Architecture et propriétés pétrophysiques des zones de failles dans une série gréso-pelitique turbiditique profondément enfouie : rôle de la déformation et des interactions fluide-roche. Exemple des grès d'Annot (France)

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

Poly-phased fluid flow in the giant fossil pockmark of Beauvoisin, SE basin of France

The giant Jurassic-aged pockmark field of Beauvoisin developed in a 800 m wide depression for over 3.4 Ma during the Oxfordian; it formed below about 600 m water depth. It is composed of sub-sites organized in clusters and forming vertically stacked carbonate lenses encased in marls . This fine-scale study is focused on a detailed analysis of petrographical organization and geochemical signatures of crystals that grew up in early to late fractures of carbonate lenses, surrounding nodules, and tubes that fed them. The isotopic signature (C, O and Sr) shows that at least three different episodes of fluid migration participated to the mineralization processes. Most of the carbonates precipitated when biogenic seepage was active in the shallow subsurface during the Oxfordian. The second phase occurred relatively soon after burial during early Cretaceous and thermogenic fluids came probably from underlying Pliensbachian, Late Toarcian or Bajocian levels. The third phase is a bitumen-rich fluid probably related to these levels reaching the oil window during Mio-Pliocene. The fluids migrated through faults induced by the emplacement of Triassic-salt diapir of Propiac during the Late Jurassic and that remained polyphased drain structures over time

Architecture and petrophysical properties of fault zones affecting a deeply buried silico clastic arkosic succession : role of deformation mechanisms and fluid-rock interactions : example of the Grès d'Annot (external Alps)

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'ouvertures 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 pression-solution/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 radicalement la 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 montrent 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).Architecture and petrophysical properties of fault zones affecting a deeply buried silico clastic arkosic succession : Role of deformation mechanisms and fluid-rock interactions.Example of the Grès d'Annot (external Alps

Deformation bands in volcaniclastic rocks – Insights from the Shihtiping tuffs, Coastal Range of Taiwan

International audienceDeformation bands have been extensively studied in sandstones, whereas far less is known about bands occurring in porous volcaniclastic rocks. Here we investigate spectacular outcrop exposures of late Miocene tuffaceous rocks in the Coastal Range of Taiwan, which host several deformation band types: (i) disaggregation-dominated, layer-bound, sub-vertically-dipping pure compaction bands (PCB); (ii) cataclastic, layer-bound, reverse-sense compactional shear bands (RCSB); and (iii) non-layer-bound and intensely cataclastic transverse-sense compactional shear bands (TCSB). RCSBs and TCSBs host discrete slip surfaces on individual bands. The bands formed in an overall compressive stress regime related to convergence of the Eurasian and Philippine Sea plates. PCBs and RCSBs formed first, whereas progressive burial caused a shift to a transverse stress state and formation of TCSBs. The occurrence of cataclasis in RCSBs but not PCBs is inferred to be shear-driven, rather than confining-pressure-driven. Our findings suggest that cataclasis in deformation bands in volcaniclastic rocks is bimodal. Shear localization preferentially affects weak glass shards, causing intense comminution of volcanic glass. Feldspar, pyroxene and amphibole phenocrysts are comparatively less crushed, and cataclasis is strongly controlled by mineralogic cleavage planes. We conclude that increasing glass content reduces shear resistance, and that deformation bands in volcaniclastic rocks effectively exhibit a strain-weakening behavior

Contribution des méthodes d'imagerie drone à l'étude des bassins fracturés : application à la plate-forme mésozoïque nord-Aquitaine.

