La modélisation de bassin est un des objectifs majeurs de l'exploration pétrolière. Elle a pour but la compréhension de l'évolution du potentiel pétrolier dans le temps et l'espace. La résolution se fait en deux étapes : une étape inverse qui construit l'évolution de la géométrie dans le temps appelée étape de restauration ; une étape directe qui simule le transfert des fluides au cours des temps géologiques. Dans ce rapport, on résout le problème cinématique réversible par une approche qui consiste à intégrer le plus tôt possible (donc dès le dessin des structures plissées et faillées dans leur état actuel) des critères de compatibilité qui assureront au mieux d'abord (1) la restauration puis (2) la re-déformation de plusieurs blocs chevauchants. Nous utilisons pour cela des règles de trigonométrie et des lois de déplacement simplifiées. Les deux modes de déplacement considérés sont le cisaillement vertical et la flexion, ceux-ci peuvent être utilisés au choix en fonction du type de formation. Dans une première partie, l'idée a été d'améliorer la construction du modèle de faille en introduisant un critère de filetage, qui assure un glissement entre les blocs le long du plan de faille. Dans une seconde partie, le prototype a été validé sur de nombreux cas de complexité géologique croissante, en mode réversible. Ce travail a mis en évidence tout l'intérêt de s'appliquer à améliorer la construction du modèle dès que possible pour le restaurer et le déformer.

La chaîne hercynienne construite à la fin du Paléozoïque résulte de la convergence entre deux plaques majeures Laurussia et Gondwana. L'objectif de ce travail est d'étudier le potentiel des bassins sédimentaires à enregistrer la naissance des reliefs et l'exhumation des roches au cours des stades précoces de cette orogène. Les séries sédimentaires étudiées (Ordovicien à Carbonifère de l'Unité des Mauges, Domaine-Sud Armoricain, France), bien que localisées dans les zones internes de la chaîne, sont faiblement déformées. Une approche pluridisciplinaire (structurale, sédimentologique, géochronologique) a été développée pour contraindre la paléogéographie de la chaîne et la nature du matériel en cours d'érosion durant sa construction. Les séries sédimentaires ordoviciennes à dévoniennes enregistrent un rifting Dévonien inférieur marqué par une discordance (formation d'épaulements de rift). Cet évènement pourrait être lié à l'ouverture d'un bassin arrière-arc (St-Georges-sur-Loire). L'existence de l'arc magmatique est enregistrée par des zircons détritiques à ca. 400 Ma dans la Fm de Sainte-Anne. La lacune de sédimentation du Dévonien moyen pourrait être liée à une période d'émersion. Le retour de la mer après une destruction des premiers reliefs a lieu au Dévonien supérieur. La collision intervient à la transition Dévonien/Carbonifère. Les séries carbonifères (Fm d'Ancenis) sont préservées dans un bassin grâce à une réactivation de la zone de suture du bassin arrière-arc. La méga-séquence régressive identifiée enregistre une surrection des reliefs et l'exhumation progressive du matériel hercynien (roches magmatiques et métamorphiques).

