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. / 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.