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Nos travaux sur la chaîne des Pyrénées ont mis en lumière un phénomène dont la méthodologie d’exploration des chaînes de montagnes et de leur piémont fait généralement abstraction, alors qu’il pourrait être un driver décisif vers de nouvelles découvertes : l’héritage du capital pré-orogénique.

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Sylvain Calassou

R&D

Orogen, un projet pour repenser la formation des chaînes de montagnes

Bien qu’associés à un potentiel pétrolier considérable (15 à 18% du Yet to Find global), les domaines montagneux restent l’un des environnements les moins explorés de la planète. Ces systèmes compressifs, où la dynamique de plaques lithosphériques a conduit à la formation de chaînes de montagnes (orogenèse), confrontent en effet l’exploration à des problèmes qui la rendent particulièrement risquée : accessibilité, faible qualité de leur imagerie sismique ou encore complexité géologique.

L’amélioration de nos concepts géologiques et l’élaboration de nouvelles idées sur ces domaines sont des clés essentielles pour réduire ces risques et guider nos explorateurs vers des cibles mieux prédites, comprises et maîtrisées. C’est tout l’enjeu du projet de recherche Orogen, lancé en 2015 en partenariat avec le BRGM et le CNRS, avec l’objectif de qualifier les processus impliqués avant, pendant et après l’orogenèse d’une chaîne de montagnes, depuis la surface jusqu’au manteau terrestre, et d’en évaluer les impacts sur les bassins sédimentaires, ainsi que l’évolution de la circulation des fluides (dont les hydrocarbures) associés.

Les Pyrénées, un "laboratoire" géologique exceptionnel

Le terrain d’études du projet Orogen est le massif pyrénéen, étendu jusqu’à ses extrémités méditerranéenne (golfe du Lion) et atlantique (chaîne cantabrique), où un siècle d’exploration pétrolière a révélé un potentiel pétrolier contrasté de part et d’autre et le long de la chaîne.

Ce « laboratoire » présente l’intérêt de combiner un jeu de données géologiques parmi les plus riches du monde (sismique et puits) et une variété remarquable de contextes géodynamiques, avec, d’Ouest en Est :

  • une marge passive d’âge Crétacé, héritée d’une période d’extension (nord du golfe de Gascogne),
  • une zone de subduction océan/continent, active depuis le Crétacé supérieur au Miocène inférieur (Cordillère des Cantabriques, Espagne),
  • une zone de collision entre deux plaques continentales (Ibérie, Europe), à l’origine de la formation des Pyrénées du Paléocène à l’Éocène,
  • une zone d’extension liée à l’ouverture de la Méditerranée occidentale (Oligo-Miocène).

Autrement dit, il nous permet d’accéder à 1,5 cycle de Wilson, modèle scientifique qui décrit le « ballet » des continents à la surface de la Terre au fil des temps géologiques.

Les 4 phases d’un cycle de Wilson

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1 : Rifting, phase d’extension durant laquelle la croûte terrestre s’amincit

2 : Drifting, où la poursuite de l’extension conduit à la création d’une croûte océanique

3 : Subduction, première phase de convergence où la plaque océanique « plonge » sous la plaque continentale

4 : Collision, seconde phase de la convergence, qui intervient lorsque tout le « capital » d’extension crée lors de la divergence (rifting + drifting) a été consommé par la subduction et provoque l’orogenèse de la chaîne de montagnes

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De plus, cette zone d’étude présente une singularité géologique remarquable : la marge passive héritée du rifting a été partiellement préservée lors de la subduction puis de la collision. Et la variation de ses états de déformation, entre le golfe de Gascogne et le golfe du Lion, nous a permis d’étudier en détail son devenir durant la compression et la phase post-orogénique. La présence de bassins d’âge Crétacé préservés, accessibles à l’affleurement au nord de la zone axiale de la chaîne, nous a notamment permis d’acquérir un jeu de données unique au monde sur ce type de domaine, en particulier sur l’évolution importante de la thermicité durant cette période d’extension. En effet une partie de ses bassins ont subi une hyper-extension qui a permis de les superposer directement sur du manteau lithosphérique par soustraction de la croûte inférieure.

Cette configuration exceptionnelle nous a permis de quantifier l’évolution des processus physiques, thermiques et chimiques en fonction des conditions de déformation (extension puis compression) et de coupler cette dynamique avec l’évolution de tous les types de fluides, dont les hydrocarbures.

L'héritage du capital pré-orogénique, clé d'une grille d'exploration des chaînes de montagnes

Si la formation de la chaîne pyrénéenne a pu générer, amplifier ou préserver des structures qui ont permis des accumulations d’hydrocarbures, elle n’a en revanche pas créé le système pétrolier. La roche mère et la maturation des hydrocarbures se sont, en effet, mis en place avant la compression. Dans ce cas de figure et dans la plupart des  systèmes orogéniques de type alpin, la problématique de l’héritage et de la préservation du capital pré-orogénique devient centrale pour l’exploration. Ce capital pétrolier se joue pendant la phase de rifting (maximum thermique) pendant lequel la roche mère atteindra sa maturation et débutera sa migration.

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Si, comme nous le pensons, la formation de la chaîne de montagnes n’a fait que détruire ou déplacer le potentiel pétrolier qui lui était préexistant, toute la question est de savoir où aller chercher les domaines extensifs pré-orogéniques possiblement préservés. Pour ce faire, nous avons développé, à partir de l’exemple des Pyrénées, une charte techno-sédimentaire « génétique » qui permet de remettre les systèmes pétroliers dans leur contexte originel et d’appréhender leur devenir lors de la surrection des massifs montagneux. Avec, pour indicateur clé du potentiel de préservation du capital pré-orogénique, le nouveau concept de « maturité de la divergence », qui quantifie l’étendue de l’extension générée par les phases de rifting/drifting qui sera consommée par la convergence pour que surviennent la collision et l’orogenèse. On définira donc la collision comme le moment où le système a entièrement consommé l’extension qui précède. La collision est le moment où on met en contact les deux lithosphères continentales, et où le système crée des reliefs. L’érosion des reliefs et donc de destruction est à son maximum. Plus la marge était mature (d’un rift avorté à un océan mondial) plus le moment de la collision est « retardé » pour une convergence donnée.

Pour tester ce nouveau concept, nous avons travaillé sur une région à fort potentiel avéré, sur une chaîne de montagnes où prévalait le consensus que le capital pré-orogénique avait été intégralement détruit par la formation de la chaîne si toutefois il avait existé. Nos travaux ont permis de mettre en évidence la préservation partielle d’une marge extensive non consommée par la convergence à laquelle était lié un système pétrolier, hors des domaines d’exploration conventionnels.

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