Tectonique des bassins et pétrophysique

Bilan de l’équipe " tectonique des bassins et pétrophysique "
Responsable : Dominique Frizon de Lamotte
I) Présentation de l’équipe et de son évolution.
Le pari fondateur de notre équipe était de faire vivre et travailler ensemble des collègues d’origine et de traditions différentes. L’équipe regroupe, en effet, des tectoniciens (Dominique Frizon de Lamotte, Jean-Claude Guézou, Pascale Leturmy), des magnéticiens des roches (Charles Aubourg, Philippe Robion) des pétro-physiciens (Christian David, Béatriz Menéndez), un géologue marin (Siegfried Lallemant), un pétrographe (Ronan Hébert) et un spécialiste de la modélisation mécanique (Bertrand Maillot). Au vu du nombre de publications en commun, on peut dire que l’expérience est réussie et que le socle des développements futurs est solide. De même, le nombre et la qualité des interactions avec les autres groupes de l’UMR 7072 valide le choix d’une unité commune avec nos collègues de Paris VI.
Depuis le dernier examen l’équipe a recruté un nouvel enseignant-chercheur, Béatriz Menéndez, (recrutée en 2001) mais c’est surtout du côté du personnel ITA et IATOS que l’évolution est la plus nette. L’arrivée de Jean-Marc Siffre en 2001 a permis le développement de nouvelles techniques expérimentales et la maintenance efficace des équipements. C’est un atout majeur. De même la gestion de l’équipe et nos relations avec les services centraux de l’université et de la délégation régionale ont grandement gagné en efficacité grâce à l’affectation par l’Université de Cergy-Pontoise, de Virginia Goncalvès et d’Eugénia Petitpas (dont le temps est partagé entre la recherche et pédagogie).
II) Problématique générale de l’équipe, chantiers
Nous nous intéressons principalement aux bassins sédimentaires déformés et aux roches qui les composent. Notre approche va du terrain et de l’analyse des données de sub-surface jusqu’aux modèles en passant, c’est notre originalité, par la mesure physique en laboratoire incluant le développement de nouvelles techniques. Nous conduisons des études intégrées permettant de comprendre l’évolution des propriétés physiques des roches au cours de la formation des grandes structures. Les applications concernent l’évaluation de la qualité des réservoirs en contexte tectonique complexe (" foothills ") et, de façon plus générale le problème du stockage (gaz, déchets) en milieu naturel.
L’aspect géodynamique est conduit en amont et en aval. En amont, pour préciser le contexte géodynamique dans lequel s’inscrivent les structures étudiées. En aval, car nos travaux ont évidemment des conséquences sur la compréhension des mécanismes géodynamiques qui ont permis leur développement.
Géographiquement, nous sommes actifs sur deux zones principales s’intégrant dans les chantiers " plaque arabe " et " Méditerranée " affichés par l’UMR :
au Moyen Orient de la Turquie au Pakistan en passant par le Zagros iranien où nous focalisons désormais nos travaux dans le cadre des programmes IT de l’INSU et du programme MEBE (voir mini-posters de Sylvain Grelaud, Matteo Molinaro et Sharam Sherkati).
en Afrique du Nord (Algérie, Maroc) (voir les mini-posters de Narimane Benaouali, Rabah Bracène et Bertrand Saint-Bezar) où nous avons toujours maintenu une activité. Celle-ci s’est intensifiée récemment grâce au projet TRANSMED.
Par ailleurs, nous gardons des " chantiers de proximité " dans les Corbières et les Alpes du sud où nous pouvons poursuivre des actions sur le long terme (voir les mini-posters de Guillaume Cairanne, Sylvain Grelaud et Christine Souque). De même, nos travaux dans le domaine de l’environnement s’appliquent en général à proximité immédiate (département du Val d’Oise).
III) Bilan de l’activité de l’équipe
1. Publications
Au cours de la période allant de janvier 2000 à juin 2003, les membres de l’équipe ont produit 54 articles de rang A dans les revues suivantes, classées par nombre de contributions : Tectonophysics (7) ; Physics and Chemistry of the Earth (6) ; A.A.P.G. Bull. (5) ; Marine Geology (5) ; J.G.R. (4) ; Bull. Soc. Géol. France (4) ; Geophys. J. Int. (2) ; J. Struct. Geol. (2) ; Sedim. Geol. (2) ; Marine and Petroleum Geology (2) ; Geol. Soc. Am. Bull. (2) ; J. Vol. Geoth. Res. (1) ; Am. Mineral. (1) ; Tectonics (1) ; Terra Nova (1) ; J. Neutron Res. (1) ; Computer and Geosciences (1) ; Geodinamica Acta (1) ; Int. Geol. Rev. (1) et chapitres de livres (7).
