Les grès présentent un intérêt particulier en géologie pétrolière car ils possèdent généralement des gammes de porosité et de perméabilité favorables à la migration, au piégeage et à la récupération des hydrocarbures. Leur caractérisation fait donc l'objet d'études poussées. Ainsi, de nombreux sédimentologues ont analysé en détail une grande variété de systèmes sédimentaires afin de décrire la géométrie des corps gréseux et des barrières de perméabilité, et de caractériser l'organisation interne des faciès sédimentaires. Ces travaux ont conduit à la corrélation des données de puits et à l'élaboration de modèles statistiques prédictifs.<br />Ces descriptions sédimentologiques ne prennent pas en compte les caractères pétrographiques, minéralogiques ou géochimiques qui permettraient pourtant d'attribuer des causes directes, primaires ou secondaires, aux variations de porosité et de perméabilité rencontrées dans les roches. De plus, depuis quelques années, la diagenèse minérale, souvent à l'origine de ces variations, fait l'objet d'une modélisation déterministe qui s'appuie sur les processus physiques et chimiques mis en œuvre. Des logiciels de plus en plus performants permettent ainsi de réaliser des simulations destinées à proposer des bilans géochimiques variés qu'il est nécessaire de valider par des observations de terrain.<br />Cette thèse a pour objectif, d'une part, de compléter les études sédimentologiques par l'acquisition et l'analyse de données géochimiques et, d'autre part, de mieux comprendre la diagenèse des grès réservoirs en associant la géochimie à la modélisation numérique.<br />Deux formations géologiques, analogues de réservoirs exploités, ont servi de support à cette étude : les grès fluviodeltaïques du Ravenscar Group (Jurassique Moyen, côtes du Yorkshire, Royaume-Uni) et les Grès turbiditiques d'Annot (Eocène-Oligocène, Bassin du Sud-Est, France). L'échantillonnage a été réalisé afin d'apprécier la variabilité verticale et latérale de composition à diverses échelles (centimétrique à hectométrique) aussi bien entre faciès sédimentaires qu'au sein d'un même niveau lithostratigraphique.<br />L'étude géochimique montre que les faciès sont caractérisés par leur gamme de composition chimique ainsi que par leur style de variabilité élémentaire. Elle permet également de mieux comprendre la répartition des minéraux et des éléments au sein de la roche.<br />Ainsi, dans certains faciès, le tri sédimentaire entre les petits minéraux lourds et le reste de la roche (entrainment sorting) engendre des variations de teneur importantes pour les éléments portés par ces différentes classes de particules détritiques (Zr, Cr, Th, etc. pour les minéraux lourds ; Al, Na, K, etc. pour la fraction élastique). Des caractéristiques chimiques propres à chacune de ces populations de minéraux, valables à une échelle verticale de plusieurs mètres, peuvent alors être définies. Certaines d'entre elles, relatives aux éléments immobiles, permettent d'identifier des variations dans l'alimentation détritique. Une ségrégation s'opère également au sein de la fraction élastique entre les particules les plus grosses, dont la nature dépend de la maturité du grès, et les autres grains lors du dépôt.<br />Deux transformations diagénétiques majeures, à savoir la kaolinitisation et l'albitisation des feldspaths, sont également à l'origine de la distribution particulière des compositions chimiques de la fraction alumineuse des grès du Ravenscar Group.<br />Ce dernier point a été utilisé pour tester et valider la modélisation numérique de la diagenèse des grès du Ravenscar Group à l'aide du code numérique DIAPHORE de l'Institut Français du Pétrole. La néoformation de kaolinite apparaît alors possible dans la gamme de température 25-80°C, quel que soit le type d'eau superficielle considéré. La précipitation des argiles est induite par la présence et la circulation d'une eau en déséquilibre avec le réservoir gréseux, entraînant la dissolution successive des feldspaths. L'albitisation des feldspaths plagioclases s'effectue à faible température et dépend assez peu du type d'eau injectée. Enfin, l'albitisation des feldspaths potassiques est plus délicate à réaliser et n'est efficace que pour des eaux marines ou saumâtres à des températures supérieures à 50°C, et circulant dans un réservoir soumis à un gradient de température. Les simulations confirment donc l'importance de la perméabilité et de la circulation des fluides dans la diagenèse des aluminosilicates.<br />Les variations de composition chimique de la fraction alumineuse des grès du Ravenscar Group sont reproduites dans les simulations. Les conditions nécessaires aux transformations sont particulières mais compatibles avec le contexte géologique des grès étudiés. Les principales transformations diagénétiques, indépendantes, nécessitent alors plusieurs épisodes de circulation d'eau pour rendre compte de la diversité des compositions chimiques et minérales observées.<br />Les travaux menés dans le cadre de cette thèse laissent à penser que l'on pourrait intégrer plus systématiquement l'approche géochimique dans les études de réservoir.

