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Submitted on 10 Jun 2020

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Evolution thermique de la matière organique des foragesde Balazuc et Morte- Marie (programme GPF, Ardèche,

France) : Etude par modélisation thermocinétiqueLuis Martinez, Joelle Duplay, Mohamed Said Benzagouta

To cite this version:Luis Martinez, Joelle Duplay, Mohamed Said Benzagouta. Evolution thermique de la matière or-ganique des forages de Balazuc et Morte- Marie (programme GPF, Ardèche, France) : Etude parmodélisation thermocinétique. Forages profonds en France : 30 ans de résultats, Société Géologiquede France; ANDRA; BRGM, Feb 2019, Paris, France. �hal-02779609�

Evolution thermique de la matière organique des forages de Balazuc et Morte-

Marie (programme GPF, Ardèche, France) : Etude par modélisation

thermocinétique

LUIS MARTINEZ

*, JOELLE DUPLAY

**, MOHAMED SAID BENZAGOUTA

***

(*) Université de Strasbourg/EOST - CNRS UMR 7516 – IPGS, France

(**

) Université de Strasbourg/EOST - CNRS UMR 7517 – LHyGES, France

(***

) University Larbi Ben M Hidi, OEB Algeria

I - INTRODUCTION

Les forages Balazuc (BA1) et Morte-Mérie (MM1) réalisés dans le cadre du programme

GPF nous ont permis d'étudier la cinétique chimique de la transformation diagénétique de la

matière organique et des argiles en considérant les variations du flux de chaleur pendant la

formation de la faille d'Uzer. Cette faille marquée par un rejet de 1300m permet de comparer des

formations semblables ayant subi des évolutions diagénétiques différentes en fonction de la vitesse

d'effondrement d'un bloc par rapport à l'autre et de leur position structurale.

Une description pétrographique de l'évolution diagénétique des séries étudiées a été

effectuée dans la première partie de ce travail. L'étude de modélisation la transformation thermique

de la matière organique (PRV, pyrolyse Rock Eval,) et des argiles (DRX) a été comparée en

considérant l'histoire géodynamique de la faille, la composition minéralogique et la compaction des

sédiments. Le modèle proposé prend en compte l'évolution de la conductivité thermique en

considérant un paléorecouvrement de 2200m et une perte de chaleur fonction d’une érosion

commune de 400 m, de la vitesse d'effondrement d'un bloc par rapport à l'autre et de la circulation

des fluides.

II. - METHODES D'ETUDE

Notre modélisation doit prendre en compte la synchronisation de ces phénomènes suivant la

géodynamique sédimentaire. Les méthodes d'étude que nous proposons concernent donc d'une part

:

- la pétrographie, pour pouvoir avoir une idée de l'action de la chaleur sur la transformation

des marqueurs thermiques (Vitrinite),

- la géochimie pour quantifier l'importance des transformations et connaître la proportion

d'énergie reçue par le système au cours du temps (énergies d'activation par pyrolyse Rock-Eval).

La matière organique (MO) a été étudiée par microscopie optique (%PRV, figure 1) ; ce

paramètre est considéré à l'heure actuelle comme l’un des plus fiables pour estimer la

paléotempérature dans les sédiments. Cette information est complétée par les analyses de pyrolyse

Rock Eval (Disnar et al., 1995). L'information fournie par le %PRV a été mis en relation avec

l'information de la pyrolyse en considérant la composition macérale de la matière organique totale

MOT. Les résultats de la pyrolyse Rock-Eval (Disnar et al., 1995; Disnar et al., 1997) provenant

des échantillons répartis sur la même colonne permettent d'estimer le degré d'évolution thermique

des macéraux et de confirmer les valeurs de %PRV.

III. - RESULTATS

A) Etude de la matière organique en géochimie organique Au cours de l'enfouissement des sédiments, la matière organique (MO) évolue

thermiquement. Par la pyrolyse Rock-Eval, la fenêtre à huile et la fenêtre à gaz ont été reconnues

dans les deux forages (Pagel et al., 1996; Disnar et al., 1995).

D'une manière générale, les teneurs en MO (%COT) de MM1 sont supérieures à celles de

BA1. Pour le Trias de MM1 les valeurs de Tmax sont très dispersées et montrent une tendance

croissante peu marquée avec les profondeurs croissantes. La différence de ces résultats avec ceux

de BA1 obtenus dans la partie supérieure du forage révèlent un degré de maturité différente.

B) Etude de la matière organique en pétrographie organique A MM1 les données de PRV ont révélé le caractère mature à très mature de la MO, la trans-

ition catagenèse/métagenèse se situant dans le Carnien/Norien. Pour BA1 on constate que la MO

amorphe disparaît à 564m (Domérien) et réapparaît à 1319m (Rhétien) de profondeur. Ceci nous

montre qu’à 1319m la MO de BA1 est plus évoluée thermiquement que celle de MM. On constate

qu'à BA1, le %PRV augmente de façon régulière avec la profondeur jusqu'à la fin de l'Hettangien,

qu'il y a un décalage avec une diminution du %PRV à 1166m, que cette diminution est progressive

entre l'Hettangien inférieur (1166m) et le Rhétien (1367m) et que le %PRV recommence à augmen-

ter au niveau du Norien. Il en est de même à MM1 mais avec des valeurs moins importantes.

