Le propos de cette thèse est d’étudier le rift de l’Atlantique sud au Congo, en se focalisant sur (1) la dynamique des reliefs amont du rift (les épaulements de rift), (2) l’architecture stratigraphique du remplissage sédimentaire et (3) le routage sédimentaire ante- à syn-rift. L’etude de terrain a permis de reconstituer la géométrie des paléovallées, le cadre sédimentaire et stratigraphique du remplissage sédimentaire et de discuter des implications géodynamiques de ces paleovalleys en termes de dynamique du rift et de contrôle des systèmes sédimentaires. Ces paléovallées ont été incisées dans le substratum précambrien du Mayombe par des rivières alluviales pendant la phase d'étirement du rifting et remplies par des sédiments d’âge Aptien moyen de la Formation de Chéla. Le remplissage sédimentaire de ces paléovallées consiste en des faciès gravitaires sousaquatiques interdigités dans les argiles lacustres riches en matière organique, recouvrant en discordante le socle Précambrien du Mayombe. Ces depôts s'organisent en une séquence transgressive, caractérisée par l’empilement des séquences élémentaires de type finning-up . L’analyse sédimentologique de carottes a permis de caractériser les environnements de dépôts des Formations de Pointe-Noire, Pointe-indienne et de Chéla, correspondant à la phase d’hyperextension (sag) de l’evolution du rift. La Formation de Pointe-Noire d’âge Barrémien moyen est constituée des faciès gravitaires de cônes sous-lacustres profonds à dominance argileux et riches en matière organique dans lesquels s’intercalent localement des faciès carbonatés de plate-forme peu profonde et gravitaires resédimentés du membre de Toca, accumulés au cours d'une importante transgression associée à un évènement anoxique général. La Formation de Pointe-indienne d’âge Barrémien supérieur à Aptien inferieur est caracterisée par variations latérales et verticales de faciès. Elle comprend des faciès gravitaires gréso-argileux (membre Mengo) de cônes sous-lacustres profonds, surmontés par des faciès mixtes silicoclastiques et carbonatés de rampe interne à moyenne dominée par des vagues de tempêtes (Membre des Argiles vertes) passant progressivement vers le haut à des faciès deltaïques de Tchibota. La formation de Chéla d’âge Aptien moyen se caractérise par des variations latérales et verticales de faciès. Elle comprend des faciès sous-aquatiques de delta alluvionnaire passant latéralement aux faciès gravitaires sous-lacustres, suivi par des faciès de baies mixtes lacustres -marine, surmontés par des faciès de sabkha (membre Vembo) recourvets par les evaorites de Loémé. Les facies de sebkha au sommet de la Formation de Chéla témoignent d’une incursion marine avant la mise en place des évaporites. Les corrélations stratigraphiques entre puits ont permis de subdiviser la succession sédimentaire de la phase d’hyper-extension (sag) en trois principales séquences de dépôt montrant respectivement des tendances rétrogradante, progradante et rétrogradante. La datation des zircons et apatites détritiques a permis de reconstituer le routage sédimentaire ante- à syn-rift et l’évolution de reliefs en amant du rift. Les résultats montrent des changements spatio-temporels de sources de sediments et deux régions de provenance de sédiments. Les sédiments ante-rift (Formation de Vandji) d’age Berriasien proviennent des sources lointaines, confirmant l’existence d’un système pre-rift – et donc d’un bassin antérieur au système rift du segment central de l’Atlantique sud, alimenté de l’ouest à sud-ouest par des sources angolaise et brésilienne. Les sédiments syn-rift (Formation de Djéno) d’age Barremien inférieur et Sag (Formation de chéla) d’age Aptien moyen proviennent des sources locales (massif du Mayombe), ce qui implique un changement majeur de sources et de reliefs entre les phases pre-rift et syn-rift et l’existance des reliefs en amont de la faille bordière pendant les phases d’étirement et d’hyper-extension du rift. / The