L'étude visait principalement à caractériser le Cénomano-turonien du bassin sénégalais et d'aires voisines (Tarfaya, Maroc). L'approche mise en jeu, principalement fondée sur l'analyse de la matière organique par diverses méthodes géochimiques et pétrographiques, a permis de réaliser une reconstitution paléoenvironnementale de la zone d'étude. Celle-ci se singularise avant tout par un fort détritisme et de mauvaises conditions de production et de préservation d'une matière organique marine et continentale. <br /> <br />Les conditions de genèse et d'accumulation des hydrocarbures ont fait l'objet d'une modélisation 2D. La genèse a débuté vers la fin du Crétacé et l'expulsion à l'Eocène. La tectonique post-rift a permis le développement de structures en "Rollover". Des hydrocarbures ont pu s'y piéger après migration suivant les failles normales.

Une approche intégrant les données diagraphiques, lithologiques, micropaléontologiques, géochimiques organiques globales et statistiques a été menée sur les échantillons provenant de 6 forages pétroliers implantés en domaines de plate-forme, intermédiaire et de talus du Bassin côtier congolais. Elle a permis de redéfinir la stratigraphie du transect étudié, d'appréhender la distribution spatio-temporelle de la matière organique au cours du Crétacé supérieur, d'apporter les informations sur les préférences paléoécologiques de taxons de foraminifères benthiques et de décrypter des espèces indicatrices des paléoenvironnements eutrophiques et dysoxiques. Les microfaunes étudiées sont classées en quatre sous-ordres : Textulariina, Lagenina, Globigerinina et Rotaliina. L'analyse de la distribution verticale des principaux foraminifères planctoniques et benthiques a révélé les niveaux du Turonien supérieur, du Coniacien, du Santonien, du Campanien, du Maastrichtien, du Paléocène et de l'Eocène. L'application des concepts de la stratigraphie séquentielle à partir des diagraphies, a permis de préciser dans certains puits, les passages Turonien-Coniacien, Santonien- Campanien, Campanien-Maastrichtien et de résoudre les problèmes de datations rencontrées dans les zones bathyales pauvres ou dépourvues de foraminifères planctoniques. Les résultats du découpage séquentiel de la Formation des Marnes de Madingo inférieures, d'âge Coniacien-Maastrichtien, peuvent être ajustés, avec aisance à la charte actuellement en vigueur à l'échelle de l'Europe du Nord Ouest (Hardenbol et al., 1998). La caractérisation de la matière organique par pyrolyse Rock-Eval dans les 6 sondages a indiqué son origine marine, ses bonnes à excellentes qualités pétroligènes, et son immaturité. Du Turonien supérieur au Maastrichtien, les valeurs les plus élevées du carbone organique total et des composés hydrocarbonés ont été localisées sur la plate-forme et le talus supérieur, dans les faciès marneux. Corrélativement les faibles diversités et les très fortes dominances fauniques y sont distinguées. Ces données suggèrent l'existence des phénomènes ''d'upwelling'' avec des conditions dysoxiques-anoxiques sur le fond marin. Pour analyser la distribution spatiale des espèces à partir des données d'abondances relatives des foraminifères benthiques identifiés, la méthode statistique d'analyse détendancée de correspondances (ADC) a été utilisée. La méthode d'analyse canonique de correspondances (ACC) a permis d'évaluer les relations entre la distribution des espèces et les variables environnementales quantitatives et nominales considérées. L'analyse montre que, dans la dynamique des peuplements benthiques, le long d'un gradient bathymétrique, du Coniacien au Maastrichtien inférieur, le paramètre limitant, serait la teneur en oxygène dissous. L'ACC identifie: d'une part Gabonita elongata, Gabonita parva, G. multituberculata, Gavelinella gr. dakotensis, Gavelinella sp. G, Gabonita sp. aff. distorta irregularis, G. distorta, G. spinosa comme espèces d'environnement "peu profond", eutrophique et de dysoxie sévère, d'autre part Praebulimina prolixa longa, et Neobulimina subregularis, comme espèces d'environnnement "intermédiaire", eutrophique à mésotrophique et de dysoxie modérée. Et enfin Gyroidinoides gr. nitidus, Gyroidinoides subangulatus, Conorotalites michelinianus, Buliminella quadrilobata, Buliminella gabonica altispira, comme espèces d'environnement "profond", mésotrophique à oligotrophique, et oxique. Les Gabonita elongata, G. multituberculata, G. spinosa, G. distorta, G. lata et Gavelinella gr. dakotensis, en raison de leur préférence des milieux à MO riche en IH, ainsi à potentiel pétrolier (S2) très élevé, apparaissent comme des taxons indicateurs des environnements potentiels de roches mères d'excellente qualité pétroligène.

