Québec Université Laval, Bibliothèque 2018

<p> Field observation at seven outcrops and subsequent polished section studies reveal that lead and zinc mineralization in the Hamilton vicinity occurred after the lithification of the host carbonates. The availability of open structures and the presence of potential reducing agents are the main controlling factors of sulphide deposition, The absence of an igneous source demands an origin of the metals from the sedimentary country rocks. Analysis of 14 shales and 12 dolomites by atomic absorption for Cu, Pb, and Zn indicates that the argillaceous rocks are potential source of the heavy metals. Furthermore, a simple leaching experiment has demonstrated that concentrated brine (sodium chloride solution) can preferentially leach lead and zinc from the shales. A mode of origin involving preferential.leaching can then adequately explain the scarcity of copper minerals in the Mississippi Valley-Type ore, It is suggested that better controlled leaching experiments at various temperatures should be done in conjunction with more extensive field work to check the plausibility of such a theory. </p> / Thesis / Bachelor of Science (BSc)

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Québec Université Laval, Bibliothèque 2018

A study of 12 cores and 2 wells with cuttings through the Silurian (444 to 416 m..y.) succession of the Wabash Platform, Indiana was done to establish the high resolution sequence stratigraphy of a sediment-starved low-latitude epeiric sea platform during the transition from Ordovician icehouse to Devonian greenhouse. The Wabash Platform (approximately 200,000 square km area) is bounded to the north by the Michigan Basin, to the east by the Appalachian Basin, and passed to the southwest into the Vincennes Basin, which was open to the ocean. Facies developed include: crinoidal grainstone-packstone sheets (updip shoals), buildup facies (stromatactis wackestone - lime mudstone, below storm wave-base settings; stromatoporoid skeletal wackestone - floatstone, storm wave-base to fair-weather wave-base; and crinoidal rudstone to packstone; flank facies); non-cherty, skeletal packstone, wackestone, mudstone (sub-fair-weather- to storm wave-base); and cherty, skeletal wackestone - mudstone and variably argillaceous carbonate mudstone (below storm wave-base). Eight thin sequences (1.3 to 4 m.y. duration) occur and range from 2 m to 10 m, with the upper two sequences up to 20 m downdip; most of the sequences can be correlated to global cycles. Except for the lower three disconformity-bounded sequences, most sequences are relatively conformable and lack well defined sequence boundaries or subaerial exposure surfaces. The most easily mapped surfaces are the transgressive surfaces, given that the correlative conformities are cryptic. Lowstand system tracts probably include downdip grainy facies and the deep ramp seaward of updip late highstand deposits. Transgressive systems tracts are upward deepening, upward fining carbonate units, some of which become more argillaceous and silty upward. This contrasts with the usual association of clastic-prone units with lowstand to early transgressive systems tracts. Highstand systems tracts are subtly upward coarsening from carbonate mudstone to skeletal wackestone/packstone and rarely skeletal grainstone. During deposition of the uppermost two sequences, mudmound barrier banks grew upward into shallow water buildups to form a discontinuous raised rim (40 m relief) to the ramp. Even though subsidence rates were very low (<1 cm/k.y.), the low sedimentation rates (0.3 cm/k.y. to 0.8 cm/k.y.) generally prevented the seafloor from building to sea level except for the basal three sequences in which Early Silurian third order glacio-eustacy generated disconformable boundaries. Thus the ramp remained subtidal through most of the relatively ice-free greenhouse later Silurian except over the buildups which locally shallowed to sea level. Parasequence development in high accommodation settings elsewhere in North America are compatible with the transition from moderate ice-sheets to an ice free world. However, this is poorly expressed on the Wabash Platform due to the dominantly deeper subtidal setting. The Silurian provides a window into climate change from a global cool period to global hothouse, which may have implications for understanding future climate change. / Master of Science

West Reflex Lake is a hypersaline lake in the Canadian Great Plains. The lake contains four types of shoreline carbonate structures: isolated pinnacles, bioherms (aggregates of pinnacles), laminated coatings, and beachrock. This study investigates the processes of formation of West Reflex Lake’s shoreline carbonates. A variety of petrographic and geochemical techniques were used to characterize the texture, mineralogy, and chemistry of the carbonates. The shoreline carbonates formed as a result of biotic and abiotic precipitation at the site of saline springs that supply Ca2+ to the lake. Evidence for biologically-influenced precipitation includes strong epifluorescence, presence of micrite cements, and abundance of microbial filaments. Abiotically-precipitated cements formed due to groundwater inflow. The isolated pinnacles and bioherms formed as a result of groundwater percolating through a framework of microbial filaments, whereas the laminated coatings formed as a result of calcification of coherent microbial mats adhering to a substrate. / May 2017

