Analyse et modélisation stratigraphique du bassin sédimentaire onshore du Liban

Stratigraphic analysis and modeling of the onshore sedimentary basin of Lebanon

• Auteur / Autrice : Mohamad Ali Salloum
• Direction : Raymond Michels, Véronique Kazpard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 24/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Golfier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raymond Michels, Véronique Kazpard, Christian Gorini, Luis Martinez, Dalia Abdel Massih, Antoine Le Solleuz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Gorini, Luis Martinez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Failles (géologie)

Bassins sédimentaires

Géochimie

Diagenèse

Jurassique

Liban

Réservoirs d'hydrocarbures

Modèles en géologie

Mots clés libres

Modélisation 3D

Liban

Analyse de bassin

Stratigraphie du Jurassique

Diagenèse

Géochimie

3D modeling

Lebanon

Basin analysis

Jurassic stratigraphy

Diagenesis

Geochemistry

Résumé

Dans cette dernière décennie, des découvertes pétrolières importantes ont été faites au large du Liban dans les eaux est-méditerranéennes. Des études géologiques nombreuses en offshore (bassin du Levant) avec des acquisitions sismiques (2D et 3D) ont révélé des réservoirs d'hydrocarbures d'âge Miocène et suggèrent des perspectives prometteuses pour l'exploration. Par ailleurs, des modélisations de systèmes pétroliers à l'échelle de toute la région ont été réalisées, et montrent que les formations du Trias-Jurassique sont des roches-mères potentielles entrées à maturité thermique grâce à un fort contrôle tectonique à certaines périodes. Si celles-ci ont été très étudiées dans le Moyen Orient (Syrie, Jordanie, …) et ont permis de mettre en évidence leur potentialité pétrolière, la zone onshore libanaise a été quant à elle peu étudiée. L'approche stratigraphique complète et l'analyse du bassin sédimentaire onshore libanais font encore défaut sur certains aspects, ne permettant pas encore de définir parfaitement le rôle de la tectonique sur la géométrie, la nature et le calendrier des évènements sédimentaires et diagénétiques. Cette thèse a ainsi pour objectif de caractériser la géométrie des dépôts sédimentaires du bassin onshore et d'expliciter le contrôle tectonique sur son enregistrement stratigraphique. Un ensemble de données géologiques issues de la littérature sur la région (calages profondeurs, stratigraphie, etc.) est synthétisé dans un modeleur géologique 3D (SKUA-GoCad®). A partir de ces données géo-modelées, une approche interprétative permet de visualiser : i) les dépôts sédimentaires du bassin libanais ; ii) les structures tectoniques majeures le contrôlant ; iii) les surfaces d'érosion majeures et iv) les pièges pétroliers potentiels. Cette approche permet ensuite de générer des courbes de subsidence tectonique du bassin sédimentaire dans l'onshore libanais et une partie de l'offshore (sous PetroMod®) et de les interpréter. L'ensemble des résultats décrit les relations entre sédimentation et évolution tectonique à l'échelle régionale du Liban, de définir les failles majeures contrôlant l'enregistrement sédimentaire, d'identifier certaines phases clés dans l'évolution géodynamique et donc de retracer l'histoire tectonique du pays. D'une échelle régionale à une échelle plus locale, cette thèse se focalise sur une famille de failles ayant un rôle de contrôle sur l'enregistrement sédimentaire, en étudiant l'une d'entre-elles dans la région de Nahr Ibrahim. Ce travail se concentre sur la période initiale du Mésozoïque (Jurassique) présent sur le territoire libanais et d'un système structural peu étudié qui l'affecte : le système de failles normales mésozoïques NE-SO réactivées lors de la structuration du système de failles du Levant. Afin de caractériser le contrôle tectonique de ces failles sur la sédimentation (géométrie et diagenèse), une étude de terrain a été réalisée dans cette région, avec une approche sédimentaire, géochimique et diagénétique. Ainsi, trois coupes stratigraphiques dans la formation de Kesrouane (Jurassique) sont présentées. Une étude des faciès et de la diagenèse permet d'identifier les variations d'environnements, puis les principales phases diagénétiques qu'a subi cette formation jurassique. Par une approche chimio-stratigraphique (isotopes du strontium notamment), un calage par des âges absolus est proposé qui permet de corréler les coupes stratigraphiques et de mettre en évidence un rejet vertical de la faille régionale de Nahr Ibrahim de l'ordre de 800 m. Les résultats permettent de mettre en évidence le rôle important de ces failles sur le contrôle de la sédimentation jurassique, la structuration géométrique des formations mésozoïques et leur rôle potentiel joué sur la diagenèse. Aussi, cette approche locale a permis de revenir sur le modèle 3D régional et de l'améliorer en prenant en considération le rôle majeur de ces failles NE-SO réactivées (rejets de 800m) affectant la stratigraphie.

