Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Fault zones are major discontinuities in sedimentary basins. Understanding their role on fluid migrations is an essential issue to (i) characterize the mechanisms and kinematics of deformation and (ii) to determine the parameters which control the distribution of energetic or mineral resources. This work applies to faulting under a temperature range of 200-250°C, corresponding to that of deeply buried reservoirs as well as potentially seismogenic fault zones. The studied faults are normal faults affecting the “Grès d’Annot” Formation, a Priabonian-Rupelian siliclastic turbidite succession of the Alpine foreland basin. They are located in two distinct areas: the Moutière-Restefond area in the eastern part of the basin and the Estrop area in the western part. Vitrinite reflectance outside fault zones indicates maximal temperatures of 240-260°C at Moutière-Restefond and 170-200°C at Estrop, i.e. burial depths around 8 km and 6 km, respectively, assuming a mean geothermal gradient of 30°C/km. Burial was due to underthrusting below the Embrunais-Ubaye Alpine nappes, the difference in burial between the two areas traducing the westward taper of the nappe front.The studied faults affect alternating arkosic sandstone beds and pelite layers with offsets from centimeters to decameters. Two types of core zones are recognized: (1) the foliated core zones of the Moutière-Restefond area, where deformation dominated by pressure solution and synkinematic phyllosilicate neoformation resulted in a foliated fabric, and (2) the core zones of the Estrop area, characterized by dilatant quartz-mineralized veins and breccia. Fault and host rock petrophysical properties were measured on drill plugs, using the water porosity technique and nitrogen permeability technique under 2 Mpa of confining pressure. In the Moutière-Restefond fault zones, plug axes were oriented in three orthogonal directions corresponding to the main deformation axes (X, Y, Z) of the foliated arkose to characterize the effect of structural anisotropy. In the Estrop fault zones, where deformation does not show equivalent anisotropy, the plug axes were oriented according to the main fault plane orientation (i.e., parallel to azimuth, parallel to dip and normal). In each fault zone, the porosity of fault rocks is equivalent to that of host rocks. In the Moutière-Restefond fault zones, the plugs parallel to the X and Z axes of deformation have a permeability similar to that of the host rocks, whereas permeability parallel to the Y axis (i.e. parallel to the foliation and the main fault plane) is one order of magnitude higher. By contrast, the permeability values in the Estrop fault zones are isotropic and equivalent to the host rock values. This study highlights the importance of various types of deformation mechanisms and related fluid-rock interactions in determining different fault rock types within a similar protolith, ultimately controlling distinct petrophysical properties of fault zones.
Les zones de failles constituent des discontinuités majeures dans la croûte supérieure. Ce mémoire s’intéresse aux failles actives à des profondeurs de 5-8 km, i.e. dans des conditions pouvant jouer un rôle important (i) sur le comportement mécanique de de la croûte, en particulier sur son potentiel sismogénique et (ii) sur la compartimentation des réservoirs géologiques profondément enfouis.Les failles étudiées sont des failles normales (rejet jusqu’à 50 mètres) affectant des alternances de bancs de grès arkosiques et de pélites dans les Grès d’Annot, une formation turbiditique d’âge priabonien-rupélien du bassin d’avant-chaine alpin. Les Grès d’Annot ont été enfouis sous les nappes de l’Embrunais-Ubaye peu de temps après leur dépôt et exhumés au Miocène moyen-supérieur. L’étude a été réalisée dans deux secteurs des Alpes de Haute-Provence, (1) le secteur de l’Estrop (chaine des Trois Evéchés, dans la partie occidentale du bassin) et (2) le secteur de Point Vert-Restefond (alentours du col de la Bonette, dans la partie orientale du bassin). La réflectance de la vitrinite dans les Grès d’Annot indique des températures maximales de 160-190°C dans le secteur (1) et de 240-260 °C dans le secteur (2) , soit des profondeurs d’enfouissement de 5-6 km et 8-10 km, respectivement, dans l’hypothèse d’un gradient géothermique moyen de 25-30°C/km. A partir des observations microstructurales, de données d’inclusions de fluides, de modélisations thermodynamiques sur chlorites syncinématiques et des indices de cristallinité de l’illite, on a établi que les failles du secteur (1) ont fonctionné à une température d’environ 200°C pour une pression de 0.6Kbar et celles du secteur (2) dans une gamme de température de 200-220°C et de pression comprise entre 0.6 et 1.1 Kba. L’activité de la faille de Point-Vert a été datée par la méthode 40Ar/39Ar au Miocène inférieur (21 Ma). Ces failles sont interprétées comme associées aux premiers stades du soulèvement résultant de l’activité des chevauchements dans le socle sous-jacent.Deux types principaux de roches de failles caractérisent les failles étudiées. Les brèches dilatantes sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (1) alors que les arkoses foliées sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (2). Les brèches dilatantes témoignent de mécanismes de déformation dominés par la fracturation transgranulaire et la pression-solution des silicates. Ce dernier mécanisme se manifeste principalement par d’abondantes précipitations cycliques de quartz, les stylolites restant peu développés. Les géométries structurales sont associées à l’activation de plans T de Riedel déterminant l’ouverture de relais extensifs et un régime localement dilatant. Nous associons ce type de roche de faille à une faible pression effective au cours de la déformation.La déformation cisaillante exprimée dans les arkoses foliées témoigne de mécanismes de déformation dominés par (i) la fracturation intragranulaire et transgranulaire, (ii) la pressionsolution/ précipitation des silicates, principalement le quartz, (iii) la néoformation de micas blancs liée à l’altération des feldspaths et (iv) la précipitation de chlorite. Ce travail montre également que les transformations minéralogiques liées aux interactions fluide-roche dans la zone de faille (forte augmentation de la proportion des phyllosilicates au dépend des feldspaths) changent radicalementla composition minéralogique de la roche. Nous associons ce type de roche de faille à une forte pression effective au cours de la déformation.La pétrophysique montre que les brèches de failles (secteur 1) ont une perméabilité isotrope et équivalente à celle du protolithe (10-3mD sous 2 MPa de confinement) tandis que les roches foliées (secteur 2) montrent une augmentation de perméabilité (10-2mD) selon l’axe Y de la déformation, d’un ordre de grandeur supérieure aux perméabilités suivant les axes X et Z et dans la roche hôte (10-3mD). Ce drain préférentiel potentiel est associé à l’orientation des phyllosilicates dans la foliation.
https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01310382

