Un Laboratoire de Recherche Souterrain (URL) a été construit en 2000 par l’Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs (Andra) dans le but d’étudier la faisabilité d’un site de stockage de déchets radioactifs dans une formation d’argile à Bure dans la Meuse. L’horizon choisi pour le laboratoire est une couche de 135 m d’épaisseur de roches argileuses du Callovo-Oxfordien (COX) qui s’étend de 420 à 555 m sous le Laboratoire du site de Bure. La couche d’argilites est entourée de bancs calcaires de l’Oxfordien et du Dogger (respectivement, 161,2 à 164,7 Ma et 164,7 à 175,6 Ma). De nombreux stylolites ont été trouvés dans ces horizons calcaires. Le but de ce travail était d’étudier la rhéologie des horizons contenant ces stylolites et d’utiliser ces structures comme marqueurs de contraintes dans la zone proche de l’URL. Pour ce travail, un grand nombre d’échantillons avec et sans stylolites ont été prélevés dans de nombreuses carottes provenant de plusieurs forages dans les formations de l’Oxfordien et du Dogger. Les mesures pétrophysiques et les études de microstructure mises en œuvre sur ces calcaires révèlent la structure microporeuse de toutes ces roches, de porosités comprises entre 4 et 18 %. La présence des stylolites s’accompagne d’une augmentation localisée de la porosité et de variations sensibles de certaines propriétés physiques ainsi que de la résistance mécanique des calcaires. Un modèle reliant une longueur caractéristique associée à la morphologie d’un stylolite et la contrainte associée au développement de cette structure est présenté. Pour utiliser ce modèle, nous avons développé une méthode pour analyser la morphologie de stylolites à partir du calcul du spectre de puissance de Fourier en prenant en compte toutes les difficultés liées à la géométrie de carottes provenant de forages. Cette méthode est appliquée pour des stylolites échantillonnés à des profondeurs différentes, de 158 m à 800 m dans les formations calcaires de l’Oxfordien et du Dogger. Nous avons analysé des profils 1D extraits des contours des carottes. En accord avec les prédictions théoriques, nous avons observé sur les spectres résultants des analyses, deux régimes différents pour les petites et grandes échelles séparés par une longueur de coupure. Nous avons ensuite déterminé les paléocontraintes associées aux longueurs de coupures trouvées et aux modules élastiques des roches. En considérant l’évolution géologique des formations du site de Bure, nous discutons pour finir les variations avec la profondeur des paléocontraintes estimées pour les stylolites des formations de l’Oxfordien et du Dogger. / In order to demonstrate the feasibility of a radioactive waste repository (HLW) in clay-stone formation, the french national radioactive waste management agency (Andra) started in 2000 to build an underground research laboratory (URL) at Bure in the south of the Meuse district. The target horizon for the laboratory is a 135 m thick layer of argillaceous rock (Callovo-Oxfordian claystone) that lies between about 420 and 555 meters below the surface at the URL site. The argillite layer (COX) is surrounded by limestones from the Dogger and the Oxfordian ages (respectively 164,7 to 175,6 Ma and 161,2 to 164,7 Ma). Numerous stylolites were found in these limestones. The aim of this work is to study the rheology of these stylolite-riched horizons and the stylolites as stress gauges in the Dogger and Oxfordian formations. In this work, a wide range of samples with and without stylolites were sampled in the Dogger and Oxfordian formations. Petrophysical measurements and microstructural studies showed that all these limestones have a microporous structure. We showed that the stylolites induced significant variations in some physical properties and in the rock strength. Based on an analytical model, presented here in details, linking a characteristic length associated to the stylolite morphology and the stress associated to the development of that stylolite, a method for the morphology analysis of stylolites is developed, using a Fourier power spectrum technique, by taking into account all the difficulties linked to the use of cores from deep boreholes. We apply this method on stylolites at various depths, starting from the Oxfordian formation at a depth of 158 meters to the Dogger formation at a depth of 800 meters. No stylolites are found in the intermediate Callovo-Oxfordian claystone formation. We analyze 1D profiles taken on the outer part of the cores. In agreement with theoretical predictions, we always observe two regimes for small and large scales separated by a cross-over length. We, then, infer the corresponding paleostresses from this cross-over length and from the elastic properties of the rocks. Considering the geological evolution of the area, we discuss the variation with depth of the inferred paleostresses in the Dogger and Oxfordian formations.