Lorsque la matière organique rentre dans la métagenèse, une grande partie des bitumes formés dans

la fenêtre à huile se transforment en gazolines et en gaz par craquage secondaire. Ces

hydrocarbures légers migrent et le résidu solide (pyrobitumes, figure 1) reste dans les chemins de

migration. A Balazuc les textures des pyrobitumes se transforment graduellement lorsqu'on

approche de la faille (1690 m). Dans les niveaux 1166 m et 1690 m les textures de ces pyrobitumes

sont très différentes de celles de la vitrinite car elles sont affectées par une contrainte mécanique. A

Morte Mérie on ne retrouve pas ce phénomène (figure 1).

C) Etude thermo-cinétique et de modélisation de la subsidence Ces dernières années, des avances considérables ont été réalisées en modélisation

thermocinétique des bassins sédimentaires, en particulier sur la simulation de la subsidence en

considérant l’érosion en le back-stripping (figure 2). D’un point de vue pétrolier c’est l’évolution

du flux de chaleur avec le temps et sa calibration pendant la subsidence qui ont permis de

reconstituer les étapes diagénétiques des kérogènes (figure 3, Omodeo-Salé et al. 2015a).

Dans le cas de la modélisation thermique des réservoirs pétroliers, la calibration est

essentielle et deux paramètres sont souvent utilisés : le premier est pétrographique (%PRV,

Martinez 1989, 2008) et le deuxième est un paramètre géochimique de la pyrolyse Rock-Eval

(Tmax, Martinez 1993, Amir et al., 2008).

En effet, ces paramètres enregistrent la plupart des phénomènes thermiques, le premier

enregistre la température sur un seul constituant de la matière organique sédimentaire (la vitrinite),

le deuxième le fait sur l’ensemble des constituants du kérogène réactif (Martinez et al. 1987).

Le %PRV est utilisé fréquemment pour définir les étapes diagénétiques de la transformation

thermique des kérogènes (diagenèse, catagenèse, métagenèse), par contre le Tmax est utilisé

souvent pour définir les potentiels des fenêtres à huile et à gaz (figures 4 et 5).

En réalité ces deux paramètres sont complémentaires et nécessaires à la calibration des

modèles numériques des réservoirs pétroliers. Ils permettent en particulier de définir les énergies

d’activation nécessaires aux réactions chimiques de la simulation cinétique (de type Arrhenius) de

la transformation du kérogène en hydrocarbures. Pour cela il est nécessaire d’avoir le potentiel

pétroligène initial du kérogène immature.

Dans cette étude nous proposons une méthodologie nouvelle pour réaliser la calibration

cinétique de la formation des hydrocarbures sur plusieurs exemples de réservoirs pétroliers. Pour

atteindre ces objectifs il est nécessaire de travailler le signal du spectre du pic S2 Rock-Eval.

Nous avons d’abord fait la calibration de l’évolution du flux de chaleur avec le temps, en

considérant l’évolution du %PRV avec la profondeur à l’actuel (Martinez, 2008).

Ensuite nous avons modifié les paramètres cinétiques du kérogène de la roche mère sur

l’équation d’Arrhenius (Figure 5). Pour cela nous avons utilisé un seul spectre du pic S2 Rock-Eval

afin de suivre en modélisation l’évolution du Tmax actuelle avec la profondeur (Omodeo-Salé et al.

2015b).

Les résultats que nous avons obtenus montrent une bonne corrélation entre les deux

paramètres à condition de prendre en compte pendant la modélisation thermique de la subsidence

le back-stripping, les érosions et la circulation des fluides (Figure 3). L’érosion actuelle maximal de

BA1 est d’une épaisseur de 400m, par contre l’érosion de MM1 est de 2000m (figure 2). Le flux de

chaleur est le même dans les deux forages avec une circulation de fluides chauds à 23 millions

d’années (figure 3). L’analyse des inclusions fluides dans les zones fractures de BA1 avait été faites

par Pagel et al. en 1998 dans les sédiments trouves à des profondeurs de 1600m avec des

températures de 210°C. Nous avons trouvez avec notre démarche, avec notre simulation

thermocinetique des températures et pressions similaires de 214°C à 168 bars à 1650m de

profondeur (figure 4).

IV. - CONCLUSIONS

Les sédiments de BA1 et MM1 montrent que le degré d'évolution de la MO croit avec

l'enfouissement. La MO présente un caractère mature à très mature (fenêtre à gaz, figures 1 et 3),

variable en fonction de son origine (lacustre, marine ou continentale). Malgré les fluctuations de

détail, la maturité de la MO de BA1 est plus intense qu’à MM1, ce qui est en bon accord avec le

fait que BA1 soit situé dans le panneau effondré en position de bassin.

