La formation Eocène-Oligocène des Grès d’Annot constitue le remplissage gravitaire syntectonique de bassins d’avant-pays complexes, développés au front de l'orogène alpin. Les dépôts relativement distaux de ce système turbiditique s'apparentent à des lobes sous-marins. Ces corps sableux sont caractérisés par une géométrie tabulaire et isopaque à l’échelle pluri-kilométrique. Ce travail met cependant en évidence une extrême complexité dans la répartition des faciès, structures et figures sédimentaires, en lien avec une grande variabilité des processus de transport/dépôt. Ceux-ci sont à l’origine d'objets élémentaires à la géométrie et aux remplissages distincts. Cette forte variabilité sédimentaire implique d'importantes hétérogénéités pouvant influencer la circulation des fluides sur des systèmes réservoirs analogues. A titre de comparaison, une étude complémentaire est effectuée sur un système gravitaire carbonaté (Formation Guwayza, Jurassique moyen, Nord de l’Oman), en contexte de marge passive, afin de discuter de l’importance relative des processus à l’égard du contexte géodynamique sur la variabilité des lobes. / The siliciclastic Annot Sandstones formation (SE France) is composed of a thick series of gravitary deposits and represents the Late Eocene to Early Oligocene northward infill by various types of gravitary deposits of relatively small foreland basins developed in front of the Alpine orogen. This study brings new quantitative data on the terminal deposits of this turbidite system (sand-rich lobes) and focuses on their internal architecture from depositional event scale to elementary object scale. A longitudinal distribution model of elementary objects (from proximal vertically stacked channelized lobes to distal tabular lobes) and associated heterogeneities has been established. Those features have not been accurately described in sand-rich turbidite deposits so far. This high internal variability necessarily implies heterogeneities in terms of petrophysical characteristics (porosity, permeability) and reservoir connection that may have a significant impact on fluid circulation. As a comparison, a similar study on calciturbidites sheet-like lobes from the Middle Jurassic Guweyzah Formation of North Oman is introduced. These results allow reconsidering both sedimentary processes involved in sand-rich lobes and also reservoir models that can be established on field analogues.

Le complexe des lobes terminaux du système turbiditique du Congo, localisé à 760 km des côtes de l’Afrique Equatoriale et à 5000 m de profondeur, constitue un système sédimentaire unique pour étudier les transferts de matière organique dans l’Océan Atlantique. En effet, ce complexe, d’une superficie de 3000 km² environ, est actuellement le réceptacle final des apports turbiditiques, initiés dans le canyon du fleuve Congo. Cette thèse, qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR-Congolobe, a pour objectif d’apporter des connaissances sur la composition biogéochimique de ces apports et d’apporter des conclusions sur leur(s) origine(s), leur distribution et leur devenir dans les sédiments. Pour ce faire, neuf carottes d’interface (~20 cm) et une carotte longue (~900 cm) prélevées en différents sites du complexe des lobes ont été étudiées. La stratégie employée a consisté (1) à réaliser une description des faciès et de la granulométrie des sédiments, (2) à réaliser une étude géochimique globale et moléculaire sur ces mêmes sédiments (%Corg, C/N, δ13Corg et δ15N, 137Cs, acides gras, tétraéthers) (3) à confronter les données acquises avec celles obtenues sur les sources initiales marines et terrestres par un modèle de mélange binaire (δ13Corg) et par une analyse discriminante (acides gras), (4) à considérer un site spécifique en tant que référence temporelle, (5) à combiner les données acquises à tous les sites dans une analyse multivariée pour appréhender le devenir de cette région à l’échelle millénaire. Tous les marqueurs considérés ont révélé que les sédiments des lobes constituent un véritable puits de matière organique particulaire terrigène en provenance du Congo. Les concentrations en carbone organique sont élevées dans les sédiments argilo-silteux (~3 à 5 %). 