Soutenance de thèse de Irène AUBERT

Les zones de failles ont un impact important sur les réservoirs carbonatés car elles peuvent agir comme des drains ou des barrières en fonction de leurs propriétés structurales et diagénétiques. Il est important de bien comprendre ces propriétés pour déterminer les caractéristiques hydrauliques des zones de failles. Pour cela, l'approche multidisciplinaire de cette thèse combinant l’analyse structurale, diagénétique et géochimique vise à (1) contraindre l'évolution structurale et diagénétique des zones de failles dans les carbonates, (2) établir des règles et des concepts géométriques permettant de construire des modèles géologiques cohérents, et (3) permettre une meilleure compréhension de la réponse dynamique hydraulique des zones de failles dans les carbonates à travers leurs évolutions. Nous avons étudié 3 zones de failles (Castellas, D19) affectant les carbonates de plate-forme du Barrémien inférieur (faciès Urgonien) situées dans l'anticlinal de La Fare et dans celui de la Nerthe (Provence - SE France). La structure de ces failles résulte de plusieurs événements tectoniques depuis le début du Barrémien : (i) le bombement Durancien qui a entraîné le développement de faille normales et (ii) des orogénèses pyrénéo-provençales et alpines qui ont déclenché la réactivation décrochante des failles pré-existantes ou la formation de nouvelles. Dans un premier temps, afin d'identifier les impacts diagénétiques des 2 zones de failles sur les propriétés des carbonates, 122 échantillons ont été prélevés et analysés. Huit phases de cimentation et deux micro-fabriques de micrite ont été identifiées. La plupart des phases diagénétiques se produisent pendant la nucléation de la faille. En effet, les failles ont agi comme des drains canalisant les flux de fluides au début de leur formation. Les phases de cimentation connexes ont modifié les propriétés initiales du réservoir dans les environs de la zone de faille. Dans un deuxième temps, nous nous sommes concentrés sur la zone de faille polyphasée de Castellas (N060°-070° avec un pendage de 40 à 80° vers le N) pour caractériser son évolution structurale et estimer son comportement hydraulique au cours du temps. Une cartographie à haute résolution sur 850m de long, 848 mesures de failles et de fractures et 15 coupes transversales nous permettent de discriminer les différentes structures de la zone de faille et l’hétérogénéité latérale de son architecture. Sa morphologie, pendant l’activité normale, est liée au développement de bandes de dilatation et de segments de faille normale isolés qui a influencé les évolutions ultérieures du plan de faille. L'activité décrochante a eu un impact important sur les propriétés structurales de la zone de faille. Enfin, pour différencier les fractures diffuses des fractures d'endommagement dans les zones de failles et leur effet sur les propriétés réservoirs, nous avons effectué des analyses structurales et diagénétiques le long de l'affleurement D19. Cette étude montre que les propriétés structurales et la déformation de la zone de faille dépendent du réseau de fractures initial de la roche encaissante. La structure de la zone de faille a favorisé l'écoulement des fluides et la cimentation d’une phase de sparite de blocage, absente dans la roche hôte, ce qui a fortement modifié les propriétés réservoirs. Afin de faire une comparaison régionale avec d'autres études de cas, nous avons étudié la zone de faille des Espererelles située dans l'anticlinal de Nerthe. Au moins trois événements cassants et autant de phases de cimentation sont observés dans cette dernière et leur distribution est asymétrique entre le mur et le toit de la faille. Ces travaux ont permis de restaurer les séquences diagénétiques des zones de failles de déterminer les caractéristiques architecturales liées à chaque activité de faille. Enfin, cette étude a permis d'améliorer notre compréhension du comportement hydraulique des zones de failles dans les carbonates au cours temps.

Fault zones strongly impact carbonates reservoir properties as they can act as drains or barriers depending of their structural and diagenetic properties. Hence, it is important to have an integrativecomprehension of these properties that affect the fault zones hydraulic properties. To this end, the multidisciplinary approach of this thesis combining structural, diagenetic and geochemical approaches aims to (1) constrain the structural and diagenetic evolution of fault zones in carbonates (2) draw rules and geometrical concepts allowing building of coherent geological models, and (3) allow a better understanding of the hydraulic dynamic response of fault zones in carbonates through their evolutions. We studied 3 fault zones (Castellas, D19) affecting lower Barremian platform carbonates (Urgonian facies) located in La Fare and Nerthe anticlines (Provence – SE France). The structure of these faults results from several tectonic events since early Barremian: (i) Durancian uplift leading to fault normal activity and (ii) Pyreneo-Provençal and Alpine shortenings triggered to strike-slip fault zone reactivation or development. First, to identify the diagenetic impacts on reservoir properties, 122 collected samples were analysed. Eight different calcite cementation stages and 2 micrite micro-fabrics were identified. Fault zones have a complex diagenetic history, but most diagenetic phases occur during the nucleation of the fault. Indeed, faults acted as drains chanelizing fluid flows in the beginning of their formation. The related cementation altered initial reservoir properties in the fault zone vicinity. Later fault reactivation thinly impacts matrix porosity/permeability. Secondly, we focused on the polyphase N060° to 070°-trending and 40° to 80°N-dipping Castellas fault zone to characterize its structural evolution and estimate its hydraulic behaviour through times. An 850m-long high-resolution mapping, 848 fault and fracture measurements and 15 cross-sections allow to discriminate the fault zone architecture and lateral heterogeneity. Its morphology during the normal activity is related to the development of dilation bands and isolated normal fault segments. Along the well exposed fault zone of the D19 outcrop, we deciphered background fractures from damage fractures in fault zones and their effect on reservoir properties.We performed structural and diagenetic analyses showing that damage-zone pattern depends on the initial host-rock background fracture network. The fault-zone structure focused fluid flow and the cementation of a blocky calcite, which is absent in the host rock and strongly modified the reservoir properties. In order to do a regional comparision to other fault zone cases studies, we studied the diagenetic and geochemical properties of Espererelles fault zone located in Nerthe anticline. At least three brittle events and cementation phases are noticed in the fault zone and their distribution is asymmetric between both fault zone sides.