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Éditeur(s) : HAL CCSD American Association of Petroleum Geologists
Résumé : International audience
We describe the structure, microstructure, and petrophysical properties of fault rocks from two normal fault zones formed in low-porosity turbiditic arkosic sandstones, in deep diagenesis conditions similar to those of deeply buried reservoirs. These fault rocks are characterized by a foliated fabric and quartz-calcite sealed veins, which formation resulted from the combination of the (1) pressure solution of quartz, (2) intense fracturing sealed by quartz and calcite cements, and (3) neoformation of synkinematic white micas derived from the alteration of feldspars and chlorite. Fluid inclusion microthermometry in quartz and calcite cements demonstrates fault activity at temperatures of 195degC to 268degC. Permeability measurements on plugs oriented parallel with the principal axes of the finite strain ellipsoid show that the Y axis (parallel with the foliation and veins) is the direction of highest permeability in the foliated sandstone (10-2 md for Y against 10-3 md for X, Z, and the protolith, measured at a confining pressure of 20 bars). Microstructural observations document the localization of the preferential fluid path between the phyllosilicate particles forming the foliation. Hence, the direction of highest permeability in these fault rocks would be parallel with the fault and subhorizontal, that is, perpendicular to the slickenlines representing the local slip direction on the fault surface. We suggest that a similar relationship between kinematic markers and fault rock permeability anisotropy may be found in other fault zone types (reverse or strike-slip) affecting feldspar-rich lithologies in deep diagenesis conditions.
ISSN: 0149-1423

hal-00903428
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DOI : 10.1306/03071312127