Le Tian Shan est une chaîne intracontinentale d’Asie Centrale, dont la structure lithosphérique résulte de l’accrétion de divers blocs au cours du Paléozoïque. Son histoire tectonique récente est marquée par sa réactivation au Tertiaire, liée à la collision entre l’Inde et l’Asie. L’histoire topographique et tectonique de la chaine entre les deux orogenèses majeures (paléozoïque terminal et cénozoïque) reste peu contrainte. Cette thèse associe deux approches, la sédimentologie et la thermochronologie basse température, dans le but de déterminer de façon qualitative l’évolution de la topographie au cours du Mésozoïque.Le démantèlement des reliefs associés à la chaine tardi-paléozoïque s’achève au Trias supérieur. Il est suivi d’une activité tectonique très faible au Jurassique, majoritairement transtensive et caractérisée par des taux d’exhumation très faibles dans le Tian Shan. Une surface majeure de pénéplanation se développe alors en Asie Centrale. A la limite Jurassique – Crétacé, la mise en place de cônes alluviaux indique une réactivation de la chaîne, qui n’est néanmoins pas suffisante pour être enregistrée par la thermochronologie. Cette période est caractérisée par un régime généralement extensif en Asie Centrale (jusqu’au Bassin Caspien qui s’ouvre à l’est), et précède la phase d’exhumation lente, qui suit au Crétacé inférieur. La chaîne est progressivement réactivée à partir de 100 Ma et pendant le Crétacé supérieur, ce qui pourrait correspondre à un effet retardé de la collision du Bloc de Lhassa (140 - 120 Ma). Vers 65 - 60 Ma, une phase d’exhumation rapide atteste d’une réactivation plus intense et localisée le long des principales failles. Elle est sans doute liée aux collisions de blocs le long de la marge sud-ouest de l’Asie (e.g. Bloc du Kohistan, arc du Dras, Bloc Afghan). Dans la région du Tian Shan, l’activité tectonique semble totalement s’arrêter au Paléocène permettant le développement d’un niveau majeur de calcrêtes, avant la nouvelle réactivation au Néogène. Par conséquent, l’association des données de thermochronologie sur le socle avec la reconstruction des milieux de dépôt dans les différents bassins, montre que la paléo-chaîne du Tian Shan s’aplanit durant le Mésozoïque. Des évènements tectoniques de faible envergure ont lieu en Asie Centrale, induits par les principaux mouvements géodynamiques le long des bordures entourant l’Asie. Pourtant leur enregistrement est incomplet et seule la combinaison des deux approches étudiées permet de reconstituer l’évolution topographique et paléogéographique du Tian Shan. / The Tian Shan is an intracontinental range located in Central Asia. The structure of the range formed during the Paleozoic through the accretion of several blocks. Recently the range has been reactivated due to far-field effects of the collision between India and Asia. The topographic and tectonic evolution of the range in-between these two major relief-building phases (Late Paleozoic and Cenozoic) is still poorly understood. Two different approaches are combined in this work, in order to determine the Mesozoic topographic evolution of the area, in a qualitative way.The Late-Paleozoic range has been progressively eroded until the Upper Triassic/Lower Jurassic. Tectonic activity was relatively quiet during the Jurassic characterised by low exhumation rates. We suggest that the tectonic regime was dominated by transtension in the Tian Shan area. This period is linked to a regional peneplanation in Central Asia. At the Jurassic-Cretaceous boundary, the occurrence of alluvial fan deposits shows a reactivation of the range, though not strong enough to be recorded by low-temperature thermochronology. This period is characterised by an overall extensional tectonic regime all over Central Asia, with the opening of the Caspian Basin further west. It precedes the phase of very slow exhumation that occurs during the Lower Cretaceous. From 100 Ma and during the Upper Cretaceous, the range is progressively reactivated. We suggest that this correspond to a delayed answer of the Lhassa bloc collision (140 - 120 Ma). Around 65 - 60 Ma, a new phase of rapid exhumation attests of a stronger reactivation, localised along the major faults. This is contemporary of bloc collisions along the south-west margin of Asia, such as the Kohistan Block, the Dras arc or the Afghan Block. In the Tian Shan area, the development of calcrete features in the Paleocene suggests the end of tectonic activity, before the new reactivation in the Neogene.The combination of low temperature thermochronology on the basement rocks and facies sedimentology in the various basins indicate that while during the Mesozoic, the Palaeo-Tian Shan topography generally flattens, some small-scale tectonic events driven by far-field effects of major geodynamic processes around the edges of Asia did occur. However, those tectonic movements did not induce enough exhumation to be recorded by low temperature thermochronometers. Only the sediment record allows their detection and detailed description.

