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1) - Projet de recherche quadriennal 2005-2008

 Dans l’histoire d’un bassin sédimentaire ou d’une chaîne de montagnes, les failles représentent des structures dynamiques qui interagissent étroitement, dans l’espace et dans le temps avec le milieu environnant. A échelle régionale, elles contrôlent l’organisation des bassins (processus tectono-sédimentaires), la morphologie des chaînes de chevauchement-plissement, la mobilité des fluides (eau, hydrocarbures), ainsi que l’aléa sismique. Localement, elles interagissent étroitement avec les sédiments (consolidés ou non) et les fluides présents dans le milieu dont la migration passe d'un flux diffus, par l'intermédiaire d'une perméabilité à l'échelle du grain, à un flux canalisé le long des failles et des fractures associées (diagenèse précoce).
 Nos projets de recherche se focaliseront sur l’étude des systèmes faillés notamment sur l’évolution dynamique de ces systèmes (évolution dans l’espace -3D- et dans le temps -4D-). L’originalité de notre approche est de proposer une étude intégrée et multi échelle des systèmes faillés naturels. A terme notre objectif consiste à établir des modèles de croissance de failles depuis la naissance d’unités élémentaires (failles ou segments) jusqu’aux architectures les plus évoluées (zones de failles et systèmes des failles) incluant les cas plus complexes polyphasés.
 Ces études viseront à mieux connaître :
- (1) les aspects géométriques et mécaniques (nature et rhéologie des matériaux, contraste lithologique, initiation et mode de propagation des ruptures, glissement, segmentation, fracturation, cataclase, bréchification….),
- (2) les processus physico-chimiques actifs pendant la déformation (pression/dissolution, minéralisations, rôle et présence des fluides…),
- (3)  l’évolution tectonique régionale (tectonique, gravitaire…),
dont la combinaison conduit in fine à donner l’architecture finale des systèmes faillés telle qu’on les observe aujourd’hui sur le terrain.

 La connaissance des systèmes faillés appelle plusieurs questions, à savoir :

* Quels sont les paramètres qui contrôlent l’architecture des failles ?
* Quels sont les processus de déformation actifs dans l’évolution d’une faille ?
* Comment l’architecture des failles influence-t-elle la migration de fluides ?
* Existe-t-il un lien discriminant entre l’architecture des systèmes faillés  et le contexte tectonique ?
 

 Nous tenterons de répondre à ces questions en couplant les analyses macro-structurales de terrain et micro-structurales en laboratoire, l’analyse pétrologique et géochimique des minéralisations, la datation relative (tectonique-sedimentation) et radiométrique sur calcite de faille, la cinématique… Le rapprochement avec l’UMR 7072 nous permettra d’intégrer les aspects  concernant la mécanique de roches et la modélisation des failles.

 Notre thématique orientée vers l’étude intégrée des systèmes faillés répond à (1) un besoin scientifique de notre communauté française qui manque de connaissances dans ce domaine, et (2) à une demande dans les domaines appliqués à l’exploration et au stockage, comme l’atteste le soutien financier de nos partenaires Total et Cogema.

 Nos recherches seront menées selon quatre axes :

1- L’architecture des failles et leur évolution 4D
2- Failles, fractures et transfert de fluides – informations enregistrées par les minéralisations
3-  L’évolution des systèmes faillés d'échelle régionale.
4-  Les systèmes faillés polyphasés

Note : pour la simplification du texte, nous utiliserons le terme « faille » dans un sens large, incluant « zones de failles »  et « systèmes faillés ».
 

2.1) L’architecture des failles* et leur évolution 4D

 Les objectifs seront 1) de définir l’architecture de failles en fonction des paramètres génétiques et cinématiques prépondérants qui contrôlent leur architecture, et 2) de proposer des modèles de croissance des failles.