70 à 80 % de ce carbone organique dérive du fleuve et consiste en des débris végétaux et en de la matière organique altérée issue de l’érosion des sols, alors que les 20 à 30 % restants consistent en une matière organique marine très dégradée. Une analyse plus détaillée des biomarqueurs lipidiques suggère que la matière organique apportée par les turbidites est peu réactive, néanmoins, l’analyse des acides gras a permis de détecter la présence de composés marins frais dans certains échantillons. Une conclusion importante de cette étude est que tous les résultats portant sur la composition et la distribution de la matière organique dans les sédiments sont en accord avec les modalités de dépôt turbiditique (rapidité du transfert, fréquence des apports, épaisseur des dépôts) ainsi qu’avec les propriétés granulométriques des sédiments. Ces caractéristiques physiques permettent d’expliquer que la matière organique soit exceptionnellement bien préservée dans les couches anoxiques des sédiments, une observation valable à l’échelle des millénaires qui soulève l’intérêt de prendre en compte la région des lobes pour comprendre le devenir de la matière organique terrestre dans l’océan global. / The terminal lobe complex of the Congo deep-sea fan, which is a unique region to study the transfer of organic matter from the land to the Atlantic Ocean, is located 760 km off the Equatorial African coast and at 5,000 m depth. This region covers 3000 km2 and is the terminal receptacle of the particulate organic matter provided by turbidity currents originating from the Congo River canyon. This thesis is part of the Congolobe ANR-project and aims at providing information on the biogeochemical composition of these organic matter inputs to study their origin, distribution and fate in lobe complex sediments. Nine short sediment cores (~20 cm) and one long core (~900 cm) were collected in different sites of the lobes complex for different sediment analyses. The strategy of the study consists of the following five analytical steps: (1) to achieve a facies and granulometry description of the sediments; (2) to study the global and molecular geochemical characteristics of the sediments (%OC , C/N, δ13Corg, δ15N, 137Cs, fatty acids and tetraethers); (3) to compare these data to data from marine and terrestrial end-members using a binary mixing model (δ13Corg) and a discriminant analysis (fatty acids); (4) to consider a specific site as a time reference and (5) to discuss the fate of the sedimentary organic matter at the millennium time scale of the overall area by combining different data in a multivariate analysis. All the different proxies used in this study revealed that lobe sediments could be a sink for organic inputs from the Congo River. Organic carbon concentrations are high in silty-clay sediments (~3 to 5 %). Over the study region, 70 to 80 % of the organic carbon originate from the Congo River and consist of vegetal detritus and soil derived-OM. The remaining 20 to 30 % consists of highly degraded organic matter. A more detailed lipid biomarker analysis shows that the organic matter is poorly reactive; however, fatty acid analyses reveal the presence of fresh planktonic compounds in some samples. An important finding of this study is that the composition and the distribution of the organic matter in sediments are consistent with turbiditic deposition patterns (e.g., rapidity of transfer, frequency and thickness of deposits) as well as with the granulometry properties of the sediments from the terminal lobe complex. Due to the specific sediment characteristics, organic matter is exceptionally well preserved in the anoxic sediment layers, reaching back to millennial time scales. Hence, studying the lobe complex area is of great interest for a better understanding of the fate of terrestrial organic matter in the global ocean.