Les roches mères marines présentent des hétérogénéités spatiales et temporelles de répartition et de qualité. Leur dépôt et leurs variations sont des phénomènes complexes résultant de l’interaction de plusieurs processus. Ces derniers ont fait l’objet de nombreuses études, mais le débat sur leurs impacts relatifs reste vif. L’évolution des outils de modélisation numérique permet désormais une approche quantitative et ouvre la voie à l’étude des couplages entre ces processus. La bonne connaissance géologique acquise sur les bassins sédimentaires du Jurassique inférieur d’Europe et la présence de plusieurs niveaux de roche mère en font un cas idéal pour caractériser les processus gouvernant la distribution de la matière organique (MO). Cette thèse présente l’étude et la modélisation numérique de ces bassins qui ont permis de déterminer l’influence relative des facteurs de contrôle de la distribution de la MO à différentes échelles. Ces travaux apportent de nouveaux éléments au débat portant sur le rôle relatif de ces processus. L’impact primordial de la morphologie des bassins mis en avant va à l’encontre de la littérature dominante dans laquelle la production et la conservation de la MO occultent les autres facteurs. Ces deux processus jouent à l’évidence un rôle important, mais les modalités de leur expression sont entièrement dépendantes de la morphologie des bassins. L’ensemble de ces travaux met en avant la nécessité d’élargir le débat pour une meilleure compréhension de la distribution globale des roches mères, en testant la même approche modélisatrice sur d’autres intervalles riches en MO, dans d’autres contextes paléogéographiques et pour d’autres types de kérogène. / Marine source-rocks have heterogeneities both in their distribution and quality over time and space. The deposition of these organic-rich sediments and their variations are complex phenomena resulting from the convergence of several processes which were the subject of many studies. However, the debate on their relative roles and impacts remains strong. The evolution of numerical modelling tools now allows a quantitative approach and new studies about the interaction between these processes. Because of their general context and the presence of several source-rocks, the Lower Jurassic sedimentary basins of Europe are an ideal case to characterize the processes governing the distribution of organic matter (OM). This thesis present the study and the numerical modelling of these basins which allowed to determine the relative influence of the control factors of the OM distribution at various scales. These works bring new elements into the debate about the relative role of these processes. The primary impact of the basin morphology highlighted by these works goes against the dominant literature in which the production and preservation of OM conceal the other factors. Both of these processes obviously play an important role in the distribution of organic-rich layers, but their setting are entirely dependent on the basin morphology. All this work highlights the need to widen the debate for a better understanding of the source rock global distribution, by using the same modelling approach with others organic-rich intervals, others palaeogeographic contexts and for others kind of kerogens.