Ce travail porte sur la caractérisation de la source et de la dynamique des fluides de bassin au cours de leur chargement à travers deux exemples complémentaires de demi-grabens tardi-orogéniques pétroliers : Le Bassin Permien de Lodève, aujourd'hui à l'affleurement et un bassin jurassique enfouis dans le North Viking Graben (Mer du Nord). Le cœur de la thèse concerne le Bassin de Lodève où, à partir d'une approche pluridisciplinaire intégrée, nous avons caractérisé l'architecture des minéralisations (Ba, F, Cu, Pb) piégées dans un réseau paléokarstique alimenté par les failles syn-rift, dans le substratum carbonaté à l'apex du roll-over. La source, le calendrier et les conditions de migration des fluides ont été approchés à partir de l'analyse de la micro-fabrique, la microthermométrie sur inclusions fluides, les analyses isotopiques (Sr, S, O, H) et de Terres Rares. Les résultats analytiques ont été enfin croisés avec un modèle thermique et structural du bassin qui conforte la séquence et la dynamique du système fluide en cours d'enfouissement. Une démarche similaire, mais plus limitée, a été conduite dans le bassin du North Viking Graben où l'accès aux marqueurs fluides est restreint aux données de sismique 3D et de carottes. Comme à Lodève, les minéralisations Ba-Pb-Zn colmatent un réservoir dans le substratum à l'apex du roll-over. Elles se présentent sous forme de ciments dans des grès ou des fractures. Cette analyse apporte des contraintes complémentaires et permet de proposer un modèle dynamique général avec des variantes en fonction de la nature des fluides et des réservoirs. On retiendra donc la séquence fluide suivante :(a) Dans le cas du bassin de Lodève sur substratum carbonaté, les chemins préférentiels de drainage se développent dans des paléocanyons N-S couplés à un réseau de fractures et d'endokarsts météoriques. Ces derniers sont élargis en début de rifting par la dissolution hypogène sulfurique produite par l'oxydation bactérienne de la pyrite des blackshales, au contact de l'aquifère oxydant du Cambien.(b) Le déséquilibre de compaction initie la migration des fluides interstitiels en surpression vers les marges avec des températures autour de 150-180°C et des salinités entre 9 et 18wt%eq.NaCl. Les analyses isotopiques (Sr, S, O) révèlent que la majorité des fluides provient de l'altération diagénétique des blackshales riches en métaux. Des interactions sont également mises en évidence avec des fluides profonds (entre 240°C et 260°C ; salinités > à 20wt%eq.NaCl), qui lessivent les granites tardi-hercyniens.(c) Pendant le syn-rift, les conditions de surpression de fluide permettent la réactivation cyclique des failles, les décollements stratigraphiques et la formation de brèches hydrauliques, favorisant la mise en connexions avec les réservoirs superficiels à l'apex du roll-over. Le modèle de Sibson ajusté aux fluides de bassins est alors le moteur de la migration verticale.(d) Les fluides thermogéniques commencent à être expulsés avec les derniers fluides de compaction au cours d'un stade plus évolué de l'enfouissement en empruntant les mêmes chemins jusqu'à l'apex du roll over. Ils sont alors partiellement freinés et déviés par les colmatages minéralisés antérieurs.