2. Organisations de sessions thématiques dans les congrès
Des membres de l’équipe ont été sollicités pour organiser et animer des sessions thématiques dans des congrès nationaux et internationaux :
2000 : " Compaction, subsidence and the mechanics of granular materials ", EGS annual meeting, Nice. (Christian David).
2002 : " Causes of pervasive and local remagnetizations ", EGS annual meeting, Nice. (Charles Aubourg).
2002 : " Algérie, Maroc, Tunisie : nouvelles données, nouveaux modèles ", RST, Nantes (Dominique Frizon de Lamotte).
2002 : Séance spécialisée de la Société Géologique de France sur la " Fabrique Magnétique " (Charles Aubourg et Philippe Robion).
2003 : " Magnetic fabric today : new approaches ", EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice. (Charles Aubourg).
2003 : " Dilatancy, compaction, failure modes and fluid flow in crustal rocks ", EGS-AGU-EUG joint assembly, Nice. (Christian David).
2003 : Christian David est membre du comité d’organisation de l’euro-conférence intitulée : " rock physics and geomechanics : micromechanics, flow and chemical reactions. "
3. Formation doctorale
Par rapport au contrat précédent, notre bilan en terme de soutenances de thèses est bien meilleur : 5 thèses soutenues plus 3 d’ores et déjà programmées pour la fin 2003. Ceci reflète d’une part le soutien affiché de la MSU qui a fléché vers notre équipe une allocation annuelle et d’autre part notre politique d’accueil de doctorants étrangers détachés de leur entreprise. Ainsi nous avons assuré et assurons l’encadrement d’ingénieurs de la SONATRACH (Algérie), de l’IMP (Mexique) et de la NIOC (Iran). Le décompte des thèses dans l’ordre chronologique et le devenir des doctorants sont précisés ci dessous :
1999 : Bertrand Saint Bezar : " Apport de la modélisation cinématique et du magnétisme structural à l’ étude d’un front de chevauchement aveugle : le Haut Atlas (Maroc) dans la région de Goulmima ". Thèse soutenue à l’Université de Cergy-Pontoise.
Directeurs : Dominique Frizon de Lamotte et Charles Aubourg. Bertrand est Maître de Conférences à l’Université Paris-Sud (Orsay).
2001 : Sylvain Grelaud (co-direction avec Ph. Robion) : " Comparaison de deux fronts montagneux : le front pyrénéen dans la région des Corbières (France) et le front de l’Himalaya dans le Salt Range (Pakistan). Thèse soutenue à l’Université Cergy-Pontoise en juin 2001.
Directeurs : Dominique Frizon de Lamotte et Philippe Robion. Sylvain effectue un post-Doc à Barcelone (allocation Curie de la CEE).
2002 : Rabah Bracène : " Géodynamique du nord de l’Algérie, impact sur l’exploration pétrolière ". Thèse soutenue à l’Université Cergy-Pontoise le 4 avril 2002.
Directeur : Dominique Frizon de Lamotte. Rabah est chef-géologue à la SONATRACH (Alger).
2002 : Christine Souque (co-direction avec Ph. Robion) : " Magnétisme Structural dans les chaînes de chevauchement-plissement : développements analytiques et examples d’utilisation dans les Corbières ". Thèse soutenue à l’université de Cergy-Pontoise le 20 septembre 2002.
Directeurs : Dominique Frizon de Lamotte et Philippe Robion. Christine effectue un post-Doc à l’Université de Leeds (financement BP).
2002 : Diégo Buil : " L’approche cinématique du plissement naturel : intérêts et limites. Développements autour de la notion de " trishear " ". Thèse soutenue à l’Université de Cergy-Pontoise le 26 septembre 2002.
Directeur : Dominique Frizon de Lamotte. Diégo effectue un post-Doc à l’IFP.
2003 : Laurent Louis : " Anisotropies microstructurales composites dans les roches réservoir :conséquences sur les propriétés élastiques et relation à la déformation ". Soutenance prévue : octobre 2003.
Directeurs : Christian David et Philippe Robion. Laurent a obtenu un post-doc de deux années à l’université de New York (Stony Brook)
2003 : Guillaume Cairanne : " Réaimentation chimique et filtrage des inversions magnétiques. Approche expérimentale et étude dans les Alpes du sud ". Soutenance prévue : septembre 2003.
Directeurs : Charles Aubourg et Jean-Pierre Pozzi (ENS). Guillaume est ATER à l’université de Corte.