 Architecture. Un intérêt particulier portera sur les “ failles en segments ”. Sur ce point, nos travaux actuels montrent qu’en milieu sédimentaire, les failles sont très souvent segmentées horizontalement et verticalement (Fig. 59). L’initiation et l’évolution de cette segmentation sont étroitement liées au caractère multicouche de la série stratigraphique faillée et/ou à ses hétérogénéités sédimentaires. Si la série stratigraphique est homogène, les segments se propagent et grandissent sans obstacle et se connectent les uns aux autres, augmentant ainsi la taille de la faille. Dans les séries hétérogènes, les contrastes rhéologiques entre les strates (d’épaisseur et de lithologie différente) restreignent la propagation des segments, et contrôlent ainsi leur mode de croissance et leur possibilité de connexion. Dans ces conditions, il faut un plus grand nombre de segments (donc plus petits) pour former la faille (Fig. 59).
 Ainsi, notre analyse tentera de caractériser et de quantifier le rôle des divers types de discontinuités stratigraphiques dans l’architecture finale des failles.
 Ceci, est essentiel à la compréhension des critères d’interaction entre les segments de faille qui conduisent ou non à leur connexion. Les implications sont nombreuses lors de la conceptualisation de l’évolution spatiale des failles que lors de la prédiction des structures en relais dans l’exploration pétrolière, et l’évaluation du risque sismique. Nous rejoignons en cela les préoccupations des équipes de l’UMR 7072 (en particulier, les projets de l’équipe Déformations Crustales, sur la segmentation.

 Modèles de croissance. Un des points importants sera de reconnaître puis d’intégrer l’ensemble des macro- et microstructures de déformation (segmentation, flexuration des bancs, fracturations/minéralisations, joints de pression/dissolution, bréchification, gouges…) dans la cinématique de croissance des failles.
 Nous utilisons pour cela, le concept récent du modèle de propagation de faille du type “ Trishear ”. Ce modèle apporte des éléments de compréhension nouveaux, qui permettent de quantifier la déformation engendrée à l’extrémité d’une faille en cours de propagation. Appliqué à la modélisation cinématique de failles normales, nous montrons que l’essentiel des processus et mécanismes de déformation sont cohérents en intensité et orientation et chronologiquement intégrés dans le mode de propagation des failles (Fig. 60).
 

2.2) Failles, fractures et transfert de fluides – informations enregistrées par les minéralisations

 Cette action sera consacrée à l’étude des interactions entre les failles (et la fracturation associée) et les transferts des fluides. Elle sera basée sur : (i) la caractérisation des conditions P-T dans lesquelles ont lieu les différents processus de la déformation (structures de déformation), et (ii) l’étude des circulations actuelles d’eau en milieu faillé.

 Caractérisations des conditions P-T. L’objectif sera de définir les conditions physico-géochimiques qui accompagnent la déformation des roches enregistrées par les minéralisations (pression/profondeur/température). Nous espérons ainsi apporter des contraintes supplémentaires aux modèles de croissance des failles. Inversement, nous chercherons à comprendre le rôle des fluides sur les modalités de fonctionnement des failles.
 Pour aboutir à notre objectif, nous couplerons à l’étude macro et micro structurale une caractérisation géochimique des minéralisations situées au voisinage et dans les plans de faille (Fig. 60). Nous nous appuierons sur l’équipement analytique disponible au sein de notre département (cathodo-luminescence, mesure de inclusions fluides, MEB).
 L’aspect chronologique de l’évolution des failles sera abordé par une approche indirecte de datation des failles (dépôts syn-tectoniques, surfaces d’érosion/émersion… -voir paragraphe 2.3-) et par une approche directe par la datation radiométrique des calcites de faille dans les failles récentes. Cette approche directe permettra d’apporter des éléments de compréhension sur le mode continu ou discontinu du glissement et sur la vitesse de croissance des failles.

 Circulations actuelles. L’objectif est d’étudier l’incidence de l’architecture des failles dans les circulations hydrothermales actuelles (eau et gaz). Ici, nous tentons d’établir les chemins de circulation autour et à travers les failles et leur caractère étanche ou drainant. Nous étudierons pour cela, les gouges de faille, leur porosité et sa variabilité dans le espace et dans le temps.
 Deux questions précises se posent :
 * La présence de gouge dans les failles caractérise t’elle une évolution de la drainance d’une faille vers une étanchéité du système fracturé ?
 * Quels sont la signification et le rôle des failles dans la localisation et le fonctionnement des sources carbo-gazeuses ?
 Ces recherches coupleront des études de terrain sur l’architecture des failles et des gouges avec l’analyse isotopique des eaux, afin d’établir des modèles conceptuels de la circulation des fluides. Cette approche est actuellement menée en étroite collaboration avec l’équipe d’Hydrologie et Géochimie isotopique d’Orsay (Thèse d’Alban Duriez en cours) et fera l’objet des futures collaborations avec l’équipe d’hydrogéologie de l’UMR Sisyphe de Paris VI.

