Reverse-time modeling of channelized meandering systems from geological observations

par Marion Parquer

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Guillaume Caumon et de Pauline Collon.

Le président du jury était Isabelle Cojan.

Le jury était composé de Sylvie Bourquin, Clayton V. Deutsch, François Métivier, Zoltán Sylvester.

Les rapporteurs étaient Sylvie Bourquin, Clayton V. Deutsch.

  • Titre traduit

    Modélisation rétro-chronologique de systèmes chenalisés méandriformes à partir d’observations géologiques


  • Résumé

    Les systèmes méandriformes constituent la plupart des rivières terrestres ou sous-marines qui modèlent les paysages par leur évolution temporelle et spatiale. Les témoins de leur évolution peuplent les plaines traversées par celles-ci. Parmi eux, des barres d’accrétion latérale témoignant de la migration des boucles du chenal peuvent être identifiées, tout comme des méandres abandonnés par simplification naturelle de la trajectoire du chenal ou encore des chenaux entiers abandonnés lors d’un changement de direction principale du chenal par avulsion. La diversité et le volume des dépôts résultant font des systèmes chenalisés, une fois enfouis, de bons candidats pour le stockage de ressources naturelles. L’étude de la disposition des différents faciès est donc cruciale pour leur exploitation. Les techniques d’imagerie satellitaire ou LIDAR permettent l’étude des systèmes actuels. L’architecture en subsurface peut être imagée globalement par image sismique ou GPR, ou localement par des puits d’investigation. Ces techniques permettent d’avoir une bonne évaluation du dernier état du système chenalisé. Les états précédents, quant à eux, peuvent être observés par morceaux lorsqu’ils ont été épargnés par l’érosion. En effet, le remaniement de la ceinture de méandres par migration latérale des chenaux rend souvent difficile l’analyse des états antérieurs que ce soit en termes de géométrie ou de chronologie des dépôts. Cette thèse propose une méthode de simulation des systèmes chenalisés qui respecte au mieux les différentes informations disponibles. Parmi celles-ci, souvent, l’image sismique permet d’identifier le dernier état du système et des boucles de méandres abandonnés en contrastant avec la ceinture de méandres par des dépôts souvent plus argileux et datant de la période succédant l’abandon. Des barres d’accrétion latérale peuvent aussi être observées, témoignant des directions de migration des méandres. Parfois, des données de puits sont aussi accessibles et informent sur la nature des faciès rencontrés (e.g., sableux, argileux). La méthode présentée dans ce manuscrit part du dernier état du système observé sur l’image sismique. Une simulation en temps inversé de la migration du chenal, inspirée par l’analyse des cartes chronologiques du Mississippi, est appliquée et permet, pas de temps par pas de temps, de retrouver de potentiels états antérieurs. Selon une simulation de la chronologie estimée par des critères spatiaux et statistiques (e.g., distance et orientation au chenal courant, probabilité d’abandon), les méandres abandonnés sont intégrés à l’étape de temps voulue dans le chenal principal. Les boucles de méandres disparues par érosion sont compensées par la simulation d’autres méandres dans la ceinture de méandres. Cette simulation respecte les critères géométriques observés sur les méandres épargnés par l’érosion mais également d’autres critères statistiques tels que la probabilité d’érosion observée sur des analogues sédimentaires tels que le Mississippi. Cette approche ouvre la possibilité d’honorer les faciès observés sur les puits par la simulation de méandres abandonnés en ces points. Elle a été appliquée sur divers jeux de données bidimensionnels satellite ou sismique


  • Résumé

    Meandering systems constitute the majority of aerial and sub-marine rivers which shape the landscapes by their temporal and spatial evolution. The witnesses of this evolution can be observed on the plains crossed by these channels. Among them, lateral point bar resulting from the channel migration but also abandoned meanders created by the natural stream rectifying and abandoned channels originating from the main direction change by avulsion. Once buried, the channelized systems are good candidates for natural resources storage thanks to the diversity and the volume of the resulting deposits. The understanding of the internal architecture of facies is thus crucial for resource exploitation. Satellite and LIDAR images permit current system studies. Subsurface architecture can be imaged by seismic images, GPR or LIDAR. These techniques give a good evaluation of the system last channel path. However, anterior stages, when spared by the erosion can be observed locally. Indeed, the reworking of the channel belt by lateral and downstream migration makes it difficult to observe the geometric or chronologic features of anterior deposits. This thesis proposes a simulation method of channelized systems conditioning to available information. Among them, the seismic image often permits to identify the last system stage and the abandoned meanders thanks to their muddy filling after the abandonment time contrasting with the channel belt. Lateral point bars can also be observed, witnessing of meander paleo-migration direction. Sometimes, well data inform on the facies (e.g., muddy, sandy). The method presented here starts from the last channel path observed on the seismic image and go back in time by reverse migration to reconstruct anterior channel paths. This stochastic migration model is inspired by the analysis of historic Mississippi maps. According to a chronology simulation based on spatial and statistical criteria (e.g., distance and orientation to the current channel, abandonment probability distribution), abandoned meanders are integrated at the relevant time step inside the main channel path. Erosion of abandoned meanders is addressed by abandoned meander simulation inside the meander belt. This stochastic simulation conditions to geometrical criteria observed on the abandoned meanders spared by the erosion but also to statistical criteria observed on sedimentary analogs such as the Mississippi river (e.g., erosion probability distribution). One of the main perspectives is to condition to well data through the simulation of abandoned meanders. This technique has been applied on two satellite and seismic 2D case studies


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