purpose of this thesis was to study the South Atlantic rift system in Congo by focusing on (1) the dynamic of the upstream paleoreliefs (rift shoulders), (2) the stratigraphic architecture and (3) sediment routing of the pre to syn-rift sedimentary infilling. Detailed field mapping allows to characterize the geometry of the incised valleys, sedimentary environments of thier sediment infilling and to discuss the geodynamic implications of these incised valleys in terms of rift dynamic and control of sedimentary systems. These incised valleys were cut through the Precambrian Mayombe basement by alluvial processes shaping pediments during the stretching period of the rift and filled with middle Aptian siliciclastic sediments of the Chéla formation. The sediment filling consists of flood-generated sublacustrine gravity flow deposits interbedded with organic-rich lacustrine shales, overlying unconformably the basement. These deposits are organized into an overall transgressive depositional sequence, characterized by stacked of elementary fining upward facies sequences. Detailled facies analysis of cores permits to determine the sedimentary environments of the Pointe-Noire, Pointe-Indienne and Chéla Formation, developed during the hyper-extended (sag) rift phase. The middle Barremian Pointe-Noire Formation consists of organic-rich shale-prone deep-lacustrine fan facies intertonguing locally with shallow-water platform carbonate facies and gravity-flow resedimented carbonate facies of the Toca Member that were deposited in an anoxic deep-lake. The Late Barremian–early Aptian Pointe-Indienne Formation is characterized by facies heterogeneity. This Formation consists of sand-rich sublacustrine-fan gravity facies of Mengo member overlain by storm influenced mixed siliciclastic-carbonate ramp facies (Argiles vertes Member) passing upward to deltaic facies of Tchibota member. The middle Aptian Chéla Formation represents a widespread transgressive unit, characterized by lateral and vertical changes in facies and a variety of depositional environnements. It is made up of interbedded coarse-grained alluvial bedload facies and sub-lacustrine gravity facies at the base, overlain by lacustrine-marine mixed bay facies passing upward to sabkha facies, which in turn are capped by evaporites of the Loémé Formation. The sebkha facies records the late middle Aptian marine transgression on the Congo basin prior to the deposition of Upper Aptian evaporites of Loémé Formation. Well-log stratigraphic correlations permit subdivision of the middle Barremian to middle Aptian syn-hyper-extended rift-related deposits into three major depositional sequences that display retrogradation, progradation, and retrogradation stacking pattern, respectively. Detrital zircon and apatite provenance analyses provide a better understanding of sediment routing systems of the pre to syn-rift infilling, and paleorelief and tectonic evolutions during the Early Cretaceous times. The results show changes in sediment provenances and two different source areas. The Berriasian-Valanginian Pre-rift sediments of the Vandji Formation were derived from multiple and relatively distant source areas, located either in the South America and southern of Africa plate, thus supporting the existence of large intracratonic basin prior to the rifting, fed by prominent large-scale drainage system. located toward the southwest. In contrast to the Pre-rift sediments, the Barremian syn-stretched rift sediments of the Djeno Formation and the Aptian syn- hyper-extended rift sediments of the Chela Formation were derived from adjacent Precambrian Mayombe belt that underwent phases of tectonic uplift during the rifting. Consequently, this implies an abrupt change in sediment provenance and relief between the pre-rift phase and the Syn-rift phase and indicate the persistence of local sources, i.e. from rift shoulders, from the stretching rift phase to the hyper-extended (sag) rift phase.

