Ce mémoire porte sur l'ensemble de l'activité de recherche que j'ai menée à l'Ecole des Mines de Paris depuis 1993, après quatre années consacrées à la géologie de réservoir pour le compte de Gaz de France au sein de l'Institut français du Pétrole1. Tout au long de cette quinzaine d'années, l'influence du confinement physiographique sur la sédimentologie et la stratigraphie des dépôts qu'ils soient continentaux, littoraux ou profonds est resté le fil conducteur de mes travaux. Ce mémoire comprend deux parties : le mémoire lui-même et la notice de titres et travaux. Menant de concert une activité contractuelle d'études et d'expertises et l'animation de formations permanentes ou académiques, j'ai été très souvent confronté à l'obligation de rappeler les définitions des concepts, des termes usuels en stratigraphie séquentielle et en sédimentologie tant leurs connotations et leurs usages pouvaient être différents. Le mémoire reflète donc mon souci de communiquer sans recours à un « jargon » et de rappeler la méthode d'analyse qui s'en déduit naturellement. Il est composé de trois chapitres en insistant sur la portée méthodologique de mes travaux. Le premier concerne la démarche analytique. Le second en présentent des cas d'application et de validation issus de mon expérience sur les systèmes confinés. Le troisième porte sur des développements et des perspectives. Le premier chapitre insiste sur l'intérêt d'un lexique, sur les controverses qui ont animé notre discipline et leurs enseignements qui l'ont enrichie en éléments pour une analyse intégrée des bassins sédimentaires. L'établissement de ce lexique m'a conduit à une lecture critique des articles et mémoires traitant de la stratigraphie séquentielle sous l'éclairage de mon expérience de terrain et de remettre au goût du jour les concepts de géomorphologie élaborés par nos grands anciens tout au long du 19ème siècle. Dans ce chapitre j'insiste sur la juste exigence de combiner analyse bibliographique raisonnée et savoir faire technique. Le deuxième chapitre montre la puissance stratigraphique de l'outil sédimentologie de faciès pour la caractérisation des réservoirs sédimentaires d'hydrocarbures, de gaz, d'eau ou de substance minérale. Un des messages rémanents est qu'avant d'envisager le développement d'une géologie quantitative et la création de méthodes numériques et de logiciels, il faut s'assurer du sens géologique des connaissances utilisées. Pour s'en rapprocher, mon activité a été marquée par l'instauration d'une pluridisciplinarité effective et efficace sur laquelle j'insisterai durant tout le mémoire. Le troisième chapitre présente les perspectives des travaux futurs concernant les actions de recherche et de développement qui pourraient être entreprises et celles que je souhaiterai initier concernant l'évolution de la sédimentologie à des fins de stratigraphie et comme porte d'entrée à la compréhension d'un bassin sédimentaire. Après une période de croissance qui s'est accompagnée d'un foisonnement des idées et du développement d'une terminologie propre qui ont forcément abouti à des guerres de pratique, je plaide pour le renouveau de la sédimentologie de faciès et d'une stratigraphie séquentielle en phase avec la géomorphologie. Je suis désormais sédimentologue pour une compagnie minière, les développements présentés sont bien évidemment opérationnels. Enfin, sont présentés un bilan, la bibliographie et la notice de titres et travaux.