(e) A Lodève, la continentalisation des minéralisations antérieures au cours de l'exhumation post-rift conduit à leur remaniement partiel au niveau de la transition sulfate-méthane induite par l'interaction entre une playa évaporitique et la dysmigration des hydrocarbures. Des barytines secondaires de basse température, déprimées en Sr sont alors précipitées de manière synsédimentaire dans des karsts météoriques du socle.Outre l'illustration d'un modèle complet (source to sink) de dynamique des fluides dans un bassin, ce travail apporte de nouvelles contraintes dans l'approche du colmatage des réservoirs à hydrocarbures sur les têtes de blocs basculés et sur la genèse des gîtes miniers de type Mississippi Valley-Type. / This work focus on the characterization of the source and dynamic of compactional fluids during sedimentary burial, through two complementary examples of late orogenic oil-field half-grabens: The exhumed Lodève Permian Basin and a deep buried Jurassic basin in the North Viking Graben (North Sea).Constituting the main part of the thesis, a multi-disciplinary approach was conducted in the Lodève Basin where Ba-F-Cu-Pb polymetalic mineralized systems are trapped into synrift faults and paleokarsts in the carbonate basement at the hinge point of the roll-over. The source, timing and P/T conditions of fluid migration were deduced from the analysis of the microfabric, the fluid inclusions microthermometry, and the isotopic (Sr, S, O, H) and Rare Earth Element (REE) signature. Results are then crossed with a structural and thermal modeling that consolidates the sequence and dynamics of fluid during burial.A similar approach was conducted in the North Viking Graben where fluid markers are restricted to 3D seismic and well core data. Comparable Ba-Pb-Zn veins are reported in basin margin, plugging one of the most important siliciclastic hydrocarbon reservoir in the substratum. This analysis provides additional constraints on basinal fluid behavior and allows us to propose a global dynamic model for various compositions of fluids and reservoirs.We conclude to a polyphase fluid sequence history including:(a) In the carbonate basement of the Lodève Basin, karstic paleocanyon incisions and associated cavities coupled to synrift fault, act as major drain for fluids. These structures are early affected by hypogen-sulfuric karstification in response to the interaction between bacterial oxidation of sulfides entrapped within Lower Permian blackshales and the basement oxidizing aquifer.(b) Disequilibrium compaction initiates overpressure-driven basinal fluid migration towards basin margins, characterized by temperatures around 150-180°C and salinities between 9 et 18wt%eq.NaCl. Isotopic (Sr, S, O) and REE analyses reveal that Ba-M+-rich mineralizing fluids derived mainly from buried blackshales diagenesis. External Fluids coming from the lower crust are also identified that play a key role in fluorite precipitation by the leaching of late hercynian granites (mean temperature of 250°C and salinity > 20wt%eq.NaCl).(c) During the synrift period, fluid overpressure is responsible for the periodic reactivation of fault plane according to seismic-valve process, bedded-control shearing and hydraulic brecciation at the basement-seal interface. These mechanisms induce cyclic polymetallic mineralization by the mixing between in situ formation water and deep ascending basinal fluids.(d) Thermogenic fluids expulsion starts with last basinal fluids during late burial stage. Hydrocarbons thus migrate along the same regional pathways up to the rollover crest, where they are partly rerouted by the previous mineralized baffle.(e) In the Lodève basin, post-rift exhumation of the margins led to the remobilization of synrift deposits by subaerial biochemical processes at the sulfate-methane transition. The latter results from the interaction between the still active hydrocarbon dysmigration with a playa lake sulfate-rich aquifer. Secondary low-temperature barite fronts precipitate then within basement meteoric karsts.In addition to the « source to sink » model of basinal fluids, this work provides new insights on the early plugging of hydrocarbon reservoirs and for the metallogenesis of Mississippi Valley-Type deposits.

