Apport de l'analyse paléopiézométrique des macles de la calcite et des stylolites à la compréhension de l'histoire tectonique et d'enfouissement des bassins sédimentaires de la marge ouest-africaine de l'Atlantique Sud

Contribution of paleopiezometric analysis of calcite twins and stylolites roughness to understanding the tectonic and burial history of the sedimentary basins of the West African margin (South Atlantic)

• Auteur / Autrice : Boubacar Bah
• Direction : Olivier Lacombe, Nicolas Beaudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 12/05/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Loïc Labrousse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Lamarche, Catherine Homberg, Pierre-Alexandre Teboul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Delvaux, Khalid Amrouch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stylolites

Calcite

Piézométrie

Atlantique Sud (région)

Marges continentales

Réservoirs carbonatés

Évacuation en formation géologique

Mots clés libres

Macles de la calcite

Paléopiézométrie

Histoire d'enfouissement

Atlantique sud

Marges passives

Stylolites

Calcite twins

Paleopiezometry

Burial history

South Atlantic ocean

Passive margins

Stylolites

Résumé

La présente thèse a pour objectif d'éprouver des méthodologies permettant de reconstituer l'évolution des propriétés réservoirs et de la pression subit par un réservoir. Ce manuscrit présente (1) une caractérisation pétrologique des roches réservoirs avec une estimation du calendrier de l'évolution de la porosité, (2) les résultats une étude paléopiézométrique, et (3) une évolution des contraintes effectives et potentielles (sur)pressions de fluides ayant prévalu dans le réservoir carbonaté au cours de son évolution. Ces éléments permettent de reconstituer l'histoire d'enfouissement et les paléocontraintes subies par des réservoirs carbonatés dans un contexte de marge passive. Pour cela ce travail s'est basé sur une approche couplée de deux outils paléopiézométrique complémentaires combinant l'inversion des macles de la calcite et l'inversion de la rugosité des stylolites. Cette approche a été combinée avec des analyses pétrographiques, géochimiques, géomécaniques et géochronologiques pour bien caractériser le réservoir. Le matériel étudié lors de cette thèse consiste en des carottes de forage offshore récupérées de puits profonds fournis par TotalEnergies situés dans les bassins du Bas Congo et de Kwanza sur la marge ouest africaine de l'océan Atlantique Sud. Ces bassins ont subi un épisode de rifting au Crétacé inférieur (145.5 - 112 Ma). L'étude de la destruction de la porosité des réservoirs pré-sel de la formation TOCA syn-rift d'âge Barrémien (130-125 Ma) à partir de carottes prélevées dans le bassin du Bas Congo a révélé que la porosité initiale avait été réduite à sa valeur actuelle de 4-8% au cours des 35 premiers Ma de son histoire d'enfouissement, atteignant ~10% après seulement 10 Ma, i.e. dans les 400-500 premiers mètres d'enfouissement et que la porosité actuelle n'avait pas évolué de manière significative depuis 95 Ma (fin de la stylolitisation). Cette étude a ainsi montré que les propriétés des réservoirs dans les formations carbonatées bioclastiques telles que la formation TOCA peuvent être largement contrôlés par des processus diagénétiques précoces et très superficiels plutôt que par des réactions mésogénétiques qui se produisent ultérieurement en profondeur dans l'histoire de l'enfouissement. Une étude paléopiézométrique a été réalisée dans le but de reconstituer l'histoire d'enfouissement et des paléocontraintes des formations carbonatées de la TOCA (syn-rift) du Barrémien et Sendji (post-rift) de l'Albien sur la marge ouest africaine. La paléopiézométrie basée sur l'inversion de la rugosité des stylolites et l'inversion des macles de calcite a été combinée à l'analyse de la fracturation, à la datation géochronologique U-Pb du ciment calcitique et à la modélisation de l'enfouissement des deux formations pour reconstruire les orientations et les grandeurs des contraintes horizontales et verticales ayant affecté les deux formations au cours du temps. L'inversion des macles de la calcite réalisée sur des ciments précoces a révélé que les carbonates syn-rift et post-rift avaient enregistré une histoire des paléocontraintes polyphasée, incluant (1) des régimes de contraintes extensifs liés à l'ouverture l'océan Atlantique Sud (145.5-112 Ma), avec un σ3 orienté NE-SW à E-W, et à l'échelle du bassin des failles normales orientées N-S et NE-SW. Cette phase d'extension n'est observée que dans les formations syn-rift. (2) des régimes de contraintes extensifs associés à une tectonique salifère locale affectant les formations post sel, trouvés uniquement dans la formation Sendji (101 à 80 Ma) avec un σ3 orienté ~N-S et ~E-W. (3) Des régimes de contraintes compressifs et décrochants avec un σ1 horizontal orienté ~N-S à NE-SW probablement liés à la collision Afrique-Eurasie. (4) Des régimes de contraintes compressifs et décrochants avec un σ1 horizontal orienté ~E-W que nous avons proposé d’attribuer à la poussée à la ride médio-Atlantique et qui prévalent depuis ~15 - 10 Ma.

