Cette thèse est une étude du bassin d’avant-pays de l’Oural méridional au Kazakhstan (Mougodjar) à partir de données sédimentologiques (affleurements) et de sub-surface (profils sismiques, puits). Une étude sédimentologique des séries turbiditiques d’âge Carbonifère terminal-Permien inférieur a été menée dans le Mougodjar. L’étude des dépôts a permis de caractériser les environnements des dépôts turbiditiques et de mettre en évidence des séquences de long terme se succédant du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’analyse des faciès turbiditiques montre que les séquences de long terme sont contrôlées par les fluctuations du niveau marin global sous contrôle glacio-eustatique. L’orogenèse du Permien inférieur associée à la surrection de l’Oural a contrôlé le volume et la nature des apports sédimentaires alimentant le bassin d’avant-pays. Ceci se traduit par l’importance variable des conglomérats et brèches de démantèlement du matériel volcanique et des plate-formes carbonatées situées sur les marges du bassin et par des réorganisations locales des pentes sous-marines (changements de sens des paléo-courants). Les minéraux smectitiques dominent les assemblages argileux analysés dans les séries du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’illite, la kaolinite et la chlorite sont présentes en plus faibles proportions. Les assemblages argileux indiquent une relative pérennité des apports détritiques qui varient au cours du temps selon la distribution des faciès turbiditiques. Les fluctuations climatiques n’apparaissent pas contrôler la distribution des minéraux argileux qui semble plutôt associée (1) à l’érosion de stocks argileux variés en fonction des fluctuations eustatiques et/ou (2) à la redistribution du matériel détritique le long d’un transect proximal-distal sous l’effet de processus de tri granulométrique. La distribution de la matière organique principalement marine du Dévonien moyen au Carbonifère, montre que les paléoenvironnements étaient favorables à de fortes paléo-productivité de surface probablement associées à une dysoxie/anoxie de toute ou partie de la colonne d’eau, dans un contexte de bassin marin restreint. Les plus fortes valeurs de COT (20 %) mesurées dans la coupe de Kiya (Famennien) sont pourraient être associées à un des OAEs majeurs du Dévonien, l’évènement Hangenberg, mais la précision des données biostratigraphiques disponibles ne permet pas de l’assurer. Quoi qu’il en soit, les OAE qui se succèdent au Dévonien auraient pu favoriser l’accumulation et la préservation de la matière organique dans le Dévonien du Mougodjar, en plus des facteurs physiographiques (restriction du bassin vers le sud). Les fortes concentrations en carbone organique (COT 20%) des sédiments dévoniens montrent de bonnes roches mères potentielles. Les teneurs en carbone organique, surtout d’origine terrestre, des sédiments turbiditiques permiens sont plus faibles (COT pouvant cependant atteindre 4%) mais assez élevées dans certains niveaux stratigraphiques. Les faciès silto-sableux proximaux ont livré les plus fortes concentrations en COT. Ces turbidites permiennes ont des caractéristiques de réservoirs. Elles peuvent aussi se révéler de roches-mères gas-prone potentielles. L’interprétation des données de sub-surface nous a permis de préciser la structure du bassin d’avant-pays à l’échelle de l’Oural méridional. Il est constitué de plis et de chevauchements à vergence est qui résultent d’une évolution polyphasée. Les plis s’amortissent vers l’ouest et passent à la partie peu déformée du bassin puis à la plate-forme. A partir de ces données nous avons reconstruit des schémas d’évolution tectono-sédimentaire et des cartes paléogéographiques de la partie occidentale du Mougodjar. / This thesis is dedicated to the study of the foreland basin of southern Ural in Kazakhstan (Mougodjar). Sedimentological data have been collected from field investigations, and sub-surface data (seismic profiles, wells) have been studied. A sedimentological investigation of the turbidites, Carboniferous to Early Permian in age, has been performed. It allowed to characterize the environments of deposition of the turbidites and to evidence the long-term succession from uppermost Carboniferous to early Permian. The analysis of turbides indicates that the long-term sequences are controlled by global sea-level changes controlled by glacio-eustatism. The Early Permian orogeny, associated to the uplift of the Ural chain, controlled the quantity and quality of the sedimentary input sourcing the foreland basin. Important variations in the conglomeratic levels reflect (1) the erosion of material from the volcanic arc and carbonate platforms constituting the margins of the basin, and (2) local reorganizations of sub-marine slopes (changes in paleo-current directions). The smectitic minerals are the most frequent in the clay minerals assemblages reported in the uppermost Carboniferous to Early Permian sequences. Illite, Kaolinite, and chlorite are less frequently observed. This assemblage of clay minerals shows a permanence of detrital sources filling the basin. This pattern is thought to reflect a sorting effect of the clay particles along a proximal-distal transect, either than a direct paleoclimatic control. The distribution of the organic matter, mainly marine from the Middle Devonian to the Carboniferous indicates that the paleoenvironments were looked favourable to high surface paleoproductivities associated to a dysoxy/anoxy of all, or part, of the water column in the context of a