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : The Restefond fault, located in the Late Eocene-Early Oligocene Alpine foreland basin, affects the well lithified and low porosity Grès d'Annot. The fault core zone is characterized by the occurrence of highly deformed sandstone lenses. Deformation inside the lenses corresponds to mm to sub-mm-spaced cleavage planes rich in phyllosilicates and up to cm-thick and dm-long quartz-calcite pure extensional veins. The cleavages are mostly composed of newly-formed synkinematic white mica and chlorite. By using thermodynamic thermometers based on the chemical composition of chlorite, a temperature of 200 ± 20 °C of fault activity was computed. This temperature shows that the Restefond fault was active at burial conditions comprised between 6.5 and 8 km, assuming a mean geothermal gradient between 25 and 30 °Ckm−1. The petrophysic properties of sandstones from the core zone and in the hanging and foot wall of the fault were determined on drilled plugs following three spacial directions. The permeability of the highly deformed sandstone from the core zone is about one order of magnitude higher than in the host rock. This increase in permeability occurs in the direction parallel to the S-C structures and is explained by the occurrence of well-connected micropores localized between platy phyllosilicates. This study shows that the fault petrophysic properties are mostly controlled by the precipitation of synkinematic phyllosilicates under deep burial conditions.
Swiss Journal of Geosciences

hal-00795551
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00795551
DOI : 10.1007/s00015-012-0099-z

Éditeur(s) : HAL CCSD Wiley-Blackwell
Résumé : Combined petrographic study and apatite fission track analysis (apatite FTA) across the Gres d'Annot basin document maximum temperatures reached by this turbiditic sandstone formation, from around 60 degrees C at the SW basin margin up to around 200 degrees C below the Penninic frontal thrust, in relation to burial below the front of Alpine nappes. Increasing diagenetic grade across the basin is primarily expressed by the development of silica transfer by pressure solution and correlated porosity loss. We infer the nappe thickness profile, from the nappe front in the SW up to around 8-10 km in the NE. Apatite FTA dates exhumation of the Gres d'Annot during the Late Miocene, in relation to thrusting of the underlying Argentera and Barrot Palaeozoic massifs. This study illustrates the influence of thrust front propagation on foreland basin diagenesis and exhumation, and highlights potential implications for the evolution of sediment reservoir properties in this context.
ISSN: 0954-4879

hal-00411860
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00411860
DOI : 10.1111/j.1365-3121.2008.00793.x

Éditeur(s) : HAL CCSD Wiley-Blackwell
Résumé : This study describes normal fault zones formed in foreland arkosic turbidites (the Grès d'Annot Formation, SW French Alps) under deep diagenesis conditions (~200 °C) and highlights the occurrence of two markedly different fault-rock types: (1) the foliated fault rocks of the Moutière-Restefond area; and (2) the dilatant fault rocks of the Estrop area. The deformation of (1) is dominated by intra- and transgranular fracturing, pressure solution of quartz and feldspar grains and syn-kinematic phyllosilicate precipitation resulting from feldspar alteration. The combination of these mechanisms results in a strongly anisotropic strain with intense shortening normal to the foliation (pressure solution) and extension parallel to the foliation (quartz- and calcite-sealed extension veins). This deformation implies local mass transfer that may be achieved without (or with limited) volume change. The deformation of (2) is expressed as dilatant quartz-sealed veins and breccia textures in which the main mechanisms are transgranular fracturing and quartz precipitation. Type (2) implies fault volume increase, isotropy of deformation and mass transfer at distances larger than in type (1). This study discusses the origins of (1) and (2) and shows that the permeability of (1) is anisotropic, with higher values than the host rocks parallel to the Y main deformation axis (i.e. perpendicular to the slip vector), whereas the permeability of (2) is isotropic and equivalent to that of the host rocks.
ISSN: 0954-4879

hal-01115177
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01115177
DOI : 10.1111/ter.12100

Éditeur(s) : HAL CCSD Mineralogical Society
Résumé : The diagenetic evolution of the magnetic minerals during burial in sedimentary basins has been recently proposed. In this study, we provide new data from the Grès d’Annot basin, SE France. We analyze fine-grained clastic rocks that suffered a burial temperature from ~60 to >250 °C, i.e., covering oil and gas windows. Low temperature magnetic measurements (10–300 K), coupled with vitrinite reflectance data, aim at defining the magnetic mineral evolution through the burial history. Magnetite is documented throughout the entire studied transect. Goethite, probably occurring as nanoparticles, is found for a burial temperature <80 °C. Micron-sized pyrrhotite is highlighted for a burial temperature >200 °C below the Alpine nappes and the Penninic Front. A model of the evolution of the magnetic assemblage from 60 to >250 °C is proposed for clastic rocks, containing iron sulfides (pyrite) and organic matter. This work provides the grounds for a better understanding of the magnetic properties of petroleum plays.
ISSN: 0009-8558

hal-01122812
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01122812
DOI : 10.3390/min4030667