National audienceDans les bassins sédimentaires, la connaissance du réseau de fractures et de la manière dont il s'est développé au cours du temps permettent de mieux contraindre les conditions actuelles de migration des fluides (eaux, saumures, hydrocarbures, CO2). Bien que souvent associés aux données de reconnaissances (sismique 3D, forages...), ces réseaux peuvent également être observés et caractérisés à partir d'affleurements sur le terrain. Les surfaces stratigraphiques, en particulier, font l'objet d'un nombre croissant d'études avec le développement de l'imagerie à haute résolution à partir de drone. L'objectif de cette étude est de caractériser le réseau de fracturation de la partie nord du bassin Aquitain afin de reconnaître les principaux épisodes de fracturations. Pour cela, des ortho-images drone ont été acquises sur le littoral Atlantique entre la Vendée et la Charente Maritime. L'âge des terrains varient depuis l'Hettangien au nord jusqu'au Tithonien au sud. Cet enregistrement sédimentaire permet potentiellement d'estimer l'âge des déformations sur l'intervalle 200-150 Ma à l'aide des critères de chronologie relative. Cette approche est complétée par datation U/Pb sur cristaux de calcite qui remplissent certaines populations de fractures. Les premiers résultats mettent en évidence une période de calme tectonique entre 200 et 150 Ma, suivie par deux phases d'ouverture de fractures orientées E-W à la fin du Jurassique et au milieu du Crétacé supérieur. Localement, une reprise en compression selon une direction NNW-SSE recoupe l'ensemble des fractures en ouverture et est attribuée à la propagation en champ lointain de contraintes Pyrénéennes

Les sinkholes géants abyssaux du Blake Bahama escarpement : relations entre structures, fluides et physiographie des reliefs carbonatés.

International audienc

The abyssal giant sinkholes of the Blake Bahama Escarpment: evidence of focused deep-ocean carbonate dissolution

International audienceThis study reports the discovery of abyssal giant depressions located at the toe of the Bahamian carbonate platform, along the Blake Bahama structurally-controlled Escarpment (BBE) that exhibits up to 4 km of submarine elevation above the San Salvador Abyssal Plain (SSAP). Analysis of seismic reflection and bathymetric data collected during the CARAMBAR 2 cruise revealed the presence of 29 submarine depressions; their water depths range from 4584 m to 4967 m whereas their negative reliefs are elliptical in shape, range in diameter from 255 m to 1819 m, and in depth from 30 m to 185 m. The depression alignment trends are parallel to the BBE as well as to structural lineaments of the area, exclusively between 2200 and 5000 m from its toe, and overlies a buried carbonate bench in which a high-amplitude seismic anomaly has been detected. The depression density interestingly increases where the recognized structural lineaments intersect the BBE. Based on their physical attributes (i.e. location, jagged morphologies, water depths), we interpret these depressions as collapse sinkholes rather than pockmarks or plunge pools. The aforementioned observations suggest an atypical relationship between the spatial occurrence of the giant abyssal sinkholes, the carbonate platform tectonic structures, the buried carbonate bench that underlies the hemipelagites in the SSAP and the geomorphology of the area. According to the wider literature that reports fluid seepages along submarine carbonate escarpments, we propose that the ground water entrance during low sea-level stands, the dissolution of evaporites by meteoric water, the platform-scale thermal convection and the seawater entrance at the platform edge most probably collectively act in concert to favor the circulation of brines and therefore the corrosion within the Bahamian carbonate platform. These mechanisms are particularly efficient along the structural heterogeneities (e.g. the Sunniland Fracture Zone, SFZ) which act as fluid conduits localizing the dissolution and control the physiography of the area by maintaining the location of the sedimentary pathways. The dense fluids would migrate along the faults towards the BBE free edge and are subsequently trapped into the buried carbonate bench that laterally disappears below the low-permeability deep-sea hemipelagites of the SSAP. In consequence, the trapped corrosive fluids dissolve the carbonates preferentially along the tectonic structures such as the SFZ. They are this way at the origin of the BBE curvature and generate collapse-structures in the overlying fine-grained deposits finally resulting in the formation of giant abyssal sinkholes. This structurally-directed process of dissolution seems efficient to provide a brines density head to move out down to >4.5 km of water depth and is believed to have played a major role in the BBE 5-6 km erosional retreat

Contribution des méthodes d'imagerie drone à l'étude des bassins fracturés : application à la plate-forme mésozoïque nord-Aquitaine.