Les intrusions sableuses (injectites) sont le plus souvent le produit de la remobilisation post-dépositionnelle des sédiments et de l’injection du sable dans les roches environnantes. Bien que reconnues pour la première fois il y a près de 200 ans, elles ne sont réellement étudiées que depuis quelques dizaines d’années, depuis que les concepts sur les environnements de dépôt dans les domaines marins profonds nous permettent de mieux comprendre les processus de mise en place. Cependant, ces processus restent encore aujourd’hui relativement mal compris. Notre approche repose sur l’étude d’injectites dans le bassin du Bas-Congo à partir de données de sismique et de puits que nous comparerons à un système fossile dans le bassin du sud-est de la France. Nous avons montré que :(1) Dans des systèmes de chenaux turbiditiques enfouis, les dépôts de drapage sur les marges et terrasses de chenaux présentent la même signature géophysique que les injectites de type « wing ». Finalement, le seul critère sismique d’identification des injectites est la présence de réflexions sismiques sécantes vis-à-vis de la stratigraphie associée dans le meilleur des cas au soulèvement des réflecteurs sismiques sus-jacents. (2) Des injectites d’échelle sismique en forme de cône et d’assiette ont été identifiées dans le bassin du Bas-Congo. La remobilisation résulte probablement des pressions anormales induites par l’effet de flottabilité des hydrocarbures piégés dans les marges d’un lobe enfoui sous 160 m de sédiment, puis de l’injection soudaine du sable fluidisé associée à la réactivation de failles.(3) Un réseau d’injectites (dykes, sills/wings et laccolites) s’est formé dans le bassin Vocontien entre la fin de l’Albien supérieur et/ou le début du Cénomanien, depuis un chenal turbiditique de l’Albien inférieur-moyen. La mise en place résulte probablement de la compartimentalisation précoce du chenal au cours de son enfouissement et de l’augmentation du taux de sédimentation générant la surpression et de l’apport ultérieur d’importante quantité de fluides profonds déclenchant l’injection. L’injection du sable a été polyphasée : une première injection a formé des sills et une suivante des dykes. Les sills/wings et les dykes se sont propagés latéralement au chenal source sur environ 2 km et vers la surface sur environ 200 m, mettant en évidence une forte remobilisation latérale plutôt que verticale, contrairement à l’idée classiquement admise à partir de l’interprétation des données sismiques.(4) La formation de ce large réseau d’injectites a été gouverné par des mécanismes d’hydrofracturation. Par conséquent, sa morphologie a été dépendante des hétérogénéités de la roche hôte (milieu isotrope, fracturé), des directions de paléo-contraintes (σ3 = NW-SE) et de la profondeur d’enfouissement de la source (300-600 m) au moment de l’injection. L’étude de ce réseau fossile permet de définir les relations entre morphologie du réseau injecté et état de contraintes au moment de l’injection. Cette relation peut être extrapolée de façon à contraindre la morphologie des réseaux de subsurface au-delà de la visibilité sismique. (5) Les sables injectés dans des lithologies de faible perméabilité témoignent d’un épisode d’échappement de fluide important dans les bassins étudiés mais ont aussi guidé les fluides longtemps après leur formation. Les injectites contribuent ainsi à l’initiation épisodique et la pérennisation de migrations de fluides dans les bassins sédimentaires. Le processus d’injection est associé à l’échappement brutal de fluides, résultant vraisemblablement d’un évènement tectonique et/ou sédimentaire important, et l’architecture des réseaux d’injectites est gouvernée par les paléo-contraintes locales et les hétérogénéités de la roche hôte. Par conséquent, la caractérisation des réseaux d’injectites est une étape importante dans la compréhension de la plomberie des marges, c'est-à-dire l’évolution post-dépôt des bassins sédimentaires. / Sand intrusions (or injectites) are most often the product of post-depositional remobilization of sand leading to its injection into the surrounding rocks. While injectites were recognized for the first time nearly 200 years ago, their emplacement process has been studied for a couple of decades only, since the concepts of deep sea depositional environments have allowed us to better understand their emplacement processes. However, these processes are still relatively poorly understood. Our approach is based on the study of injectites in the Lower Congo Basin from seismic and well data, which we compare to a fossil system in the SE France basin. We have shown that:(1) In buried turbidite channel systems draping deposits on the channel flanks and terraces of channels have the same geophysical signature as ‘wing-like' injectites. Finally, the only criterion for identifying seismic injectites is the presence of bedding-discordant seismic reflections, and in the best case the associated uplift of the overlying seismic reflectors.(2) Seismic-scale conical and saucer-shaped sand injectites have been identified in the Lower Congo Basin. The remobilization is likely due to overpressuring induced by the buoyancy effect of hydrocarbons trapped in the margins of a lobe buried underneath 160 m of sediment, followed by the sudden injection of fluidized sand associated with fault reactivation of faults (with a possible role of nearby salt diapirs).