Echantillonnage et mesures pétrophysiques

1 Echantillonnage <blockquote><blockquote>
1.1 Outils
L’échantillonnage a été effectué à l’aide d’une carotteuse portable de terrain (de Pomeroy industries unlimited, réf. D-2801. moteur 2 temps : 48 cm3). Il s’agit d’une tronçonneuse transformée, munie d’un système débrayable qui permet de fixer un tube en acier sur laquelle est fixé sur l’une des extrémités, une tête diamantée (Ø :30 ; 24 x 300 [mm]). Lors du carottage, un système d’eau sous pression permet une lubrification qui aide à la pénétration de la tête diamantée dans la roche, ainsi qu’au refroidissement du système évitant ainsi toute rupture de la carotte par surchauffe. Il faut compter environ un litre d’eau par carotte pour les carbonates et le grès bien cimenté, par contre ½ litre d’eau par carotte suffit pour de la molasse ou du grès moyennement cimenté.
1.2 Carottes
Avant d’effectuer le carottage, le numéro de l’échantillon ainsi que la polarité de la carotte sont notés avec de la peinture acrylique. La polarité permet de replacer exactement la carotte avec une bonne orientation sur l’affleurement. La numérotation utilisée va de 1 à 115 pour l’affleurement de Prapont et de 116 à 119 pour l’affleurement d’Echallon. Il faut quelque fois s’y prendre à plusieurs reprises afin d’obtenir une carotte présentant une section susceptible d’être utilisée dans le perméamètre.
Sur l’affleurement, le prélèvement des carottes s’est fait selon quatre sections verticales continues afin d’obtenir un bon échantillonnage ainsi que de pouvoir observer d’éventuelles variations verticales. Des échantillons complémentaires ont été prélevés en des points susceptibles d’apporter d’autres éléments intéressants (p. ex. : des dépôts riches en coraux ou suivant des milieux de dépôts pour observer une éventuelle variation horizontale), ou permettant de mieux quadriller l’affleurement.
1.3 Plugs
Les parties les plus rectilignes des carottes ont été débitées sous forme de « plugs » pour les mesures de porosité et de perméabilité ainsi que pour la conception des lames minces.
La distance entre le sommet du plug et l’extrémité externe (qui correspond à la partie qui était à l’air libre) de la carotte a été notée pour évaluer les effets de la diagenèse de surface ; en effet la roche peut-être beaucoup plus cimentée en surface qu’en profondeur en raison du ruissellement des eaux.
Les plugs mesurent environ 3,05 cm de longueur et environ 2,45 cm de diamètre. Certains plugs présentent une longueur plus petite du fait que la carotte n’était rectiligne que sur une courte distance. Les plugs droits ont été préférés aux plugs longs mais courbes pour des raisons d’étanchéité avec la gaine en caoutchouc dans le perméamètre. Les cotes de chaque plug ont été mesurées précisément pour calculer le volume qui sera utilisé dans les différentes mesures pétrophysiques.
Chaque plug a été décrit macroscopiquement, pour déceler certaines anomalies (fissures, cassures) susceptibles de modifier les propriétés pétrophysiques (Annexes : Tableau n°1 : Tableau des descriptions macroscopiques des plugs).</blockquote></blockquote> <blockquote>2 Mesures pétrophysiques</blockquote> <blockquote><blockquote>
2.1 Mesures de perméabilité
Les mesures de perméabilité doivent être effectuées avant les mesures de porosité qui nécessitent un bain de mercure rendant les plugs inutilisables par la suite.
La perméabilité a été mesurée à l’aide d’un perméamètre à air comprimé modifié. Le PMI GP-262.
Le principe du système est de mesurer la quantité d’air capable de traverser l’échantillon sur sa longueur. Pour obtenir cette mesure, une gaine en caoutchouc étanche est placée sur le plug afin que l’air ne puisse passer qu’à travers celui-ci et non sur la périphérie. La gaine est plaquée grâce à un système de pressurisation de la chambre (pour nos mesures Pchambre = 7 [bar]). Ensuite, l’appareil, géré par un logiciel, fait augmenter progressivement la pression sur la base de l’échantillon tandis qu’un appareillage interne de détection mesure et enregistre la pression sortant à l’autre extrémité du plug (Siegrist, 2001).
La perméabilité suit la loi de Darcy adaptée aux gaz.
Dans cette étude, l’option « Microflow » du logiciel a été sélectionné, elle est en général plus stable (résultats très proches entre deux mesures sur le même échantillon) que l’autre option du logiciel « Macroflow » et convient mieux aux faibles perméabilités.
Les plugs utilisés doivent être le plus rectiligne possible de manière à ce que la gaine assure une bonne étanchéité autour du plug. Pour vérifier l’étanchéité de la gaine en caoutchouc, un cylindre de laiton plein, donc étanche, est placé dans la chambre et un test est effectué (« leak test »). L’étanchéité est vérifiée si le test présente une perméabilité nulle. Etant donné que les gaine en caoutchouc sont fragiles et se cassent après une dizaine de mesures, le « leak test » est effectué toutes les 3 à 4 mesures afin de vérifier l’état de la gaine.
2.2 Mesures de porosité
La mesure de porosité est basée sur la différence de tension superficielle de deux fluides, c’est-à-dire sur une différence de volumes calculés à l’aide deux fluides. Dans ce cas, il s’agira de l’acétone et le mercure. Ces deux liquides possèdent des propriétés opposées, l’acétone est un liquide dit « mouillant », c'est-à-dire qu’il tend à s’étaler sur une surface tandis que le mercure, qui lui est dit « non-mouillant », aura tendance à éviter tout contact avec un autre corps. Les propriétés de l’acétone font qu’il pénètrera dans les pores connectés et le mercure ne fera qu’envelopper la surface du plug, et ne pénétrera pas dans le plug. C’est pourquoi la différence entre le volume du plug plongé dans l’acétone et dans le mercure nous donnera le volume du réseau poreux.
Il est malheureusement difficile de mesurer avec une grande précision le volume d’un fluide dans lequel un échantillon est immergé. Par contre, il est beaucoup plus facile de mesurer avec précision une hauteur (Siegrist, 2001). Les béchers sont donc étalonnés de manière à savoir que pour telle hauteur correspond tel volume.
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2.2.1 Outils
La mesure de hauteur du liquide est effectuée sur un marbre de mesure à l’aide d’un trusquin relié à un système sonore qui s’active lorsque la pointe centrale touche le liquide et fait contact avec les pointes extérieures déjà immergées (Fig. 11). Ce dispositif est monté sur un système de mesure de précision ( /- 0.01 [mm]). Le poids se mesure sur une balance de précision ( /- 0.01 [g]). La température est relevée par un thermomètre de contact ( /- 0.1 [°C]).
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Mesures avec l’acétone	Mesures avec le mercure
Fig. 11 : Mesures à l’acétone et au mercure à l’aide du trusquin