L'évolution plus intense de BA1 rendrait compte alors de la dynamique d'enfouissement

plus rapide de ce bloc. Dans ce schéma d'ensemble, étant donné l'intensité des transformations

atteintes par les niveaux les moins enfouis, il est possible d'envisager que la diagenèse anté-

effondrement, dont le témoin est MM1, pourrait ne pas être liée seulement à l'enfouissement

précoce commun (2000m de sédiments supposés) mais aussi à une diagenèse thermique contrôlée

la circulation de fluides et la géodynamique globale.

Cette démarche permet de définir avec précision la chronologie du fonctionnement du

système pétrolier du bassin étudié.

Figure 1 : Evolution thermique de la MO des sédiments des forages BA1 et MM1

Figure 2 : Calibration thermique avec érosion de deux forages BA1 et MM1 suivant la profondeur

Figure 3 : Evolution avec le temps des paramètres thermiques des forages BA1 et MM1

Figure 4 : Calibration thermocinétique du forage Balazuc avec les inclusions fluides

Figure 5 : Modélisation thermocinétique de l’évolution du %PRV et le Tmax avec la profondeur de

deux forages BA1 et MM.

Références

AMIR L., MARTINEZ L., DISNAR J-R., MICHELS R., VIGNERESSE J-L., ROBIN C., GUILLOCHEAU F.

(2008) - Implication of spatial and temporal evolution of thermal parameters in basin modelling.

Marine and Petroleum Geology 25, 759-766.

DISNAR J.R. ET BARSONNY I., DROUET J., ESPITALIE J., FARJANEL G., MARSQUIS F., MARTINEZ L.

(1995). - Géochimie organique et reconstitution de l'histoire thermique et tectono-sédimentaire

de la marge Ardéchoise (Programme GPF, France). Séance spécialisée de la SGF "Du sédiment

au réservoir : quantification et modélisation de la diagenèse", 6 -7 nov. 1995, Poitiers, France.

pp.57-60.

DISNAR J.R., MARSQUIS F., ESPITALIE J., BARSONNY I., DROUET S. ET GIOT D.(1997). - Géochimie

organique et reconstitution de l'histoire thermique et tectono-sédimentaire de la marge Ardéchoi-

se (Programme GPF, France). Séance spécialisée de la SGF "Du sédiment au réservoir : quanti-

fication et modélisation de la diagenèse", Bull. Soc. Géol. Fr, n° 1, pp.73-81

MARTINEZ L., BERTRAND P., PRADIER B., & LEMAIRE E. (1987) - Localization of oil in

microstructures of source rocks, Advances in Organic Geochemistry, 13, n°4-6, 1093-1100

Pergamon press, Oxford.

MARTINEZ L., & CONNAN J. (1989) - Approche de la migration primaire des hydrocarbures par des

études intégrées de géochimie et pétrologie organique sur roches mères chauffées in vitro, Bull.

Soc. Géol. France, 8, Vol. 5, 937-950.

MARTINEZ L. (1993) - La migration primaire des hydrocarbures: Etude intégrée de pétrographie et

géochimie organique des roches mères argilo-détritiques, Thèse de Docteur-ès-Sciences,

Université d'Orléans, France 252p.

MARTINEZ L. (2008) - La matière organique, un marqueur de la thermicité des bassins

sédimentaires, Géochronique, France.

OMODEO-SALÉ, S., SALAS, R., GUIMERÀ, J., ONDRAK, R., MAS, R., ARRIBAS, J., SUÁREZ-RUIZ, I.,

MARTINEZ, L. (2015a) - Subsidence and thermal history of an inverted Late Jurassic-Early

Cretaceous extensional basin (Cameros, North-central Spain) affected by very low- to low-grade

metamorphism, Basin Research (2015) , doi:10.1111/bre.12142.

OMODEO SALÈ, S., SUÁREZ-RUIZ, I., ARRIBAS, J., MAS, R., HERRERO, M. J. AND MARTÍNEZ, L.

(2015B) - Organic petrology as fundamental tool to determine the spent source rocks of a paleo-

petroleum system (Cameros Basin, North of Spain), 67th

Annual Meeting of the International

Committee for Coal and Organic Petrology, GFZ, September 5-11, Potsdam, Germany.

PAGEL M., BRAUN J-J., DISNAR J.R., MARTINEZ L., RENAC CH. & VASSEUR G. (1997). Thermal

history constraints from organic matter, clay minerals, fluid inclusions, apatite fission tracks and

stable isotopes studies at the ardeche paleo-margin in the largentiere Pb-Zn deposit area (GPF

Program, France). Journal of Sedimentary Research, Vol. 67, No 1, pp.235-245.

PAGEL M., CLAUER N., DISNAR J.R., MOSSMANN J-R., SUREAU J-F., STEINBERG M., VINCHON CH.

(1998). Thermal history and timing of fluid flow at the Ardèche paleomargin, France,

Geological Society, London, Special Publications, Vol. 144, No 1, p. 145-151.