La mer de Marmara est la clef de voûte d’un système hydrique complexe entre la Méditerranée la mer Noire où l’équilibre des courants a souvent été rompu, lorsque le niveau global des océans passait sous celui des détroits. L’alternance de sédiments lacustres et marins témoigne de ces variations. La mer de Marmara est aussi une structure tectonique active traversée par la branche nord de la faille Nord-Anatolienne. Cette faille décrochante continentale, l’une des plus longues du monde, est régulièrement à l’origine de forts tremblements de terre. Les études scientifiques sont nombreuses à vouloir caractériser le fonctionnement actuel et passé de la faille pour préciser l’aléa sismique auquel Istanbul est exposé. Cette thèse est constituée de deux études qui s’attaquent à cette question.La première est une étude de la géométrie de la croûte basée sur l’analyse d’un modèle 3D construit par inversion de données gravimétriques corrigées de l’influence des bassins sédimentaires. Le modèle permet de quantifier le rôle des contraintes extensives et révèle le rôle de flux ductiles dans l’amincissement de la croûte inférieur étalé au-delà des limites des bassins. La deuxième étude visait à confirmer les modèles d’âges proposés actuellement en mer de Marmara par l’étude direct des sédiments à l’origine des premiers réflecteurs sismiques interprétés. Les méthodes employées vont de la géophysique à la caractérisation paléo-environnementale des dépôts en passant par le paléomagnétisme et la téphrochronologie. Les résultats ont permis de dater précisément le premier réflecteur ainsi que d’en comprendre l’origine. L’âge que nous proposons est plus jeune que ceux déterminés jusqu’alors. / The Marmara Sea is the keystone of a complex hydrological system between the Mediterranean and the Black Sea. There, the balance between inputs and outputs has been disturbed during glacial periods when the global ocean level dropped below the sill depths, isolating the Marmara Sea. The alternation of marine and lacustrine sediments reflects these variations. The Sea of Marmara is also an active tectonic structure cut by the North-Anatolian fault northern branch. The ruptures of this continental dextral transform fault, one of the longest in the world, are regularly causing massive earthquakes. Many scientific studies are aiming at characterizing the fault structure and its functioning in the hope of being able to foresee the next earthquake close to Istanbul. This thesis presents two studies tackling this subject.The first one presents an interpretation of the crust geometry based on the analysis of a 3D crustal model built from the inversion of gravity data corrected from the influence of sedimentary basins. From the model, we quantify the role of extension in the basin opening and show the existence of ductile flows, in the lower crust, that spread the thinning away from the basins. The second study purpose was to confirm or reverse the sedimentary age models available in the Marmara Sea through the direct study of the sediments constituting the first main reflector interpreted in the models. We used a broad range of methods to build a new age model for one core such as geophysics, paleo-magnetism, tephrochronology and a paleo-environmental characterization. The results give a date for the first main reflector that is younger than the one assessed by previous studies.

linéarités de comportement des sols Cette thèse traite de la réponse locale de bassins sédimentaires à des mouvements sismiques faible et fort en utilisant la modélisation numérique (SEM et FEM). A faible niveau de distorsion, des configurations théoriques 3D et 2D sont prises en compte pour l'étude des effets de site linéaires: dans le cas de bassins 3D à symétrie de révolution, on identifie les conditions d'existence de la «résonance 3D» en fonction des paramètres géométriques et rhéologiques. Dans le cas 2D, la réponse sismique de deux vallées alpines est modélisée: les résultats sont cohérents avec les phénomènes observés dans la réalité. A fort niveau de distorsion, la formulation théorique 3D d'un modèle viscoélastique non linéaire (VNL) est proposée. Son implémentation par la méthode des éléments finis dans le cas 1 D permet de l'appliquer à un cas réel (Kushiro, 1993). Les résultats obtenus sont comparés à ceux d'autres modèles (linéaire équivalent et élastoplastique) et à l'enregistrement réel de surface.

