Caractérisation de la géométrie et de l'hétérogénéité des corps sédimentaires de la plate-forme carbonatée Urgonienne Provençale (sud-est de la France)

Characterization of the geometry and heterogeneity of the sedimentary geobodies of the Urgonian Provence carbonate platform (south-eastern France)

• Auteur / Autrice : Stanislas Wilk
• Direction : Jean Borgomano, Philippe Leonide
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement: Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 18/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de l'Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEREGE - Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Corps sédimentaire

Plate-forme carbonatée

Processus sédimentaires

Géométrie

Echelle inter-puits

Sedimentary bodies

Carbonate platform

Sedimentary processes

Geometry

Interwell-scale

Résumé

L'objectif de ce projet de thèse est de caractériser les hétérogénéités potentielles des réservoirs à l'échelle de la maille des modèles numériques (ordre déca-hectométrique en xy et décimétrique-métrique en z) d'après des données d'affleurements et de carottes. Ces hétérogénéités peuvent être liées à la présence de « carbonate geobodies », qui sont des corps carbonatés opérant un contraste lithologique et/ou de préservation et qui peuvent être individualisés de leur réservoir. La présente thèse se focalisera sur la plate-forme urgonienne Provençale (Barrémien supérieur–Aptien inférieur), analogue d'affleurement aux réservoirs carbonatés du Moyen-Orient. Il s'agit là d'un enjeu scientifico-industriel important et historique de l'étude des séries carbonatées à rudistes du Crétacé Inférieur dans tout le pourtour Téthysien, qui n'est pas entièrement résolu à ce jour. En simulation des réservoirs, le challenge consiste à relier par méthode numérique d'upscaling les hétérogénéités rencontrées à petite échelle (e.g. carottes) à celle de la maille du modèle réservoir. Le défi est de taille puisqu'il est aujourd'hui difficile de prédire le comportement géologique et hydraulique dans ces zones inter-puits : par exemple, quelles sont les lois d'extrapolation dans ces réservoirs carbonatés ? Les difficultés rencontrées pour décrire le comportement et la dynamique des réservoirs à cette échelle intermédiaire sont largement dues au manque de connaissances concernant (1) les changements morphologiques et les extensions latérales/verticales des corps carbonatés (geobodies), (2) la dynamique des processus autocycliques et (3) le rôle des contraintes géologiques. Cette thèse a pour vocation de réduire les incertitudes rencontrées à la méso-échelle (échelle inter-puits hectométrique). La caractérisation de la géométrie, des tailles et de la distribution des corps diagénético-sédimentaires (geobodies) rencontrés à l'échelle de l'affleurement permettra d'améliorer l'upscaling du réservoir. Les corps sédimentaires sont plus difficiles à caractériser en milieu carbonaté qu'en milieu silicoclastique puisque les lithologies carbonatées sont peu contrastées et la diagenèse complexifie grandement leur identification. Peu d'études s'intéressent à ces relations multi-échelles dans les réservoirs carbonatés. L'un des objectifs principal du projet ALBION (TOTAL), dans lequel s'inscrit cette thèse, est de mieux appréhender les lois d'échelles qui existent entre des mesures ponctuelles (e.g. une mesure de porosité) et des mesures de plus grandes échelles. Plus largement, il s'agit d'améliorer la quantification et la caractérisation des géométries complexes des carbonates de subsurface. Capturer ces géométries permettra de mieux prédire la connectivité et le comportement des flux. Enfin, ces données seront précieuses pour l'exploration, la production et l'élaboration d'analogues carbonatés futurs. Outre l'aspect industriel, la problématique des corps carbonatés soulève de nombreuses questions académiques. Leur genèse résulte de l'action combinée d'une multitude de processus (physiques, biologiques et chimiques) au sein d'environnements de dépôts. Ces processus étant divers et intriqués, il sera essentiel d'identifier et de hiérarchiser la part de chaque processus à l'œuvre dans la formation d'un corps carbonaté. Le défi sera de caractériser et d'isoler du « bruit de fond stratigraphique » les volumes de carbonate (geobodies) qui sont intrinsèquement produits sensu stricto par des processus sédimentaires. En d'autres termes, nous essaierons de déconvoluer les processus sédimentaires de l'enregistrement stratigraphique. De plus, l'accent sera mis sur la physiographie du système carbonaté qui peut influer sur la création et la préservation des corps sédimentaires. La question pouvant être posée est la suivante : quelles sont