Caractériser les réseaux de fractures dans les réservoirs de subsurface est un challenge majeur. En effet, les fractures contrôlant en grande partie la perméabilité dans les réservoirs, il est nécessaire aujourd’hui d’en prédire l’organisation. Or, la prédiction des fractures en subsurface est difficilement contraignable du fait (1) de données limitées en termes de résolution (sismique), ou de continuité spatiale (imagerie de puits, carottes), et (2) d’un manque de compréhension des facteurs contrôlant la fracturation. Les analogues de terrain sont une bonne alternative aux données de subsurface, permettant d’accéder à la complexité du réseau de fractures, et aux hétérogénéités des carbonates en 3D. Pour chaque affleurement sélectionné, une étude pluridisciplinaire est réalisée, combinant géologie structurale, sédimentologie, diagenèse et pétrophysique. Ainsi, les conditions, le « timing » et les facteurs contrôlant la fracturation peuvent être précisés à travers l’histoire de l’encaissant carbonaté. La fracturation diffuse dans les carbonates est régie par (1) le faciès de dépôt qui contrôle les hétérogénéités mécaniques et la susceptibilité de la roche à la diagenèse, (2) la diagenèse que contrôle l’acquisition précoce du caractère cassant et l’inhibition de la fracturation tardive, et (3) l’enfouissement, responsable des variations de contraintes verticales et de l’apparition des fractures et stylolites. / Characterizing fracture networks in Naturally Fractured Reservoirs (NFR) is a major challenge for hydrocarbon exploration and production. Because fractures control most of the permeability through the reservoir, there is a necessity to predict their organization. However, at present-day, fracture prediction in the subsurface is poorly constrained because: (1) of limited data from seismic, well imaging and cores, and (2) of lack of understanding of controls on fracture occurrence. Outcrop analogues are good alternative to subsurface data for a full 3D fracture characterization. It enables to access the spatial complexity of fracture patterns, and to the 3D heterogeneities of carbonates. In each selected outcrop, a multidisciplinary approach has been undertaken, There, the conditions, timing and controlling factors on fracturing can be precised through the geodynamic history of the host carbonate. Diffuse fracturing in carbonates is governed by (1) the depositional facies which controls mechanical heterogeneities and rock diagenetic susceptibility, (2) the diagenesis which controls the early rock embrittlement and the late fracture inhibition, and (3) the burial, responsible for vertical stress variation and fracture–stylolite occurrence.

Afin de satisfaire à la croissance des besoins énergétiques mondiaux, le domaine des réservoirs carbonatés très enfouis (Deeply Buried Reservoirs) constitue une cible privilégiée pour l'exploration et l'exploitation pétrolière. La préservation, dans les roches carbonatées, de propriétés pétrophysiques favorables (porosité / perméabilité) à grande profondeur peut alors conduire à l'existence d'un réservoir profondément enfoui (Deeply Buried Reservoir, DBR). Les processus chemo-mécaniques impliqués dans la diagénèse d'enfouissement des réservoirs carbonatés sont cependant encore mal contraints et il y a un manque crucial de données expérimentales sur ce sujet. Afin de mieux comprendre ces processus et de déterminer comment la porosité et la perméabilité peuvent être préservées aux profondeurs des DBR (>4000m), un dispositif expérimental novateur et le protocole associé ont été développés. Ce dispositif expérimental permet à la fois de reproduire les conditions de pression / contraintes / température des DBR (80°C, contrainte de confinement de 60 MPa et contrainte déviatorique jusqu'à 40 MPa) et de faire circuler des fluides de diverse nature dans les échantillons. Des échantillons d'un calcaire bioclastique induré (calcaire de Massangis) ont été testés via une approche multidisciplinaire : déformations mécaniques de fluage, suivi de l'évolution de la chimie du fluide de circulation et analyses pétrographiques et pétrophysiques des roches. Il a ainsi été démontré qu'il existe une relation importante entre la contrainte mécanique à laquelle est soumise la roche, les interactions thermodynamiques fluide-roche et l'évolution des propriétés pétrophysiques. Le processus principal responsable des déformations de fluage des roches carbonatées lors de l'enfouissement a été déterminé comme étant la pression-dissolution sous contraintes, processus chemo-mécanique impliqué dans la perte de porosité lors de la diagénèse de profondeur. Les expériences menées l'ont été avec différentes conditions de circulation de fluide (saturation et circuit ouvert) et différentes compositions chimiques du fluide ont été testées (eau météorique, eau météorique additionnée de phosphates et saumure). De même, les effets des