Les précédentes estimations des températures profondes en France mettent en évidence trois anomalies thermiques positives principales dont une est centrée entre Marseille et Montpellier. Ce travail de thèse présente l'étude du régime thermique du Bassin du Sud-Est à partir d'une réévaluation des températures profondes corrigées des effets thermiques transitoires générés lors des mesures en forage pétrolier. 203 données BHT corrigées et 10 DST (mesures stables) issues de 103 forages ont ainsi été obtenues. Le gradient thermique moyen du Bassin (31,3°C/km) est proche de la moyenne française (32,5°C/km) mais les gradients locaux varient d'environ 20 à 45°C/km. Une analyse géostatistique nous a permis de construire un modèle thermique de représentation 3D de la surface à 6km de profondeur duquel nous avons extrait des coupes et cartes thermiques à différentes profondeurs. De nouvelles anomalies thermiques de plus petite échelle ont ainsi pu être identifiées, certaines étant positives (du côté de Montpellier, Lodève, Gap et La Drôme) et d'autres négatives (dans les Cévennes et la région d'Aix-en-Provence). Une compilation de données géophysiques nous a permis de discuter ces anomalies en termes de géologie locale et de phénomènes à grande échelle (variations de profondeur du Moho, épaisseur des sédiments), mais il semble que des circulations de fluides puissent mieux expliquer la localisation, l'amplitude et les longueurs d'ondes des signaux thermiques qui suivent la direction des failles majeures en surface. Le rôle de la circulation de fluides dans la mise en place et l'évolution des anomalies thermiques au sein des zones de faille est illustré par des modèles numériques en régime stationnaire et transitoire. Ces modèles permettent de reproduire des anomalies de plusieurs dizaines de degrés. Ce phénomène est amplifié lorsqu'une anisotropie de perméabilité est prise en compte. De plus, la dépendance de la perméabilité avec la profondeur permet d'obtenir des superpositions d'anomalies positives et négatives sur un même profil vertical comme nous l'observons sur les coupes thermiques issues des mesures. Loin des zones perméables, les anomalies peuvent s'expliquer par des processus conductifs au sein d'objets dans lesquels les contrastes de conductivité thermique peuvent être importants. L'anisotropie de conductivité dans les formations argileuses peut être responsable du développement d'anomalies proches de celles observées entre les zones perméables. Enfin, les circulations hydrothermales dans les zones de faille associées à des sédiments anisotropes pourraient expliquer la forme, l'évolution en profondeur et l'intensité des anomalies thermiques identifiées.

Le bassin de Paris est considéré comme un exemple typique de bassin intracratonique (sag) affecté par une subsidence thermique long terme. Le Cénozoïque correspond à une période de faible subsidence (épaisseurs inférieures à 350m) et marque la fin du fonctionnement de ce bassin. C'est en outre une période de forte déformation de la plaque européenne, dans un contexte de convergence Afrique-Eurasie et d'ouverture de l'Atlantique Nord caractérisée par des inversions de grabens dans le Nord et l'Est de l'Europe. Si de nombreux hiatus ont été identifiés, les déformations cénozoïques du bassin de Paris, situées sur une croûte à l'équilibre et leur relation aux contraintes en limite de plaque restent méconnues. Cette thèse a pour objectif de recomposer à haute résolution spatiale et temporelle (de l'ordre du million d'années) les géométries sédimentaires 3D et les paléogéographies successives du Paléocène au début de l'Oligocène. Ce travail qui s'appuie sur de nombreuses données biostratigraphiques consiste en une approche couplée de sédimentologie de faciès et de corrélations diagraphiques (500 puits) selon les principes de la stratigraphie séquentielle. Trois ordres de séquences sont définis. Les cycles d'ordre supérieur (4ème et 3ème ordre) enregistrent les variations climato-eustatiques. Cinq séquences de dépôt (2e ordre), limitées par des discontinuités et/ou des réorganisations paléogéographiques sont identifiées : (1) Maastrichtien-Danien ; (2) Thanétien-Yprésien ; (3) Lutétien-Bartonien ; (4) Bartonien-Priabonien terminal et (5) Priabonien terminal-Chattien. Les architectures des séquences (1) à (4) sont contrôlées par des phases de flexures. Après des émersions lors des paroxysmes de flexuration, la relaxation progressive des flexures se traduit tout d'abord par la mise en place de profils pentés et ouverts, puis par des profils de plus en plus plats et confinés associés à une transgression généralisée. Du Thanétien au Bartonien s'observent des flexures d'axe E-W, dont les âges sont compatibles avec les différentes phases de la convergence Ibérie-Eurasie. En outre, une déformation de courte durée à l'Yprésien basal est rattachée à l'ouverture de l'Atlantique Nord. Enfin, une réorientation majeure du bassin possiblement liée au début de la collision Apulie-Eurasie est observée au Priabonien. Ce travail fournit un calage à haute résolution pour la compréhension et la modélisation des déformations intraplaques. Différentes tailles de flexure, de l'ordre de 150 à plus 300 km sont observées traduisant une implication d'épaisseurs plus ou moins importantes de la lithosphère. / The Paris basin is currently considered as a typical example of intracratonic basin (sag) affected by long term thermal subsidence. The Cenozoic is a period