les relations qui existent entre la géométrie des corps carbonatés et les facteurs de contrainte du milieu environnant ? De même, quelle est la cinétique de la mise en place des corps carbonatés ? L'analyse des géométries, des lithofaciès et des facteurs diagénétiques permettra également de challenger l'interprétation paléoenvironnementale classique des systèmes carbonatés, et notamment de préciser les liens entre communautés biologiques, conditions paléoenvironnementales, processus sédimentaires et stratigraphiques. Une attention particulière sera portée aux processus diagénétiques précoces qui agissent tout au long de la vie d'un corps carbonaté, de sa genèse à sa préservation. En effet, la diagenèse peut souligner l'héritage sédimentaire, le gommer ou bien le compartimenter, c'est la raison pour laquelle prédire son action et sa distribution demeurent deux tâches délicates. A l'heure actuelle, des modèles conceptuels de dépôts de la plate-forme urgonienne ont été établis mais ils ne dimensionnent pas les corps diagénético-sédimentaires et ne mettent que très peu l'accent sur les processus qui ont permis leur genèse. Lors de la thèse, il sera capital de dimensionner les corps sédimentaires et d'intégrer des processus sédimentaires et/ou stratigraphiques à nos modèles de dépôts. Un élément important de ce travail consistera en la réalisation de modèles numériques très hautes résolutions autour du secteur de la carrière de Lagnes (Monts de Vaucluse, 84), en utilisant des carottes existantes (#31 au total : 29x50m, 1x100m et 1x246 m), des fronts de taille (analyse sédimentologique et stratigraphique détaillée), des données photogrammétriques et/ou LiDAR, des données GPR, et éventuellement, des méga-blocks et des mesures diagraphiques dans des puits encore ouverts. Les acquisitions photogrammétriques et/ou LiDAR couplées à des acquisitions GPR seront réalisées sur la carrière de Lagnes pour obtenir un DOM (Digital Outcrop Model) évolutif (e.g. tous les 6 mois), synchrone à l'avancée du front de carrière. Cette topographie évolutive permettra d'obtenir un modèle 3D unique à très haute résolution des corps sédimentaires et de l'architecture stratigraphique à l'échelle de la maille réservoir. Les différentes données acquises seront implémentées et géoréférencées dans le logiciel skua_gOcad afin de faciliter la covisualisation et l'interprétation géologique. Parallèlement, la création d'une base de données quantitatives sur les dimensions, les géométries et la distribution des principaux corps sédimentaires sera entretenue tout au long de la thèse. La carrière de Lagnes expose de nombreuses questions scientifiques non résolues à ce jour. En effet, elle présente des séries à rudistes très poreuses et surépaissies, sans discontinuité sédimentaire majeure. La stratigraphie de la carrière est connue, mais d'un point de vue processus sédimentaires, il reste de nombreuses questions en suspens. S'agit-il d'une production à rudistes in situ ou exportée dans des environnements plus profonds (e.g. intercalations de faciès à oursins et présence de stratifications obliques) ? Comment ces dépôts se distribuent-ils ? La carrière a-t-elle enregistré des changements environnementaux majeurs ? Ce travail sur le secteur de Lagnes sera complété par une analyse bibliographique et des études de terrain d'autres secteurs pertinents dans la région PACA (à définir : Calissane, Orgon, Rustrel, Simiane, Gordes, Orgon, carrière de la Fare etc...). L'étude comparative d'autres affleurements, aux environnements de dépôts différents, permettra de mieux comprendre les relations entre les géométries et les processus sédimentaires et stratigraphiques. De même, ce travail permettra de compléter la base de données stratigraphiques et paléogéographiques de l'Urgonien. Un autre aspect important de cette étude sera d'améliorer la compréhension des processus et facteurs de contrôle ayant contribué à la mise en place de ce système biosédimentaire (production carbonatée, transport, bathymétrie, énergie etc...) et de les tester à l'aide de logiciel « basé-processus » de type SedRes. L'investigation des processus s'appuiera sur une recherche bibliographique exhaustive des possibles cas analogues anciens et modernes. Enfin, les modèles obtenus à partir de la modélisation basée processus (forward modelling) sur le logiciel SedRes seront testés et validés grâce aux données de carottes et d'affleurements. La modélisation forward permettra de fournir un cadre et sera indispensable pour valider ou rejeter les hypothèses géologiques faites à l'échelle du bassin. L'objectif de ce volet sera de tester l'influence des processus stratigraphiques sur la préservation des séquences carbonatées urgoniennes.