Après un exposé rapide du cadre géographique et du contexte géologique, le problème de la genèse des cavités dans les grès de la région de Brive est abordé. Les théories antérieures sont rappelées. Un modèle théorique est proposé en fonction des données de terrain et des résultats de la gélifraction expérimentale.<br />les méthodes employées sont exposées en détail. Un chapitre est consacré aux méthodes sédimentologiques et aux analyses géochimiques qui permettent de mettre en évidence les actions climatiques qui ont commandé au dépôt et à la transformation des sédiments. Un second chapitre rappelle les principales caractéristiques des minéraux argileux susceptibles d'être rencontrés dans les sédiments.<br />Les stratigraphies étudiées appartiennent : <br />- au début du Würm III, grotte du Loup (Périgordien ancien et Aurignacien), commune de Cosnac, Corrèze,<br />- au Würm IV et au Post-Glaciaire, grotte du Ro Del Dra (Magdalénien terminal), commune de végennes (Corrèze) ; abri de Chez-Jugie (Azilien et Sauveterrrien), commune de Cosnac (Corrèze).<br />En conclusion, il est montré que les remplissages des cavités des grès permettent une bonne appréciation des fluctuations climatiques, prinsipalement des périodes froides et humides et des phases tempérées.

L'étude de la région d'Allevard s'inscrit donc dans le cadre plus général du dechiffrage des ninéralisations carbonatées et sulfureuses du massif de Belledonne et des relations avec la pétrographie des roches encaissantes . Le massif de Belledonne est riche de milliers d'indices minéralisées (sulfures et carbonates ) sur plus de 70 km, de Vizille à Aiguebelle, constituait ainsi une région métallurgique naturelle, aujourd ' hui disparue. Si l'on observe l importance des riches gisements de minerai carbonaté spathique (Sidérite ), si aptes à la fabrication des aciers naturels et l' abondance des ressources en combustible végétal, on ne s'étonne plus que le massif de Belledonne ait été, du temps de la métallurgie à bois, un foyer actif de production de l'industrie sidérurgique.

Les grès d'Annot et leurs équivalents latéraux sont étudiés au niveau de leurs affleurements dans le SE des Alpes françaises ( Dôme de Barrot, Haute Tinée,Argentera, Lauzet, Annot..) la vallée de la Stura et Cuneo. Cette étude sédimentologique met en evidence des paléocourants et traite de paléogéographie.

Le phénomène de radoucissement d'une roche est étudié à partir de l'observation des modes de localisation des déformations. A partir d'essais de compression triaxiale sur un grès de Fontainebleau, on caractérise à la fois de comportement pré-localisation et la formation des bandes de cisaillement. Les conditions d'essais sont optimisées par un choix adapté de la géométrie de l'échantillon (élancement, taille, forme) et des conditions à l'interface roche-plateau. On montre que le frettage à l'interface modifie l'allure des courbes contraintes-déformations et affecte le mode de rupture. Les caractéristiques de bandes de cisaillement (orientation et épaisseur) sont également modifiées par le frettage. Une technique anti-frettage par lubrification de l'interface est utilisée et validée. L'effet de la présence d'un fluide interstitiel est étudié. On montre que la loi de contrainte effective de Terzaghi est vérifiée dans le cas des essais réalisés en conditions drainées. Les phases de fissuration des échantillons correspondant au seuil de microfissuration, au seuil de dilatance et au seuil de localisation sont identifiées. Le problème du contrôle expérimental de la phase post-pic est également discuté. Les observations de bandes de cisaillement montrent que l'épaisseur et l'angle d'orientation de la bande par rapport à la contrainte principale mineure ont tendance à diminuer quand on augmente la pression de confinement. La microstructure des bandes est étudiée à partir de microphotographies obtenues au microscope électronique à balayage (MEB) et à la loupe binoculaire. L'évolution de la porosité et de la granulométrie dans la zone de localisation est quantifiée. Sous faible pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à l'intérieur et à proximité de la bande caractérisé par une augmentation de la porosité. A forte pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à proximité de la bande et de contractance au co eur de la bande caractérisé par une intense fragmentation des grains et une réduction importante de la porosité. Un modèle de comportement élastoplastique du second-gradient avec écrouissage et radoucissement pour le grès de Fontainebleau est développé. La phase d'écrouissage est étalonnée sur la phase pré-localisation des essais triaxiaux. Le comportement radoucissant est évalué de façon indirecte à partir d'une analyse de l'épaisseur des bandes de cisaillement. (Résumé de l'auteur)

