Datation de la fracturation et de la cimentation du Dogger et du Malm de l’Est du Bassin de Paris par géochronologie U-Pb

Image : Datation U-Pb des carbonates – exemple de proposition d’un nouveau standard (B6, est du bassin de Paris)

Les ciments carbonatés cristallisant au sein de l’espace poral et scellant les fractures des roches sédimentaires ont un impact important sur la porosité et la perméabilité des aquifères. Différents processus peuvent conduire à la précipitation de tels ciments dans les réservoirs, notamment la dissolution (exemple des phases thermodynamiquement instables d’origine biogénique (aragonite, calcite magnésienne)) puis la recristallisation, la compaction chimique (pression-solution) liée à l’enfouissement et enfin les forçages externes tels que la déformation tectonique et les flux de fluides via les réseaux de failles, fractures et fissures.

Ces dernières années, le développement synchrone de deux techniques analytiques a permis des progrès considérables sur la reconnaissance de l’origine des ciments carbonatés. La première technique est le géothermomètre Δ47 permettant de déterminer la température de cristallisation, venant compléter l’information obtenue par la microthermométrie des inclusions fluides. La deuxième technique est le géochronomètre U-Pb par analyse in situ à l’ablation laser couplée à l’ICP- MS, permettant de dater la cristallisation. L’application conjointe de ces méthodes a récemment fait évoluer la compréhension des transferts de fluides dans les chaînes de chevauchements et plissements (exemple dans le sud-est des Pyrénées, Cruset et al., 2020 ; Nardini et al., 2020), dans les bassins d’avant-pays où la déformation est plus discrète (exemple des Grands Causses, Parizot et al., 2020), mais également dans les bassins intracratoniques (exemple du Bassin de Paris, Mangenot et al., 2018 ; Brigaud et al., 2020).

Déterminer l’impact relatif des événements successifs de déformation sur la cristallisation de ciments carbonatés dans les réservoirs jurassiques du Bassin de Paris est complexe, étant donné la multiplicité des événements et des champs de contraintes associés se propageant dans le domaine intraplaque au cours du Méso-Cénozoïque (nombreux épisodes d’extension, liés à l’ouverture successive de l’Atlantique central, de la Tethys alpine, de la Bay de Biscay, des rifts Ouest européens, et deux épisodes compressifs majeurs liés aux cycles pyrénéen et alpin). Les analyses structurales et microstructurales de terrain, fondamentales, ne permettent pas toujours de lever l’ambiguïté sur l’origine des déformations. La géochronologie U-Pb sur calcites syn-cinématiques, donnant l’âge absolu de la déformation, résout dans les cas favorables ces incertitudes (Parrish et al., 2018). Cependant, cette méthode peut échouer ou s’avérer imprécise si les concentrations en uranium sont faibles (<0.1 ppm), si les teneurs en plomb « commun » sont trop importantes, si l’échantillon est jeune etc…

Des fluides significativement plus chauds que les roches encaissantes ont été détectés dans le Dogger du centre du bassin de Paris (première phase de dolomitisation datée à 107 ± 13 Ma, Mangenot et al., 2018) et sur la bordure est (première phase de calcite de blocage datée à 157.7 ± 7.7 Ma, Brigaud et al., 2020). Ces nouvelles données très récentes sont interprétées comme des fluides allochtones remontant de réservoirs profonds, non identifiés, et mobilisés lors d’épisodes majeurs de réactivation des grands accidents régionaux (faille de Bray au centre du bassin, failles de Vittel et de la Marne à l’est) et de l’ouverture d’un réseau de fractures et fissures diffus dans les roches carbonatées déjà consolidées. Le forçage tectonique apparaît ainsi comme un moteur majeur de la cristallisation de ciments carbonatés, dégradant les propriétés réservoirs (Pagel et al., 2018 ; André et al., 2010).

