Etude de la déformation dans une formation granulaire poreuse en régime compressif : du terrain au laboratoire.

par Romain Robert

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers - Cergy

Sous la direction de Philippe Robion et de Christian David.

Soutenue le 28-09-2018

à Cergy-Pontoise , dans le cadre de ED SI - Sciences et Ingénierie , en partenariat avec Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise) (laboratoire) et de Laboratoire Géosciences et Environnement Cergy / GEC (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Leroy.

Le jury était composé de Philippe Robion, Christian David, Jaume Vergés, Pauline Souloumiac, Élodie Saillet.

Les rapporteurs étaient Roger Soliva, William Sassi.


  • Résumé

    Les bandes de déformation sont des structures géologiques se mettant en place dans les matériels granulaires présentant une forte porosité (>15%). Ces structures peuvent être compactantes ou dilatantes et peuvent présenter une composante cisaillante. À l’échelle microscopique, il est possible d’observer une réorientation des grains, une compaction ou un cisaillement intense peut entrainer la fracturation de ces derniers (cataclase) pour former une fine zone déformée modifiant ainsi la porosité et la perméabilité de la roche. Ces bandes ont un impact sur la circulation des fluides en formant des barrières ou des drains dans le réservoir. La formation de ces structures est étroitement liée à la tectonique et aux paramètres sédimentologiques du matériel hôte. Comprendre et pouvoir prédire le mode de mise en place, les orientations et la distribution de ces bandes est l’objectif principal de cette thèse.Dans cette étude nous avons analysé un site de bandes de déformation observé dans le bassin de Tremp, au sein de la formation d’Aren, dans la zone Central Sud-Pyrénéenne. Nous avons pu définir la nature de ces structures grâce à des analyses macro- et micro-structurales couplées à une étude d’anisotropie magnétique permettant de déduire la direction de raccourcissement à l’origine de la mise en place de ces bandes. Deux principaux types de bandes cataclastiques sont alors mis en évidence: (1) des bandes de compaction pures, perpendiculaires au raccourcissement et (2) des bandes de compaction à composante cisaillante, obliques à cette même direction de raccourcissement.En comparaison avec le calendrier tectonique de la région et des données d’enfouissement relatif dans le temps de la formation étudiée. Nous avons fait l’hypothèse que ces deux familles de bandes sont apparues à faible enfouissement (< 1 km de profondeur), soit peu de temps après le dépôt et associées à la croissance du pli du Sant Corneli-Boixols. De telles structures ne sont pas communes pour un enfouissement superficiel et le faciès calcarénitique est mis en cause pour expliquer leurs apparitions.La mise en place de simulations analytiques basées sur des résultats d’expérimentations géomécaniques ont ensuite permis de contraindre le régime tectonique, l’orientation et les valeurs de ces contraintes nécessaires à la formation de ces deux types de bandes par rapport à l’enfouissement et la croissance du chevauchement. Les valeurs de contraintes attendues sont ici très faibles dans le cas d’une déformation très précoce.Enfin, nous avons testé ces observations et nos hypothèses à des modélisations numériques dans lesquelles nous avons analysé l’impact de la croissance d’un chevauchement et d’un pli de propagation de rampe. La distribution des contraintes et les potentielles bandes de déformation mises en place au sein d’un réservoir poreux situé en avant de ce pli ont été étudiées. Nous avons alors montré que nos hypothèses d’apparition superficielles de bandes de déformation étaient dépendantes de la position des enveloppes de ruptures (elles-mêmes dépendantes de la lithologie de la roche). Pour expliquer la mise en place des bandes étudiée dans ce mémoire, une résistance mécanique très faible de la roche est nécessaire pour permettre de former des bandes à moins d’un kilomètre de profondeur.

  • Titre traduit

    Study of localized and cataclastic deformation in a contractional regime, in front of a fold and thrust belt : from field to laboratory.


  • Résumé

    Deformation bands are geological structures that occur in porous and granular material presenting a high porosity (>15%). These structures can be identified as compactive or dilatant, a shear component is also often observed. At the microscopic scale, it is possible to observe a grain rearrangement and an intense compaction and or shearing can lead to grain crushing (known as cataclasis), to form a thin deform zone that will modify the porosity and permeability of the rock. Deformation bands have a non-negligible impact on fluid flow, creating a barrier or a drain in the potential reservoir. The formation of such structures is mainly linked to the tectonic activity but also to the facies and other sedimentological parameters of the host rock. The understanding and the prediction of the occurrence and distribution of the bands is the main objective of this thesis.In this study we analyzed a deformation band site found in the Tremp basin, in the Aren formation localized in the South Central Pyrenean Zone. We defined the nature of these structures with macro and microstructural analysis and by adding a study of the magnetic anisotropy to constrain the shortening direction responsible to the band formation. We evidence two major types of bands showing different orientations and behavior: (1) Pure compaction bands (PCB), perpendicular to the shortening and (2) Shear enhanced compaction bands (SECB), oblique to the same shortening.In comparison with tectonic schedule in the studied area and time vs. burial data of the formation, we deducted that both types of bands took place at a shallow burial (<1km depth), which means short times after deposition. This localized deformation, showing mainly cataclasis, is associated to the growth of the Sant Corneli-Boixols fold and thrust belt. Such structures are not common at a shallow depth and we propose that the calcarenite facies of the host rock is the key factor to explain the band occurrence.Thereafter, we made analytical simulations based on geomechanical experimentations results that allowed us to constrain the stress state and orientations needed to create these structure and to determine the timing of formation compared to the burial of the layers during the growth of the Boixols thrust. The stresses magnitudes are expected to be really low in the case of an early deformation.Finally, we tested and compared our observations and hypothesis to numerical modeling where we analyzed the impact of the growth of a fold and thrust belt on the stress state and orientations and the analysis of potential deformation bands occurrence. The stress distribution and the potential occurrence of deformation bands in a porous reservoir presenting different characteristics and located in front of this fold were studied.With the modelizations results, we exposed that our hypothesis of shallow deformation bands are dependent from the position of failure envelopes (that are dependent on the rock lithology). To explain the band formation we studied in this thesis, a weak mechanical strength of the host rock is needed to form deformation bands at less than a depth of one kilometer. The pure compaction bands are associated to a potentially early layer-parallel shortening (LPS).


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