Elaboration d'un modèle structural, pétrophysique et mécanique des failles en milieu gréseux poreux : implication pour la migration et le piégeage des fluides

par Sven Philit

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Roger Soliva et de Alexandre I. Chemenda.

Le président du jury était Hervé Jourde.

Le jury était composé de Roger Soliva, Alexandre I. Chemenda, Hervé Jourde, Olivier Lacombe, Pierre Bésuelle, Christopher Wibberley.

Les rapporteurs étaient Olivier Lacombe, Pierre Bésuelle.


  • Résumé

    La cataclase est un processus de déformation efficace en termes de réduction de porosité et de perméabilité dans les grès poreux, constituant des aquifères et réservoirs d’hydrocarbures classiques. Un enjeu majeur concernant la déformation dans les grès consiste à identifier les processus contrôlant l’évolution des structures cataclastiques et reconnaitre les paramètres influençant l’expression de la déformation à l’échelle microscopique et à l’échelle du bassin.Dans cette étude, nous nous concentrons sur l’analyse structurale des amas (« clusters ») de bande de déformation cataclastiques afin de considérer une déformation suffisamment localisée représentant un potentiel rôle de barrière sur les fluides. Nous choisissons sept sites d’étude présentant des clusters formés en tectonique extensive et contractive, dans différent régimes Andersoniens, à différentes profondeurs d’enfouissement, et dans des grès aux lithologies variées. Nous utilisons une approche analytique afin d’estimer l’évolution de l’état de contrainte des grès jusqu’à la déformation. L’utilisation de modèles numériques permet d’analyser l’influence de certains paramètres physiques sur la structuration de la déformation.Nous montrons que la position de l’enveloppe de rupture du grès (dépendant de sa lithologie) semble déterminer la morphologie de la déformation. D’autre part, les clusters formés en régimes Andersoniens normal, décrochant et inverse semblent respectivement couramment se former sur la même partie de l’enveloppe.Les clusters formés en régime normal montrent des épaisseurs fines à moyennes, des densités de bande importantes et forment, avec d’autres clusters, des réseaux d’échelle kilométrique souvent localisés à proximité d’une faille majeure. Ils représentent une barrière potentielle pour les fluides. Les clusters formés en régime décrochant ont des épaisseurs et des densités de band moyennes. Parce qu’ils semblent éparses, ces clusters ne forment probablement aucun frein pour les fluides. Les clusters formés en régime inverse ont des épaisseurs et des densités de bande moyennes si la rupture est atteinte sur la partie fragile de l’enveloppe. Ils semblent potentiellement plus épais avec des densités de bands faibles voire deviennent de simples réseaux de bandes distribuées si l’enveloppe de rupture est atteinte sur sa partie ductile. Parce qu’ils sont courts et éparses, ces clusters ne représentent pas de frein pour les fluides.Nous relions le développement des clusters et leur morphologie à l’agencement microscopique des clasts dans le matériel déformé. La faible compaction du matériel déformé des clusters créés en régimes normal et décrochant semble être à l’origine de l’étroite localisation des bandes à cause de la présence de plans de faiblesse dans le matériel déformé. Pour le même degré de déformation, la compaction plus élevée du matériel en régime inverse favoriserait la distribution des bandes.Le passage à la faille tel qu’observé dans les clusters en régime normal est permis par la présence entre les grès de niveaux incluant des minéraux fragiles. Ces niveaux permettent l’initiation et la propagation d’une surface de glissement majeure dans les grès adjacents. L’initiation d’une faille est aussi favorisée lorsque des grès poreux sont juxtaposés contre une lithologie indurée.Notre étude montre que la cimentation de quartz des parties les plus déformées des clusters est fréquente, même dans le cas de clusters ayant été enfouis à des profondeurs inférieures à 800 m. Cette cimentation est catalysée par l’intense degré de cataclase, semble être précipitée par « self-healing » et altère les propriétés pétrophysiques des clusters.

  • Titre traduit

    Development of a structural, petrophysical and mechanical model of faults in porous sandstone environment : implications for the migration and trapping of fluids


  • Résumé

    Deformation through cataclasis, which corresponds to grain crushing, is an effective process of porosity and permeability reduction in porous sandstones, classical aquifers and hydrocarbon reservoirs at depth. A major stake concerning the deformation in sandstone is to understand what processes govern the growth of the cataclastic structures and to recognize what parameters influence the expression of the deformation at microscopic scale and at basin scale.In this study, we focus on the analysis of cataclastic deformation band clusters in order to consider a significantly concentrated deformation regarding the potential of fluid flow baffling. We select seven study sites presenting clusters formed in extensional and contractional tectonics, under different Andersonian regimes, at various burial depths and in sandstones of varying lithologies. To complement the structural analysis, we use an analytical approach to estimate the stress-state evolution of the sandstones leading to deformation. Numerical modeling allows the analysis of the influence of physical parameters on the structuring of the deformation.We show that the position of failure along the failure envelope of the sandstone (which depends on its lithology) seems to determine the morphology of deformation. On the other hand, normal, strike-slip and thrust Andersonian regime clusters respectively seem to form frequently on the same part of the envelope.Normal regime clusters (favorably formed in extensional tectonics) have thin to medium thickness, with high band density and form, with other clusters, networks of km-scale length - often localized near a major fault. They are likely to baffle fluid flow. Strike-slip regime clusters (favorably formed in contractional tectonics) have medium thickness with medium band densities. Due to their sparseness, they seem unlikely to form a baffle for fluids. Thrust regime clusters (favorably formed in contractional tectonics) have medium thickness and medium band density if failure is attained on the brittle part of the envelope. They seem potentially thicker, with low band density and tend to form arrays of deformation bands if failure is attained on the cap of the envelope. Because they are short and sparse, they do not represent an effective baffle for fluid flow.We relate the process of cluster growth and their resulting morphology to the microscopic arrangement of the clasts in the deformed material. The minor compaction in the deformed material of normal and strike-slip regime clusters seems to be at the origin of the dense localization of the bands through the presence of weaker planes in the deformed material. For the same degree of deformation, the more compacted material in thrust regime clusters would favor the distribution of the bands.Faulting of normal regime clusters is enhanced by the presence of layers including weak minerals between the sandstones. These weak layers are responsible for the initiation and propagation of major slip-surfaces in the adjacent sandstone from small displacements. The initiation of major slip-surfaces is also favored when porous sandstone is juxtaposed with a hard lithology.We find that the quartz cementation of the most deformed parts of the clusters is common, even in clusters that were never buried below 800 m. This cementation is promoted by an intense degree of cataclasis, seems to form by “self-healing”, and may reduce the petrophysical properties of clusters.


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