hydrocarbures et de leur timing de mise en place ont été étudiés. Les résultats obtenus ont permis d'affirmer que, en présence de fluide météorique, la PSC se produit à l'échelle micritique, et résulte en la précipitation de calcite sur les faces libres de la calcite, provoquant le blocage de la microporosité. La préservation des macropores permet de conserver la perméabilité. L'addition de phosphates dans le fluide de circulation résulte en l'inhibition de la PSC tandis que l'augmentation de la salinité par l'ajout de NaCl accélère ce mécanisme. L'injection précoce d'huile dans les échantillons, précédant la circulation de fluide aqueux provoque l'inhibition de la PSC par un coating des grains, résultant en la préservation de la porosité. Les résultats de cette étude montrent l'importance de la chimie du fluide de circulation et du timing de mise en place des hydrocarbures dans la préservation de la porosité précoce à grande profondeur / The preservation of good petrophysical properties (high porosity / high permeability) at great depth in carbonate rocks may lead to the existence of a deeply buried reservoir (DBR), a target of interest for the oil industry. However, chemo-mechanical processes involved in the burial diagenesis of carbonate petroleum reservoirs are still poorly understood or restrained and few experimental results exists in this domain. To better understand these processes and explain how porosity and permeability can be preserved at the great depth of DBR (burial > 4000m), we developed an innovative experimental device and an associated protocol. This device allows both the simulation of high pressure/stresses/temperature conditions (80°C, 60 MPa of confining pressure and differential stress up to 40 MPa) of DBR and the circulation of different fluids in rock samples. Through a multidisciplinary approach we tested core samples of a cemented bioclastic limestone (Massangis limestone) and we analyzed creep deformations, chemistry of pore fluids, petrographical and petrophysical properties of samples. It has been demonstrated that there exists an important relationship between the mechanical stress affecting the rock, the thermodynamic of water/rock interactions and the evolution of the petrophysical properties. The main process responsible for creep deformation of carbonated rocks during burial has been determined to be Intergranular Pressure Solution (IPS) resulting in Pressure Solution Creep (PSC) which is the main process implied in the porosity reduction of a carbonate rock during deep burial. Different flow conditions (no-flow and flow-through) and chemical compositions (natural meteoric water, adjunction of phosphate ions, brine) were considered. The effects of hydrocarbon and of their timing of set-up have also been investigated. It has been discovered from our study that, in presence of meteoric fluid, PSC happens at the micritic scale, and results in the blocking of microporosity between micrites crystals due to the precipitation of calcite on free pore walls of micrites. The preservation of macropores allows the preservation of permeability. The adjunction of phosphate ions in the circulating fluid results in the inhibition of PSC while the increase of salinity by addition of NaCl leads to its acceleration. An early injection of oil prior to water circulation causes the inhibition of PSC by the coating of the grains, leading to the preservation of porosity. The dataset obtained from this study show the importance of fluid chemistry and of the timing of oil charging in a reservoir in the preservation of early porosity at great depth

Les conditions redox des océans ont considérablement évolué au cours du Précambrien. Ceci est principalement dû à l’arrivée de l’oxygène engendrant dans un premier temps des oasis d’oxygène puis un Grand Évènement d’Oxydation (GEO) vers 2.45 Ga. Néanmoins, les connaissances concernant la datation des premiers signes d’oxygénation et les mécanismes de leur enregistrement sédimentaire, propres à cette période, restent encore à approfondir. Depuis plusieurs années, la composition isotopique en molybdène (δ98Mo) dans les sédiments est utilisée comme indicateur des conditions redox locales et globales des océans. Une étude élémentaire et isotopique en Mo des différentes phases constituant les carbonates a été réalisée suite à des attaques séquentielles sur des carbonates d’âge et d’environnement de dépôts différents. Les résultats montrent que le Mo se loge dans la phase organique mais également au sein des carbonates authigènes. Ces derniers influencent la valeur isotopique étudiée lors des attaques pseudo totales par 6N HCl et utilisée dans toutes les études du proxy redox des carbonates. Une étude minéralogique et isotopique du Mo des argiles et des carbonates riches en Mn (II) des Formations Boolgeeda et Kazput (craton de Pilbara, Australie) s’intéresse à la capacité du δ98Mo d’enregistrer les conditions redox locales afin de comprendre les mécanismes d’enrichissement sédimentaire en manganèse sur la période du GEO. Couplées à d’autre proxy redox et comparées à un analogue moderne (le bassin réduit de Landsort, mer Baltique), les données argumentent pour une réduction