Cette étude est destinée à améliorer la compréhension des caractéristiques structurales, pétrophysiques et mécaniques des bandes de déformation dans les grès poreux ainsi que de leur rôle potentiel sur la migration ou le piégeage des fluides en milieu réservoir. L'analyse structurale et pétrophysique des réseaux de bandes de Provence montre que leur perméabilité découle principalement de l'intensité de la cataclase dans leur microstructure et des processus diagénétiques qui peuvent s'y localiser avec la profondeur. L'analyse régionale de ces réseaux de bandes souligne l'influence majeure du régime tectonique sur leur distribution, leur organisation et leur perméabilité. Les bandes associées au régime normal (cataclactiques et peu perméables) sont localisées autour des failles cartographiques, tandis que les bandes associées au régime inverse (modérement cataclastiques et perméables) sont distribuées dans toute la région. Les bandes inverses sont fortement cataclastiques et imperméables uniquement autour du chevauchement de Roquemaure ce qui montre le rôle potentiel de la présence de grande faille sur les caractéristiques structurales et pétrophysiques de ces bandes. D'autre part, cette analyse suggère que la granulométrie de l'encaissant peut influencer l'initiation et l'organisation des réseaux. L'analyse mécanique des bandes de déformation a ensuite été réalisée à partir des résultats obtenus en Provence. L'enveloppe de plasticité de ces matériaux est calculée à l'aide d'une solution analytique. Les essais triaxiaux menés sur le grès de la carrière de l'Etang (orange) confirment la forme de ces enveloppes estimées théoriquement. Les essais réalisés sur les sables de Boncavaï (Uchaux) montrent que la taille des grains, le tri et de la compaction dans ces matériaux peu lithifiés influent sur leurs enveloppes de plasticité et la localisation des bandes cataclastiques à faibles profondeurs. Les trajets de contraintes sont estimés pour les phases d'enfouissement et de chargement tectonique (extension et compression) à partir de la relation entre contrainte principale et contraintes secondaires (K0), calibrée à partir de données de forage. Ces résultats sont intégrés à un modèle permettant d'estimer la nature et les caractéristiques structurales des bandes susceptibles de se former dans un contexte géologique donné. Un modèle structural, mécanique et pétrophysique a été établir à partir de ces différents résultats. Ce modèle est calibré à partir des données de perméabilité mesurées sur les bandes de Provence et des résultats du modèle mécanique de localisation cité précédemment. Ce modèle a ensuite été confronté à une synthèse des données de perméabilité disponibles dans la littérature et confirme l'influence des différents paramètres de contrôle pris en compte dans le modèle. Ce modèle a enfin pu être appliqué sur deux sites d'explorations/exploitations d'uranium en réservoir gréseux poreux et validé par les résultats obtenus, en concordance avec les observations de terrain.

Ce travail de thèse consiste à identifier les propriétés pétrophysiques et de transfert de roches provenant d’un réservoir de grès « tight » en Afrique du nord exploité par ENGIE EPI. Il s’agit d’identifier les liens entre les propriétés de transfert, les propriétés poro-mécanique, la sensibilité au chargement mécanique ou à la saturation en eau, et quelques indicateurs comme la porosité, la distribution des tailles de pores, la perméabilité intrinsèque, les caractéristiques pétrographiques etc. Le but est de pouvoir prédire le comportement de matériaux différents de ceux étudiés dans cette thèse, en utilisant des données d’entrée « facilement » accessibles, fournissant ainsi des outils permettant d’évaluer la qualité d’un nouveau réservoir sans passer par une caractérisation exhaustive, longue et couteuse du matériau constituant ce réservoir / This work of thesis focuses on the identification of the petrophysical and transfer properties of rocks originating from a tight sandstone reservoir in North Africa operated by ENGIE EPI. It needs to identify the links between the transfer properties, poro-mechanical properties, sensitivity to mechanical loading or water saturation, and some indications such as porosity, pore size distribution, intrinsic permeability, petrographic features etc. The aim is to predict the behavior of materials that are different from those that studied in this thesis by using the “easily” accessible input data, providing tools for evaluating the quality of a new reservoir without passing through an exhaustive, long and expensive characterization of the material forming this reservoir.

