Les bandes de déformation sont des structures géologiques se mettant en place dans les matériels granulaires présentant une forte porosité (>15%). Ces structures peuvent être compactantes ou dilatantes et peuvent présenter une composante cisaillante. À l’échelle microscopique, il est possible d’observer une réorientation des grains, une compaction ou un cisaillement intense peut entrainer la fracturation de ces derniers (cataclase) pour former une fine zone déformée modifiant ainsi la porosité et la perméabilité de la roche. Ces bandes ont un impact sur la circulation des fluides en formant des barrières ou des drains dans le réservoir. La formation de ces structures est étroitement liée à la tectonique et aux paramètres sédimentologiques du matériel hôte. Comprendre et pouvoir prédire le mode de mise en place, les orientations et la distribution de ces bandes est l’objectif principal de cette thèse.Dans cette étude nous avons analysé un site de bandes de déformation observé dans le bassin de Tremp, au sein de la formation d’Aren, dans la zone Central Sud-Pyrénéenne. Nous avons pu définir la nature de ces structures grâce à des analyses macro- et micro-structurales couplées à une étude d’anisotropie magnétique permettant de déduire la direction de raccourcissement à l’origine de la mise en place de ces bandes. Deux principaux types de bandes cataclastiques sont alors mis en évidence: (1) des bandes de compaction pures, perpendiculaires au raccourcissement et (2) des bandes de compaction à composante cisaillante, obliques à cette même direction de raccourcissement.En comparaison avec le calendrier tectonique de la région et des données d’enfouissement relatif dans le temps de la formation étudiée. Nous avons fait l’hypothèse que ces deux familles de bandes sont apparues à faible enfouissement (< 1 km de profondeur), soit peu de temps après le dépôt et associées à la croissance du pli du Sant Corneli-Boixols. De telles structures ne sont pas communes pour un enfouissement superficiel et le faciès calcarénitique est mis en cause pour expliquer leurs apparitions.La mise en place de simulations analytiques basées sur des résultats d’expérimentations géomécaniques ont ensuite permis de contraindre le régime tectonique, l’orientation et les valeurs de ces contraintes nécessaires à la formation de ces deux types de bandes par rapport à l’enfouissement et la croissance du chevauchement. Les valeurs de contraintes attendues sont ici très faibles dans le cas d’une déformation très précoce.Enfin, nous avons testé ces observations et nos hypothèses à des modélisations numériques dans lesquelles nous avons analysé l’impact de la croissance d’un chevauchement et d’un pli de propagation de rampe. La distribution des contraintes et les potentielles bandes de déformation mises en place au sein d’un réservoir poreux situé en avant de ce pli ont été étudiées. Nous avons alors montré que nos hypothèses d’apparition superficielles de bandes de déformation étaient dépendantes de la position des enveloppes de ruptures (elles-mêmes dépendantes de la lithologie de la roche). Pour expliquer la mise en place des bandes étudiée dans ce mémoire, une résistance mécanique très faible de la roche est nécessaire pour permettre de former des bandes à moins d’un kilomètre de profondeur. / Deformation bands are geological structures that occur in porous and granular material presenting a high porosity (>15%). These structures can be identified as compactive or dilatant, a shear component is also often observed. At the microscopic scale, it is possible to observe a grain rearrangement and an intense compaction and or shearing can lead to grain crushing (known as cataclasis), to form a thin deform zone that will modify the porosity and permeability of the rock. Deformation bands have a non-negligible impact on fluid flow, creating a barrier or a drain in the potential reservoir. The formation of such structures is mainly linked to the tectonic activity but also to the facies and other sedimentological parameters of the host rock. The understanding and the prediction of the occurrence and distribution of the bands is the main objective of this thesis.In this study we analyzed a deformation band site found in the Tremp basin, in the Aren formation localized in the South Central Pyrenean Zone. We defined the nature of these structures with macro and microstructural analysis and by adding a study of the magnetic anisotropy to constrain the shortening direction responsible to the band formation. We evidence two major types of bands showing different orientations and behavior: (1) Pure compaction bands (PCB), perpendicular to the shortening and (2) Shear enhanced compaction bands (SECB), oblique to the same shortening.In comparison with tectonic schedule in the studied area and time vs. burial data of the formation, we deducted that both types of bands took place at a shallow burial (<1km depth), which means short times after deposition. This localized deformation, showing mainly cataclasis, is associated to the growth of the Sant Corneli-Boixols fold and thrust belt. Such structures are not common at a shallow depth and we propose that the calcarenite facies of the host rock is the key factor to explain the band occurrence.Thereafter, we made analytical simulations based on geomechanical experimentations results that allowed us to constrain the stress state and orientations needed to create these structure and to determine the timing of formation compared to the burial of the layers during the growth of the Boixols thrust. The stresses magnitudes are expected to be really low in the case of an early deformation.Finally, we tested and compared our observations and hypothesis to numerical modeling where we analyzed the impact of the growth of a fold and thrust belt on the stress state and orientations and the analysis of potential deformation bands occurrence. The stress distribution and the potential occurrence of deformation bands in a porous reservoir presenting different characteristics and located in front of this fold were studied.With the modelizations results, we exposed that our hypothesis of shallow deformation bands are dependent from the position of failure envelopes (that are dependent on the rock lithology). To explain the band formation we studied in this thesis, a weak mechanical strength of the host rock is needed to form deformation bands at less than a depth of one kilometer. The pure compaction bands are associated to a potentially early layer-parallel shortening (LPS).