La formation de la Vaca Muerta, dans le bassin de Neuquén (Argentine), constitue le gisement non conventionnel le plus important d’Argentine. Dès lors, cette formation à la fois roche mère et roche réservoir a suscité un intérêt particulier dans le monde pétrolier afin de comprendre l’architecture des corps sédimentaires et la distribution de la matière organique de ce réservoir. L’étude menée dans le cadre de cette thèse se base sur la sédimentologie, la stratigraphie, la minéralogie et la géochimie dans le but de comprendre la logique de mise en place des systèmes de dépôt et les conditions d’oxygénation du milieu. Le but final de ce travail est de comprendre les conditions de dépôt et de préciser la relation stratigraphique entre les intervalles riches en matière organique et l'évolution du bassin (interactions entre remplissage et déformations/structuration). L’étude de sismique 3D menée dans la partie orientale du bassin a permis de déterminer un système de dépôt dominé par la houle, et montrer l’impact de la tectonique locale sur la géométrie des clinoformes et le contrôle eustatique des séquences sismiques. L’étude de terrain centrée dans un premier temps sur l’anticlinal de Picún Leufú en partie méridionale du bassin puis sur d’autres secteurs le long d’un transect nord-sud de plus de 500 km de long, a permis de mettre en évidence deux grands secteurs ayant évolué distinctement. Un secteur centro-méridional qui évolue pendant l’intervalle Tithonien-Valanginien depuis un environnement de plateforme silicoclastique vers un environnement de rampe mixte; ce secteur est alimenté essentiellement depuis le sud et le transport des sédiments vers le large est assuré par la combinaison entre des courants de dérive littorale, des courants de tempêtes et des courants gravitaires. Le second secteur au nord du bassin correspondant à la zone de Malargüe, et montre un environnement de rampe carbonatée pérenne pendant tout l’intervalle Tithonien-Valanginien. L’analyse et la synthèse stratigraphique des différents secteurs étudiés montrent un signal stratigraphique homogène avec la mise en place de cinq séquences transgressives-régressives dans le bassin pendant l’intervalle Tithonien-Valanginien. L’étude minéralogique et géochimique a permis d'évaluer l’impact du climat sur les terres émergées et par conséquent sur la distribution des sédiments vers le large. La géochimie révèle des conditions oxiques de la colonne d’eau faisant suite à une période initiale euxiniques qui coïncident avec le dépôt des niveaux les plus riches en matière organique. Enfin, la synthèse entre le signal stratigraphique et le signal géochimique montre l’existence de 4 ou 5 intervalles relativement riches en matière organique et préférentiellement localisés dans les cortèges transgressifs. / The Vaca Muerta Formation is the principal source rock in the Neuquén Basin (Argentina). It constitutes also the major unconventional play in Argentina. Therefore, the Vaca Muerta formation stirs up large interest in the oil industry to understand the architecture and the organic matter distribution of this reservoir. Our study proposes an integrated approach, using sedimentology, stratigraphy, mineralogy and geochemistry in order to understand the depositional system and the paleoenvironmental conditions. The ultimate goal of this work is to clarify the stratigraphic relationship between organic-rich level and the basin filling. In the eastern part of the Neuquén basin, the study of 3D seismic allowed us to identify a wave-dominated depositional system and assess the role of the local tectonic and the eustatic control through seismic geometry. We carried out extensive field investigation, including logs and sampling, first in the Picún Leufú Anticline (southern part of the basin) and second, on several areas along a N-S trend over 500 km distance. This study allowed to define two major sectors which evolve differently. The first one corresponds to the central and southern part of the basin (from Picún Leufú Anticline to Chos Malal). There, an evolution from a siliciclastic shelf to a mixed ramp setting is observed during the Tithonian-Valanginian interval. Sediments were redistributed along the shoreface by longshore currents and further transported by storm and gravitary currents basinward. The second sector corresponds to Malargüe area (North area). It displays a perennial carbonate ramp during the Tithonian-Valanginian interval. Sequence stratigraphy analysis of all areas shows an homogeneous signal with five transgressive-regressive sequences in the basin. The geochemistry and clay mineralogy indicate the climate role in the evolution of the sedimentary environments. Geochemistry displays a “normal marine” environment with oxic waters and short-lived episodes of euxinia that coincides with the organic-rich levels. Lastly, the integrated approach, connecting stratigraphy end geochemistry shows four to five organic-rich intervals that coincide with the transgressive systems tract.

