Étude couplée de géochimie organique, sédimentologie et stratigraphie séquentielle Caractérisation moléculaire de la matière organique des argilites callovo-oxfordiennes de l’Est du bassin de Paris Yann Hautevelle Directeurs de thèse : Raymond Michels (G2R) Fabrice Malartre (G2R) Luis Correspondant ANDRA : Alain Trouiller Parrain de thèse : Hervé Chamley
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Étude couplée de géochimie organique, sédimentologie et stratigraphie séquentielle Caractérisation moléculaire de la matière organique des argilites callovo-oxfordiennes.
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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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
Protocole analytique
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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
Protocole analytique
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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
Protocole analytique
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
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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
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
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III) Composition et variabilité du signal moléculaire
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
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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)
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
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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
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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 :
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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
III) Composition et variabilité du signal moléculaire
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
IV) Variations du rapport rétène/cadalène
Variationrétène/
cadalène
Changement de
paléovégétation
cadalène
biomarqueur deplantes
supérieuresnon spécifiques
rétène
biomarqueurde conifères
Les biomarqueurs de plantes supérieures
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IV) Variations du rapport rétène/cadalène
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
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IV) Variations du rapport rétène/cadalène
Callovienmoy.
Callovien sup.
Oxfordieninf.
Oxfordienmoy.
(rétène/cadalène)*1000
Evolution de la proportion de rétène
Yann HAUTEVELLE G2RJournée des doctorants ANDRA 2004
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.