Le propos du travail présenté ici est de montrer les influences respectives de l'eustatisme et de la tectonique sur l'enregistrement stratigraphique d'une série deltaïque dans un bassin d'avant-pays. L'étude a reposé principalement sur l'interprétation en stratigraphie séquentielle haute résolution de données de terrain, acquises dans le bassin de Jaca (Pyrénées espagnoles, Province de Huesca). Il est présenté en premier lieu une synthèse faisant l'état des connaissances sur la méthode d'étude, c'est à dire la stratigraphie séquentielle, sur le problème posé, soit les influences relatives de la tectonique et de l'eustatisme sur l'enregistrement stratigraphique, et enfin sur le cadre géologique régional de bassin de Jaca. La première partie de l'étude proprement dite a été une interprétation sé d imentolo~ique des dépôts de l'Eocène supérieur du bassin de Jaca. Il est proposé une description exhaustive de tous les faciès sédimentaires, avec leur interprétation en termes de mécanismes de dépôt et de milieux de sédimentation. L'analyse des associations verticales préférentielles de faciès a permis de mettre en évidence l'existence de quatre grands types de systèmes sédimentaires : des rampes de tempêtes à basse énergie, des deltas de piémont à réseaux en tresses, des deltas *vrais* à dominante d'hydrodynamique fluviatile, et des sy.stèmes d'estuaires et de replats de marées. L existence de différents types de systèmes sédimentaires a conduit à établir plusieurs diagrammes de substitution de faciès, qui ont servi de base aux interprétations en stratigraphie séquentielle haute résolution. F'aisant suite à l'établissement du cadre sédimentologique, est abordé le problème de la reconstitution des géométries stratigraphiques à toutes les échelles. Il est montré une description à très haute résolution (résolution verticale inférieure à un mètre) d'une formation deltaïque de la bordure nord du bassin -les Grès de Sabinanigo-et une reconstitution à haute résolution, à partir des affleurements de la bordure sud. Les résultats de cette approche Qéométrique ont conduit à proposer une modification de la démarche d'analyse en stratigraphie séquentielle haute résolution dans un contexte à très fort contrôle structural synsédimentaire, en privilégiant la corrélation par dénombrement des unités stratigraphiques plutôt que la corrélation de tendances évolutives. Il est présenté ensuite les résultats de l'étude de données de sismique,avec une discussion sur la géométrie générale des dépOts éocènes dans le bassin. et la proposition d'un modèle expliquant la genèse d'une série d'anticlinaux d'axe méridien dans la bordure sud du bassin. La compréhension du cadre sédimentologique et des géométries a permis de répondre à la question initiale de la distinction des influences respectives de la tectonique et de l'eustatisme. Il est montré que chaque ordre de variation allocyclique enregistré dans la série peut être rapporté à un phénomène précis (tectonique ou eustatique). Il est mis en évidence la superposition d'au moins deux ordres de variation eustatique à haute (quelques dizaines de milIIiers d'années) et moyenne (quelques centaines de milliers d'années) fréquences. Les amplitudes de ces variations seraient de l'ordre de quelques mètres. Ces variations eustatiques contrôlent l'architecture haute résolution de la série et provoquent des modifications rapides dans le temps de la nature des systèmes sédimentaires. tl est montré par ailleurs l'influence d'au moins deux ordres de variations tectoniques: des mouvements à courte longueur d'onde (plis, failles) qui contrOle nt ta géométrie et l'emplacement des corps sédimentaires, et un mouvement de moyenne à grande longueur d'onde (flexuration du bassin), qui détermine la variation à long terme dans le temps et l'espace de la position des systèmes cfe dépôt. Cette déformation régionale est capitale, dans la mesure où elle permet à tous les autres facteurs de contrôle d'être enregistrés, par la création permanente d'accomodation.

La stratigraphie synrift du bloc de faille est divisée en trois groupes stratigraphiques, représentant une épaisseur de 1624 m. Le Groupe inférieur est composé de sédiments fluvio-lacustres, le Groupe moyen comporte les Gilbert-deltas géants et leurs faciès fins associés, le Groupe supérieur est formé de Gilbert-deltas récents à actuels ainsi que de formations superficielles. La discordance basale de l’Unité du prérift présente une paléotopographie. La phase d'extension précoce (Groupe inférieur) est caractérisée par une très faible subsidence assurée par l’activité précoce de la faille de Pirgaki et des failles mineures. La transition avec la phase d'extension principale (Groupe moyen) est marquée par un approfondissement du bassin ainsi que par une augmentation du taux de subsidence. La phase d'abandon et de soulèvement du bloc (Groupe supérieur) est caractérisée par des évènements de creusement-comblement. Le Gilbert-delta géant de Kerinitis se serait déposé dans la période Pléistocène inférieur-Pléistocène moyen, en milieu marin. L’étude de la sédimentologie de faciès a permis de mettre en évidence quatre associations de faciès : topset, foreset, bottomset, prodelta. L’architecture stratigraphique est composée de onze Unités Stratigraphiques (SU) séparées par onze Surfaces Stratigraphiques (KSS). Dans un contexte de