des oxydes de Mn(IV) au sein de la colonne d’eau et à l’interface des sédiments. Ces observations invitent à la discussion concernant les enrichissements en Mn du Précambrien dont le processus de réduction des oxydes est automatiquement considéré comme intrasédimentaire. Finalement, une étude compare des valeurs maximales en δ98Mo de carbonate analysées et compilées aux valeurs isotopiques des black shales et des formations de fer compilées au cours des temps géologiques en exploitant la composante globale de ce proxy redox. Les données suggèrent l’absence de condition euxinique permettant l’enregistrement des valeurs de l’eau de mer par les black shales. L’étude permet également d’observer la présence d’un cycle oxydatif du molybdène dès le Méso-Archéen. / The redox conditions of the oceans evolved considerably during the Precambrian. This is mainly due to the arrival of the oxygen, at first generating oxygen oases, and then accumulating in the atmosphere during the Great Oxidation Event (GOE) ca. 2.45 Ga. However, the earliest traces of free oxygen during these periods, and the mechanisms of their sedimentary expression, remain poorly understood. For over a decade, the isotopic composition of molybdenum (δ98Mo) in sediments has been used as a global marine redox proxy.An elemental and isotopic study of the different phases constituting carbonate rocks was carried out using sequential digestions performed on carbonates of different ages and depositional environments. The results show that Mo is primarily hosted in the organic phase but also within authigenic carbonate phases. These latter influence the isotopic value obtained during the classic pseudo-total digestion by 6N HCl that is most frequently employed for Mo isotope proxy studies in carbonates.Mineralogical and Mo isotopic studies on Mn(II)–rich shales and carbonates in the Boolgeeda and KazputFormations (Pilbara craton, Australia) leveraged the ability of δ98Mo to record local redox conditions in order to understand mechanisms responsible for sedimentary Mn enrichments occurring around the GOE. Coupled with other redox proxies and compared to modern analogues (e.g., the Landsort basin, Baltic Sea), the data argues for a reduction of Mn(IV) oxides within the water column and at the sediment-water interface. These observations bring new perspective on Precambrian Mn enrichments, which have been traditionally considered as the result of Mn oxide reduction occurring at depth in the sedimentary pile.Finally, a study of the maximum values of δ98Mo of analyzed and compiled carbonates compared to compiled isotopic values of black shales and iron formations deposited through geological time make use of the global component of this redox proxy. Data suggest an absence of euxinic conditions required for the recording of seawater values by black shales. This study also highlight the presence of an oxidative cycle of molybdenum since at least the Mesoarchean.

En raison de leur porosité élevée, les roches carbonatées forment d'importants réservoirs d'eau et d'hydrocarbures, et conviennent également à d'autres applications telles que le stockage de CO2 ou des déchets nucléaires. Cependant, le compactage localisé dans les roches carbonatées affecte le champ des contraintes et les propriétés hydromécaniques de ces roches, entraînant des déformations inélastiques et des dommages avec des impacts économiques, environnementaux et sociaux potentiels. Des études antérieures sur le terrain et des études expérimentales en laboratoire que dans les roches carbonatées poreuses, contrairement aux grès, une variété de micromécanismes tels que l'effondrement des pores, le broyage des grains, la petre de cimentation, la plasticité des cristaux et la dissolution sous contrainte peuvent entraîner une densification inélastique. En raison de la coexistence de ces multiples processus inélastiques et de leur interactions, le micromécanisme prédominant à l'origine du processus de localisation et de rupture reste mal compris.Cette thèse de doctorat présente une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation régissant le comportement mécanique et le mode de rupture des roches carbonatées à haute porosité. A cet effet, le Tuffeau de Maastricht, un calcaire sédimentaire bioclastique présentant jusqu'à 52% de porosité, a été testé à l'état sec. Cette étude s'est concentrée sur la façon dont le chemin des contraintes, la pression de confinement et l'orientation de la stratification influent sur l'apparition et la propagation des bandes de compaction. Trois campagnes expérimentales principales sont menées sur des éprouvettes cylindriques pour étudier la transition fragile-ductile :compression isotrope,compression uniaxiale et compression triaxiale. Une analyse systématique du comportement anisotrope du Tuffeau de Maastricht est effectuée sur des échantillons qui ont été forés perpendiculairement, obliquement 45° et parallèlement au plan de la stratification. La micro-tomographie à rayons X à haute résolution est utilisée pour obtenir des images 3D de l'ensemble de l'échantillon en cours de chargement. Les images acquises sont traitées et des mesures de plein champ ont été utilisées pour élucider