Les périodes glaciaires du Pléistocène sont contemporaines de la croissance d’imposantes calottes de glace en Europe, et de la présence du Fleuve Manche qui s’écoulait entre la Grande-Bretagne et la France. Ce fleuve représentait un des plus grands systèmes fluviatiles ayant jamais existé en Europe de l'Ouest. A travers la reconstruction des transferts sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne, nous discutons dans ce travail de l’amplitude des oscillations glaciaires et de la puissance du Fleuve Manche au cours des derniers 1,2 millions d’années. Les transferts sédimentaires augmentent significativement lors du développement majeur des calottes glaciaires il y a 900 000 ans et tout particulièrement lors du stade isotopique marin (MIS) 12, il y a 450 000 ans. Durant cette période, la fusion des calottes Britannique et Scandinave en Mer du Nord oblige les eaux d’Europe centrale à s’écouler dans le Golfe de Gascogne au travers du détroit du Pas-de-Calais, dont nous datons l’ouverture il y a 455 000 ans. Cette modification profonde du réseau de drainage européen rend possible une telle configuration lors des périodes glaciaires suivantes, et particulièrement lors des MIS 6 (~150 ka) et MIS 2 (~18 ka). Au cours de ces périodes, les apports sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne augmentent brutalement en réponse à la fonte des calottes, la compétence du Fleuve Manche devenant suffisamment importante pour charrier le sédiment issu de l’érosion glaciaire vers le Golfe de Gascogne. Le débit solide minimum du Fleuve Manche est ainsi estimé à 130 Mt an-1 lors de la dernière déglaciation. Plus généralement, nous démontrons, pour la période étudiée, que les transferts sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne et le fonctionnement des systèmes turbiditiques Celtique et Armoricain sont très majoritairement contrôlés par le climat. Par ailleurs, la reconnaissance des événements de fonte des calottes européennes tout au long des derniers 1,2 millions d’années a permis, pour la première fois, la corrélation directe de la stratigraphie continentale européenne avec la stratigraphie isotopique marine. / The Pleistocene has been period of fluctuating climate accompanied by prominent sea-level lowstands during the glacial intervals, when massive continental ice sheets extended from mountainous to lowland European areas. The retreat of the shoreline on the extensive present-day shallow continental shelf of the southern part of the British Isles induced the appearance of the ‘Fleuve Manche’ palaeoriver, one of the largest systems that drained the European continent. Sedimentary records from the Bay of Biscay offer an independent record allowing the reconstruction of the freshwater and sediment discharges of the ‘Fleuve Manche’, and the possibility of detecting the imprint of surrounding ice-sheet oscillations and attendant modification of hinterland drainage directions throughout the Pleistocene. For the last 1.2 Ma, the progressive development of extensive Pleistocene ice-sheets over Europe during cold periods favoured sedimentary transfers in the Bay of Biscay, particularly since MIS 12 when the British and Fennoscandian ice sheets merged in the North Sea for the first time, forcing the North Sea fluvial system to flow southwards through the Dover Strait, which opened 455 000 years ago according to our data. From this point onwards, the North Sea drainage, as well as meltwaters that flowed westwards along the southern margin of the Fennoscandian ice-sheet could drain into the Bay of Biscay, as reported through significant terrigenous supplies in the northern Bay of Biscay during the MIS 6 (ca.150 ka) and MIS 2 (ca.18 ka). We assume for example that sediment load delivered to the Bay of Biscay by the ‘Fleuve Manche’ reached 130 M t yr-1 at time of the last melting of the European ice sheet ca. 18 000 years ago. On the whole, we demonstrate, for the studied period, that climate forcing strongly affects the sediment transfer into the northern Bay of Biscay and the turbiditic activity of the Celtic and Armorican turbidite systems. Finally, the recognition of melting events of the European ice sheets throughout the last 1.2 Ma allows, for the first time, the correlation of the European continental glaciation-derived chronology with the marine isotope stratigraphy.

Les périodes glaciaires du Pléistocène sont contemporaines de la croissance d'imposantes calottes de glace en Europe, et de la présence du Fleuve Manche qui s'écoulait entre la Grande-Bretagne et la France. Ce fleuve représentait un des plus grands systèmes fluviatiles ayant jamais existé en Europe de l'Ouest. A travers la reconstruction des transferts sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne, nous discutons dans ce travail de l'amplitude des oscillations glaciaires et de la puissance du Fleuve Manche au cours des derniers 1,2 millions d'années. Les transferts sédimentaires augmentent significativement lors du développement majeur des calottes glaciaires il y a 900 000 ans et tout particulièrement lors du stade isotopique marin (MIS) 12, il y a 450 000 ans. Durant cette période, la fusion des calottes Britannique et Scandinave en Mer du Nord oblige les eaux d'Europe centrale à s'écouler dans le Golfe de Gascogne au travers du détroit du Pas-de-Calais, dont nous datons l'ouverture il y a 455 000 ans. Cette modification profonde du réseau de drainage européen rend possible une telle configuration lors des périodes glaciaires suivantes, et particulièrement lors des MIS 6 (~150 ka) et MIS 2 (~18 ka). Au cours de ces périodes, les apports sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne augmentent brutalement en réponse à la fonte des calottes, la compétence du Fleuve Manche devenant suffisamment importante pour charrier le sédiment issu de l'érosion glaciaire vers le Golfe de Gascogne. Le débit solide minimum du Fleuve Manche est ainsi estimé à 130 M t an-1 lors de la dernière déglaciation. Plus généralement, nous démontrons, pour la période étudiée, que les transferts sédimentaires sur la Marge Nord Gascogne et le fonctionnement des systèmes turbiditiques Celtique et Armoricain sont très majoritairement contrôlés par le climat. Par ailleurs, la reconnaissance des évènements de fonte des calottes européennes tout au long des derniers 1,2 millions d'années a permis, pour la première fois, la corrélation directe de la stratigraphie continentale européenne avec la stratigraphie isotopique marine.