Les calcaires sont des roches sensibles aux phénomènes physiques et chimiques qui peuvent les dissoudre, les cimenter ou les fracturer. Dans ce cas, les propriétés des calcaires vont évoluer en fonction de ces différents processus qui varient dans le temps et dans l’espace. Or les réservoirs carbonatés peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de kilomètres. Afin d’exploiter ces réservoirs géologiques (ressources en eau, gaz ou pétrole), il est donc nécessaire de caractériser en 3 dimensions leurs propriétés (porosité, perméabilité) ainsi que les hétérogénéités géologiques ou tectoniques, qui peuvent modifier la géométrie du réservoir ou ses propriétés. L’acquisition de données locales (affleurements, forages), réparties sur la totalité du réservoir, pose la question de leurs représentativités projetées sur l’ensemble du volume de roche mais aussi de leurs distributions entre les points d’acquisitions qui sont espacés de plusieurs kilomètres. Cette thèse propose d’étudier les propriétés des calcaires Urgoniens (d’âge Barrémien supérieur – Aptien inférieur) situés en Provence, analogues aux calcaires des réservoirs d’hydrocarbures présents au Moyen-Orient. Trois sites comportant différentes échelles sont étudiés afin de caractériser cette série carbonatée. L’étude propose ensuite des règles géologiques dans le but d’extrapoler les mesures réalisées sur des échantillons d’unités centimétriques à l’échelle hectométrique / Carbonates are sensitive to physical and chemical processes which can dissolve, cement or fracturing them. In this case, the carbonate properties evolve according to these different changes that vary in time and space. Carbonated reservoirs can extend for hundreds of kilometres. To prospect these geological reservoirs (water, gas or oil resources), it’s therefore necessary to characterize in 3 dimensions their properties (porosity, permeability), as well as geological and structural heterogeneities which can modify the basin geometry or the reservoir properties. The acquisition of local data (outcrops, boreholes) compared to the properties distributed at field scale ponder their representativeness at multi-kilometres scale but also their distribution between the acquisition area. This thesis proposes to study the properties of Urgonian limestones (Upper Barremian - Lower Aptian) located in Provence, analogue of Middle East hydrocarbon reservoirs. Three sites with different scales are studied to characterize this carbonate series. Additionally, this study proposes geological rules to upscale the measurements made on centimetric samples to hectometric scale

A l'Est du Bassin de Paris, les carbonates du Dogger présentent habituellement de faibles porosités et perméabilités, en relation notamment avec une intense cimentation sparitique et d'importants phénomènes de pression-solution (stylolitisation). Il existe néanmoins quelques exceptions à cette tendance : des niveaux réservoirs sont recensés au toit de séquences de dépôt réputées émersives. Pour comprendre la répartition des propriétés pétrophysiques du Dogger calcaire, ce travail de thèse basé sur une étude sédimentologique, diagénétique, géochimique et pétrophysique, se propose d'examiner les influences de la diagenèse précoce puis de la diagenèse tardive sur les propriétés réservoirs dans ces carbonates. L'analyse sédimentologique d'un grand nombre de coupes et de 4 forages carottés répartis sur un profil Langres-Nancy révèle 18 faciès attribuables à 5 environnements de dépôts caractéristiques d'un profil de rampe carbonatée. Ces 4 intervalles sont marqués par des producteurs carbonatés et par des morphologies de rampe différents. Les δ18O et δ13C des fragments biogènes et l'évolution des cortèges argileux suggèrent que des changements environnementaux tels que la température, l'humidité et la pCO2 ont, en partie, contrôlé l'existence de ces intervalles bio-sédimentaires. Huit phases minérales mésogénétiques comprenant 3 générations de calcite, de la pyrite, de la silice, 2 générations de dolomite et de la fluorine se sont succédées depuis le Jurassique moyen, réduisant la porosité intergranulaire. En moyenne 70 % du volume de ces ciments sont formés par 2 zones successives de sparites de blocage (Bc1 et Bc2). Leurs signatures isotopiques indiquent des circulations de fluides parents météoriques ou mixtes probablement liées aux émersions du Crétacé inférieur. Les analyses pétrophysiques ont confirmé les faibles porosités et perméabilités générales de l'Est du Bassin de Paris (φ<5% and k<0.5mD). Toutefois, ces analyses pétrophysiques ont mis en exergue la présence de deux niveaux poreux (Niveau Poreux 1 et Niveau Poreux 2) situés dans la partie supérieure du Dogger calcaire. D'une dizaine de mètres d'épaisseur, ces niveaux poreux ont une porosité dépassant 15%. Leur perméabilité est variable, elle est élevée (k=100-700mD) lorsque les niveaux sont macroporeux et correspondent à des grainstones de shoals oolitiques, elle est faible (k=0,1-1mD) lorsque les faciès sont boueux (dépôts