a low subsidence (less than 300m thick) and correspond to the end of the Paris basin sedimentation. Moreover, it is a period of strong deformation of the European plate related to Africa Europe convergence and North Atlantic opening, well known through numerous grabens inversions in northern and eastern Europe. While hiatus have been highlighted within Paris Basin sedimentation, cenozoic deformations of this thicker crust basin still poorly known. This thesis aims at recompose high resolution temporal and spatial evolution of 3D sedimentary geometries and palaeogeographies from Thanetian to Lower Oligocene. This work is firstly based on available and newly acquired biostratigraphic data. Facies sedimentolgy and well data correlations based on sequence stratigraphy principles allowed to recompose the basin evolution at 1Ma timescale. 2 orders of sequences were identified. Third order sequences (1My duration) seems to be controlled by climate-eustasy. Five main (2nd order) sequences bounded by unconformities and/or palaeogeographic reorganization are highlighted : (1) Maastrichtian-Danian ; (2) Thanetian-Ypresian ; (3) Lutetian-Bartonian ; (4) Bartonian-top Priabonian et (5) Top Priabonian-Chattian. Sequences 1 to 4 correspond to basin scale flexure which control their architecture. Following emersion during the main flexural phases, flooding start with relatively steep depositional profiles. As flexure progressively relax, flatter depositional profiles take place together with overall transgression. This work yield high resolution constraints for the understanding and thermomechanical modelling of intraplate deformations various lenght of flexures form 150 to 300km and more are identified and traduces different thickness of deformed lithosphere. From Thanetian to Bartonian, successives E-W oriented flexures take place which ages are congruent with the main phases of Iberia-Eurasia convergence. A short term deformation in basal Ypresian is attributed to the onset of North Atlantic opening. Finally major basin-scale reorientation during Priabonian could be linked to the onset of Apulia- Eurasia continental collision.

Les acquisitions de mesures de températures et de conductivités thermiques ont enrichi la connaissance du régime thermique du bassin sédimentaire de Paris et ont mis en évidence des hétérogénéités thermiques spatiales ou temporelles. Afin de mieux les comprendre, ces variations doivent être intégrées dans une vision multidisciplinaire confrontant données et modèles. La revue bibliographique sur le sujet a permis d’intégrer les données de natures diverses, de les confronter par SIG et d’investiguer les connaissances. Cette étude a mis en évidence et réinterprété les variations verticales de flux géothermal. Les simulations conduites à partir de scénarios diffusifs paléoclimatiques montrent que le système a gardé en mémoire l’effet des paléoclimats. Par ailleurs, nous identifions pour la première fois une décroissance systématique du flux géothermal au niveau des principales formations aquifères. Des simulations thermo-hydrauliques transitoires des phénomènes paléoclimatiques mettent en évidence le développement de zones froide et chaude suivant les régions d’écoulement. Une explication de l’anomalie de température de plus de 20°C entre les installations géothermiques situées au nord et au sud de Paris au Bathonien est proposée. Les modélisations effectuées montrent clairement la contribution potentielle de zones fracturées, ainsi que celle des failles, à l’hétérogénéité observée dans le champ de température du bassin en permettant des écoulements contraints par le gradient de charge régional et les instabilités densitaires. Ces travaux ont montré le lien entre les formations du bassin qui sont exploitées pour leurs ressources ou utilisées comme milieu de stockage. / The acquisition of measurements of temperature and of thermal conductivity has enriched the understanding of the thermal regime of the Paris sedimentary basin and brought to light spatial and temporal thermal heterogeneities. In order to understand them better, these variations need to be integrated into a multidisciplinary vision of the basin by comparing data against models. The bibliographic review made it possible to integrate data of diverse sorts, to compare them using GIS and to investigate the knowledge base. This study has highlighted and reinterpreted the vertical variations of geothermal flux. Simulations carried out based on diffusive palaeoclimatic scenarios show that the system has retained a memory of the effects of palaeoclimates. Furthermore, for the first time, a systematic decline of the geothermal flux has been identified at the level of the main aquifer formations. Transitory thermo-hydraulic simulations of palaeoclimatic phenomena show the development in the sedimentary basin of cold and hot zones according to the areas of flow. An explanation of the temperature anomaly of over 20°C between the geothermal installations located to the north and south of Paris in the Bathonian is put forward. The models produced clearly show the potential contribution of fractured zones, as well as that of the faults, to the heterogeneity observed in the temperature field of the basin by allowing flow constrained by the regional charge gradient and unstable densities. This work has shown the link between the formations in the basin which are exploited for their resources or used as a storage medium.