restricted marine basin. The highest values of COT (20 %) found in the Kiya section (Fammenian) may be associated to a major Devonian OAE, the Hangenberg event. However, the accuracy of available biostratigraphic data does not allow to ensure such correlation. Indeed, OAE events may have favoured the accumulation and preservation of the organic matter in the Mougodjar, in addition to physiographical effects (e.g., the relative closure of the basin toward the south). The high concentration in organic carbon (COT 20%) of the Devonian sediments shows good potential source rocks. The content in organic matter, mainly from terrestrial origin, of the Permian turbidites are lower (COT reaching up to 4%), but quite high in some stratigraphic levels. The proximal silty-sandy deposits display the higher COT values. These Permian turbidites may be good reservoirs. They could also be potential gas-prone source rocks. The study of the sub-surface data allowed us to determine the structure of the foreland basin at the scale of southern Ural. It is constituted of folds and west-vergent thrusts resulting from a polyphased tectonic evolution. The folds gradually disappear toward the west passing westward either to the stable Russian platform in the north or to the eastern Pre-Caspian basin to the south. We have reconstructed the tectono-sedimentary evolution of the western Mougodjar through paleogeographic maps. Five key periods have been selected between the Devonian to early Permian period. Our reconstructions evidence two main orogenic events: (1) a first collision between the European continent and the Magnitogorsk volcanic arc in Middle Devonian, and (2) the major uralian orogeny during the Late Carboniferous to Early Permian times resulting from the collision of the European continent with the Kazakh and Siberian plates. This event originated the foreland basin, which is almost completely fulfilled by a thick detrital sequence. In Kungurian, the foreland basin is almost completely isolated and a thick evaporitic sequence deposited.

Les modèles géologiques sont couramment utilisés pour estimer les ressources souterraines, pour faire des simulations numériques, et pour évaluer les risques naturels ; il est donc important que les modèles géologiques représentent la géométrie des objets géologiques de façon précise. La première étape pour construire un modèle géologique consiste souvent à interpréter des surfaces structurales, telles que les failles et horizons, à partir d'une image sismique ; les objets géologiques identifiés sont ensuite utilisés pour construire le modèle géologique par des méthodes d'interpolation. Les modèles géologiques construits de cette façon héritent donc les incertitudes d'interprétation car une image sismique peut souvent supporter plusieurs interprétations structurales. Dans ce manuscrit, j'étudie le problème de réduire les incertitudes d'interprétation à l'aide des données sismiques. Particulièrement, j'étudie le problème de déterminer, à l'aide des données sismiques, quels modèles sont plus probables que d'autres dans un ensemble des modèles géologiques cohérents. Ce problème sera connu par la suite comme "le problème d'évaluation des modèles géologiques par données sismiques". J'introduis et formalise ce problème. Je propose de le résoudre par génération des données sismiques synthétiques pour chaque interprétation structurale dans un premier temps, ensuite d'utiliser ces données synthétiques pour calculer la fonction-objectif pour chaque interprétation ; cela permet de classer les différentes interprétations structurales. La difficulté majeure d'évaluer les modèles structuraux à l'aide des données sismiques consiste à proposer des fonctions-objectifs adéquates. Je propose un ensemble de conditions qui doivent être satisfaites par la fonction-objectif pour une évaluation réussie des modèles structuraux à l'aide des données sismiques. Ces conditions imposées à la fonction-objectif peuvent, en principe, être satisfaites en utilisant les données sismiques de surface (« surface seismic data »). Cependant, en pratique il reste tout de même difficile de proposer et de calculer des fonctions-objectifs qui satisfassent ces conditions. Je termine le manuscrit en illustrant les difficultés rencontrées en pratique lorsque nous cherchons à évaluer les interprétations structurales à l'aide des données sismiques de surface. Je propose une fonction-objectif générale faite de deux composants principaux : (1) un opérateur de résidus qui calcule les résidus des données, et (2) un opérateur de projection qui projette les résidus de données depuis l'espace de données vers l'espace physique (le sous-sol). Cette fonction-objectif est donc localisée dans l'espace car elle génère des valeurs en fonction de l'espace. Cependant, je ne suis toujours pas en mesure de proposer une implémentation pratique de cette fonction-objectif qui satisfasse les conditions imposées pour une évaluation réussie des interprétations structurales ; cela reste un sujet de recherche. / Subsurface structural models are routinely used for resource estimation, numerical simulations, and risk management; it is therefore important that subsurface models represent the geometry of geological objects accurately. The first step in building a subsurface model is usually to interpret structural features, such as faults and horizons, from a seismic image; the identified structural features are then used to build a subsurface model using interpolation methods. Subsurface models built this way therefore inherit