Interactions roches/saumures en contexte d'abandon d'exploitations souterraines de sel, Rocks/brines interactions in abandonned underground salt working

Elie Boidin

Description

Sous la direction de Françoise Homand, Fabien Thomas
Thèse soutenue le 06 février 2007: INPL
La problématique de cette thèse est l’identification des phénomènes physico-chimiques se produisant entre les roches encaissantes du gisement de sel gemme de Lorraine et des saumures, puis l’étude de leurs effets sur le comportement mécanique. Une démarche multi-échelle a été entreprise : du minéral à l’échelle d’une exploitation en passant par celle des essais mécaniques. La confrontation de la géologie locale avec la géométrie des cavités de dissolution de sel (logiciel GOCAD) au travers de ces roches encaissantes rend compte d’un délitage relativement rapide lorsque les argilites sont au contact d’une saumure de cavité. A l’inverse, l’anhydrite et la dolomie peuvent constituer le toit de cavité pendant plusieurs années, avant de se rompre. Suite à une caractérisation minéralogique, et microtexturale des roches encaissantes (Marnes irisées inférieures et moyennes), une expérimentation de type batch a été mise en œuvre afin de comprendre ces différences: les faciès lithologiques qualifiés de majeurs ont été immergés dans des saumures pendant plus d’un an. Des analyses chimiques et microscopiques ont permis de suivre les modifications minéralogiques et microtexturales. Au contact de saumures saturées en chlorure de sodium, les faciès argileux se délitent en raison de l’hydratation en gypse du minéral anhydrite. Au niveau de l’anhydrite massive, cette hydratation n’affecte qu’une frange superficielle des échantillons, en raison d’une porosité connectée quasi-nulle. En présence d’une saumure de cavité, l’hydratation est promue par la présence de potassium et de strontium en solution. Ces résultats permettent d’expliquer qualitativement la dilatation voire la rupture des éprouvettes d’argilite lors d’essais de fluage en saumures. Le comportement en flexion de l’anhydrite massive ne semble pas être affecté par la présence de saumure, en raison d’une porosité trop faible pour permettre l’accès de la saumure au site réactionnel que sont les cristaux d’anhydrite
-Keuper
-Pétrofabrique
-Pétrographie expérimentale
-Mécanique expérimentale
-Analyses chimiques
-Sulfates
-Argilites
The aim of this study is the understanding of the physico-chemical interactions between saturated brine and the rocks (Marnes Irisées inférieures) enclosing the underground salt workings in Lorraine (eastern France), and also the study of their effect on the mechanical behaviour. A multi-scale study was undertaken, from the mineral scale to the one of a salt working. Whereas anhydrite-rich argillites flake quickly with the presence of saturated brine at the border of solutions cavities, the dolomudstone and massive anhydrite don’t and can constitute the top of cavities for several years. In order to explain this difference, these three lithologies were analysed in terms of mineralogy, micro-texture and porous media. Then, samples of argillites and massive anhydrite were immersed in saturated brines for more than one year. Chemical and microscopic analysis testified the hydration of anhydrite crystals into gypsum. This transformation occurs in a superficial way on massive anhydrite; to the contrary, it is located inside the anhydrite-rich argilites. As this transformation induces a volume increasing of 63%, the anhydrite crystals swell. In saturated brine, the water activity is low enough to prevent the swelling of clays such as smectites. Thus, anhydrite swelling might be the responsible of the argillites splitting in a saturated brine environment. The superficial anhydrite hydration on massive anhydrite can be explained by the low values of connected porosity (less than 1%) for this lithology. This results can explain, in a qualitative way, the dilatant behaviour of argilites samples during creep tests with brine. The bending behaviour of massive anhydrite don’t seem to be affected by the presence of brine for one year or less, probably because of the too low porosity of this lithology
-Keupe
-Microporous framework
-Chemical-analyses
-Mechanical test
-Argillites
-Sulphates
-Experimental petrography
Source: http://www.theses.fr/2007INPL010N/document

Sujets

• Sulfate
• Keuper

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 93
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 34 Mo

Extrait

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LIENS




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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole nationale supérieure de géologie
Laboratoire Environnement, Géomécanique et Ouvrages
Ecole doctorale RP2E




THESE


Présentée en vue de l’obtention du grade de



DOCTEUR DE L’I.N.P.L.

Spécialité :

Génie Civil – Hydrosystèmes –Géotechnique

par


Elie Boidin



INTERACTIONS ROCHES/SAUMURES EN CONTEXTE D’ABANDON
D’EXPLOITATIONS SOUTERRAINES DE SEL




Soutenue publiquement le 6 février 2007
devant la Comimission d’Examen



Membres du jury :

