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)

Abstract

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