de lagon protégé) et dominés par de la microporosité inter-cristalline. L'architecture stratigraphique issue de l'étude sédimentologique permet de supposer que celle-ci a joué un rôle sur le positionnement des niveaux poreux au sommet du Dogger. En effet, le modèle stratigraphique montre la présence d'un écran imperméable marneux positionné latéralement aux calcaires du sommet du Dogger. Cet écran marneux a pu perturber ou empêcher les recharges en eaux météoriques, pouvant expliquer le sous-développement des ciments de blocage dans ces niveaux poreux du sommet du Dogger. L'étude intégrée sédimentologique et diagénétique montre que l'existence des niveaux poreux réservoirs (NP1 et NP2) semble tributaire d'une histoire sédimento-diagénétique particulière qui peut être résumée en 3 actes : (1) lithification et stabilisation minéralogique précoce sous des surfaces d'émersion (SB7 et SB8), rendant le sédiment résistant aux phénomènes de compaction et pression-solution ; (2) faibles recharges météoriques au Crétacé en raison de l'écran latéral formé par les Marnes à Rhynchonelles (Bathonien), empêchant le développement de ciments de blocage dans le sommet du Dogger (3) faibles recharges hydrothermales et cimentations associées durant l'Oligocène. Ces 3 facteurs ne se sont conjugués qu'au niveau de NP1 et de NP2 (niveaux réservoirs), sur une épaisseur cumulée de moins de 20 m, à comparer aux 210 m totalement compactés et/ou cimentés formant le reste du Dogger (niveaux non-réservoirs).

Les structures de déformation pré-lithification s’enregistrent dans les sédiments meubles. Ces structures sont abondantes dans les domaines sous-glaciaires et marins profonds en raison du développement de surpressions de fluide. A partir de cas d’études choisis dans ces deux environnements, leurs implications sur les (1)reconstructions paléoenvironnementales, leurs impacts sur la (2) morphologie glaciaire, et sur les (3) propriétés pétrophysiques ont pu être définis.(1) L’analyse de ces structures de déformation a permis de mieux contraindre les paléoenvironnements sédimentaires. Ces structures de déformation ont été utilisées comme des «proxy » permettant d’estimer les variations de la vitesse d’écoulement, de l’épaisseur de glace, de la production d’eaux de fonte et de la position de la marge glaciaire.(2) Les séries sédimentaires des vallées tunnels ordoviciennes enregistrent la mise en place de nombreuses structures de déformation liées aux surpressions de fluides. L’analyse de ces structures a permis de proposer un nouveau modèle de creusement des vallées tunnels induits par des pressions de fluides élevées. Ce modèle de creusement, lié aux surpressions de fluide, est favorisé dans les zones d’inter ice-stream. A l’inverse, sous les ice-stream, l’écoulement des eaux de fonte se produit à l’interface glace-substrat et favorise d’autres modèles de formation des vallées tunnels.(3) Les processus de remobilisation sédimentaire ont un impact sur les propriétés pétrophysiques des réservoirs sableux. Les études pétrophysiques menées sur des grès déposés en environnements marins profonds et glaciaires ont permis de mettre en évidence l’impact des surpressions de fluides sur les propriétés réservoirs des sables. Les processus de fluidisation sont capable de créer de bons réservoirs, tandisque les processus d’élutriations ont tendance a réduire la porosité/perméabilité. / Soft-sediment deformation structures (SSDs) occur in unconsolidated sediments, during or shortly after deposition. SSDs are abundant in subglacial and deep-marine environments because of the development of fluid overpressure. Case studies of these two sedimentary environments were used (1) to reconstruct palaeoenvironments from SSDS, and (2) to define the impacts of SSDS on glacial morphologies and (3) petrophysical properties.(1) Analyses of strain regimes, deformation mechanisms, and chronologies in SSDs served to improve palaeoenvironmental reconstructions. These structures were used as proxys to estimate variations of ice flow velocities, ice thickness, meltwater production, and position of the ice margin.(2) The sedimentary series of ordovician tunnel valleys record numerous SSDs induced by fluid overpressure. A new model of tunnel valley formation controlled by the increase of porewater pressure in the bed is proposed. This model of formation occurs in inter-ice stream zones, where meltwater is transferred to the substratum. In ice-stream corridors, meltwater circulates at the ice-bed interface and promotes the formation of tunnel valleys controlled by meltwater processes.(3) Remobilisation processes triggered by the increase of fluid pressure have an impact on the granular framework and on the geometry of reservoirs. Petrophysical studies of subglacial and deep-marine sandstones demonstrated the impact of fluid overpressure on reservoir properties. Processes of fluidisation are responsible for the increase in porosity/permeability, while elutriation processes lead to a decrease in these petrophysical properties.