création continue d’espace d’accommodation, les SU se déposent pendant les maxima et les périodes de chute du niveau marin. Les KSS se mettent en place pendant des périodes d’augmentation du niveau marin. Les quatres étapes de construction du Gilbert-delta de Kerinitis ont enregistré le début, le maximum et l’arrêt de l’activité du système de failles / Synrift stratigraphy on a normal fault block is subdivided into three groups. The Lower group is composed of continental sediments (fluvio-lacustrine). The Middle group contains the giant Gilbert-type fan deltas and their associated fine-grained facies. The Upper group is composed of the recent to present day Gilbert-deltas and superficial deposits. The Lower group is marked by a low subsidence rate on the young Pirgaki fault and some secondary faults. A marked increase in subsidence rate mark the transition to the Middle group. It is proposed that the increase in subsidence rate is due to the connexion between two major faults. The Upper group was deposited during uplift of the study area in the footwall of the Helike fault. It is suggested that the giant Kerinitis Gilbert-type fan delta was deposited during the Early to early Middle Pleistocene, under marine conditions. Facies characterizing a range of depositional processes are assigned to four facies associations: topset, foreset, bottomset and prodelta. The stratal architecture is composed of eleven Key Stratal Surfaces (KSS) separating eleven Stratal Units (SU). In this subsidence-dominated system, each SU records a highstand period and principally a period of decreasing eustatic sea level. The KSS, record transgressions that took place in periods of rapid sea level rise. The eustatic signal, controlling the deposition of the SU is of higher frequency than the tectonic signal, which controlled four stages of delta growth. The four delta growth stages are linked with the initiation, maximum growth and the abrupt death of the Pirgaki-Kerinitis fault system

La stratigraphie synrift du bloc de faille est divisée en trois groupes stratigraphiques, représentant une épaisseur de 1624 m. Le Groupe inférieur est composé de sédiments fluvio-lacustres, le Groupe moyen comporte les Gilbert-deltas géants et leurs faciès fins associés, le Groupe supérieur est formé de Gilbert-deltas récents à actuels ainsi que de formations superficielles. La discordance basale de l'Unité du prérift présente une paléotopographie. La phase d'extension précoce (Groupe inférieur) est caractérisée par une très faible subsidence assurée par l'activité précoce de la faille de Pirgaki et des failles mineures. La transition avec la phase d'extension principale (Groupe moyen) est marquée par un approfondissement du bassin ainsi que par une augmentation du taux de subsidence. La phase d'abandon et de soulèvement du bloc (Groupe supérieur) est caractérisée par des évènements de creusement-comblement. Le Gilbert-delta géant de Kerinitis se serait déposé dans la période Pléistocène inférieur-Pléistocène moyen, en milieu marin. L'étude de la sédimentologie de faciès a permis de mettre en évidence quatre associations de faciès : topset, foreset, bottomset, prodelta. L'architecture stratigraphique est composée de onze Unités Stratigraphiques (SU) séparées par onze Surfaces Stratigraphiques (KSS). Dans un contexte de création continue d'espace d'accommodation, les SU se déposent pendant les maxima et les périodes de chute du niveau marin. Les KSS se mettent en place pendant des périodes d'augmentation du niveau marin. Les quatres étapes de construction du Gilbert-delta de Kerinitis ont enregistré le début, le maximum et l'arrêt de l'activité du système de failles.

La variété des faciès et des environnements de dépôt de l'Oxfordien de Lorraine est à l'origine d'un nouveau découpage lithostratigraphique proposé dans ce mémoire. L'étude de l'Oxfordien de Lorraine à partir des données d'affleurement et des données diagraphiques de subsurface en termes de sédimentologie de faciès et de stratigraphie séquentielle a permis de décrire 13 cycles de dépôt transgressifs-régressifs. Les systèmes de dépôt ont évolué depuis une rampe argilo-carbonatée à vergence sud jusqu'à une rampe à argilo-carbonatée à vergence nord en passant par une plate-forme carbonatée récifale et/ou oolithique ouverte à la fois sur la Téthys et sur la Mer germanique. Les reconstitutions des paléoenvironnementales ont permis de proposer des cartes d'isopaques ainsi que des cartes paléogéographiques pour différentes périodes de l'Oxfordien. Les 13 cycles de dépôt oxfordiens s'inscrivent dans 6 cycles transgressifs régressifs à moyenne fréquence pour lesquels les ennoyages sont contemporains d'évènements tectoniques dans 5 cas sur 6. Des amplifications des chutes du niveau marin relatif à haute fréquence s'observent en contexte transgressif et sont contemporaines de changements climatiques. Les 6 cycles s'inscrivent dans un cycle régressif-transgressif à basse fréquence dont le minimum d'accommodation se situe dans la partie supérieure de l'Oxfordien moyen. Enfin, malgré certains problèmes de datations, la comparaison entre la Lorraine et les régions voisines (Jura septentrional français, Jura suisse, Bassin du Sud-Est, Bourgogne, Bassin du Sud-Est et Normandie) permet de mettre en évidence une influence de la tectonique sur l'architecture séquentielle.

