Modélisation de l’évolution de la géopressure lors de l’effondrement gravitationnel du Bassin amazonien de Foz do Amazonas

Modeling of overpresure evolution during the gravitational collapse of the Amazon deep-sea fan, Foz do Amazonas Basin

• Auteur / Autrice : Juliana Maria Gonçalves de Souza
• Direction : Christian Gorini, Nadaya Cubas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 30/11/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Leroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Gout, Henrique Luiz de Barros Penteado, Didier Granjeon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Leroy, Manuel Pubellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stratigraphie séquentielle

Pression thermomoléculaire

Prismes d'accrétion

Smectites

Géodynamique

Bassins sédimentaires

Mots clés libres

Evolution de la surpression

Mécanismes de surpression

Etalement gravitaire

Modélisation mécanique et de bassin

Cône de l’Amazone

Détachement

Overpressure evolution

Overpressure mechanism

Gravitational collapse

Résumé

Le cône de l’Amazone constitue l’un des prismes sédimentaires silicoclastiques les plus importants en terme de volume. Ce prisme prograde sur la marge et dans le bassin Foz do Amazonas depuis la fin du Miocène tout en subissant un étalement gravitaire au-dessus de niveaux de décollements argileux. Afin d'examiner les mécanismes de surpression en action dans le cône de l’Amazone et leur relation avec la tectonique gravitaire, j'ai développé une approche innovante basée sur l'intégration de méthodes de modélisation couramment utilisées dans l'industrie pétrolière et gazière, appliquées ici pour la première fois à un dépôt-centre de marge passive affectée par de l’étalement gravitaire à l’échelle de toute la marge. Deux coupes sismiques régionales ont été interprétées, converties en profondeur, restaurées puis utilisées pour la modélisation géomécanique du bassin Foz do Amazonas. L’objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes de surpression et la déformation le long du détachement principal localisé dans des argiles du crétacé supérieur et des failles associées à l’étalement gravitaire sur ce détachement. Les résultats de la modélisation fournissent des informations sur l'évolution de la pression interstitielle et de la température et leurs implications pour le fonctionnement du détachement et des failles d'extension aval et de compression amont sus-jacentes pendant le dépôt de 6-10 km de sédiments au cours des derniers 8 millions d’années. Le contrôle principal de la tectonique gravitaire est le taux de sédimentation, qui varie en ampleur et en style entre deux compartiments structuraux au sud-est et au nord-ouest du système gravitaire segmenté. Dans les deux compartiments, la progradation du cône de l’Amazone est à l’origine de la migration vers le bassin du front de déformation, en réponse à la migration de la suppression le long du détachement. Dans le compartiment SE, l'activité des failles n'a été observée que pendant les périodes où le taux de sédimentation est important, alors que dans le compartiment NW, l'activité continue des failles reflète un apport sédimentaire toujours important au cours des derniers 8 Ma. Au premier ordre, la sous-compaction est considérée comme le principal mécanisme de surpression dans le cône de l’Amazone. Le rôle secondaire des surpressions lié à la transformation de la smectite en illite et l’augmentation du volume des fluides interstitiels qui en résulte ne peut être exclu pour le compartiment NW. La fenêtre de transition smectite-illite, qui dépend de la température, est localisée principalement au-dessus du détachement dans le compartiment SE. Par contre, cette fenêtre coïncide bien avec l’ensemble du détachement du compartiment NW. En outre, la modélisation a permis de démontrer que la génération de gaz thermogénique (par craquage primaire et secondaire) n'a pas affecté le système gravitaire dans le compartiment SE, dont la majeure partie des gaz a été expulsée avant l’arrivée du cône, puis emprisonnée dans des couches argileuses sous le détachement. Dans le compartiment NW, la génération de gaz thermogénique a contribué à une pression interstitielle plus élevée sur le détachement et sur certaines failles. Ainsi dans les deux compartiments, la mécanique des fluides pilotée par la température a joué un rôle différent en termes de surpression. Ces différences sont en partie dues à la présence de types de croûtes différentes sous chaque compartiment. D’après la modélisation de bassin syn- et post-rift, ces différences produiraient des histoires thermiques distinctes, modulées par un « thermal blanketing » durant la croissance du cône de l’Amazone. En particulier, ceci a engendré de plus faible flux de chaleur dans le compartiment NW sur les 8 derniers Ma, aboutissant à un approfondissement de la fenêtre de transition smectite/illite traversant le détachement ainsi qu’à une expulsion plus tardive des gaz thermogéniques.

The Amazon River culminates in one of the world’s largest deep-sea fans, a shelf-slope wedge that has prograded seaward since the late Miocene while undergoing gravitational collapse above shale detachments. In order to examine the overpressure mechanisms acting in the Amazon Fan and affecting its gravity tectonics, I developed an innovative approach based on the integration of modeling methods commonly used in the oil &gas industry, applied here for the first time to a collapsing passive margin depocenter. Two regional seismic sections were interpreted, depth-converted, structurally restored and then used for basin and geomechanical modelling to investigate overpressure mechanisms and deformation along the detachments and associated extensional and compressional faultsduring the deposition of up to 6-10 km of sediment over the last 8 Ma. The modeling results provide information on the evolution of pore pressure and temperature and their implications for the operation of the southeast and northwest structural compartments of the gravity tectonic system. It is found that themain control on gravity tectonics was sediment supply, which differed in magnitude and style between the SE and NW compartments. In both compartments, progradation of the Amazon Fan drove the basinward migration of the deformation front in response to a seaward migration of overpressure along the detachment. In the SE compartment, fault activity was observed only during periods of higher sedimentation, whereas in the NW compartment, continuous fault activity reflected constant high sediment input over the last 8Ma. Disequilibrium compaction (undercompaction) is argued to be the primary mechanism of overpressure in the Amazon Fan, however the secondary role of inflationary overpressures cannot be excluded. The temperature-dependent smectite-illite transition window was present within the fan, mainly above the detachment in the SE compartment, but at the level of the detachment on the inner and outer part of the NW compartment. Thermogenic gas generation (by primary and secondary cracking) did not affect the gravity system in the SE compartment, where most gas was expelled prior to the growth of the fan and thereafter trapped in shale-rich layers beneath the detachment, whereas in the NW compartment it has contributed to higher pore pressure on the detachment and some faults. Thus, temperature-driven fluid mechanics played a different role in terms of inflationary overpressure in the two structural compartments. These differences are in part due to differing different crustal types beneath the two compartments, which syn- to post-rift basin modeling shows produceddistinct thermalhistories,modulated by thermal blanketing during the growth of the Amazon fan. In particular, this led to lower heat flow in the NW compartment over the last 8 Ma, accounting for the greater depth of the smectite-illite transition window relative to the detachment and the later expulsion of thermogenic gases. The findings of this thesis thus provide new insights into the evolution of pore pressure during the growth and collapse of the Amazon Fan, and distinguish particularities of each structural compartment linked to its long-term history. The results also show that the integration of basin modeling methodologies provides an extremely useful tool to investigate the tectonic and sedimentary dynamics of Late Cenozoic depocentres,even when there is limited data. As a perspective of future work, dedicated studies of the crustal and thermal history of the Amazon margin might be done.