Basée sur un vaste corpus d’œuvres en quartzite, axé sur la statuaire mais prenant aussi en compte d’autres types de monuments, l’étude vise à examiner l’utilisation de cette pierre dure par les anciens Égyptiens au Nouvel Empire, sous les XVIIIe et XIXe dynasties. Correspondant à du grès silicifié, le quartzite a été extrait du Gebel el-Ahmar au nord et des carrières d’Assouan au sud. Après avoir évoqué les caractéristiques géologiques du quartzite et sa désignation dans les anciens textes égyptiens, l’étude traite du travail dans les carrières du point de vue de son organisation et de ses aspects techniques (méthodes d’extraction, outils employés, ébauches in situ), avant d’envisager la question du transport et de la finition dans les ateliers de sculpteurs. La seconde partie, introduite par un chapitre sur l’usage du quartzite avant le Nouvel Empire, est consacrée à l’examen des œuvres du corpus replacées dans leur contexte : il permet de mettre en évidence l’essor de ce matériau au cours de la XVIIIe dynastie, avec une utilisation majeure sous les règnes d’Amenhotep III et d’Akhénaton, fortement marqués par les conceptions solaires, et un nouveau regain sous Séthi Ier, notamment à Héliopolis, et sous Ramsès II qui a cherché à imiter son prédécesseur Amenhotep III. La symbolique solaire du quartzite, due à sa couleur rouge et à l’origine mythique du Gebel el-Ahmar, explique en grande partie son emploi dans les monuments royaux et divins et en fait une pierre de prestige, presque exclusivement réservée à l’élite. Les résultats d’analyses scientifiques menées sur des objets en quartzite du musée du Louvre sont annexés au travail. / Based on a large corpus of works made of quartzite, centred on statuary but also taking into account other types of monuments, the present study is a review of this hard stone use by the ancient Egyptians during New Kingdom, mainly 18th and 19th dynasties. Quartzite or silicified sandstone was extracted from Gebel el-Ahmar quarries in the North and from Aswan quarries in the South. Having mentioned the geologic characteristics of quartzite and its name in the ancient Egyptian texts, the study deals with the work in the quarries (organization and technical aspects like extraction technologies, tools, rough or unfinished pieces found in situ) and the transport of the stone from the quarry to the workshop. The second part of the research, introduced by a chapter on quartzite use before New Kingdom, is dedicated to the monuments of the catalogue put in their context : their examination reveals the significant development of this material during the 18th dynasty, with a peak under the reigns of Amenhotep III and Akhenaton, heavily influenced by solar beliefs, and a revival under Seti Ist (especially in Heliopolis) and Ramesses II, who wanted to emulate his predecessor Amenhotep III. The use of quartzite in royal and divine monuments might be explained by its solar symbolism, due to the red colour of the stone and the mythical origin of the Gebel el-Ahmar : it is the reason why this high-value stone is almost exclusively reserved for the Egyptian elite. An appendix containing the results from scientific analysis conducted on some quartzite objects kept in the Louvre Museum completes the study.

