Architecture, deformation mechanisms, fluid-rock interations and petrophysical properties of fault zones in deeply buried arkosic turbidites. The case of the grès d’Annot (french Alps)
Architecture et propriétés pétrophysiques des zones de failles dans une série gréso-pelitique turbiditique profondément enfouie : rôle de la déformation et des interactions fluide-roche. Exemple des grès d'Annot (France)
Résumé
Fault zones are major discontinuities in sedimentary basins. Understanding their role on fluid migrations is an essential issue to (i) characterize the mechanisms and kinematics of deformation and (ii) to determine the parameters which control the distribution of energetic or mineral resources. This work applies to faulting under a temperature range of 200-250°C, corresponding to that of deeply buried reservoirs as well as potentially seismogenic fault zones.
The studied faults are normal faults affecting the “Grès d’Annot” Formation, a Priabonian-Rupelian siliclastic turbidite succession of the Alpine foreland basin. They are located in two distinct areas: the Moutière-Restefond area in the eastern part of the basin and the Estrop area in the western part. Vitrinite reflectance outside fault zones indicates maximal temperatures of 240-260°C at Moutière-Restefond and 170-200°C at Estrop, i.e. burial depths around 8 km and 6 km, respectively, assuming a mean geothermal gradient of 30°C/km. Burial was due to underthrusting below the Embrunais-Ubaye Alpine nappes, the difference in burial between the two areas traducing the westward taper of the nappe front.
The studied faults affect alternating arkosic sandstone beds and pelite layers with offsets from centimeters to decameters. Two types of core zones are recognized: (1) the foliated core zones of the Moutière-Restefond area, where deformation dominated by pressure solution and synkinematic phyllosilicate neoformation resulted in a foliated fabric, and (2) the core zones of the Estrop area, characterized by dilatant quartz-mineralized veins and breccia.
Fault and host rock petrophysical properties were measured on drill plugs, using the water porosity technique and nitrogen permeability technique under 2 Mpa of confining pressure. In the Moutière-Restefond fault zones, plug axes were oriented in three orthogonal directions corresponding to the main deformation axes (X, Y, Z) of the foliated arkose to characterize the effect of structural anisotropy. In the Estrop fault zones, where deformation does not show equivalent anisotropy, the plug axes were oriented according to the main fault plane orientation (i.e., parallel to azimuth, parallel to dip and normal).
In each fault zone, the porosity of fault rocks is equivalent to that of host rocks. In the Moutière-Restefond fault zones, the plugs parallel to the X and Z axes of deformation have a permeability similar to that of the host rocks, whereas permeability parallel to the Y axis (i.e. parallel to the foliation and the main fault plane) is one order of magnitude higher. By contrast, the permeability values in the Estrop fault zones are isotropic and equivalent to the host rock values.
This study highlights the importance of various types of deformation mechanisms and related fluid-rock interactions in determining different fault rock types within a similar protolith, ultimately controlling distinct petrophysical properties of fault zones.
Les zones de failles constituent des discontinuités majeures dans la croûte supérieure. Ce mémoire s’intéresse aux failles actives à des profondeurs de 5-8 km, i.e. dans des conditions pouvant jouer un rôle important (i) sur le comportement mécanique de de la croûte, en particulier sur son potentiel sismogénique et (ii) sur la compartimentation des réservoirs géologiques profondément enfouis.
Les failles étudiées sont des failles normales (rejet jusqu’à 50 mètres) affectant des alternances de bancs de grès arkosiques et de pélites dans les Grès d’Annot, une formation turbiditique d’âge priabonien-rupélien du bassin d’avant-chaine alpin. Les Grès d’Annot ont été enfouis sous les nappes de l’Embrunais-Ubaye peu de temps après leur dépôt et exhumés au Miocène moyen-supérieur. L’étude a été réalisée dans deux secteurs des Alpes de Haute-Provence, (1) le secteur de l’Estrop (chaine des Trois Evéchés, dans la partie occidentale du bassin) et (2) le secteur de Point Vert-Restefond (alentours du col de la Bonette, dans la partie orientale du bassin). La réflectance de la vitrinite dans les Grès d’Annot indique des températures maximales de 160-190°C dans le secteur (1) et de 240-260 °C dans le secteur (2) , soit des profondeurs d’enfouissement de 5-6 km et 8-10 km, respectivement, dans l’hypothèse d’un gradient géothermique moyen de 25-30°C/km. A partir des observations microstructurales, de données d’inclusions de fluides, de modélisations thermodynamiques sur chlorites syncinématiques et des indices de cristallinité de l’illite, on a établi que les failles du secteur (1) ont fonctionné à une température d’environ 200°C pour une pression de 0.6Kbar et celles du secteur (2) dans une gamme de température de 200-220°C et de pression comprise entre 0.6 et 1.1 Kba. L’activité de la faille de Point-Vert a été datée par la méthode 40Ar/39Ar au Miocène inférieur (21 Ma). Ces failles sont interprétées comme associées aux premiers stades du soulèvement résultant de l’activité des chevauchements dans le socle sous-jacent.
Deux types principaux de roches de failles caractérisent les failles étudiées. Les brèches dilatantes sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (1) alors que les arkoses foliées sont majoritaires dans les zones de failles du secteur (2). Les brèches dilatantes témoignent de mécanismes de déformation dominés par la fracturation transgranulaire et la pression-solution des silicates. Ce dernier mécanisme se manifeste principalement par d’abondantes précipitations cycliques de quartz, les stylolites restant peu développés. Les géométries structurales sont associées à l’activation de plans T de Riedel déterminant l’ouverture de relais extensifs et un régime localement dilatant. Nous associons ce type de roche de faille à une faible pression effective au cours de la déformation.
La déformation cisaillante exprimée dans les arkoses foliées témoigne de mécanismes de déformation dominés par (i) la fracturation intragranulaire et transgranulaire, (ii) la pressionsolution/ précipitation des silicates, principalement le quartz, (iii) la néoformation de micas blancs liée à l’altération des feldspaths et (iv) la précipitation de chlorite. Ce travail montre également que les transformations minéralogiques liées aux interactions fluide-roche dans la zone de faille (forte augmentation de la proportion des phyllosilicates au dépend des feldspaths) changent radicalement
la composition minéralogique de la roche. Nous associons ce type de roche de faille à une forte pression effective au cours de la déformation.
La pétrophysique montre que les brèches de failles (secteur 1) ont une perméabilité isotrope et équivalente à celle du protolithe (10-3mD sous 2 MPa de confinement) tandis que les roches foliées (secteur 2) montrent une augmentation de perméabilité (10-2mD) selon l’axe Y de la déformation, d’un ordre de grandeur supérieure aux perméabilités suivant les axes X et Z et dans la roche hôte (10-3mD). Ce drain préférentiel potentiel est associé à l’orientation des phyllosilicates dans la foliation.
Mots clés
Faults
deformation
fractures
fluids
permeability
porosity
deep clastic reservoirs
pressure-solution
muscovitisation
phyllosilicates
external Alps
foreland basin
turbidites
Grès d’Annot
syn-sedimentary faults
dilatant
foliated
schistosity
gouge
breccia
metamorphism
very-low-grade
diagenesis
nappes
Schistes à blocs
Embrunais-Ubaye
Pennic front
feldspar
quartz
cement
cataclastic
Domaines
Pétrographie
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)