(3) A network of injectites (dykes, sills/wings and laccoliths) was formed in the Vocontian basin during the late Albian and/or early Cenomanian, from a lower-middle Albian turbidite channel. The emplacement is probably due to the early compartmentalization of the channel during its burial and the increase of the sedimentation rate generating overpressure; and the subsequent large influx of deep fluids triggering injection. The injection of sand was polyphased: a first episode formed the sills and another emplaced the dykes. Sills/wings and dykes propagated about 2 km laterally away from the parent sand body and about 200 m up to the surface, revealing a much more extended lateral than vertical reach, contrary to the classically accepted idea from the interpretation of seismic data.(4) The emplacement of this large network of injectites was governed by hydrofracturing. Therefore, its morphology is dependent on the host rock heterogeneity (isotropy, fractures), the paleo-stress orientation (σ3 = NW-SE) and the burial depth of the source (300-600 m) at the time of injection. The study of this fossil network allows us to define the relationship between morphology of the injected network and stress state at the time of injection. This relationship can be extrapolated to constrain the morphology of subsurface networks beyond seismic visibility.(5) Sands injected into low permeability lithologies bear evidence to a major event of fluid escape in the studied basin, but also channeled fluids long after their formation. In this way, injectites both attest to specific episodes of fluid migration in sedimentary basins and contribute to long-lived re-routing of migrating fluids once emplaced.The injection of sand is associated with the sudden escape of fluids, probably resulting from a significant tectonic and/or sedimentary event; in addition, the architecture of injectite networks is governed by the local paleo-stress and heterogeneity in the host rock. Consequently, characterizing injectite networks is an important step in understanding the plumbing systems of continental margins, i.e. the post-depositional evolution of sedimentary basins.

Le bassin profond du Bas-Congo est une marge passive affectée par une forte déformation salifère. Elle présente des sorties naturelles d'hydrocarbures lourds qui ont des impacts majeurs sociétaux, biologique, écologique et économique. L'objectif de ce travail est de comprendre les modes de fonctionnement de ces systèmes, depuis la mobilisation des hydrocarbures dans les sédiments, jusqu'à l'exutoire en fond de mer, puis en surface mer. Cette étude combine des analyses de données issues de l’imagerie spatiale, de l’océanographie, de la géochimie et de la géophysique marine afin d'obtenir à une vision intégrée multi-échelle des zones d’expulsion naturelles d'hydrocarbures dans le bassin profond du Bas-Congo. L'analyse de données issues de l'imagerie spatiale montre qu'une centaine de sites sont actifs dans la zone d'étude. Un volume de 4400 m3 d’hydrocarbures est naturellement émis par an. L'intégration des données de courantométrie permet de relier les nappes d'hydrocarbures visibles à la surface de la mer avec les structures fond de mer. Celles-ci correspondent à des chapelets de dépressions localisés sur le pourtour des diapirs de sel et à des regroupements de monticules composés d'asphaltes en périphérie. Dans les sédiments, les anomalies géophysiques caractéristiques correspondent à des cheminées verticales, délimitées par le bas par le réflecteur sismique associé à la base de stabilité des hydrates de gaz. La correspondance spatiale de ces différents critères a permis d'inventorier les sites potentiellement actifs sur les données géophysiques. Seulement 40% de ces sites sont associés à des nappes d'hydrocarbures récurrentes à la surface de la mer. / The Lower Congo Basin is a passive margin, affected by strong salt tectonics. Natural escapes of heavy hydrocarbons observed in the area have major impacts on the society, ecology, biology, and the economy. The aim of this work is to understand the mechanisms of these systems, from the mobilisation in the sediments towards the seafloor outlets and subsequently towards the sea surface. This study combines data analysis from spatial imagery, oceanography, geochemistry and marine geophysics in order to get a multi-scale integrated vision of the natural seepage situation in the Lower Congo Basin. The analysis of spatial imagery data shows that in the study area, the hundred active seeps sites expel a hydrocarbons volume of 4400 m3 per year, following an intermittent mechanism with miscellaneous frequencies from one site to another. We connected visible hydrocarbon slicks at the sea surface with seabed structures by integrating current measurements across the water column. Seafloor structures correspond to clustered pockmarks of high seismic amplitude located at the rim of salt diapirs and to clusters of mounds composed of highly degraded oil outwards. In sediments, geophysical anomalies form vertical chimneys, delimited by the seismic reflector associated with the base of gas hydrates stability downwards. The spatial correspondence of geophysical criteria enabled to inventory the potentially active sites on the geophysical data. Only 40% of these sites are associated with recurring oil slicks at the sea surface.