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

L'objectif initial de cette thèse consistait à fournir un analogue de terrain de réservoirs pétroliers avec un modèle 3D des structures et de l'architecture des sédiments développés sur la bordure d'un basin étroit et confiné. La zone d'étude, située entre Bakio et Plenzia (Pays Basque, Espagne), appartient au fossé Basque, souvent interprété comme un basin en pull-apart. Nous avons focalisé ce travail sur le diapir de Bakio, sur les modalités de la montée du sel, sa chronologie et sur l'impact de la tectonique salifère sur sédimentation et la déformation des sédiments environnants. Un éventail sédimentaire composé de dépôts albiens, avec un amincissement vers le diapir montre la monté synsédimentaire du sel. Nous démontré l'existence d'une première phase de montée du sel réactive puis une seconde phase passive. La phase réactive est expliquée par l'extension régionale. Durand le stade passive, des séquences halokinetiques, qui résultent de variations entre la monté du sel et le taux de sédimentation, ont été formées. Nos données montre qu'une grande partie de la déformation est due à la rotation des flancs du diapir et non à un cisaillement significatif induit par la montée su sel. Nous avons aussi concentré ce travail sur les structures albiennes de notre zone d'étude. La comparaison avec l'ensemble du Bassin Basco Cantabrien montre deux stades d'activation des failles. De l'Aptien à l'Albien moyen, les nombreuses failles orientées NE-SO, largement distribuées,contrôlaient les plates formes urgoniennes et les fossés marneux associés. Quelques failles majeures héritées, orientées NO-SE contrôlaient aussi les dépocentres surtout dans la partie centrale du Basin Basco-Cantabrien. Ce premier stage est interprété comme le résultat d'un extension NO-SE. De l'Albien moyen à supérieur, la déformation était localisée essentiellement le long de la faille Guernika-Elgoibar, orientée NO-SE, qui contrôle un bassin asymétriques, étroit et allongé remplis par les Flyschs Noirs. Durant le second stage, les dépocentres du Flysch Noir sont interprétés comme des bassins en transtension et non en pull-apart, car une seule faille majeure contrôlait ces basins asymétriques. / The initial purpose of this thesis was to provide a field analogue for petroleum reservoirs with a 3D model of the main structures and of the architecture of deposits developed on the border of a narrow and confined basin. The study area, located between Bakio and Plenzia (Basque Country, Spain), belongs to the Basque Trough, commonly interpreted as a pull-apart basin. We focused on the Bakio diapir, which allows a discussion of the modalities of salt rising, its chronology and of the impacts of salt on the overburden deformation and on sedimentation. A well exposed wedge-shaped structure composed of Albian deposits, with thinning toward the diapir documents synsedimentary salt rising. We showed that the diapir rose firstly as a reactive diapir in response to regional extension and then as a passive diapir. During the passive stage, halokinetic sequences developed, induced by variations of the ratio between net salt rising and net sedimentation rate. All our data from the Bakio diapir show that an important part of deformation is related to diapir flank rotation and not to significant shear associated with salt rising. We also focused on the Albian structural geology in our study area. The comparison of the local Albian fault system with faults from the whole Basque-Cantabrian Basin emphasizes two stages of faults activity. From Aptian to Early-Middle Albian, widely distributed NE-SW striking faults controlled the development of the Urgonian platforms and associated marly troughs. Some major inherited NW-SE striking faults also controlled the localization of depocenters, especially in the central part of the Basque-Cantabrian Basin. The first stage is assumed to result of a NW-SE extension. From Middle to Late Albian, the deformation localized mainly along the Gernika-Elgoibar fault, striking NW-SE, and controlled the formation of a narrow and elongated asymmetric basin developed, filled by Black Flysch units. During this second stage, Black Flysch depocenter are interpreted to form in transtensional setting and cannot be interpreted as pull-apart basins, as only one major fault controlled asymmetric basins.