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches.

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches. / The study of fluid overpressures and hydraulic fracturing in source rocks can help us to understand the mechanisms, which are responsable for these phenomena. During the last few years, the interest in such processes has highly grown, especially through the influence of petroleum companies, which extract hydrocarbons from unconventional reservoirs. In this work, we have chosen to develop two different approaches for the study of these mechanisms: (1) field studies and (2) physical modelling. Thereby, we show that fluid overpressures and hydraulic fracturing are common in sedimentary basins worldwide. Bedding-parallel fibrous veins (beef) and solid hydrocarbon veins (bitumen) are the resulting structures. We also show that fluid overpressures can highly affect the deformation style in sedimentary basins, especially by causing thrust-detachments within source rocks. By the using of a new physcial modelling technique, we have identified the mechanisms, which are responsible for fluid overpressures and hydraulic fracturing. Indeed, during hydrocarbon generation, the solid organic matter becomes liquid, which leads to chemical compaction of the sediment. By a mechanism of load transfer, fluid overpressures rise to lithostatic values. However, volume changes also contribute, and are able to induce hydraulic fractures in the rocks.

Pétrole et gaz proviennent de la décomposition de la matière organique dans la croûte terrestre. En s’enfouissant, les résidus organiques se décomposent en un solide poreux et carboné, appelé kérogène et en un fluide composé d’hydrocarbures et de petites molécules telles que de l’eau. Le processus de formation du kérogène n’est pas totalement élucidé et une modélisation aiderait à une meilleure compréhension à la fois de sa structure et de sa composition et serait utile à l’industrie pétrolière.Dans le présent travail, nous adoptons une approche thermodynamique ayant pour but, à l’aide de simulations numériques, de d’étudier la décomposition de précurseurs de kérogène d’un type donné –ici le type III- dans les conditions d’un réservoir géologique. La méthode dite de Replica Exchange Molecular Dynamics (REMD) est appliquée pour étudier la décomposition de cristaux de cellulose et de lignine. Le potentiel d’interaction ReaxFF et le code LAMMPS sont utilisés. La REMD est une façon de surmonter de larges barrières d’énergie libre, en améliorant l’échantillonnage de configurations d’une dynamique moléculaire conventionnelle à température constante, en utilisant des états générés à températures supérieures.En fin de simulation, les systèmes ont atteint un état d’équilibre entre deux phases : une phase riche en carbone, composée d’amas de macromolécules, que nous appelons « solide » et d’une phase riche en oxygène et en hydrogène, composée de petites molécules, que nous dénommons « fluide ». L’évolution des parties solides de nos systèmes coïncide avec celle d’échantillons naturels de kérogènes de type III. / In deep underground, organic residues decompose into a carbonaceous porous solid, called kerogen and a fluid usually composed of hydrocarbons and other small molecules such as water, carbon monoxide. The formation process of the kerogen remains poorly understood. Modeling its geological maturation could widen the understanding of both structure and composition of kerogen, and could be useful to oil and gas industry.In this work we adopt a purely thermodynamic approach in which we aim, through molecular simulations, at determining the thermodynamic equilibrium corresponding to the decomposition of given organic precursors of a specific type of kerogen –namely type III- under reservoir conditions. Starting from cellulose and lignin crystal structures we use replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations, using the reactive force field ReaxFF and the open-source code LAMMPS. The REMD method is a way ofovercoming large free energy barriers, by enhancing the configurational sampling of a conventional constant temperature MD using states from higher temperatures.At the end of the simulations, we have reached for both systems, a stage where they can clearly be cast into two phases: a carbon-rich phase made of large molecular clusters that we call here the "solid" phase, and a oxygen and hydrogen rich phase made of small molecules that we call "fluid" phase.The evolution of solid parts for both systems and the natural evolution of a type III kerogen clearly match. Evolution of our systems follows the one of natural samples, as well as the one of a type III kerogen submitted to an experimental confined pyrolysis.