2.2.2 Préparatifs
Pour les mesures de porosité, il est nécessaire d’utiliser des béchers dont les caractéristiques sont connues. Les 20 béchers utilisés ont donc été calibrés (19 pour l’acétone et 1 pour le mercure). Pour ce faire, 15 mesures par bécher ont été effectuées avec des hauteurs d’acétone ou de mercure différentes.
La méthodologie a été la suivante : <blockquote>
- peser le bécher vide,
- peser le bécher avec son contenu en fluide,
- mesurer la hauteur du liquide (Fig. 13),
- mesurer la température du fluide.</blockquote>
Les 15 mesures par bécher, permettent de calculer par régression linéaire la droite du volume du fluide en fonction de sa hauteur (Fig. 12), pour chacun des béchers. Le volume du fluide étant déterminé à l’aide de sa masse et de sa température.</blockquote><blockquote>

Fig. 12 : Droite schématique du volume vs. la hauteur du liquide	Fig. 13 : Méthode d’étalonnage d’un bécher

2.2.3 Méthodologie par étapes</blockquote><blockquote>

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Fig. 14 : Méthodologie par étapes de mesure à l’acétone	Fig. 15 : Méthodologie par étapes de mesures au mercure

A) Mesures dans l’acétone<blockquote>
2) Les plugs sont immergés dans l’acétone et mis sous cloche à vide pendant plus de 12 heures pour évacuer tout l’air se trouvant dans les pores. Il faut prendre garde à souvent vérifier le niveau d’acétone (surtout au début) du fait de la substitution de l’air des pores par de l’acétone ainsi que du fort taux d’évaporation de ce dernier. Il ne faut surtout pas que l’échantillon ne se retrouve en contact avec l’air. Pour éviter cela, il faut casser le vide, remettre de l’acétone puis faire le vide à nouveau.
3) La hauteur d’acétone est mesurée avec exactitude.
4) L’échantillon est à nouveau précisément pesé.
Les opérations 3) et 4) doivent être effectuée avec diligence du fait du fort pouvoir d’évaporation de l’acétone. Ces deux mesures permettent de calculer le volume de roche avec les pores.
5) La température est relevée au dixième de degré près.
Les plugs sont complètement séchés dans une étuve afin d’éliminer toute trace d’acétone résiduel qui pourrait encore se trouver dans les pores de la roche.
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B) Mesures dans le mercure
La deuxième étape consiste cette fois ci à plonger les plugs dans du mercure et faire les mêmes mesures que pour l’acétone sans passer les échantillons dans le vide. Le volume de la roche sera cette fois ci sans les pores.
Entre les différents points, l’échantillon mesuré est soigneusement pesé pour vérifier s’il ne s’est pas cassé ou alors s’il reste du liquide prisonnier des pores.
Le calcul pour la porosité est le suivant :
Le volume de la matrice calculé à partir de l’acétone ne prend pas en compte dans son calcul, la porosité, contrairement à celui du mercure qui lui ajoute la porosité au volume matriciel.
A l’acétone :

En fonction du graphique d’étalonnage des béchers, en connaissant la hauteur d’acétone (Fig. 16) : </blockquote><blockquote>

Fig. 16 : Volume d’acétone vs. hauteur d’acétone pour le bécher n°1

Avec une balance de précision :

La masse volumique ρ est mesuré en fonction de la température à partir du graphique suivant (Fig. 17) : </blockquote><blockquote>

Fig. 17 : Densité de l’acétone vs. température d’acétone

A l’aide du volume de l’acétone et du volume total, il est possible de calculer le volume de la matrice.

