Origine et prédiction spatio-temporelle des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques - Apports de la comparaison entre des réservoirs enfouis (Permien et Crétacé) et un analogue actuel (estuaire de la Gironde)

par Maxime Virolle

Thèse de doctorat en Terre solide : géodynamique des enveloppes supérieures, paléobiosphère

Sous la direction de Benjamin Brigaud.

Soutenue le 28-06-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Géosciences Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2004-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Cécile Quantin.

Le jury était composé de Benjamin Brigaud, Cécile Quantin, Jean-François Deconinck, Bernadette Tessier, Jean-Pierre Girard, Hugues Fenies, Eric Portier, Patricia Patrier.

Les rapporteurs étaient Jean-François Deconinck, Bernadette Tessier.

mots clés

• Tapissages argileux
• Argiles
• Diagenèse
• Estuaire
• Réservoirs silicoclastiques
• Prédiction
• Minéraux argileux
• Diagenèse
• Sédiments des estuaires
• Réservoirs gréseux

Résumé

La qualité des réservoirs est l’un des facteurs « risque » pour l’exploration d’hydrocarbures ou pour le développement futur de la géothermie dans les hydro-systèmes silicoclastiques. Les propriétés réservoirs sont définies par les valeurs de porosité et perméabilité. Dans les réservoirs silicoclastiques profondément enfouis, des coatings de chlorite authigénique autour des grains de quartz permettent de préserver ces propriétés. Les mécanismes régissant la formation et la distribution de ces tapissages sont encore mal connus. Les objectifs de ce projet de thèse sont: (1) de caractériser (minéralogie, cristallochimie, propriétés texturales et microstructurales) et de déterminer la distribution spatio-temporelle des tapissages argileux dans des environnements sédimentaires bien contraints et dans un cadre stratigraphique bien défini; (2) de mieux comprendre les facteurs contrôlant la formation des tapissages argileux dans les réservoirs silicoclastiques; (3) de décrire les processus intermédiaires de formation de chlorite authigénique via différents minéraux précurseurs au cours de l’enfouissement; (4) de prédire la distribution des bonnes propriétés réservoirs en lien avec les coatings argileux. L’analogue moderne choisit dans le cadre de cette étude est l’estuaire de la Gironde où la présence de tapissages argileux détritiques a pu être mise en évidence dans la zone intertidale des barres tidales et barres de méandres, mais aussi dans des carottes sédimentaires de plusieurs mètres de profondeur. Les mécanismes de formation de ces tapissages ont été appréhendés avec l’interaction entre processus hydrodynamiques et biologiques. Des analogies avec des réservoirs gréseux enfouis (>3500m) ont permis de déterminer que les dépôts sableux de barres tidales externes déposées à la fin d’un cycle transgressif sont les cibles privilégiées pour trouver de bonnes propriétés réservoirs dans les réservoirs estuariens. L’évolution des coatings détritiques au cours de l’enfouissement a pu être retracée par l’étude de réservoirs enfouis entre 400 et 1000m de profondeur. Les coatings détritiques se transforment en berthiérine et interstratifié chlorite-smectite vers 600-900m de profondeur et des températures comprises entre 30-40°C. Ces minéraux constituent de véritables précurseurs aux coatings de chlorites ferreuses apparaissant plus en profondeur.

mots clés

• Clay coatings
• Clay
• Diagenesis
• Estuary
• Siliciclastic reservoir
• Prediction

Titre traduit

Origin and spatio-temporal prediction of clay coatings in siliciclastic reservoirs - Contributions of the comparison between buried reservoirs (Permian to Cretaceous) and a modern analogue (Gironde Estuary)

Résumé

The reservoir quality is one of the "risk" factors for hydrocarbon exploration or for the future development of geothermal energy in siliciclastic hydrosystems. Reservoir properties are defined by porosity and permeability values. In deep buried siliciclastic reservoirs, chlorite coatings around quartz grains help to preserve these properties. The mechanisms behind these coatings are still poorly understood. The objectives of this study are: (1) to characterize (mineralogy, crystallography, textural and microstructural properties) and to determine the spatial and temporal distribution of clay and clay coatings in well constrained sedimentary environments and within a well-defined stratigraphic framework; (2) to better understand the factors controlling the formation of clay coatings in siliciclastic reservoirs; (3) to describe the intermediate processes of authigenic chlorite formation via different precursor minerals during burial; (4) to predict the distribution of good reservoir properties in relation to clay coatings. The modern analogue chosen for this study is the Gironde estuary, where the presence of detrital clay grain coats was detected in the intertidal zone of tidal and point bars, but also in pluri-meters long sedimentary cores. The formation mechanisms of these coatings have been investigated with the interaction between hydrodynamic and biological processes. Analogies with buried sandstone reservoirs (>3500m) showed that sand facies of external tidal bars deposited at the end of a transgressive cycle are the preferred targets for finding good reservoir properties in estuarine reservoirs. The evolution of detrital clay grain coats during burial was approached by studying buried reservoirs between 400 and 1000m deep. The detrital coatings are transformed into berthierine and mixed-layer chlorite-smectite at depths between 600 and 900m and temperatures between 30-40°C. These minerals are true precursors to ferrous chlorite coatings that appear at greater depth.