La dynamique des courants de turbidité est fortement contrôlée par la morphologie du fond marin. Les turbidites issues de ces courants constituent des réservoirs d’hydrocarbures très importants dans les bassins sédimentaires à travers le monde. L'objectif principal de ce travail est de comprendre comment le paleorelief a contrôlé la géométrie et l'architecture des réservoirs turbiditiques, en utilisant comme zone d'étude les réservoirs du Crétacé d'un champ pétrolier du bassin de Campos (offshore du Brésil), où la tectonique a été en partie dominée par l'halocinèse. La méthodologie utilisée dans cette thèse a couplé deux approches. La première a inclus à la fois la description des séquences sédimentaires, à partir de données de sismique-réflexion et de puits, et les restaurations structurales. Six horizons régionaux et quatre unités-réservoirs ont été identifiés et cartographiés afin de construire un modèle géologique multi-2D. Ces surfaces ont ensuite été aussi restaurées. Les résultats de cette étape suggèrent que les failles liées à l'halocinèse ont contraint la paléotopographie pour le dépôt des réservoirs plus anciens et que des structures tectoniques et un canyon ont formés les contraintes paléotopographiques pour la distribution des réservoirs plus jeunes. La seconde approche a été l'analyse du rôle des paramètres des écoulements en effectuant des simulations numériques du type stratigraphique (Dionisos) et des automates cellulaires (CATS). Une surface restaurée, considérée comme référence pour le dépôt des unités-réservoirs a été utilisée comme paléotopographie pour les simulations CATS. Le modèle numérique a été contraint par les données réservoirs. Cette utilisation inédite des simulations 3D avec des automates cellulaires dans une étude de cas réel concernant des dépôts marins anciens a produit des résultats réalistes par rapport aux exemples modernes connus. Elle a également fourni des résultats plus exploitables à l'échelle de réservoir que les modèles numériques de type "stratigraphique". Ce travail met en évidence l'importance des interactions tectonique-sédimentation et de la paléotopographie pour la distribution de réservoirs turbiditiques. / The dynamic of gravity-driven turbidity currents is strongly influenced by the morphology of the seafloor. The resulting turbidites constitute important hydrocarbon reservoirs in sedimentary basins throughout the world. The main objective of the present work is thus to understand the way the paleorelief controls turbidite reservoir architectures, with application in a specific study area with Cretaceous reservoirs in Campos Basin (Brazilian offshore). The tectonics in this Basin was partly controlled by halokinesis. The first approach was describing the local Cretaceous sedimentary sequence architecture, from seismic and well data, and performing structural restorations. Six regional horizons and four reservoir-scale units were identified and mapped in order to build a multi-2D geological model. Structural restorations highlighted the structural evolution and allowed the related horizon palaeotopography to be obtained. The results of this work step suggest that the halokinesis-related listric faults regulated the distribution of the basal reservoirs. Moreover, at the top of the Albian carbonates, a canyon was identified, which, in association with the tectonic structures, forms the palaeotopographic constraints for the upper reservoir geometry. The second approach was analyzing the role of flow controlling parameters by performing stratigraphic (Dionisos) and cellular automata-based (CATS) numerical simulations. The latter provided a more appropriate reservoir scale-simulation process than Dionisos. A restored surface, considered as reference for the deposition of the reservoir units, was used as the palaeotopography for CATS simulations, having as constraints the reservoir data. This pioneer use of cellular automata simulations in a real subsurface case study produced coherent results when compared with the actual reservoir distribution. This work sheds light on the importance of tectonic-sedimentation interactions and of palaeotopography for the distribution of turbidite reservoirs.