L'hydrogéologie en milieu fissuré nécessite, plus encore que dans d'autres milieux, une parfaite connaissance de la géométrie et de la structure du magasin. Des études poursuivies dans ce sens par de nombreux auteurs ont été effectuées en milieu carbonaté karstique ( L.KIRALI, 1969, J.C. GRILLOT , 1979) ou en milieu granito-gneissique ( J.AVIAS, 1967, F.O. FRANCISS, 1970, O.JAMIER, 1975), mais peu de chercheurs se sont penchés sur le problème des écoulements souterrains dans des milieux où, comme les schistes et les micaschistes, la présence d'une schistosité ou d'une foliation fine rend très difficile l'étude de la fissuration. Cette difficulté de connaissance du milieu doublée de la difficulté d'observation d'écoulements profonds à partir de la surface, entraine la nécessité de surprendre les écoulements lors de leur trajet, à l'occasion de l'exécution de travaux souterrains. C'est ce que nous avons pu réaliser grâce au percement de la galerie Arc-Isère. L'étude qui nous a été confiée comportait donc deux buts: - la mise en évidence des directions et des modes d'écoulements des eaux dans des milieux dont rien à priori ne permettait de penser qu'ils puissent être favorables à des circulations profondes. Pour cela, nous nous devions de connaître la structure intime des milieux considérés et la nature des circulations aquifères qui les parcourent; - la connaissance hydrogéologique d'un secteur de la bordure occidentale du massif de Belledonne, dont l'étude globale entreprise par le laboratoire d'Hydrogéologie de l'Institut Dolomieu comptait deux précédents volets avec les travaux de M. MICHEL (1971) et G.PAPPINI (1976). Nous n'avons pas poursuivi ici un but strictement monographique, mais tenté d'établir une méthodologie d'étude comparative surface-profondeur du milieu fissuré avec, en conclusion ou plutôten application, l'étude d'un cheminement thermo-minéral.

De nombreux travaux effectués en laboratoire ou sur des champs pétroliers ont mis en évidence l'influence que peut avoir la salinité de l'eau de balayage sur le déplacement des hydrocarbures. Les premières études documentées sur la capacité de l'injection d'eau de faible salinité à devenir une méthode EOR (augmentation de la récupération) ont débuté dans les années 90 [Jadhunandan & Morrow, 1991] suivies par d'autres auteurs [Lager et al., 2006]. Cependant il n'existe pas, à ce jour, d'explication générale du phénomène. L'objectif de notre étude est d'une part de quantifier, sur un système Huile/Saumure/Roche bien caractérisé, les récupérations additionnelles d'hydrocarbure par injection d'eau diluée, d'autre part, à partir de l'évolution des paramètres physico-chimiques, de proposer des explications aux réactions du milieu poreux conduisant à l'amélioration du déplacement microscopique de l'huile brute. Nous avons effectué nos expériences en considérant un système composé d'un grès d'affleurement (DU3) consolidé de perméabilité moyenne (400-800mdy) contenant 10% d'argile mais pas de kaolinite, d'une huile de gisement (Huile A) contenant 2,3% d'asphaltènes, d'une saumure résidente de concentration égale à 50g/l (90%w NaCl, 10%w CaCl2) et de saumures de faible salinité (1g/l) contenant ou pas des ions divalents. Les résultats des expériences de balayages tertiaires et secondaires ont mis en évidence des récupérations additionnelles d'hydrocarbure comprises entre 9 et 11% (OOIP) lorsqu'on passe de l'injection d'une saumure à 50g/l à une saumure à 1g/l et entre 4 et 6% (OOIP) lorsqu'on passe de 1g/l à 0,1g/l. Ces récupérations additionnelles, qui sont toujours accompagnées de l'augmentation du pH et de la réduction de la perméabilité de l'échantillon, ont lieu à partir d'une valeur seuil de salinité comprise entre 2,5 et 1g/l. Elles sont également observées en l'absence d'ions divalents dans l'eau d'injection. La reprise de production observée après injection de 2 à 3 VP a pour origine un effet de dispersivité diphasique qui est cohérente avec le seuil de salinité nécessaire à la reprise de production. Des observations à l'aide d'un MEB montrent que l'huile résiduelle préserve partiellement les surfaces et empêche le décollement et la libération des particules argileuses. L'augmentation du pH n'est pas le moteur de ce phénomène, elle est due aux réactions simultanées d'échanges ioniques à la surface de la roche et de dissolution des carbonates. La réduction de la perméabilité, comme l'augmentation du pH, est également observée dans les cas où aucune récupération additionnelle d'huile n'a été mise en évidence. Cette réduction de perméabilité est due à l'expansion interparticulaire prévue par la théorie DLVO lors de la diminution de la force ionique. La libération de particules argileuses lors des expériences de traçages monophasiques et le comportement de l'ion divalent Ca++ qui disparaît plus vite des effluents montre l'importance des échanges ioniques dans le déplacement microscopique des hydrocarbures.