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.

The Penedes half-graben represents a natural field laboratory for the study of the link between tectonics and palaeofluids because it exposes numerous outcrops that allow a global and complete diagenetic study of the basin from Mesozoic to present times. The Penedes half-graben is located in the central part of the Catalan Coastal Ranges (CCR) and results from the superposition of three main tectonic events: (1) the Mesozoic extensional phase which is divided into two Mesozoic rift episodes: the first, Late Permian to Triassic in age and the second, latest Oxfordian to Aptian in age; (2) the Paleocene to middle Oligocene compressional phase which includes the emplacement of ENE-to-NE-trending thick-skinned thrust sheets bounded by SE dipping thrusts with a limited left-lateral strike-slip motion; (3) the late Oligocene?- Neogene extensional phase which split the CCR into a set of ENE-WSW blocks mainly tilted toward the NW, constituting the actual horst-and-graben systems now present at the northwestern Mediterranean. Samples were taken in 19 different outcrop areas located within three main structural domains: the Gaia-Montmell domain, which represents the footwall block of the SE-dipping major normal faults that bound the north-western margin of the basin, the Central Penedes domain, which comprises the central Miocene syn- and post-rift deposits and the Garraf domain, which comprises a group of small syn-depositional tectonic horsts and half-grabens developed in the Garraf horst during its Neogene evolution. Based on the macro and microstructural analysis combined with geochemical results from host rocks, fault rocks and fracture cements, the following diagenetic events have been identified: (1) Very early stages characterized by micritization, early irregular micro-fractures resulting from opening in poorly-lithified sediments and early calcite cement precipitations; (2) Progressive burial stages characterized by brecciation, stylolization and dolomitization; (3) Fracturing and cementations characterized by ninth major deformation stages with their related cements, breccias and stylolites, and (4) four karstification events with associated collapse breccias, sediments and cements filling the fracture, vug and cavern porosities. A depositional control of the δ(18)O values of the syn-rift Mesozoic sediments (Valanginian, Barremian and Aptian) related to the position of the different outcrops with respect to the Mesozoic normal faults is inferred from the values reported in this study. The isotopic values of the Miocene marine facies, depleted in δ(18)O and δ(13)C respect to the expected values for the Miocene seawater, together with the chalky appearance of these limestones, indicate that the Miocene marine limestones were re-balanced under the meteoric diagenetic environment. The meteoric fluid precipitating the calcite cement in the conglomerates of the lower continental complexes was responsible for diagenetically altering the marine host limestone. A different meteoric fluid, more influenced by soil-derived CO2, precipitated the calcite cement present within the upper continental complexes. The fluids circulating through the fractures attributed to the second stage of the Mesozoic rifting were precipitated from formation waters during the progressive burial of the sediment, in a closed palaeohydrological system. From the Paleocene to the mid-Oligocene the fluids circulating through the compressional fractures had a meteoric origin. Due to the Paleogene compression, Mesozoic rocks were uplifted, subaerially exposed and extensively karstified. Different types of sediments and cements were deposited filling the karstic cavities under the meteoric diagenetic environment. Related to the syn- and early post-rift stage, the fractures were sealed by meteoric fluids under both, phreatic and vadose zones. The normal faults attributed to the late post-rift stage favoured the upflowing of marine fluids expelled from the compaction of the late Burdigalian to the early Serravallian marine sediments producing the dolomitization of the host rocks and the precipitation of dolomite cements within the fractures. During the late post-rift and related to latest tensional fractures occurrence different types of meteoric fluids circulated through the fractures. These fluids were precipitated from phreatic to vadose cements, agreeing with the uplift of the entire basin and/or with the falling-down of the meteoric water table related to a generalized sea level fall in the Mediterranean area during the Messinian. / La formació de la conca del Penedès està associada a un període extensiu d’edat neògena que provocà l’obertura del Solc de València. El marge nord-oest del Solc de València està constituït per una sèrie de grabens (Penedès, Vallès, Barcelona ...) i horsts (Garraf, Gaià-Montmell, Montnegre ...), el conjunt dels quals formen la Serralada Costanera Catalana. Aquesta serralada resulta de la superposició de tres esdeveniments tectònics principals: (1) l’extensió Mesozoica, compresa entre el Pèrmic i el Cretàcic inferior, (2) la compressió Paleògena, la qual produí la inversió de les principals conques extensives Mesozoiques i (3) l’extensió neògena, compresa entre l’Oligocè tardà i el Miocè mig, la qual generà l’actual sistema de rift de la Mediterrània occidental. S’han estudiat 19 afloraments localitzats tant en els alts estructurals, Garraf i Gaià-Montmell, com en el sector central de la conca del Penedès. A partir de les dades macro I microestructurals, juntament amb els resultats geoquímics de les roques encaixants, roques de falla i els ciments que reomplen les fractures, s’han identificat els següents estadis diagenètics: i. un primer estadi diagenètic temprà caracteritzat per la formació de microfractures de morfologies irregulars, formades en un sediment poc litificat i per la precipitació d’un ciment de calcita poc interaccionat amb la roca de caixa. ii. un segon estadi d’enterrament caracteritzat per la bretxificació i dolomitització de la roca encaixant i la generació d’estilòlits sub-paral•lels a l’estratificació. iii. nou etapes de deformació amb diferents tipus de rebliments associats a les fractures. iv. quatre estadis de carstificació caracteritzats per diferents tipus de bretxes de col•lapse, sediments i ciments que reomplen les porositats tipus fractura i vug, generades a partir de la dissolució. Els fluids relacionats amb l’extensió Mesozoica són característics d’aigües de formació, en canvi, els fluids que circularen al llarg de les fractures compressives paleògenes, són coherents amb fluids d’origen meteòric altament interaccionats amb la roca de caixa. L’extensió Neògena es caracteritza per una circulació predominant de fluids meteòrics no interaccionats amb la roca de caixa. És en l’estadi de post-rift on s’ha definit una dolomitització parcial de l’encaixant produïda per la barreja d’aigües marines i meteòriques. Durant l’estadi de post-rift tardà tingué lloc un esdeveniment de dissolució càrstica molt extens, el qual es relaciona amb la baixada del nivell del mar durant el Messinià.