Thèse : Estimation de la compaction chimique et des paleo-contraintes dans les bassins sedimentaires par l’étude des stylolites

 

Estimation de la compaction chimique et des paleo-contraintes dans les bassins sedimentaires par l’étude des stylolites. Application aux réservoirs carbonatés (Dogger) du Bassin de Paris et prise en compte dans la modélisation de bassin

Secteur d'activité : Recherche et enseignement

Employeur : ISTeP

Contact : olivier.lacombe@upmc.fr, marta.gasparrini@ifpen.fr

Localisation : Paris

Description :

Directeur de thèse (HDR ou équivalent) : Olivier Lacombe, Professeur UPMC
Co-encadrant (non HDR) : Marta Gasparrini, PhD, Département Géoressources, IFP Energies nouvelles
Co-encadrant (non HDR) : Nicolas Beaudoin, PhD, School of Geographical and Earth Sciences, University of Glasgow
Responsabilités spécifiques de chaque encadrant :

  • encadrement du volet tectonique et analyse morphométrique et mécanique des stylolites : Olivier Lacombe et Nicolas Beaudoin
  • encadrement du volet sédimentologie, diagenèse et modélisation de bassin : Marta Gasparrini


Les stylolites sont des surfaces dentelées fréquentes dans les carbonates, qui se développent par compaction chimique (engendrant de la dissolution) et qui sont fréquemment remplies par des phases insolubles. Suite à la dissolution, dont certaines estimations atteignent 35% du volume initial, un transfert local de la matière dissoute peut intervenir, et des volumes rocheux adjacents aux stylolites peuvent devenir le siège préférentiel de cimentation carbonatée induite, conduisant à une réduction de la porosité et de la perméabilité. Les stylolites se développent perpendiculairement à la contrainte principale appliquée pendant leur croissance et qui est due soit au poids des couches lors de l’enfouissement, soit à la contrainte tectonique.  Ce sujet porte sur la compaction chimique liée aux stylolites sédimentaires parallèles à la stratification (Bedding Parallel Stylolites, BPS), qui se développent pendant l’enfouissement, et dans une moindre part, sur celle liée aux stylolites tectoniques, et sur la quantification des paléo-contraintes (en orientations et en grandeurs) par les stylolites en relation avec l’évolution du bassin. La dissolution et la cimentation induite, ainsi que l’application de contraintes tectoniques aux limites du bassin devraient être prises en compte dans les modélisations en raison de leur impact sur la thermicité et sur les écoulements. En effet, les simulateurs de bassin actuels recalculent le volume des formations rocheuses au moment du dépôt à partir des épaisseurs actuelles en prenant en compte la seule compaction mécanique des différentes lithologies (back-stripping). D’autre part, l’occurrence des BPS peut induire la formation de barrières imperméables stratiformes et donc compartimenter les réservoirs avec des impacts sur la migration des fluides. Inversement, ces mêmes surfaces peuvent localement agir comme drains pour les fluides et contrôler la localisation de zones hautement perméables. La stylolitisation tectonique  peut aussi conduire à une dissolution et donc à un raccourcissement horizontal significatif souvent sous-estimé dans l’équilibrage des déformations. 

Des méthodes en cours de développement permettent de traiter informatiquement la trace des stylolites sur des surfaces 2D pour en tirer des informations sur

  1. les orientations et les grandeurs des paléo-contraintes appliquées pendant leur développement et
  2. les volumes de matière carbonatée dissoute le long de ces surfaces.

 