Président : Jacques Yvon

Rapporteurs : Bernard Feuga
Norbert Clauer

Directeur de thèse : Françoise Homand
Co-Directeur de thèse : Fabien Thomas

Examinateur : Pierre Bérest










REMERCIEMENTS

En préambule de ce mémoire, je tiens à remercier tout particulièrement Françoise Homand, initiatrice de
ma thèse, pour son encadrement, sa patience et surtout pour la confiance qu’elle m’a accordé. Je
remercie également Fabien Thomas, mon co-directeur ; ses conseils en communication et son
optimisme m’ont été d’un grand secours. Merci à Monsieur Clauer d’accepter d’être rapporteur de ma
thèse, ainsi qu’à Monsieur Bérest de faire partie de mon jury, et de ce fait de me faire partager ses
connaissances et son expérience en matière d’exploitation souterraine de sel. Merci à Bernard Feuga
pour m’avoir fait gagner un temps précieux lors de mes recherches bibliographiques. Ma gratitude se
tourne vers Jacques Yvon pour sa disponibilité, son pragmatisme, pour l’intérêt porté à ma thèse et
d’une manière générale, pour sa passion de la science. Merci au GISOS de m’avoir permis de travailler
sur une problématique d’intérêt.

Merci également à Françoise Watteau et Geneviève Villemin de m’avoir transmis leurs connaissances
sur les méthodes d’imprégnation des géomatériaux et pour leur gentillesse. Merci à Guillaume Caumon,
Robert Fabriol, Christophe Auvray et aux techniciens que son Laurent Schoumacker et Cédric
Démeurie : leur savoir-faire, leur sympathie et leur bonne volonté ont été pour beaucoup dans la
réalisation de mes expérimentations. Je remercie également Isabelle Bihannic pour notre collaboration
fructueuse en termes d’analyses minéralogiques. Mes remerciements vont également à Christian Palain
pour les levés de log lithostratigraphiques ainsi que pour l’interprétation diagraphique. Merci à
Emmanuel Hertz, Philippe Delaplace et Jean-Louis Vautrin d’avoir entretenu, entre le LaEGO et les
différentes compagnies qu’ils représentent, les relations nécessaires au bon déroulement de ma thèse.

Merci aussi à mes collègues doctorants : Tatiana, Franck, Jon, les deux Sergey, Vu, Jérôme et les
autres sans qui ma vie au LaEGO aurait été bien trop sérieuse. Merci à ma famille et mes amis de
quinze ans pour leur soutien durant ces 3 dernières années. Enfin, merci à Emilie pour cette fin de thèse
des plus improbable et des plus merveilleuse.






































TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS..................................................................................................................................1
TABLE DES MATIERES..........................................................................................................................3
LISTE DES FIGURES..............................................................................................................................6
LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................................12
LISTE DES ANNEXES...........................................................................................................................14

CHAPITRE 1.
INTRODUCTION....................................................................................................................................15
1.1. LES EXPLOITATIONS SOUTERRAINES DE SEL EN LORRAINE ............................................18
1.1.1. HISTORIQUE...........................................................................................................................18
1.1.2. TECHNIQUES D’EXPLOITATION .................................................................................................18
1.1.2.1. Mines sèches ....................................................................................................................18
1.1.2.2. Lixiviation ..........................................................................................................................18
1.2. OBJECTIFS DE LA THESE ........................................................................................................19
1.2.1. DEVENIR A LONG TERME DES EXPLOITATIONS...........................................................................19
1.2.2. OBJECTIFS ET DEMARCHE SCIENTIFIQUE DE LA THESE...............................................................20

CHAPITRE 2.
LA REMONTEE DES CAVITES DE DISSOLUTION AU TRAVERS DES MARNES A ANHYDRITE -
INFLUENCE DE LA GEOLOGIE ...........................................................................................................23
2.1. INTRODUCTION .........................................................................................................................25
2.2. ELEMENTS DE GEOLOGIE REGIONALE ET LOCALE.............................................................25
2.2.1. MISE EN PLACE DU BASSIN EVAPORITIQUE DU KEUPER LORRAIN : LA NAISSANCE DU BASSIN DE
PARIS ……………………………………………………………………………………………………… …25
2.2.2. CARACTERES GENERAUX DE L’ENVIRONNEMENT DE DEPOT AU TRIAS.........................................26
2.2.3. LITHOSTRATIGRAPHIE .............................................................................................................28
2.2.3.1. Découpages stratigraphiques des Marnes Irisées Inférieures et Moyennes ......................28
2.2.3.2. La Dolomie de Beaumont..................................................................................................28
2.2.3.3. La formation intermédiaire argilo-gréseuse .......................................................................29
2.2.3.4. Les Marnes à anhydrite.....................................................................................................29
2.2.3.5. L’ensemble halitique..........................................................................................................31
2.3. INTERPOLATIONS DIAGRAPHIQUES AU NIVEAU DES « MARNES A ANHYDRITE » DU
PLATEAU DE HARAUCOURT ..............................................................................................................32
2.4. COMPARAISON DE LA VITESSE DE REMONTEE AVEC LA LITHOLOGIE DU TOIT DES
CAVITES................................................................................................................................................33
2.5. INFLUENCE DE LA LITHOLOGIE SUR LA GEOMETRIE DES CAVITES .................................35
2.5.1. MATERIELS ET METHODE.........................................................................................................35
2.5.1.1. Présentation des données.................................................................................................35
2.5.1.2. Interprétation lithostr