2003 : Pedro-Ernesto Villasenor-Rojas : " Evolution structurale, contrôle sédimentaire et diagénétique sur le réservoir crétacé du champ de Cardénas (Mexique) ". Soutenance prévue : décembre 2003.
Directeurs : Siegfried Lallemant et François Roure (IFP). Pedro est ingénieur à l’IMP (Institut Mexicain du Pétrole).
4. Diffusion des savoirs
Nous considérons que la diffusion des savoirs à destination des étudiants comme du grand public fait partie de notre mission. Ainsi :
Christian David est auteur du chapitre " perméabilité des roches " dans le " Manuel de Mécanique des Roches " édité par le Comité Français de Mécanique des Roches aux " Presses de l’Ecole des Mines ".
Tous les membres de l’équipe ont participé à la rédaction de l’ouvrage " Problèmes résolus de sciences de la terre et de l’univers " coordonné par Charles Aubourg, Jean-Yves Daniel & Patrick De Wever, Vuibert, 2001.
Ronan Hébert, Bertrand Maillot et l’ensemble de l’équipe s’occupent de la publication progressive de documents pédagogiques sur le site internet du département (notes de cours, TD, TP, exposés sur divers sujets de géologie).
Dominique Frizon de Lamotte et Bertrand Saint Bezar ont participé à l’organisation de l’exposition " Maroc, Mémoire de la Terre " qui a eu lieu au Muséum National d’Histoire Naturelle au cours de l’automne 1999 et de l’hiver 2000. A cette occasion ont été publié un livre : " Maroc, Mémoire de la Terre ", éditions du Muséum National d’Histoire Naturelle (1999) ainsi que deux films vidéo :" Histoire Géologique du Rif " et " Histoire Géologique du Haut Atlas " dont ils sont co-auteurs.
Dominique Frizon de Lamotte, Pascale Leturmy et Christine Souque ont conçu un film vidéo de 20 mm intitulé " le Pli de Lagrasse ", réalisé par Sylvain Palfroy et produit par l’Université de Cergy-Pontoise. Les modalités de diffusion de ce document sont en cours de discussion.
5. Relations avec le milieu professionnel
L’une des caractéristiques de l’équipe est sa bonne expérience du travail en collaboration avec le monde industriel.
Nos relations sont anciennes avec l’Institut Français du Pétrole. Au cours de la période quadriennale, nous avons travaillé notamment dans le cadre du consortium " SUBTRAP " (Subthrust Reservoir Appraisal) piloté par François Roure. Depuis 2002, l’université de Cergy-Pontoise et l’IFP ont signé un accord cadre définissant pour les trois ans à venir les modalités de la collaboration. Celle-ci concerne tous les aspects de l’activité de l’équipe.
Christian David, Laurent Louis, Beatriz Ménendez et Philippe Robion ont réalisé pour Gaz de France un projet de recherche intitulé : " Etude intégrée de l’anisotropie des propriétés physiques de roches réservoir " (janvier 2001-juin 2002).
Dominique Frizon de Lamotte a participé au contrat ANDRA intitulé " Consolidation du modèle structural du site de Bure " sous la responsabilité de Françoise Bergerat (voir équipe Tectonophysique et sismotectonique).
Nous avons eu également des relations plus ponctuelles avec le BRGM (mesure d’ASM sur les granites de Mayenne, Charles Aubourg), et TFE (Pascale Leturmy a terminé à Cergy un projet commencé avec cette compagnie avant son recrutement).
Il faut aussi mentionner dans cette rubrique les relations avec les compagnies étrangères IMP (Mexique), NIOC (Iran), GSI (Iran), SONATRACH (Algérie) et OGDC (Pakistan). Outre les aspects " formation doctorale " mentionnés plus haut, leur appui est indispensable pour l’organisation logistique des missions de terrain dans les pays concernés.
6. Relations internationales
Au delà des collaborations individuelles forcément nombreuses, l’équipe est partie prenante d’un réseau informel d’équipes travaillant sur des problématiques proches ou complémentaires de la sienne. Ce réseau, vivant grâce à des invitations croisées, comporte des collègues de Barcelone (M. Fernandez, E. Roca, J. Vergès), Grenade (A. Crespo-Blanc), Leuven (R. Swennen), New York (T. Wong), Rome III (M. Mattei, F. Salvini, F. Storti), Uppsala (H. Koyi).
De façon plus formelle, Christian David est responsable français d’un programme de collaboration avec l’université d’Oviedo (Programme d’Actions Intégrées PICASSO).