This thesis aims to test methodologies allowing the reconstruction of the evolution of reservoir properties and their pressure. This manuscript presents (1) a petrological characterization of the reservoir rocks with an estimation of the timing of porosity evolution, (2) the results of a paleopiezometric study, and (3) an evolution of effective stresses and potential fluid (over)pressures that prevailed in the carbonate reservoir during its evolution. These tools allow the reconstruction of the burial history and the paleostresses experienced by carbonate reservoirs in a passive margin. For this purpose, this work was based on a coupled approach of two complementary paleopiezometric tools combining the inversion of calcite twin data and stylolite roughness data. This approach was combined with petrographic, geochemical, geomechanical and geochronological analyses to fully characterize the reservoir. The studied material during this thesis consists of offshore cores recovered from deep wells provided by TotalEnergies located in the Lower Congo and Kwanza basins on the West African margin of the South Atlantic Ocean. These basins underwent a rifting event in the early Cretaceous times (145.5 - 112 Ma). The study of the porosity destruction of the pre-salt reservoirs of the syn-rift TOCA formation of Barremian age (130-125 Ma) from offshore core located in the Lower Congo basin revealed that the initial porosity was reduced to its current value of 4-8% during the first 35 Ma of its burial history, reaching ~10% after only 10 Ma, i.e. in the first 400-500 meters of burial and that the current porosity has not evolved significantly since 95 Ma (end of stylolitization). This study has shown that the outcome of reservoir properties in bioclastic carbonate formations such as the TOCA formation may be largely controlled by early and very shallow diagenetic processes rather than by mesogenetic reactions that occur later in the burial history. A paleopiezometric study was carried out in order to reconstruct the burial and paleostress history of the TOCA (syn-rift) Barremian and Sendji (post-rift) Albian carbonate formations on the West African margin. Paleopiezometry based on stylolite roughness inversion and calcite twins inversion was combined with fracture analysis, U-Pb geochronological dating of the calcite cement and burial modelling of the both formations to unravel the orientations and magnitudes of horizontal and vertical stresses that affected the TOCA and Sendji formations over time. The inversion of calcite macles on early diagenetic cements revealed that syn-rift and post-rift carbonates recorded a complex, polyphase paleostress history, (1) extensional stress regimes related to the opening of the South Atlantic ocean (145.5-112 Ma), with a σ3 oriented NE-SW to E-W, and at the basin scale N-S and NE-SW oriented normal faults. This extensional phase is only recorded by the TOCA syn-rift formation. (2) Extensional stress regimes associated with local salt tectonics that affect the post-salt formations, only found in the Sendji formation (101 to 80 Ma) with a σ3 oriented ~N-S and ~E-W. (3) Compressional and strike-slip stress regimes with horizontal σ1 oriented ~N-S to NE-SW probably related to the Africa-Eurasia collision at ~67-60 Ma. (4) Compressional stress regimes with horizontal σ1 oriented ~E-W that we proposed to attribute to the mid-Atlantic ridge push and that have prevailed since 15-10 Ma onwards.