In the last decade, important oil discoveries have been reported offshore Lebanon in the eastern Mediterranean waters. Numerous offshore geological studies (Levant Basin) with seismic acquisitions (2D and 3D) have revealed hydrocarbon reservoirs of Miocene age and suggest promising exploration prospects. In addition, petroleum system modeling has been carried out on the scale of the entire region and shows that the Triassic-Jurassic formations are potential source rocks that have reached thermal maturity due to strong tectonic control at certain periods. While these formations have been extensively studied in the Middle East (Syria, Jordan, ...) and have allowed highlighting their petroleum potential, the Lebanese onshore area has been little studied. The complete stratigraphic approach and the analysis of the Lebanese onshore sedimentary basin are still lacking in some aspects, not allowing to define perfectly the role of tectonics on the geometry, the nature, and the timing of sedimentary and diagenetic events.The objective of this thesis is to characterize the geometry of the sedimentary deposits of the onshore basin and to explain the tectonic control on its' stratigraphic record. A set of geological data from the literature on the region (depth settings, stratigraphy, etc.) is synthesized in a 3D geological modeler (SKUA-GoCad®). From these geo-modeled data, an interpretative approach allows to visualize: i) the sedimentary deposits of the Lebanese basin; ii) the major tectonic structures controlling this basin; iii) the major erosion surfaces and iv) the potential oil traps as elements of petroleum systems. This approach allows then to generate tectonic subsidence curves of the sedimentary basin in the Lebanese onshore and part of the offshore (using PetroMod®) and to interpret them. The results describe the relationships between sedimentation and tectonic evolution at the regional scale of Lebanon, define the major faults that controlled the sedimentary record, identify some key phases during the geodynamic evolution and thus trace the tectonic history of the country.From a regional to a more local scale, this thesis focuses on a fault set having a controlling role on the sedimentary record, by studying one of them in the Nahr Ibrahim area. This work focuses on the early Mesozoic (Jurassic) period present in the Lebanese territory and a little-studied structural system that affects it: the NE-SW Mesozoic normal fault system reactivated during the structuring of the Levantine Fault System. In order to characterize the tectonic control of these faults on sedimentation (geometry and diagenesis), a field study was carried out in the Nahr Ibrahim region, with a sedimentary, geochemical and diagenetic approach. Thus, three stratigraphic sections in the Kesrouane Formation (Jurassic) are presented. A study of the facies and of the diagenesis allows to identify the variations of environments, then the main diagenetic phases that this Jurassic formation underwent. Using a chemo-stratigraphic approach (strontium isotopes in particular), a calibration by absolute ages is proposed which allows the correlation of the stratigraphic sections and highlights a vertical rejection of the regional Nahr Ibrahim fault of about 800 m. The results highlight the important role of these faults in the control of Jurassic sedimentation, the geometric structuring of the Mesozoic formations, and their potential role in diagenesis. Also, this local approach has allowed us to revisit and improve the regional 3D model by considering the major role of these reactivated NE-SW faults (800m fault vertical offset) affecting the stratigraphy.