Les stylolites de par leur nature présentent cependant une structure multi-échelle (de l’échelle microscopique à celle du bassin), ce qui requiert une imagerie multi-échelle capable en même temps de traiter systématiquement de nombreuses données. Le développement d’un outil numérique dédié, capable d’identifier de manière automatique les stylolites à partir de différents types d’acquisition et d’en analyser la structure devient donc nécessaire. De plus, des études récentes suggèrent que le type morphologique des stylolites (seismogram, simple wave, etc.) joue aussi un rôle dans l’enregistrement plus ou moins fiable de la compaction chimique et des paléo-contraintes. La compréhension des facteurs qui contrôlent le développement des stylolites, l’évaluation des volumes de carbonates dissous en relation avec la paléo-profondeur d’enfouissement et les contraintes tectoniques sont donc des points-clés pour la compréhension et la modélisation des bassins sédimentaires et des réservoirs carbonatés. Cette thèse vise à valider l’utilisation des stylolites comme marqueurs de la compaction chimique et des orientations et grandeurs des paléo-contraintes, à développer des modèles conceptuels prédictifs de l’occurrence des BPS dans différentes formations carbonatées, et à mettre en place un workflow analytique original pour optimiser la quantification des effets de la compaction chimique, en vue de leur  prise en compte dans la modélisation de bassin (logiciel TemisFlow). Afin d’éprouver la validité de ces différentes approches,  les réservoirs carbonatés du Dogger du Bassin de Paris, peu déformés et pour lesquels de très nombreuses données sont disponibles ont été choisis comme cibles d’étude.
 
Volet 1 – Construction de modèles conceptuels prédictifs sur l’occurrence des BPS : Une acquisition d’images à haute résolution sera effectuée en carottes et sur fronts de carrière. Des coupes sédimentologiques (faciès, textures, type et abondance de grains, présence de silicoclastique...) seront complétées avec des logs représentatifs de la fréquence des BPS par mètre de succession et du type de BPS. Une étude statistique multiparamètres sera menée pour appréhender l’interdépendance entre l’abondance et le type des BPS, les paramètres sédimentaires et la localisation des coupes dans le bassin. Les logs de fréquence des BPS seront comparés avec la porosité sonique pour évaluer l’effet de la stylolitisation sur les propriétés réservoirs actuelles. Sur quelques carottes une étude détaillée (lames minces) permettra de quantifier le volume de ciments en relation avec l’abondance des BPS. 

Volet 2 – Développement d’un workflow pour l’analyse de la morphométrie des stylolites : Il s’agira de développer une méthodologie permettant d’identifier de manière automatique ou semi-assistée les stylolites à partir des images acquises. Leurs propriétés structurales seront alors calculées en développant des fonctions d’analyses. Le workflow développé sera automatisé, puis appliqué aux carottes étudiées afin de traiter rapidement un grand nombre de BPS et d’acquérir les paramètres morphométriques caractéristiques (amplitude, tortuosité, rugosité, etc.)

Volet 3 – Quantification (volumes dissous, paléoprofondeur) et validation du workflow : Le taux de dissolution des carbonates le long des BPS sera évalué via les paramètres caractéristiques (morphométrie) et l’épaisseur cumulée du résidu insoluble (imagerie) pour les différents faciès ou textures. Le taux de dissolution sera évalué indépendamment par l’analyse géochimique de ce résidu insoluble (Al) et de l’encaissant. Cette approche permettra de valider et d’ajuster les estimations issues de l’approche morphométrique et de l’imagerie. On déduira aussi les paléo-profondeurs maximales atteintes par les carbonates étudiés, à partir de la quantification des paléo-contraintes verticales, qui seront comparées aux données disponibles sur l’enfouissement maximal subi par les mêmes formations dans des zones plus ou moins subsidentes du bassin. En retour, cette approche, confrontée aux résultats des modélisations numériques, permettra de déterminer lesquelles des multiples morphologies de BPS sont les plus à même d'être utilisées comme marqueurs des paléoenfouissements.

Volet 4 – Intégration géologique. Calendrier de la stylolitisation, orientations et grandeurs des paléocontraintes en relation avec l’évolution (subsidence et uplift) du bassin.  Le calendrier de développement des stylolites sédimentaires et tectoniques sera établi à partir d’une étude microstructurale visant à établir leur chronologie relative (recoupement) par rapport à certaines phases diagénétiques dont l’âge absolu et la température absolue de cristallisation ont été récemment obtenus par une approche couplée de datation U/Pb et de thermométrie clumped isotopes (Δ47). Ceci permettra l’établissement précis de la succession des contraintes par rapport aux événements de cristallisation des carbonates diagénétiques pendant les phases de subsidence et d’uplift, et de préciser l’évolution des magnitudes des contraintes en relation avec les grands événements tectoniques. L’approche sera complétée par l’analyse d’associations veines-stylolites formées lors des épisodes tectoniques tertiaires sur la bordure sud-est du bassin (Bourgogne), pour lesquelles la paléo-piézométrie stylolites couplée à de nouvelles datations U/Pb et estimations thermométriques (acquises dans le cadre d’un autre projet en parallèle) permettra d’obtenir les caractéristiques âge-température-contraintes des événements de surpression. Ces estimations seront comparées aux données existantes sur les macles de la calcite. 