interpretation uncertainties since a single seismic image often supports multiple structural interpretations. In this manuscript, I study the problem of reducing interpretation uncertainties using seismic data. In particular, I study the problem of using seismic data to determine which structural models are more likely than others in an ensemble of geologically plausible structural models. I refer to this problem as "appraising structural models using seismic data". I introduce and formalize the problem of appraising structural interpretations using seismic data. I propose to solve the problem by generating synthetic data for each structural interpretation and then to compute misfit values for each interpretation; this allows us to rank the different structural interpretations. The main challenge of appraising structural models using seismic data is to propose appropriate data misfit functions. I derive a set of conditions that have to be satisfied by the data misfit function for a successful appraisal of structural models. I argue that since it is not possible to satisfy these conditions using vertical seismic profile (VSP) data, it is not possible to appraise structural interpretations using VSP data in the most general case. The conditions imposed on the data misfit function can in principle be satisfied for surface seismic data. In practice, however, it remains a challenge to propose and compute data misfit functions that satisfy those conditions. I conclude the manuscript by highlighting practical issues of appraising structural interpretations using surface seismic data. I propose a general data misfit function that is made of two main components: (1) a residual operator that computes data residuals, and (2) a projection operator that projects the data residuals from the data-space into the image-domain. This misfit function is therefore localized in space, as it outputs data misfit values in the image-domain. However, I am still unable to propose a practical implementation of this misfit function that satisfies the conditions imposed for a successful appraisal of structural interpretations; this is a subject for further research.

Le but de ce travail est une étude pluridisciplinaire de modélisation sismique 2D et d'inversion d'une coupe géologique de la bordure méridionale du Vercors. L'originalité de ce travail réside dans l'emploi de techniques qui mènent à la caractérisation sismique de réservoir à partir d'une coupe géologique. Le modèle géologique est construit à partir de l'étude sur le terrain des ameurements de la bordure de la plateforme urgonienne (Barrémien - Aptien inférieur). Les corrélations cartographiques et séquentielles de coupes lithologiques de détail permettent d'établir une coupe géologique de 16 kilomètres de long pour 800 mètres d'épaisseur environ. Les calcaires hémipélagiques du Barrémien inférieur et les calcaires bioclastiques du prisme de bas niveau et de l'intervalle transgressif de la séquence BA3 montrent une diminution d'épaisseur en direction du Nord. Cette géométrie résulte d'une érosion des couches du Barrémien inférieur et~Ùne disposition en biseau d'aggradation ("onlaps") des paraséquences du prisme de bas niveau et de l'intervalle transgressif de la séquence BA3 sur la limite SbB3. Ces calcaires bioclastiques ont pu être datés de la base du Barrémien supérieur. Les Calcaires urgoniens montrent une position rétrogradante par rapport aux calcaires bioclastiques de Glandasse, indiquant qu'ils appartiennent à une formation transgressive dont l'âge est Barrémien supérieur. L'échantillonnage des différents Iithofaciès identifiés permet de réaliser la mesure en laboratoire des propriétés pétrophysiques et acoustiques (Vp, Vs et densité) de ces roches. Des relations linéaires entre les vitesses et la porosité ou l'argilosité sont déterminées. Ces. relations sont utilisées pour construire les modèles d'impédance, à partir des valeurs de porosité d'un réservoir réel. La construction des modèles d'impédance est réalisée en accord avec les hypothèses de la stratigraphie séquentielle, toutes les limites des paraséquences sont des réflect,eurs potentiels. La modélisation sismique a été réalisée par deux approches différentes, tracé de rayons à déport nul et différences fmies "multioffset". Les signaux sources employés ont un contenu fréquentiel comparable à ceux généralement extraits des profils sismiques de prospection pétrolière. L'interprétation des profils sismiques est comparée à la coupe géologique. Cette comparaison montre qu'il est difficile de retrouver le découpage en séquences de dépôt "il partir de l'interprétation des relations géométriques et des terminaisons des biseaux des événements sismiques. La dernière partie de ce travail est consacrée à la mise en oeuye de deux techniques de caractérisation sismique de réservoirs sur les profils simulés. Dans un premier temps, une inversion stratigraphique a été réalisée sur les données modélisées par tracé de rayons. Les sections d'impédance acoustiques obtenues sont caractérisées par des valeurs d'impédance proches du modèle d'origine. Dans un second temps, les attributs sismiques après sommation sont employés pour réaliser une interprétation lithologique des données sismiques. L'emploi de l'impédance sismique comme attribut permet une première discrimination lithologique. Un second attribut (attribut instantané) permet de discriminer les classes lithologiques présentant la même impédance sismique. Les profils lithologiques obtenus après prédiction sont comparables au modèle géologique.

