Etude de la nature de la radioactivité gamma dans les roches carbonatées de plate-forme : analyses et interprétations environnementales, diagénétiques et géodynamiques

Mémoire H.S. n°45 de Géologie AlpineIn well-Iogging, values of gamma-activity are measured by scintillometry. A conventional paradigm is to link high y-activity to Potassium (K) and Thorium (Th) isotopes present in clays and to Uranium isotopes present either in detrital sediments ( typically in zircon or monazite minerals) or to sediments rich in organic matter. In shallow-water carbonates platforms, high y-activities are interpreted in the same way. However, in a first y-scintillometer survey of the Gorges du Nan section (subalpine Vercors massif), we found inconsistencies between lithologies and their expected y-responses: the highest radioactive beds do not correspond to high argillaceous or detrital limestones and marls, but to some low content argillaceous or "pure" limestones beds. The aim of this study was to identify the radioactive isotopes associated to different types of carbonates, their localisation, their abundance and their respective contribution to the total gamma response in order to propose a new method for the interpretation of gamma-ray logs in shallow-water carbonates. This study was focused on two intervals: - The first one corresponds to the Ba3 depositional sequence (Upper Barremian) which is composed essentially of limestones. This sequence was studied in the Vercors and Chartreuse subalpine massifs near Grenoble and in the Swiss Jura near Neuchâtel; - The second one corresponds to the "Lower Oritolina marIs" interval. This interval was studied in the Vercors and Chartreuse subalpine massifs near Grenoble, in Spain (Organya basin) and in central Tunisia near Kairouan. We curried out detailed sedimentological, digenetic and isotopic studies of aIl these sections. Oxygen and carbon stable isotopes analyses allowed us to establish some large scale correlations between sections in the French Alps, in the Pyrenees and in central Tunisia. The good correlation between Oxygen and Carbon stable isotopes curves of the Lower Orbitolina marls in aIl the studied areas with the same curves of the Lower Beboulian stratotypic section in Cassis-La Bédoule, proves that the Lower Orbitolina marls are Lower Bedoulian in age. In addition, we curried out detailed y-scintillometry field surveys and performed analyses of selected samples from the Gorges du Nan (Vercors) and Gorges du Frou (Chartreuse) sections by low-Ievel y-spectrometry and ICP-MS. The results confirrn the common idea that K and Th contents are associated to clays and detrital sediments. On the contrary, they show that Uranium contents does not follow the same behavior and are not associated to a specific lithology. In aIl the studied sections we noticed a good correlation between gamma-ray peaks and some key surfaces in sequence stratigraphy (sequence boundaries Sb, mfs and some parasequence boundaries). We noticed also a good correlation between uranium content peaks and the abundance of echinid fragments. In every analyzed samples, isotopes of the uranium decay series are by far the main source of gamma-activity. The contributions of K and of the Th decay series are negligible. Thus the interpretation of gamma-ray logs in shallow water carbonate platform should be revised: rather than a lithological index, it should be used to identify key surfaces in sequence stratigraphy in addition to other diagraphic tools.Lors de l'interprétation des diagraphies de radioactivité des carbonates, les pics de gamma-ray sont très souvent assimilés à des pics d'argilosité. Les faibles radioactivités sont, quant à elles, attribuées à des niveaux calcaires très peu marneux et pauvres en matière organique. Toutefois, l'enregistrement de la radioactivité gamma totale à l'aide d'un scintillomètre portable dans les carbonates de la plate-forme urgonienne des environs de Grenoble a révélé l'existence d'anomalies de la radioactivité dans ces roches, notamment la présence de pics importants de la radioactivité dans des niveaux calcaires purs ou très pauvres en minéraux argileux et détritiques. Le but de ce travail a été d'arriver à identifier les éléments radioactifs associés aux différents types de carbonates, leurs localisations, leurs abondances et leurs contributions respectives au signal gamma total enregistré pour mieux comprendre l'origine de la radioactivité dans ces roches, d'une part, et proposer une méthode pour mieux utiliser l'outil gamma-ray pour des interprétations séquentielles et environnementales dans les séries de carbonates de plate-forme, d'autre part. Pour mener à bien ce travail nous avons choisi plusieurs sites d'études, mais nous nous sommes intéressés à deux intervalles bien particuliers : ~ le premier correspond à la séquence de dépôt BA3 (troisième séquence de dépôt du Barrémien supérieur) formée principalement de faciès calcaires. Nous avons étudié cette séquence dans les massifs subalpins septentrionaux des environs de Grenoble et dans le Jura suisse de la région de Neuchâtel, ~ le deuxième correspond à l'intervalle des couches inférieures à orbitolines. Nous avons étudié cet intervalle dans les massifs subalpins septentrionaux aux environs de Grenoble, en Espagne dans le bassin d'Organya et au Jebel Jediri dans la région de Kairouan en Tunisie. Nous avons réalisé une étude sédimentologique et séquentielle très détaillée de l'ensemble des coupes étudiées. L'analyse des isotopes stables du carbone et de l'oxygène nous a permis d'avoir une meilleure idée sur l'histoire et l'évolution diagénétique de ces carbonates, mais aussi de proposer une corrélation à grande échelle entre les différentes zones d'études. La corrélation des courbes isotopiques (& l3 C et &18 O) de l'intervalle des couches inférieures à orbitolines des massifs subalpins septentrionaux et de ses équivalents en Tunisie et en Espagne avec la coupe stratotypique du Bédoulien nous a permis d'apporter un argument de plus pour dater du Bédoulien inférieur cet intervalle des couches inférieures à orbitolines (CIO). Les analyses en spectrométrie gamma d'échantillons prélevés dans les différents faciès carbonatés étudiés, montrent clairement que c'est l'uranium qui est la principale source des émissions gamma dans ces roches et que les variations de la courbe gamma-ray totale est très étroitement liée aux variations des teneurs et de l'activité de cet élément. Des analyses complémentaires en lCP-MS nous ont permis de préciser qu'il existe au moins trois sources de l'uranium dans les carbonates de plate-forme: -l'uranium fixé dans les tests d'échinodermes qui abondent lors des phases d'approfondissement relatif des milieux de dépôt (aux environs des mfs et mfs relatives de paraséquences), -l'uranium qui provient de la circulation des fluides météoriques lors des phases d'émersion et qui se concentre dans les environs des limites de séquences de dépôt et de certaines paraséquences émersives. Nous avons réussi à montrer avec l'ensemble de ces analyses et observations que le gamma-ray ne peut pas être utilisé sans discussion critique comme outil de corrélation lithologique et que son utilisation indépendamment des autres outils diagraphiques peut conduire à corréler des ensembles sédimentaires très différents