IV) Etat de l’équipement du laboratoire expérimental de l’équipe
Depuis le dernier examen, le laboratoire expérimental de l’équipe " Tectonique des Bassins et Pétrophysique " s’est diversifié et développé de manière importante. Du point de vue expérimental, nous avons pratiquement réalisé tous nos objectifs par rapport à ce qui avait été affiché dans le contrat. Comme signalé plus haut, ceci n’aurait évidemment pas été possible sans la présence de Jean-Marc Siffre.
1. Mise en place d’un laboratoire de physique et mécanique des roches comprenant
Une presse triaxiale qui comprend une presse uniaxiale de charge maximale 100 kN, une cellule de confinement de capacité 15 MPa et deux pompes servo-controlées pour asservissement de la pression confinante et de la pression de pore. Avec ce dispositif il est possible d’étudier les variations des propriétés physiques (perméabilité, vitesse acoustiques) avec la déformation sous chargement triaxial.
Un système complet pour la mesure des propriétés acoustiques (vitesse des ondes P et S, atténuation) comprenant un oscilloscope, plusieurs jeux de capteurs ultrasoniques pour ondes P et S, et un générateur d’impulsions.
Un système complet pour mesurer la conductivité électrique des roches comprenant un conductimètre et un banc de mesures ad hoc.
Ce développement a été rendu possible notamment par le don fait en 2001 par le CEA de la presse triaxiale suite à la fin des activités du Laboratoire de Mécanique des Roches de Bruyères-le-Châtel et par le soutien du Conseil Général du Val d’Oise qui a financé à hauteur de 30 k€ l’équipement complémentaire autour de la presse (logiciel de pilotage, système de mesures par jauges extensométriques, capteurs de pression, équipement pour mesures acoustiques sous pression, etc...).
2. Développement autour des études en magnétisme des roches
Le laboratoire expérimental en magnétisme qui lui existe depuis plusieurs années s’est également développé avec notamment la construction d’une cage de Helmholz qui permet à présent de réaliser les mesures de rémanence en s’affranchissant des effets perturbateurs du champ magnétique terrestre ambiant. Par ailleurs, un four amagnétique est en voie d’achèvement : il permettra d’écranter là aussi le champ ambiant pendant la phase de chauffage des échantillons. Enfin une sonde Fluxgate a été acquise pour les études sur le terrain et la caractérisation du champ magnétique à l’intérieur des nouveaux dispositifs cités précédemment.
3. Nouveaux développements en géologie environnementale
Depuis l’arrivée de Beatriz Menéndez dans l’équipe, et avec l’appui du Conseil Général du Val d’Oise, des études en géologie environnementale sont développées concernant en particulier l’altération météorique des pierres de construction dans les monuments du Vexin Français. Pour cela nous avons acquis plusieurs étuves permettant d’étudier l’altération de roches par exemple lors de cycles gel-dégel, ou humidification-séchage.
4. Préparation d’échantillons et études microstructurales
Nous avons à présent dans notre équipe un laboratoire complet pour la confection de lames minces imprégnées (scies, polisseuses, appareil pour imprégnation sous vide), et en microscopie optique nous pouvons réaliser grâce à l’acquisition d’un filtre des études en mode de fluorescence qui a l’avantage de mettre en évidence la phase poreuse dans les roches.
V) Quelques Résultats significatifs
Parmi l’ensemble des contributions de l’équipe, nous avons regroupé ci-dessous celles qui nous semblent les plus importantes ou les plus significatives de notre activité. Le regroupement par rubrique a pour but d’aider à la lisibilité.
Cinématique et mécanique du plissement : (1) L’application des notions d’équilibre global des forces et de minimisation de l’énergie dissipée à un pli de cintrage sur rampe, nous a permis d’expliquer certaines observations (épaississement et glissement banc sur banc au toit de la rampe) qui sont en contradiction avec les modèles cinématiques classiques. L’hypothèse classique de charnière en kink est d’autre part justifiée à travers un nouveau modèle rhéologique prenant en compte le glisssement banc sur banc (Maillot et Leroy, 2003). (2) Par ailleurs et d’un point de vue strictement cinématique, on a montré que l’application du modèle " trishear " à la transition palier inférieur-rampe permettait, en autorisant l’acquisition progressive du pendage au toit de la rampe, des modélisations bien plus réalistes que les modélisations antérieures (Buil & Frizon de Lamotte, soumis).