Les données de sismique réflexion sont une source d'information essentielle pour la modélisation tridimensionnelle des structures du sous-sol dans l'exploration-production des hydrocarbures. Ce travail vise à fournir des outils de visualisation pour leur interprétation. Les défis à relever sont à la fois d'ordre qualitatif et quantitatif. Il s'agit en effet de considérer (1) la nature particulière des données et la démarche d'interprétation (2) la taille des données. Notre travail s'est donc axé sur ces deux aspects : 1) Du point de vue qualitatif, nous mettons tout d'abord en évidence les principales caractéristiques des données sismiques, ce qui nous permet d'implanter une technique de visualisation volumique adaptée. Nous abordons ensuite l'aspect multimodal de l'interprétation qui consiste à combiner plusieurs sources d'information (sismique et structurale). Selon la nature de ces sources (strictement volumique ou volumique et surfacique), nous proposons deux systèmes de visualisation différents. 2) Du point de vue quantitatif, nous définissons tout d'abord les principales contraintes matérielles intervenant dans l'interprétation, ce qui nous permet d'implanter un système générique de gestion de la mémoire. Initialement destiné au couplage de la visualisation et des calculs sur des données volumiques massives, il est ensuite amélioré et spécialisé pour aboutir à un système dynamique de gestion distribuée de la mémoire sur cluster de PCs. Cette dernière version, dédiée à la visualisation, permet de manipuler des données sismiques à échelle régionale (100-200 Go) en temps réel. Les problématiques sont abordées à la fois dans le contexte scientifique de la visualisation et dans le contexte d'application des géosciences et de l'interprétation sismique / Seismic reflection data are a valuable source of information for the three-dimensional modeling of subsurface structures in the exploration-production of hydrocarbons. This work focuses on the implementation of visualization techniques for their interpretation. We face both qualitative and quantitative challenges. It is indeed necessary to consider (1) the particular nature of seismic data and the interpretation process (2) the size of data. Our work focuses on these two distinct aspects : 1) From the qualitative point of view, we first highlight the main characteristics of seismic data. Based on this analysis, we implement a volume visualization technique adapted to the specificity of the data. We then focus on the multimodal aspect of interpretation which consists in combining several sources of information (seismic and structural). Depending on the nature of these sources (strictly volumes or both volumes and surfaces), we propose two different visualization systems. 2) From the quantitative point of view, we first define the main hardware constraints involved in seismic interpretation. Focused on these constraints, we implement a generic memory management system. Initially able to couple visualization and data processing on massive data volumes, it is then improved and specialised to build a dynamic system for distributed memory management on PC clusters. This later version, dedicated to visualization, allows to manipulate regional scale seismic data (100-200 GB) in real-time. The main aspects of this work are both studied in the scientific context of visualization and in the application context of geosciences and seismic interpretation

L’architecture crustale et l’évolution de la partie profonde des marges passives peu-magmatiques sont encore mal comprises. En prenant comme chantier principal les marges Australie-Antarctique, cette thèse montre que l’enregistrement de la déformation dans les sédiments met en évidence une évolution polyphasée des marges distales. Cette évolution polyphasée implique le développement de multiples systèmes de détachement présentant une organisation hors-séquence et menant à une architecture finale symétrique des domaines exhumés. Cette organisation des systèmes de failles est liée à des cycles de délocalisation / relocalisation de la déformation influencés par l’apport magmatique, par un niveau de découplage et par la remontée asthénosphérique. L’interaction faille / magma apparait particulièrement importante dans l’évolution des marges distales. Cette étude a permis de mieux caractériser la rupture lithosphérique, qui peut se définir comme un événement tectono-magmatique progressif. / The crustal architecture and evolution of the deepest part of magma-poor rifted margins is currently not well understood. Taking the Australia-Antarctica margins as main study area, this thesis shows that the record of the deformation in sediments highlights a clear polyphase evolution of distal margins. This polyphase evolution implies the development of multiple detachment systems presenting an out-of-sequence organization and leading to a final symmetric architecture of the exhumed domains. This organization of fault systems is linked to cycles of delocalisation / re-localisation of the deformation influenced by the magmatic supply, by a decoupling level and by the asthenospheric uplift. Fault / magma interaction appears particularly important during the evolution of distal margins. This study allowed a better characterization of the lithospheric breakup, which can be defined as a progressive tectono-magmatic event.