre cycles. With FMI® data, smaller periods can be detected. Variogram modelling and factorial kriging analysis suggest that three spatial periods exist. They vary vertically and laterally in the boreholes but cycle ratios are stable and similar to orbital-cycle ratios (Milankovitch cycles). The three periods correspond to eccentricity, obliquity and precession. Since the duration of these orbital cycles is known, depth intervals can be converted into time intervals (duration) and thus give real sedimentation rates, an estimation of the duration of three ammonites zones (Coronatum, Lamberti and Mariae zones) and a quantification of hiatus duration.
Depuis près de quinze ans, l'Andra mène un important programme scientifique pour acquérir des connaissances en vue d'un éventuel stockage de déchets radioactifs en milieu géologique profond. L'outil de recherche le plus important est le laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne, implanté à 490 mètres de profondeur au cœur d'une formation d'argilites datées du Callovo-Oxfordien. Cette thèse a pour objectif de tirer le meilleur parti possible des données diagraphiques haute définition et d'optimiser leur étude pour préciser et caractériser les variations et la variabilité spatio-temporelle des argilites du site de Meuse/Haute-Marne dans une zone de 250 km2 autour du laboratoire actuel. Cette étude revient à répondre à la question " quel est le temps réellement enregistré par des sédiments ? ", une problématique qui peut avoir des applications importantes dans les mondes industriel et scientifique. L'étude des variations spatiales peut être menée à différentes échelles. Une première échelle de variabilité est donnée par les diagraphies conventionnelles, qui mettent en évidence des variations latérales d'épaisseur entre les forages Andra. Une deuxième échelle de variabilité est donnée par l'analyse détaillée d'un outil à haute résolution : le FMI®, sur lequel des alternances régulières de niveaux argileux et plus carbonatés sont clairement identifiées. Des traitements géostatistiques ont été effectués pour affiner l'étude de cette cyclicité. Trois niveaux de cyclicité ont pu être quantifiés par une analyse variographique de l'ensemble des données diagraphiques et des données FMI®. Ces dernières ont permis de distinguer les périodes les plus courtes. Une correspondance entre les périodes mises en évidence et les cycles orbitaux de Milankovitch (excentricité, obliquité et précession, dont les durées sont connues, a pu être établie. Elle constitue la première étape vers le passage à un repère géochronologique. La caractérisation des variations fines du taux de sédimentation a nécessité l'utilisation d'outils géostatistiques adaptés tels que l'analyse krigeante factorielle. L'estimation locale des périodes verticales a montré les variations fines du taux de sédimentation, repéré les niveaux condensés, et ainsi permis de quantifier ces variations et de compter le nombre exact de cycles dans un intervalle donné.
Le passage à un repère géochronologique a d'abord permis d'estimer des durées et en particulier la durée d'unités biostratigraphiques dans des étages (Callovien et Oxfordien) où les durées absolues ne sont quasiment pas connues. Enfin, l'étude des variations du taux moyen de sédimentation dans un repère géochronologique a montré les évolutions verticales et latérales du taux de sédimentation à l'échelle du site de Meuse/Haute-Marne et le synchronisme de la plupart des niveaux condensés. Elle a infirmé certaines hypothèses concernant la présence de hiatus et en a validé d'autres, et dans ce cas a abouti à l'estimation de la durée de ces hiatus.
Le passage à un repère géochronologique a d'abord permis d'estimer des durées et en particulier la durée d'unités biostratigraphiques dans des étages (Callovien et Oxfordien) où les durées absolues ne sont quasiment pas connues. Enfin, l'étude des variations du taux moyen de sédimentation dans un repère géochronologique a montré les évolutions verticales et latérales du taux de sédimentation à l'échelle du site de Meuse/Haute-Marne et le synchronisme de la plupart des niveaux condensés. Elle a infirmé certaines hypothèses concernant la présence de hiatus et en a validé d'autres, et dans ce cas a abouti à l'estimation de la durée de ces hiatus.