La modélisation de la migration des hydrocarbures dans les bassins sédimentaires a pour but d'évaluer leur potentiel pétrolier, en localisant et en quantifiant les accumulations d'hydrocarbures au sein des formations géologiques. Dans cette thèse, nous étudions les modèles de migration de type "Darcy" ainsi que des modèles simplifiés de types "ray-tracing" et "invasion percolation"; l'objectif est de mener une analyse critique et de proposer des améliorations tout en fournissant un guide pour une utilisation pertinente sur des cas d'étude.Tout d'abord, nous faisons une revue des mécanismes de la migration depuis l'échelle des pores jusqu'à l'échelle des bassins, puis nous présentons chacun des modèles.Dans le volet suivant, nous proposons deux algorithmes d'invasion percolation : le premier, adapté aux maillages structurés; le second, permettant de mieux prendre en compte les maillages non structurés. Dans un troisième volet, nous nous intéressons à la comparaison entre ces modèles, en nous concentrant sur ceux de types "Darcy" et "invasion percolation". Nous nous focalisons en premier lieu sur les aspects numériques en nous appuyant sur plusieurs cas tests; puis nous effectuons une comparaison formelle en étudiant la limite asymptotique de la solution du modèle de type "Darcy" en temps long. Nous présentons ensuite une série d'applications dont notamment l'étude d'un cas réel 3D en géométrie complexe.Finalement, nous concluons ce travail avec deux articles. Le premier montre une évolution des modèles de type "Darcy" en utilisant la méthode du raffinement local de maillage, avec une illustration sur un cas d'étude du nord du Koweït. Le deuxième synthétise les principaux résultats obtenus concernant les méthodes de "Darcy" et "d'invasion percolation". / Hydrocarbon migration modeling in sedimentary basins aims to localize and to quantify hydrocarbon accumulations in geological formations in order to estimate their petroleum potential. In this thesis, we study “Darcy” migration models and also simplified migration models such as “ray-tracing” and “invasion percolation”; the purpose is to conduct a critical analysis and to offer improvements while providing a guide for a relevant use on case studies.We start by a review of migration mechanisms from the pore scale to the basin scale, then we present each model.In a following part, we propose two invasion percolation algorithms: the first one is suited to structured grids, the second one allows to take better account of unstructured grids.In a third part, we take an interest in the comparison between the different models and particularly between “Darcy” and “invasion percolation” approaches. First we devote our attention to numerical aspects supported by several use cases; then we realize a formal comparison by studying the asymptotic limit of the “Darcy” model large time solution. Afterwards, we present several applications including the study of a 3D real case in complex geometry.Finally, we conclude this work with two articles. The first one shows an evolution of “Darcy” models by using the method of local grid refinement with an illustration on a case study from northern Kuwait. The second one synthesizes the main results on “Darcy” and “invasion percolation” methods.