Au mercure :
Pour le mercure, le calcul est identique sauf qu’il faut utiliser les graphiques de références liés au mercure et qu’au lieu d’obtenir le volume de matrice, cela donne le volume extérieur du plug.


La porosité :
Le calcul final pour la porosité est simple :

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2.3 Sources d’erreur</blockquote></blockquote> <blockquote><blockquote>
D’après Siegrist (2001), l’erreur sur les mesures de porosité est de /- 0.15 [%] (Δ Poids /- 0.01 [g] ; Δ Hauteur /- 0.02 [mm] ; Δ Température /- 0.1 [°C]).
Le temps d’imprégnation des échantillons dans l’acétone pourrait engendrer des erreurs plus ou moins importantes. Plus le temps est long, plus l’échantillon est susceptible d’être exempt d’air piégé. Ce facteur n’est pas quantifiable mais doit certainement être pris en considération. </blockquote>
3 Description des lames minces
Chaque échantillon a été répertorié selon son appartenance à un faciès et classé selon la classification de Dunham (1962) (Annexes : Tableau 2 : Tableau des descriptions microscopiques effectuées sous lames minces)(Annexes : Planche 1 : Carte de la distribution des faciès sur l’affleurement).<blockquote>

Faciès :
Flanc de récif : Ce faciès est le plus abondamment carotté. Les lames minces révèlent des débris d’échinodermes, de coraux, d’algues, des foraminifères, des gastéropodes, des bryozoaires, et plus rarement des serpules. Les bioclastes présentent des enveloppes micritiques. Dans la classification de Dunham (1962), ils correspondent à des packstones, des wackestones et des pétrotextures mixtes de type boundstone-packstone). A l’affleurement, contrairement aux récifs, ces dépôts se remarquent par leur forte résistance à l’érosion et forment des reliefs facilement observables à grande distance.
(Cliquez sur les images pour agrandir) </blockquote><blockquote>

Fig. 18 : Flanc de récif 1.5 mm

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Fig. 19 : récif 1.5 mm

- Sables inter-récifaux : Il s’agit de faciès qui se développent sur 8 m d’épaisseur entre deux séquences récifales qui présente une bonne extension latérale, contrairement aux autres faciès observés. Ils ne ressortent pas dans la topographie et forme des pentes douces. Ce faciès de type grainstone est caractérisé par la présence de péloïdes, de débris roulés d’échinodermes, de foraminifères, de bivalves, de brachiopodes, d’algues et de bryozoaires. Les enveloppes micritiques sont omniprésentes.</blockquote><blockquote>

Fig. 20 : Sables inter-récifaux 2 mm

- Faciès subtidal : Situé uniquement à la base de l’affleurement de Prapont, ce faciès est majoritairement représenté des pétrotextures de type wackestone et packstone.</blockquote><blockquote>

Fig. 21 : faciès subtidal 2 mm

- Tempestite : Il s’agit d’un niveau de faible épaisseur (2m.). Six échantillons ont été prélevés dans ce faciès qui est composé d’un rudstone comprenant des blocs coralliens arrondis entourés ou infiltrés par une matrice qui ressemble beaucoup aux flancs de récif.</blockquote><blockquote>

Fig. 22 : tempestite 1 mm

- Coraux : Seul les lames mince dont la composition est un boundstone corallien ne présentant quasiment pas d’autres éléments ont été retenues dans de faciès.</blockquote><blockquote>

Fig. 23 : coraux 1.5 mm

- Dépôts de plage : Ces dépôts se trouvent au sommet de la coupe de Prapont et d’Echallon, dans un banc totalement induré de couleur beige. Il s’agit de grainstones très sombres entièrement cimentés avec de nombreux péloïdes.</blockquote><blockquote>

Fig. 24 : dépôt de plage 2 mm

- Dolomie : S’observe à la base de l’affleureurement de Prapont sous forme de dolomicrite ou dolosparite.</blockquote><blockquote>

1 mm Fig. 25 : dolomie	1 mm Fig. 26, dolomie

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- Lagon : Packstone crayeux très poreux présentant de nombreux péloïdes. Ce faciès s’observe au sommet des deux affleurements de Prapont et d’Echallon.</blockquote><blockquote>

Fig. 27 : faciès de lagon 1 mm

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