The objective of this thesis project is to characterize potential reservoir heterogeneities at the mesh scale of numerical models (deca-hectometric order in xy and decimetric-metric order in z) based on outcrop and core data. These heterogeneities may be related to the presence of carbonate geobodies that operate a lithological and/or preservation contrast which can be individualized from their reservoir. The present thesis will focus on the Provençal Urgonian platform (Upper Barremian-Lower Aptian), an outcrop analogue to the carbonate reservoirs of the Middle East. This is an important and historical scientific-industrial issue in the study of the Lower Cretaceous rudist-rich carbonates in the entire Tethysian rim, which has not yet been fully resolved. In reservoir simulation, the challenge consists in linking by numerical upscaling method the heterogeneities found at small scale (e.g. cores) to the mesh size of the reservoir model. This is a major challenge because it is difficult to predict the geological and hydraulic behavior in these inter-well zones: for example, what are the extrapolation laws in these carbonate reservoirs? Difficulties in describing reservoirs behaviours and dynamics at this intermediate scale are largely due to the lack of knowledge regarding the (1) morphological changes and lateral/vertical extensions of carbonate geobodies, (2) the dynamics of auto-cyclic processes and (3) the role of geological constraints. The aim of this thesis is to reduce the uncertainties found at the mesoscale (inter-well hectometric scale). The characterization of the geometry, sizes and distribution of the diagenetic-sedimentary geobodies will improve the upscaling of the reservoir. Geobodies are more difficult to characterize in a carbonate environment than in a silicoclastic environment because the carbonate lithologies are low in contrast and diagenesis greatly complicates their identification. Few studies are interested in these multi scale relationships in carbonate reservoirs. One of the main objectives of the ALBION project (TOTAL), in which this thesis is part of, is to better understand the laws of scales that exist between point measurements (e.g. a porosity measurement) and larger scale measurements. More broadly, the aim is to improve the quantification and characterization of the complex geometries in subsurface carbonates. Capturing these geometries will allow better prediction of connectivity and flow behavior. Finally, these data will be valuable for the exploration, production and development of future carbonate analogs. In addition to the industrial aspect, the issue of carbonate geobodies raises many academic questions. The genesis of carbonate geobodies results from the combined action of a multitude of processes (physical, biological and chemical) within depositional environments. As these processes are diverse and intertwined, it will be essential to identify and prioritize the part of each process at work in the formation of a carbonate geobody. The challenge will be to characterize and isolate from the ''stratigraphic background noise'' the volumes of carbonate (geobodies) that are intrinsically produced sensu stricto by sedimentary processes. In other words, we will try to deconvolve the sedimentary processes of the stratigraphic record. Furthermore, emphasis will be placed on the physiography of the carbonate system that can influence the creation and preservation of sedimentary geobodies. The question that may be asked is: what are the relationships between the geometry of carbonate geobodies and the stress factors of the surrounding environment? Similarly, what are the kinetics of the creation of geobodies? The analysis of geometries, lithofacies and diagenetic processes will also allow to challenge the classical paleoenvironmental interpretation of carbonate systems, and notably to specify the links between biological communities, paleoenvironmental conditions, sedimentary and stratigraphic processes. Particular attention will be paid to early diagenetic processes that act throughout the life of a geobody, from its genesis to its preservation. Indeed, diagenesis can highlight the sedimentary heritage, erase or compartmentalize it, which is why predicting its action and distribution remain two critical tasks. At present, conceptual models of the deposition regarding the Urgonian platform have been established, but they do not dimension the diagenetic-sedimentary geobodies and put very little emphasis on the processes that allowed their genesis. During the thesis, it will be crucial to dimension the sedimentary geobodies and to integrate sedimentary and/or stratigraphic processes in our deposition models. An important element of this work will consist in the realization of very high resolution numerical models around the Lagnes quarry area (Monts de Vaucluse, France), using existing cores (#31 in total: 29x50m, 1x100m and 1x246 m), quarry faces (detailed sedimentological and stratigraphic analysis), photogrammetric and/or LiDAR data, GPR data, and possibly mega-blocks and borehole logging measurements. Photogrammetric and/or LiDAR acquisitions coupled with GPR acquisitions will be carried out at the Lagnes quarry to get an evolving Digital Outcrop Model (e.g. every 6 months), synchronous with the advancement of the quarry front. This evolutionary topography will allow to obtain a unique 3D model at very high resolution of the sedimentary geobodies and stratigraphic architecture at the scale of the reservoir grid. The various data acquired will be implemented and georeferenced in the skua_gOcad software in order to facilitate covisualization and geological interpretation. In parallel, the creation of a quantitative database on the dimensions, geometries and distribution of the main sedimentary geobodies will be maintained throughout the thesis. Lagnes quarry exposes many scientific questions that have not been resolved to date. Indeed, it presents very porous and large rudist-rich carbonates series, without major sedimentary discontinuities. The stratigraphy of the quarry is known, but from a sedimentary process point of view, many questions remain unresolved. Is it a rudist production in situ or exported to deeper environments (e.g. intercalations of sea urchin facies and presence of tabular cross bedding)? How are these deposits distributed? Has the quarry saved major environmental changes? This work on the Lagnes sector will be complemented by a literature review and field studies of other relevant sectors in the Urgonian platform area (to be defined: Calissane, Orgon, Rustrel, Simiane, Gordes, Fare quarry etc.). The comparative study of other outcrops, with different depositional environments, will allow a better understanding of the relationships between geometries and sedimentary and stratigraphic processes. In the same way, this work will complete the stratigraphic and paleogeographic database of the Urgonian. Another important aspect of this study will be to improve the understanding of the processes and control factors that contributed to the creation of this biosedimentary system (carbonate production, transport, bathymetry, energy etc.) and to test them using ''process-based'' software such as SedRes. The investigation of the processes will be based on an exhaustive bibliographical research of ancient and modern analogues. Finally, the models obtained from forward modeling will be tested and validated using core and outcrop data. Forward modelling will provide a framework and will be essential to validate or reject geological hypotheses made at the basin scale. The objective of this component will be to test the influence of stratigraphic processes on the preservation of Urgonian carbonate sequences.