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Among erosion processes, river incision is classicaly described as a key process controlling erosion of landscapes. Incision efficiency is mainly influenced by climate and erodibility. This latter is not only dependent on the nature of the bedrock, but also on its past deformation, which affects its rheological effective properties, such as fracture density. The main objectives of this thesis are: (1) to better constrain the relationship between effective properties and erodibility, and (2) to quantify the influence of erodibility and erosion on both the temporal and spatial building or decay of the topography. Several numerical tools are developed. A 1D formalism of landscape evolution is introduced, including river incision with stochastic distribution of water discharge and hillslope landsliding. A new remeshing algorithm called Surface Lagrangian Remeshing (SLR) is developed as a complement to remeshing algorithms dealing with internal elements. It allows one to take into account long-term erosion into 2D Lagrangian numerical codes based on triangular finite elements. Then the potentiality of measuring erodibility in-situ using a Schmidt hammer (R) is assessed for the active orogen of Taiwan, the diagenetic Annot sandstones and St Clement fault zone. Results suggest a strong control of R by effective properties. A linear model based on effective medium theory is applied to a fault zone with an unmacthed resolution (750 measures, 25 measures per square meter). The model successfully correlates R to fracture density. These results demonstrate that effective elasticity as well as erodibility are sensitive to the density and type of fractures. Finally I focus on the erosional and rheological conditions that allows reproducing post-orogenic evolution of mountain belts. A model coupling surface erosion and regional isostatic uplift is consistent with observations. The topographic decay and decrease of the ratio of surface elevation over crustal root thickness is at first order controlled by the initial geometry of the mountain belt and erosion efficiency. This new model highlights the control ofclimate and erodibility on the topographic decay and of lithospheric rheology on the perseverance of crustal roots.
Parmi les processus d'érosion, l'incision des rivières est classiquement décrit comme un processus clé contrôlant l'érosion des paysages. L'efficacité de l'incision est principalement influencée par le climat et par l'érodabilité. Ce dernier paramètre ne dépend pas seulement de la nature du substratum rocheux, mais aussi de sa déformation passée qui affecte ses propriétés rhéologiques équivalentes. Les principaux objectifs de cette thèse sont: (1) de mieux contraindre les relations entre propriétés équivalentes et érodabilité, et (2) de quantifier l'influence de l'érosion et de l'érodabilité sur la formation ou la décadence, spatiale et temporelle, de la topographie. Plusieurs outils numériques sont développés. Un formalisme 1D d'évolution des paysages est proposé, prenant en compte simultanément l'incision des rivières avec une distribution stochastique des débits en eau et l'érosion des versants par glissements de terrain. Un nouvel algorithme de remaillage appelé Surface Lagrangian Remeshing (SLR) est développé. Il permet de prendre en compte l'érosion à long terme dans les codes numériques 2D Lagrangiens basés sur des éléments finis triangulaires. Ensuite, la possibilité de mesurer in-situ l'érodabilité avec un marteau de Schmidt (R) est évaluée pour: l'orogène actif de Taiwan, les grès diagénétiques d'Annot et la zone de faille de St Clément. Les résultats suggèrent un fort contrôle de R par les propriétés équivalentes des roches testées. Un modèle linéaire, basé sur la théorie des milieux équivalents, est appliqué à une zone de faille avec une résolution inégalée (750 mesures, 25 mesures par mètre carré). Le modèle permet de corréler avec succès la densité de fracture et R. Ces résultats démontrent empiriquement que l'élasticité équivalente ainsi que l'érodabilité sont sensibles à la densité et à la nature des fractures. Enfin j'étudie les conditions d'érosion et de rhéologie qui permettent de reproduire l'évolution des chaînes de montagnes post-orogéniques. Un modèle couplant érosion en surface et soulèvement isostatique régional est compatible avec les observations. Les taux de décroissance topographique et de diminution du rapport de l'élévation de surface sur l'épaisseur de racine crustale sont contrôlés au premier ordre par la géométrie initiale de la chaîne de montagne et par l'efficacité de l'érosion. Ce nouveau modèle met en évidence le contrôle du climat et de l'érodabilité sur la décroissance topographique et de la rhéologie lithosphérique sur la persévérance des racines crustales.
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00602341

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