Un Laboratoire de Recherche Souterrain (URL) a été construit en 2000 par l'Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs (Andra) dans le but d'étudier la faisabilité d'un site de stockage de déchets radioactifs dans une formation d'argile à Bure dans la Meuse. L'horizon choisi pour le laboratoire est une couche de 135 m d'épaisseur de roches argileuses du Callovo-Oxfordien (COX) qui s'étend de 420 à 555 m sous le Laboratoire du site de Bure. La couche d'argilites est entourée de bancs calcaires de l'Oxfordien et du Dogger (respectivement, 161,2 à 164,7 Ma et 164,7 à 175,6 Ma). De nombreux stylolites ont été trouvés dans ces horizons calcaires. Le but de ce travail était d'étudier la rhéologie des horizons contenant ces stylolites et d'utiliser ces structures comme marqueurs de contraintes dans la zone proche de l'URL. Pour ce travail, un grand nombre d'échantillons avec et sans stylolites ont été prélevés dans de nombreuses carottes provenant de plusieurs forages dans les formations de l'Oxfordien et du Dogger. Les mesures pétrophysiques et les études de microstructure mises en œuvre sur ces calcaires révèlent la structure microporeuse de toutes ces roches, de porosités comprises entre 4 et 18 %. La présence des stylolites s'accompagne d'une augmentation localisée de la porosité et de variations sensibles de certaines propriétés physiques ainsi que de la résistance mécanique des calcaires. Un modèle reliant une longueur caractéristique associée à la morphologie d'un stylolite et la contrainte associée au développement de cette structure est présenté. Pour utiliser ce modèle, nous avons développé une méthode pour analyser la morphologie de stylolites à partir du calcul du spectre de puissance de Fourier en prenant en compte toutes les difficultés liées à la géométrie de carottes provenant de forages. Cette méthode est appliquée pour des stylolites échantillonnés à des profondeurs différentes, de 158 m à 800 m dans les formations calcaires de l'Oxfordien et du Dogger. Nous avons analysé des profils 1D extraits des contours des carottes. En accord avec les prédictions théoriques, nous avons observé sur les spectres résultants des analyses, deux régimes différents pour les petites et grandes échelles séparés par une longueur de coupure. Nous avons ensuite déterminé les paléocontraintes associées aux longueurs de coupures trouvées et aux modules élastiques des roches. En considérant l'évolution géologique des formations du site de Bure, nous discutons pour finir les variations avec la profondeur des paléocontraintes estimées pour les stylolites des formations de l'Oxfordien et du Dogger.

L'écoulement ductile d'une roche, en présence de fluide, peut s'effectuer par transfert de matière autour de domaines constituants cette roche, sous l'effet de différences de contrainte normale, ou de différences d'énergie élastique, plastique, ou de surface. Les stylolites, schistosités, fentes ou cavités colmatées,témoignent de ce fluage par dissolution-cristallisation dans la croûte supérieure. Différents modèles théoriques en ont été établis, avec des vitesses de déformation limitées par chacun des processus successifs de la transformation (cinétique des réactions solide/fluide, ou vitesse des transferts par diffusion ou infiltration). Puis ces modèles ont été testés en distinguant l'effet de plusieurs paramètres (géométrie des domaines, conditions P.T., nature des matériaux, valeurs des coefficients de transfert) . Pour l'aspect expérimental on a réalisé des dissolutions-cristallisations du quartz et de la calcite, autour de cavités ou autour de grains sous contrainte, en maintenant ces minéraux plusieurs mois au contact de fluides chauds et sous pression (eau, Na OH, NH4 CI) . Différentes forces motrices peuvent intervenir (énergie de surface autour des cavités, contrainte normale autour des grains). Différents processus peuvent limiter les vitesses des déformations (cinétique de réaction pour les cavités, vitesse de diffusion pour les grains). Pour l'aspect naturel. des analyses chimiques comparatives au sein de roches à déformation hétérogène (plissement, cisaillement, poinçonnement, boudinage) permettent de faire un bilan des quantités transférées. On montre que !e transfert peut s'effectuer par diffusion ou par infiltration, sous de faibles déviateurs de contrainte, avec une mobilité variable des minéraux selon les conditions P.T . Les possibilités et les conditions du transfert imposent en priorité le type de modèle de dissolution-cristallisation et la vitesse de cette déformation. On discute de l'initiation et du développement des zones de dissolution et de cristallisation et de l'acquisition d'un litage tectonique dont l'orientation, la géométrie et les compositions reflètent les conditions de la déformation. Des applications sont données pour des processus voisins (métamorphisme, diagenèse) et pour des problèmes particuliers (déformation interne des roches, concentration des minéralisations, glissement asismique des failles).

L'enchaînement des épisodes de fracturation et de circulation de fluides ainsi que les phases de déformations synsédimentaires a été caractérisé dans les terrains jurassiques de l'Est du Bassin de Paris. L'étude s'appuie sur une base importante d'observations nouvelles de terrain et sur des données de forages ainsi que sur la caractérisation géochimique et isotopique de différents objets diagénétiques et tectoniques. Sur la base de données de décompaction des terrains et de la découverte de filons sédimentaires, un contexte tectonique extensif est défini entre la fin du Dogger et le Malm. Ces déformations précoces s'intègrent dans un calendrier tectonique partant de la fin du Mésozoïque jusqu'à l'Actuel, dont l'enchaînement des paléocontraintes associées aux phases tardi-crétacées et tertiaires est précisé. L'étude détaillée des stylolites stratiformes a confirmé leur rôle pendant la compaction et lors de réactivations tectoniques. L'analyse des signatures isotopiques (δ18O et δ13C) des calcites de fentes de tension et des roches encaissantes a permis de proposer plusieurs origines et modes d'écoulements pour les paléocirculations depuis le Jurassique jusqu'au Tertiaire.