Cette thèse porte sur les mécanismes responsables de la croissance de systèmes de volcans de boue ainsi que sur les processus qui gouvernent leur évolution de surface. L’étude s’appuie sur une analyse structurale sur données sismiques faite sur deux structures anticlinales localisées dans le NW du Bassin Sud Caspien ainsi que sur une analyse structurale de terrain approfondie couplée à une imagerie de la sub-surface des édifices par résistivité électrique ainsi que par études géochimiques d’édifices volcaniques localisés dans la continuité onshore du bassin de la Kura en Azerbaïdjan. Les volcans à morphologie de mud pie montrent une morphologie plate car leur croissance est régie par la présence d’une réserve de matériel argileux non induré en surface que l’on appelle chambre superficielle. L’arrivée de matériel depuis une source de boue peu profonde induit le gonflement de cette chambre qui, en se rééquilibrant, provoque des déformations de surface et un élargissement de l’objet selon un modèle de Pousse-Muraille. Les édifices à morphologie coniques sont liés à des zones de stockage de matériel argileux plus profondes (chambre secondaire) voire à la source de boue, la zone de fluidisation du sédiment (chambre primaire). La source de fluides (eau et gaz) et nettement démarquée de la source de boue. La sédimentation est un facteur clé dans l’évolution des systèmes de volcan de boue car elle permet de sceller les chemins de migration de fluides, relançant la formation de surpression de fluide, créant une évolution par épisodes successifs de systèmes de volcans de boue emboîtés : les complexes de systèmes de volcan de boue. / This doctoral work studies the mechanisms involved in the growth of mud volcanoes systems and the processes involved with their surface evolution. The study is based on a structural analysis using seismic data acquired on two anticlines located in the NW of the South Caspian Basin and on an extensive structural field work combined with a sub-surface imagery based on electrical resistivity and geochemical analysis on edifices located on the onshore in continuity of the Kura Basin (Azerbaijan). Mud Pie are edifices having a flat morphology induced by the occurrence of a reserve of liquid mud on surface that we call Superficial Chamber. The input of material from a shallow mud source induce the inflation of this chamber which, reaching the equilibrium, induces a compressional stress that deform the edifice and make it grow, following a model named “Pushing Walls”. Conical edifices are linked to deeper storage zones (Secondary Chamber) or even to the source of mud itself (Primary Chamber). The fluid source (water and gas) is clearly disconnected to the source of mud. Sedimentation plays a dominant role on mud volcano systems evolution allowing to seal the fluid migration paths, thus the formation of fluids overpressure, inducing an evolution by successive pulses leading to interlocked mud volcano systems: mud volcano systems complexes.

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.