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.

Dans la croûte supérieure terrestre, les processus de déformation et de compaction se développent avec des interactions entre les mécanismes physiques et chimiques dans lesquels la présence d'un fluide, à l'intérieur des pores ou dans les interfaces solide / solide, est une condition nécessaire. Cette déformation se traduit dans la nature aussi bien par les stylolites, les minéraux indentés, les galets impressionnés ou la compaction des roches sédimentaires durant l'enfouissement, que par les karsts ou les fronts de dolomitisation à géométrie complexe. Pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la déformation mécano-chimique, l'étude est menée à différentes échelles. A une échelle nanoscopique, il est montré que les interfaces entre deux minéraux peuvent contenir un film fluide piégé dont la stabilité est assurée par le couplage entre un effet de pression osmotique et un effet de double couche électrique de Debye-Hückel. A une échelle microscopique, on observe que la surface de contact entre deux grains peut s'auto-organiser en contacts réels, qui piègent un film fluide, et en inclusions, qui contiennent un fluide libre. A cette échelle, le processus de dissolution-cristallisation sous contrainte se divise en trois étapes successives: 1) dissolution à l'interface entre deux grains activée par une augmentation locale de contrainte; 2) diffusion des solutés vers le pore le long du film fluide piégé; 3) cristallisation sur la surface du pore. L'étape la plus lente impose le taux de déformation et on peut relier taux de déformation et paramètres de cette déformation. A une échelle mésoscopique, on propose un modèle de compaction par dissolution-cristallisation sous contrainte où la roche est représentée comme un empilement cubique de grains dont la géométrie est une sphère tronquée. Enfin, à une échelle macroscopique, lorsqu'un fluide réactif circule dans un milieu poreux, un phénomène d'instabilité est reproduit expérimentalement et numériquement. On montre alors qu'un front de réaction peut être à l'origine d'une localisation de la dissolution puis de la déformation.