Volet 5 – Réflexion sur la prise en compte dans les simulateurs de bassin : Ce volet portera sur la réflexion sur la façon d’intégrer ces nouvelles contraintes mécaniques et de compaction chimique dans les simulateurs de bassin et de faire quelques tests de sensibilité préliminaires avec les développeurs des codes.
 
 Profil :

  • Géologue-structuraliste ou sédimentologue avec propension pour l’acquisition, le traitement et l’analyse d’image et la programmation.
  • Goût et capacité pour l’apprentissage des techniques d’étude en sédimentologie et diagenèse des carbonates  (pétrographie, géochimie isotopique, interactions roche-fluide) et en microtectonique (analyse morphométrique et mécanique de la rugosité des stylolites, micro-fracturation).
  • Capacité de réflexion pour l’intégration des effets de la compaction chimique et des paléo-contraintes comme nouvelles contraintes dans un simulateur de bassin;
  • Rédaction de publications scientifiques et participation à congrès spécialisés.
  • Les travaux abordés permettront à l’étudiant d’intégrer des pratiques et des connaissances valorisables tant dans le monde académique que dans le monde industriel (sédimentologie et diagenèse, évaluation des paléo-contraintes, traitement et analyse d’images, notions en modélisation de bassin).

 
Financement spécifiques obtenus pour le projet : non
Financement des missions nécessaires pour la réalisation du projet : oui : collaboration ISTeP-IFPEN-Glasgow

Accès à des bases de données spécifiques : oui :   Collection de carottes de sub-surface de roches réservoirs du Bassin de Paris(IFPEN). Accès à un modèle de bassin 3D (TemisFlow) du Bassin de Paris (IFPEN).
Accès à des ressources documentaires spécifiques : oui : Collection de dossiers de puits, diagraphies, lames minces, analyses géochimiques du Bassin de Paris + collection de rapports sur le Bassin de Paris (IFPEN).
Accès à des plateformes : oui Plateforme de modélisation Open-Flow (IFPEN) et suite de logiciels associée (TemisFlow, CobraFlow, etc.).


- Elaboration de modèles conceptuels définissant les facteurs de contrôles des BPS et de la cimentation induite dans les carbonates ; - Preuve de concept et validation d’un workflow d’acquisition et traitement d’images analysant la morphométrie des stylolites pour le calcul des volumes de carbonate dissous et la quantification des paléo-contraintes; - Corrélation entre les paléo-profondeurs maximales (déduites des paléo-contraintes verticales) et l’enfouissement différentiel subi par des mêmes formations dans différentes zones du bassin; - Automatisation de l’analyse morphométrique des stylolites à partir d’images d’affleurements, de carottes et pétrographiques. - Réflexion pour la future intégration des effets de la compaction chimique et des paléo-contraintes dans TemisFlow ; - Participations à congrès et soumission de plusieurs publications, qui incluront les résultats allant des modèles conceptuels à la mise en place et validation du workflow analytique

Site : http://www.ed398.upmc.fr/fr/sujets-de-these/sujets-de-these-2017/sujets-de-these-2017-proposes-par-unites-de-recherche/istep.html#N10068

Nous cherchons un très bon candidat à présenter à l'oral (fin juin-début Juillet) dont les qualités, la motivation et l'adéquation au profil permettent avec un maximum de chances de décrocher un contrat doctoral sur ce sujet. La sélection prendra notamment en compte le classement du candidat dans sa promotion de M2 et les notes du Master.

candidature : CV, lettre de motivation, notes des examens, résume de leur sujet de M2.

Merci d'avance.

Bien cordialement,

Marta Gasparrini et Olivier Lacombe