Cette thèse propose une méthodologie pour caractériser et intégrer les distributions minéralogiques des dépôts de l’Eocène Inférieur du Bassin de Graus-Tremp-Ainsa dans un cadre séquentiel reconstruit à haute résolution. Le couplage des approches stratigraphiques et géochimiques/minéralogiques permet d’évaluer la part des forçages tectoniques, climatiques, eustatiques et diagénétiques sur l’enregistrement sédimentaire et minéralogique du bassin. La caractérisation de la minéralogie repose sur un calcul automatisé utilisant la géochimie multi-élémentaire et calibré ponctuellement par les outils d’analyse minéralogique conventionnels (pétrographie, DRX, Qemscan, microsonde). Elle a l’avantage de permettre de traiter les évolutions minéralogiques à l’échelle du bassin et sur l’ensemble des lithologies rencontrées. Après avoir évalué les effets de la diagenèse, du tri hydrodynamique et reconstitué la composition minéralogique primaire des sédiments, nous caractérisons les différentes sources.Nous précisons l’évolution de la tectonique (avec un pas de temps de l’ordre du million d’années) et ses effets sur l’architecture sédimentaire et la minéralogie des dépôts. Ceux-ci montrent un contrôle spatial de la diagenèse et des changements spatio-temporels des sources, liés à une compétition entre la tectonique intrabassinale (activité des chevauchements locaux) et régionale (surrection de l’orogène et subsidence flexurale). Nous montrons également que l’impact de la tectonique est modulé par des anomalies climatiques ponctuelles de l’ordre de la centaine de milliers d’années (PETM, ELMO, X-Event), que nous avons reconnues par un changement marqué des environnements de dépôt et des cortèges argileux.Deux grands épisodes régionaux caractérisent l’évolution du Bassin piggyback de Graus-Tremp-Ainsa. Le stade précoce, d’âge Ilerdien-Cuisien Inférieur, est marqué par le passage d’une rampe carbonatée mixte à des systèmes deltaïques alimentés depuis l’orogène pyrénéen par des contributions plutoniques. Cet ensemble passe ensuite à un vaste système fluvio-deltaïque au Cuisien Inférieur / Moyen, montrant l’apport de lithiques carbonatés et silicoclastiques qui coïncide avec l’émergence des nappes sédimentaires. La fin de cet épisode est marquée par la propagation du chevauchement du Montsec et de ses rampes latérales, provoquant un partitionnement du bassin, induisant la surrection du Bassin de Graus-Tremp et une forte subsidence du Bassin d’Ainsa. Ce contraste de subsidence est souligné par un partitionnement de la diagenèse, avec une kaolinisation des formations supérieures du Bassin de Graus-Tremp, liée à la percolation d’eaux météoriques, et, dans le Bassin d’Ainsa, une albitisation des grès couplée à une illitisation des smectites dans les lutites, liée à une diagenèse d’enfouissement plus marquée. / We develop here a methodology to integrate the mineralogical record into a high resolution sequence stratigraphic framework realized in the Early Eocene Graus-Tremp-Ainsa Basin. Coupling stratigraphic with geochemical and mineralogical approaches allows us to unravel the effects of tectonics, climate, eustasy and diagenesis on basin architecture and mineralogy. An automated computed mineralogy is derived from whole-rock geochemical data, and calibrated against direct mineral quantifications (petrography, DRX, Qemscan, microprobe). It provides a basinscale view of mineral distribution, irrespective of the lithology. Diagenetic overprint and hydrodynamic sorting effects are evaluated first, then primary mineral distributions are reconstructed and ascribed to different types of sediment sources.We show that, at the million-year timescale, tectonics shape the architecture and the mineralogy of the deposits. Spatially distributed diagenesis and temporal and spatial changes in sediment sources reflect the competing effects of intrabasinal tectonics (local thrust displacements) versus basinscale flexural subsidence linked to the orogen uplift and loading. Tectonically-driven changes are also sensitive to higher frequency (100 ky) anomalic climatic events (PETM, ELMO, X-EVENT) leaving a mineralogical signal in clay fractions and environment deposits succession.The basinscale evolution displays two contrasting stages. During the Ilerdian to the lower Cuisian, a mixed carbonate ramp evolves to a set of deltaic fans of Northern (Pyrenean orogen) provenance delivering plutonic-dominated materials. Then, during the lower/mid Cuisian, they are overprinted by a large fluvial and deltaic system bringing recycled carbonates and siliciclastics sourced in the emerging eastern to southern sedimentary thrust sheets. Later on, the propagation of the Montsec thrust and its lateral ramp decouples the uplifted Graus-Tremp basin from the strongly subsiding Ainsa basin. These different subsidizing schemes are underlined diagenetic overprints diverge, with an extensive kaolinisation of the uppermost units in the Graus-Tremp Basin driven by meteoric fluid circulations, and a severe albitisation of sandstones in the Ainsa basin, coupled with the illitisation of smectites in the lutites and caused by deep basinal fluids.