Minéralogie, porosité et diffusion des solutés dans l'argilite du ...

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15 CHAPITRE 1 CHAPITRE 1 ACQUISITIO� DE LA DISTRIBUTIO� 2D ET 3D DE LA I�TRODUCTIO� MI�ERALOGIE DE L’ARGILITE DE BURE Afin de mieux comprendre et modéliser les propriétés macroscopiques des roches sédimentaires à dominante argileuse, l’étude de leur microstructure est souvent considérée comme une étape essentielle (Hulbert, 1990). Celle-ci implique en premier lieu l’acquisition de la distribution spatiale des minéraux les composant qui nécessite (i) d’identifier les différentes espèces minérales et (ii) d’acquérir la géométrie des cristaux les constituant. La quantification de la microstructure nécessite une zone d’étude suffisamment grande pour être statistiquement représentative de l’ensemble du matériau étudié. Peu d’études quantitatives sur la microstructure des roches sédimentaires riches en minéraux argileux ont jusqu’à présent été réalisées. La majeure partie des difficultés résident en effet dans le manque d’efficacité du couple résolution/champ de vue des techniques d’imagerie conventionnelles comparé à la granulométrie des minéraux étudiés. En deux dimensions, une large variété de techniques d’imagerie permet de visualiser spatialement les minéraux composant une roche. Le choix d’une méthode dépend de la taille des objets que l’on veut visualiser. Pour l’étude des roches sédimentaires à dominante argileuse les méthodes de microscopie électronique sont communément utilisées (Krinsley et al., 1983 ; Pye and Krinsley, 1984, Reynolds and Gorsline, 1990; Gaucher et al., 2004, Sammartino et al., 2003, Dehandschutter, 2004). En microscopie électronique, la distribution spatiale des minéraux peut être acquise par l’analyse (i) des rayons X qui permet l’obtention de cartes de composition élémentaire ou (ii) des électrons rétrodiffusés (BSE : Back Scattered Electron) qui fournit une carte relative des numéros atomiques moyens (Golstein et al., 1992). Pour l’analyse des rayons X, les différentes cartes de composition élémentaires sont combinées afin de déterminer la nature des espèces minérales relatives à chaque pixel de la
16 CHAPITRE 1 carte (Nicholls and Stout, 1986, Sutherland and Gottlied 1991, Robinson et al., 2000, Prêt, 2003, Pownceby, 2007, 2008). L’attribution des points à une phase donnée est basée sur la connaissance des formules structurales théoriques des minéraux. Pour les matériaux argileux, l’obtention de nombreux points de mélanges rend cependant difficile la détection précise des contours de chaque grain minéral (Prêt, 2003). De plus, afin d’obtenir des données élémentaires quantitatives, plusieurs jours d’analyse sont parfois nécessaires pour acquérir une carte de quelques mm², ce qui limite la taille et le nombre de zones d’étude. Pour l’analyse des électrons rétrodiffusés, la construction de la carte minérale s’effectue par des méthodes de partitionnement d’images avec pour critère le niveau de gris spécifique de chaque phase fonction de son numéro atomique moyen (Hall et al., 1977, Kahn et al., 2002, Frandrich et al., 2007). Le choix de la méthode de segmentation est ensuite adapté au type de matériau investigué. Les images MEB en mode BSE acquises pour les matériaux composés d’une large variété de minéraux restent cependant difficiles à partitionner ce qui limite cette méthode aux roches constituées de quelques phases minérales. De plus, certains minéraux ont des numéros atomiques moyens relativement proches ce qui complexifie d’autant plus leur identification. Cependant, l’analyse des BSE fournit une meilleure résolution que celle des rayons X, ce qui permet d’identifier de grains minéraux plus petits (Eberhart, 1989). L’acquisition rapide des cartes (1 à 5 minutes pour une image de 2000 × 2000 pixels) et la construction de mosaïques d’images voisines permettent également d’investiguer de plus grandes zones (mm²-cm²) en conservant une même résolution. L’argilite du Callovo- Oxfordien étant composée principalement de 4 groupes de minéraux (minéraux argileux, carbonates, tectosilicates et minéraux « lourds », cf. introduction), l’analyse des BSE en MEB apparaît comme la méthode la plus adaptée afin d’obtenir une quantification bidimensionnel statistique des 4 groupes de minéraux. Néanmoins, il conviendra de définir une méthodologie de partitionnement de ces images dans l’obtention de cartes de minéraux. La plupart des études concernant le transport des solutés nécessitent cependant la prise en compte de la géométrie tridimensionnelle du réseau poreux. A l’échelle mésoscopique, les techniques de tomographie d’absorption de rayons X sont les seules à réellement pouvoir fournir une information continue sur la distribution tridimensionnelle des phases minérales composant un matériau. L’identification spatiale des minéraux s’effectue par partitionnement des images composant le volume 3D. Cependant, la plupart des études en tomographie s’intéressent uniquement aux phases ayant des propriétés de composition très contrastés vis-à- vis des autres phases (Ketcham, 2005 : grenat dans des schistes; Lenoir, 2006 : pyrite dans l’argilite, Pierret et al., 2002 : macroporosité dans les sols). L’acquisition de la géométrie
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