Ce projet de recherche vise à déterminer l’âge et éventuellement les températures de cristallisation des calcites comblant l’espace poral et les fissures et fractures dans le Dogger et le Malm de la bordure est du bassin de Paris. L’objectif scientifique est de déterminer la chronologie précise de la fracturation et des cristallisations associées, afin en particulier de dater l’âge des fractures des plus jeunes, marquant les derniers épisodes de mobilisation des fluides. Ces âges pourront dans les cas favorables être couplés aux températures de précipitation par le géothermomètre Δ47. Plusieurs échantillons récoltés en forage et à l’affleurement sont déjà à disposition au laboratoire GEOPS (thèses de Brigaud et Blaise, complémentés par les échantillons de la thèse d’André). Un échantillonnage complémentaire serait bienvenu pour cibler de nouvelles zones fracturées et des géodes en forage, ainsi qu’à l’affleurement en ciblant particulièrement les fissures et fentes de tension suspectées «d’âge alpin » (Micoène ?). Cette étude viendra préciser le modèle diagénétique de Carpentier et al. (2014) en apportant des contraintes temporelles à la succession de cristallisation reconnue dans le Dogger et le Malm.

Références :

Andre, G., Hibsch, C., Fourcade, S., Cathelineau, M., Buschaert, S., 2010. Chronology of fracture sealing under a meteoric fluid environment: Microtectonic and isotopic evidence of major Cainozoic events in the eastern Paris Basin (France). Tectonophysics 490, 214–228. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2010.05.016

Brigaud, B., Bonifacie, M., Pagel, M., Blaise, T., Calmels, D., Haurine, F., Landrein, P., 2020. Past hot fluid flows in limestones detected by Δ47–(U-Pb) and not recorded by other geothermometers. Geology 48, 851–856. https://doi.org/10.1130/G47358.1

Carpentier, C., Brigaud, B., Blaise, T., Vincent, B., Durlet, C., Boulvais, P., Pagel, M., Hibsch, C., Yven, B., Lach, P., Cathelineau, M., Boiron, M.-C., Landrein, P., Buschaert, S., 2014. Impact of basin burial and exhumation on Jurassic carbonates diagenesis on both sides of a thick clay barrier (Paris Basin, NE France). Marine and Petroleum Geology 53, 44–70. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2014.01.011

Cruset, D., Cantarero, I., Benedicto, A., John, C.M., Vergés, J., Albert, R., Gerdes, A., Travé, A., 2020. From hydroplastic to brittle deformation: Controls on fluid flow in fold and thrust belts. Insights from the Lower Pedraforca thrust sheet (SE Pyrenees). Marine and Petroleum Geology 120, 104517. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2020.104517

Mangenot, X., Gasparrini, M., Gerdes, A., Bonifacie, M., Rouchon, V., 2018. An emerging thermochronometer for carbonate-bearing rocks: ∆47 /(U-Pb). Geology 46, 1067–1070. https://doi.org/10.1130/G45196.1

Nardini, N., Muñoz-López, D., Cruset, D., Cantarero, I., Martín-Martín, J., Benedicto, A., Gomez-Rivas, E., John, C., Travé, A., 2019. From Early Contraction to Post-Folding Fluid Evolution in the Frontal Part of the Bóixols Thrust Sheet (Southern Pyrenees) as Revealed by the Texture and Geochemistry of Calcite Cements. Minerals 9, 117. https://doi.org/10.3390/min9020117

Pagel, M., Bonifacie, M., Schneider, D.A., Gautheron, C., Brigaud, B., Calmels, D., Cros, A., Saint-Bezar, B., Landrein, P., Sutcliffe, C., Davis, D., Chaduteau, C., 2018. Improving paleohydrological and diagenetic reconstructions in calcite veins and breccia of a sedimentary basin by combining Δ47 temperature, δ18Owater and U-Pb age. Chemical Geology 481, 1–17. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2017.12.026

Parizot, O., Missenard, Y., Vergely, P., Haurine, F., Noret, A., Delpech, G., Barbarand, J., Sarda, P., 2020. Tectonic Record of Deformation in Intraplate Domains: Case Study of Far-Field Deformation in the Grands Causses Area, France. Geofluids 2020, 1–19. https://doi.org/10.1155/2020/7598137

Parrish, R.R., Parrish, C.M., Lasalle, S., 2018. Vein calcite dating reveals Pyrenean orogen as cause of Paleogene deformation in southern England. Journal of the Geological Society 175, 425–442. https://doi.org/10.1144/jgs2017-107

Porteurs du projet

Thomas Blaise

Source de financement

Andra

Personnels impliqués à GEOPS

Benjamin Brigaud

Collaborations extérieures

Andra, Université de Lorraine