Au Crétacé inférieur, l'intense activité magmatique due à la dislocation du super-continent Pangée influence fortement les conditions environnementales globales. Au Barrémien terminal et Aptien basal, période géologique dont fait l'objet cette étude, le bassin Vocontien, puis Bédoulien, recouvre le Sud-Est de la France, sous un climat chaud et humide. Sur les bordures de ces bassins, des plateformes carbonatées se mettent en place. Les sédiments qui se déposent sur ces plateformes sont à l'origine de la formation urgonienne. Afin d'étudier cette formation, une charte biostratigraphique, principalement basée sur les Orbitolinidés, et un modèle de faciès ont été développés. Les assemblages faunistiques, la succession des faciès, les observations de terrain ainsi que l'étude de signaux géochimiques ont permis le découpage séquentiel de la série urgonienne le long de 54 coupes et puis, répartis sur l'ensemble du Sud-Est de la France. Les corrélations induites par cette étude stratigraphique ont mis en évidence d'importantes variations d'épaisseur et d'environnements de dépôt au sein même de la plateforme urgonienne. Ces variations sont expliquées par le jeu de failles syn-sédimentaires qui ont compartimentées la plateforme urgonienne en blocs. Sur la bordure sud du bassin Vocontien, ces failles d'orientation N30° et N110° délimitent six blocs basculés. Au sommet du Barrémien terminal, la subsidence des blocs situés le plus au sud s'amplifie jusqu'à provoquer l'ouverture du bassin de la Bédoule au sud du secteur d'étude. Cette théorie d'évolution a ensuite été testée par l'élaboration d'un modèle numérique en trois dimensions de l'Urgonien du Sud-Est de la France. Sa cohérence avec les données acquises tout au long de cette étude d'une part, et sa cohérence géométrique d'autre part, valide les théories avancées. Des analogues de l'Urgonien sont répartis dans le monde entier et notamment au Moyen-Orient où ils représentent d'importants réservoirs pétroliers. Être capable de caractériser les facteurs ayant influencé l'architecture de l'Urgonien du Sud-Est de la France permet par la suite une meilleure exploitation de ses ressources énergétiques. / During the Early Cretaceous epoch, intensive magmatic activity due to the dislocation of the super-continent Pangaea, highly influenced global environmental conditions, which were characterized by a warm and generally humic climate. In this context, carbonate platforms were important in tropical and subtropical shallow-water regions, and especially during the late Barremian and early Aptian, platform carbonates of so-called Urgonian affinity are widespread. In southeastern France, the Urgonian platform was part of the northern Tethyan margin and bordered the Vocontian and the Bedoulian basins. The goal of this thesis was the systematic study of the Urgonian Formation in this region, and in order to achieve this goal, a biostratigraphic chart and a facies model were developed. The faunistic assemblages, the facies succession, the field observations and the study of geochemical signals lead to a sequential subdivision of the Urgonian series along 54 sections and wells allocated in five different regions in southeastern France (Gard, Ardèche, Vercors, Vaucluse and Provence). Correlations from this stratigraphic study highlight important variations in thickness and depositional environments of the Urgonian series. These variations are explained by relative movements induced by syn-sedimentary faults, which divided the Urgonian platforms into blocks. On the southern border of the Vocontian basin, these faults, oriented N30° and N110°, delineate six tilted blocks. At the top of the upper Barremian carbonates, subsidence of the two southern blocks accelerated leading to the opening of the Bedoulian basin. The reconstruction of the sequence-stratigraphic and paleoenvironmental evolution of the Urgonian platforms was then tested by the construction of a 3D numerical model of the Urgonian formation of southeastern France. Firstly, its consistency with the data collected during this study, and secondly, its geometrical coherence validate the proposed theory. Urgonian analogs exist all over the world and particularly in Middle East where they constitute important oil reservoirs. The exact reconstruction of the major factors, which influenced the architecture of these formations, will allow for a better exploitation of these energy resources.

Les systèmes carbonatés, anciens et actuels, se retrouvent au coeur d’enjeux économiques et sociétaux majeurs, notamment dans le domaine énergétique où ils représentent une part considérable des réserves prouvées de gaz et de pétrole. La présente thèse se focalise sur la plate-forme urgonienne Provençale (Barrémien supérieur–Aptien inférieur), analogue d’affleurement prouvé de réservoirs carbonatés du Moyen-Orient. Près d’une trentaine de coupes stratigraphiques, incluant notamment deux forages réalisés dans le cadre de ce travail, ont été considérées sur l’ensemble du domaine Provençal. La reconnaissance de surfaces d’émersion et d’ennoiement contraintes biostratigraphiquement permet d’appréhender régionalement l’évolution paléogéographique et l’architecture stratigraphique. Plusieurs phases de progradation en direction des bassins adjacents, entrecoupées d’épisodes de perturbation de la production carbonatée, sont identifiées en Provence. Un scénario stratigraphique comparable est proposé pour les plates-formes urgoniennes du Pourtour Vocontien. En Provence, la compartimentation réservoir de la plate-forme urgonienne est principalement contrôlée par le contexte séquentiel des dépôts qui induit une dualité entre des carbonates cimentés précocement et ceux préservant un certain espace poreux. Les règles géologiques définies dans cette étude 1) servent à la réalisation d’un modèle numérique 3-D destiné aux simulations des écoulements à l’échelle de l’aquifère karstique de Fontaine-de-Vaucluse, dont le débit à l’exutoire est classé au cinquième rang mondial, et 2) aident à la prédiction des hétérogénéités sédimentaires et pétrophysiques des systèmes carbonatés / The analysis of carbonate systems is at the heart of major economic and societal challenges, especially in the energy field since they represent significant oil and gas reserves. The present thesis focuses on the Urgonian Provence platform (upper Barremian–lower Aptian interval) which is considered as a valid outcrop analogue of middle East carbonate reservoirs. About thirty stratigraphic sections, including newly acquired cores, are considered throughout the Provence domain. The recognition of biostratigraphically constrained exposure and drowning surfaces enables us to restore the regional palaeogeographic evolution along with the stratigraphic architecture. Several phases of platform progradation toward the adjacent basins, interrupted by episodes of changes in carbonate production, are identified in Provence. A comparable stratigraphic scenario is proposed for the peri-Vocontian Urgonian platforms. In Provence, the reservoir compartmentalisation of the Urgonian platform is mainly controlled by the sequence stratigraphic context that induced a distinction between early cemented carbonates and those preserving part of their original porosity. The geological rules provided in this study 1) are implemented into a 3-D numerical model intended for fluid-flow simulations at the scale of the Fontaine-de-Vaucluse karstic aquifer, whose karst spring is the fifth largest in the world, and 2) help in predicting the sedimentary and petrophysical heterogeneities of carbonate systems