National audienceDans les bassins sédimentaires, la connaissance du réseau de fractures et de la manière dont il s'est développé au cours du temps permettent de mieux contraindre les conditions actuelles de migration des fluides (eaux, saumures, hydrocarbures, CO2). Bien que souvent associés aux données de reconnaissances (sismique 3D, forages...), ces réseaux peuvent également être observés et caractérisés à partir d'affleurements sur le terrain. Les surfaces stratigraphiques, en particulier, font l'objet d'un nombre croissant d'études avec le développement de l'imagerie à haute résolution à partir de drone. L'objectif de cette étude est de caractériser le réseau de fracturation de la partie nord du bassin Aquitain afin de reconnaître les principaux épisodes de fracturations. Pour cela, des ortho-images drone ont été acquises sur le littoral Atlantique entre la Vendée et la Charente Maritime. L'âge des terrains varient depuis l'Hettangien au nord jusqu'au Tithonien au sud. Cet enregistrement sédimentaire permet potentiellement d'estimer l'âge des déformations sur l'intervalle 200-150 Ma à l'aide des critères de chronologie relative. Cette approche est complétée par datation U/Pb sur cristaux de calcite qui remplissent certaines populations de fractures. Les premiers résultats mettent en évidence une période de calme tectonique entre 200 et 150 Ma, suivie par deux phases d'ouverture de fractures orientées E-W à la fin du Jurassique et au milieu du Crétacé supérieur. Localement, une reprise en compression selon une direction NNW-SSE recoupe l'ensemble des fractures en ouverture et est attribuée à la propagation en champ lointain de contraintes Pyrénéennes

Sand injectites network as a marker of the palaeoestress field, the structural framework and the distance to the sand source: Example in the Vocontian Basin, SE France

International audienceA large sand injectite network is very well exposed in the area of Bevons, Southeast France. The associated sandstone turbiditic channel–fill and the host marls are the Aptian–Albian rocks of the Vocontian Basin. The sand injection network is composed of dykes, sills and sedimentary laccoliths ranging in thickness from mm to pluri–m. The dykes and sills have vertical and horizontal lengths of up to and over 100 m and 1 km, respectively. Outcrop observations show that the architecture and morphology of the sand injectites in the marls is governed by the local stress field during injection, pre–existing faults, the host–rock lithology, compaction, and distance to the potential sand source(s). The main set of dykes is oriented N50–60° perpendicular to the minimum compressive stress σ3 during sand injection. Two other sets of dykes are intruded along pre–existing syn–sedimentary faults oriented N140–150° (set 2) and N90° (set 3) during the Apto–Cenomanian interval. Sills and dykes thin laterally away from their potential sand sources and thin laterally away from them. The vertical thickness variations of the dykes and wings are more complex, as thinning away from the sand sources is often compensated by thickening toward the palaeo–surface. Based on field observations and measurements, we characterized the 3D architecture of the sand injectites and showed that the injectites probably formed due to a forceful injection from an overpressured sand body sealed by low–permeability lithologies

The importance of the degree of cataclasis in shear bands for fluid flow in porous sandstone, Provence, France

International audienceDetermination of the membrane seal capacity of deformation bands is critical for managing geologic reservoirs in porous sandstones. In this study, we have analyzed a cataclastic shear-band network developed in uncemented porous sandstone in Provence, France. Geometrical analyses of the bands show significant differences between three types of bands (single strand, multistrand, and band cluster), sorted by their number of strands, their amount of shear displacement, and their thicknesses. At the microscopic scale, the image-analysis porosities and the grain-size distributions allow definition of three different types of microstructural deformation: damage zone, protocataclastic, and cataclastic. Whereas damage zone and protocataclastic deformations are observed in each type of band, cataclastic strands are observed in clusters and, sometimes, in multistrands. Cataclastic strands are characterized by a porosity reduction of 10 to 25% and a permeability reduction of three to five orders of magnitude compared to the host rock. Field observations of iron hydroxide precipitations around the bands suggest that cataclastic strands were membrane seals to water flow under vadose condition. This study therefore highlights the importance of the degree of cataclasis in shear bands as membrane seals to subsurface fluid flows in sandstone reservoirs