Erosion-sédimentation, bilans globaux : Appliquées au Golfe de Guinée, la modélisation numérique des transferts de sédiments montre que leur dépôt en mer provoque des réajustements isostatiques à terre impliquant une réorganisation du réseau hydrographique et la migration des dépôts centre observée entre la fin du Crétacé et le Tertiaire (Leturmy et al. 2003 & Lucazeau et al. 2003) ;
Géodynamique : (1) Dans le cadre du consortium " TRANSMED ", et en collaboration avec des collègues de Barcelone, Grenade et Alger, nous avons réalisé les premières coupes lithosphériques complètes allant de la plate-forme saharienne à l’Europe stable (voir les deux mini-posters correspondants). Ceci nous a conduit à montrer que l’inversion de la chaîne de l’Atlas à la fin de l’Eocène précédait l’accrétion des blocs kabyles et rifains le long de la marge (Frizon de Lamotte et al., 2000 ; Bracène & Frizon de Lamotte, 2002 ; Frizon de Lamotte et al., ss presse ; Roca et al., ss presse) ; (2) Dans la chaîne du Zagros en Iran, nous mettons en évidence un changement brutal du style tectonique (modes du plissement) entre les deux branches de la syntaxe de Bandar Abbas (Molinaro et al., soumis). Dans la même région, la mesure systématique de l’anisotropie de susceptibilité magnétique, nous permet de disposer de trois repères structuraux différents (la linéation magnétique, les axes de plis et les axes P des séismes) correspondants à trois enregistrements successifs de la déformation. Sur cette base, une reconstruction en carte de l’évolution de ce secteur clé est proposé (Aubourg et al., soumis).
Géologie marine : Les recherches en géologie marine ont concerné essentiellement les prisme d’accrétion qui présentent de nombreuses analogies avec les chaînes plissées d’avant-pays. Le chantier le plus important a été celui du Japon dans un cadre de collaboration franco-japonaise pluri-organisme avec l’Ecole Normale Supérieure de Paris et l’école des Mines de Paris. Les résultats de la phase précédente de ce programme ont été publiés récemment (Henry et al., 2002, Mazzotti et al., 2002, Cochonat et al., 2002). S. Lallemant a participé à la campagne de sismique 3D " SFJ " sur le prisme de Nankai en qualité de co-chef de mission. Cette campagne a permis d’améliorer l’imagerie de la zone sismogène de la frontière de plaque ainsi que ses liens avec les failles actives affectant le complexe de subduction (splay faults). Notre contribution a porté sur l’interprétation géologique des sections et l’établissement d’une histoire tectonique de la marge ; elle sera concrétisée dans une série d’article en cours de soumission. Dans le cadre de notre collaboration avec la Division Géologie de l’IFP, S. Lallemant a également participé en Janvier 2002 à la campagne Caramba à bord de l’Atalante. Cette campagne de bathymétrie et sismique rapide a permis de mieux préciser le cadre structural des manifestations argilo-cinétiques du prisme sud-Barbade. Cette thématique fait l’objet de la thèse de Mlle Sophie Guerlais, co-dirigée par S. Lallemant et E ; Deville de l’IFP et qui devrait être soutenue début 2004.
Magnétisme structural : (1) Identification de textures composites (sédimentaires et tectoniques) dans des roches sédimentaires faiblement déformées (Aubourg et Robion, 2002) ; (2) Mise au point d’un protocole expérimental permettant de retrouver une fabrique magnétique primaire par chauffe des échantillons (Souque et al., 2002 ; Henry et al., 2003) ; (3) Démonstration du caractère précoce et pérenne (i.e. anté-plissement) de l’acquisition des fabriques magnétiques tectoniques lors de l’inversion d’un bassin sédimentaire (Frizon de Lamotte et al., 2002) ; (4) modélisation expérimentale de l’acquisition d’une aimantation chimique lors d’un changement de polarité du champ (Cairanne et al., 2003) ; (5) Caractérisation de la migration d’un front de réaimantation concomitant de la propagation des chevauchements dans le bassin d’avant-pays des Rocheuses (Canada) (Robion et al., in press).
Physique des roches : (1) Mise au point d’une méthode originale de mesure et d’estimation spatiale des anisotropies élastiques des roches (Louis et al. in press) ; (2) Mise en évidence de la relation entre variations de perméabilité et de porosité dans des roches réservoir soumises à un champ de contraintes anisotropes en régime de déformation fragile (Metz et al., 2003) ; (3) Evolution de la déformation à l’échelle des microstructures en fonction des contraintes appliquées lors d’essais triaxiaux (David et al., 2001). (4) Développement autour du microscope confocal pour la caractérisation de la déformation (Wong, David & Menéndez, ss presse). (5) Mise au point d’une méthode d’inversion unitaire applicable aux propriétés anisotropes des roches (Louis et al., soumis)

http://www.u-cergy.fr/article8773.html