les mécanismes d'initiation et de propagation des zones de compactage localisées. Les variations de porosité pendant le chargement sont mesurées macroscopiquement et localement. L'utilisation systématique des rayons X combinée à l'utilisation de l'analyse d'image avancée et de la corrélation d'images numérique fournit une information 3D quantitative du champ de déformation et de son évolution pendant un test.Deux modes de rupture sont identifiés, selon les mesures de porosité et la CIVD: les bandes de cisaillement contractantes développées à basse pression de confinement et les bandes de compaction formées perpendiculairement à la contrainte principale majeure de compression à un confinement plus élevé. Ces bandes se développent à contrante déviatoire presque constante et se propagent dans tout l'échantillon, phase marquée par des chutes épisodiques de la contrainte deviatoire. Les essais de compression triaxiale conduit à des niveux de déformation axiale plus élevée présentent trois phases distinctes: une phase initiale quasi-linéaire, suivie par un plateau de contrainte déviatoire, enfin un durcissement post-plateau. L'observation essentielle de ces expériences est l'existence d'un mécanisme de dégradation del la cimentation entre grains qui transforme l'échantilon cohésif et frottant en un miliu granulaire purement frottant. D'autres expériences réalisées sur du sable obtenu par dégradation artificielle de la roche originelle mettent l'accent sur cette phase de déstructuration qui se produit lors du plateau de la contrainte déviatoire. Les résultats expérimentaux mettent également en évidence la forte influence due à l'anisotropie sur le comportement mécanique du matériau étudié. / Given their high porosity, carbonates form important water and hydrocarbons reservoirs, and they are also suitable for other applications such as CO2 storage and nuclear waste disposal. However, localized compaction in carbonates affects the stress field and the hydromechanical properties of these rocks leading to inelastic deformation and failure with potential economic, environmental and social impacts. Previous field and experimental studies have shown that in porous carbonates, unlike sandstones, a variety of micromechanisms such as pore collapse, grain crushing, debonding, crystal plasticity and pressure solution can potentially lead to inelastic compaction. Due to the coexistence of such multiple inelastic processes and the interplay among them, the dominant micromechanism responsible for failure remains poorly understood.This doctoral thesis presents an experimental investigation into the deformation mechanisms governing the mechanical behavior and failure mode of high porosity carbonate rocks. To this end, Tuffeau de Maastricht, a bioclastic sedimentary limestone exhibiting up to 52% porosity, has been tested under dry conditions. This study focuses on how stress path, confining pressure and bedding orientation affect the onset and propagation of localized compaction. Three main experimental campaigns are conducted on cylindrical specimens of 11.5 mm diameter and 22 mm height to study the brittle-ductile transition: (i) isotropic compression, (ii) uniaxial compression, and (iii) triaxial compression tests at confining pressures ranging from 1 to 5 MPa. A systematic analysis of the anisotropic behavior of Tuffeau de Maastricht is conducted on samples cored perpendicular, oblique 45° and parallel to the bedding plane. High resolution x-ray computed tomography (CT) is used to obtain 3D images of the entire specimen under loading. The acquired images are processed and full-field measurements have been used to elucidate the mechanics of initiation and propagation of localized compaction. Porosity variations during loading are measured macroscopically as well as locally. The porosity measurements are performed over a REV, which is defined with the use of statistical tools. The systematic use of x-ray micro tomography combined with the use of advanced image analysis and Digital Image Correlation (DIC) provides a quantitative 3D information the strain field inside a sample and its evolution during a test.Two failure modes are identified, based on porosity measurements and DIC: compactive shear bands at low confining pressure, and compaction bands (perpendicular to the maximum compressive stress) at higher confinement. These bands develop at essentially constant deviator stress and propagate through the whole sample punctuated by episodic stress drops. Triaxial compression tests at much higher axial strain present three distinct phases: (1) an initial quasi-linear increase of deviator stress, followed by (2) a plateau and (3) a post-plateau hardening. The essential observation from these experiments if the occurrence of a debonding phase which converts the specimen from rock-like to sand-like. A second localization, typical of dense sand, eventually occurs for very axial strain. Additional experiments that are performed on artificially debonded specimens emphasize this destructuration phase during the plateau of deviator stress. The experimental results also highlight the strong anisotropy of the mechanical behavior of the studied material.