 Les modalités de circulation actuelles aideront à la compréhension des paléocirculations et seront intégrées aux modèles de croissance de failles et des processus de la déformation.
 

2.3) Évolution de systèmes faillés d'échelle régionale

  Dans nos perspectives d’étude de l’évolution 4D des systèmes faillés à l’échelle régionale, le rift de Corinthe-Patras se présente comme un site d’étude privilégié (Fig. 61).
 Nos travaux récents ont porté sur l'architecture et l’évolution spatio-temporelle du système de failles normales sur détachement de ce rift. Un modèle d’évolution a été proposé et nous avons établi des conditions profondeur/température d’évolution de certaines failles à partir des minéralisations présentes dans les brèches de faille (Fig. 61).

Nous envisageons de poursuivre ces travaux par :

- L’étude de la segmentation 3D des failles, rôle du substratum alpin. Un intérêt particulier sera porté sur la faille de Pyrgaki, les failles entre Pyrgaki et Xilokastro, et la zone de relais des failles d'Héliké et Aigion (durée et vitesse de jeu des failles).

- L’étude des mouvements verticaux liés au jeu de la faille de détachement du rift.
 D’une part, on dispose de données sur la surrection des dépôts synrift, et d'estimations de la subsidence du substratum alpin. Ces paramètres seront utilisés pour une modélisation mécanique et thermique de la croûte sous la région. Cet aspect sera traité en collaboration avec les géophysiciens d’Orsay (Hermann Zeyen), et pourra bénéficier des compétences des géophysiciens de la UMR 7072.
 D’autre part, les observations à terre permettent d'évaluer le pendage initial du détachement à 30 -35°. Les mécanismes au foyer des séismes sous le golfe indiquent un pendage comparable (Fig. 61). Connaissant l'extension à travers le rift par les coupes géologiques, et en fonction du mode de déformation des terrains sous le détachement, nous tenterons d'estimer l'exhumation de ceux-ci, et de la comparer à celle déterminée dans les metamorphic core complexes.

- L’étude de la déformation régionale entre le front de l'arc égéen et la faille nord-anatolienne (Fig. 61). Dans cette bande déformée se combinent le mouvement décrochant dextre de la faille nord-anatolienne et l'extension sensiblement nord-sud du domaine égéen résultant de l'avancée de son front de subduction. A partir des données géodésiques sur cette zone, des mécanismes au foyer des séismes, de la cinématique des failles majeures, les mesures de vecteurs-glissement sur les failles, etc …, l'étude visera à définir les mouvements de translation et de rotation des grands blocs limités par les failles régionales.

 Ces thèmes de recherche, classés par taille de structures croissante, pourront bénéficier des collaborations de spécialistes de diverses disciplines de l’UMR 7072 (déformation crustale, modélisation thermo-mécanique, …)
 

2.4) Les systèmes faillés polyphasés

 La dynamique des systèmes faillés ne s’arrête pas à la fin d’activité et/ou de la croissance des failles. Dans l’évolution « post-faille » d’une région, les systèmes faillés constituent une source de défauts qui perturbent les contraintes et accumulent les déformations. Ils sont inévitablement réactivés lors des sollicitations tectoniques postérieures à leur formation (Fig. 62). Différents types de minéralisations d’intérêt économique sont liées à ces réactivations. Dans le domaine du stockage, ces réactivations ont un rôle majeur dans les modifications du caractère étanche ou drainant des failles et des fractures associées. La connaissance d’un système faillé passe donc nécessairement par (i) celle de sa formation sensu stricto et (ii) par celle de ses réactivations lors du polyphasage tectonique.

 Dans notre approche de l’étude intégrée des systèmes faillés le polyphasage est nécessairement pris en compte. Il soulève des questions importantes à l’échelle de la zone de faille (locale)  ou à celle du domaine faillé (régional):

* Quel est le comportement d’une zone de faille dans un nouveau contexte tectonique ?
 - quelles sont les modifications des discontinuités initiales (stratification, interbancs, joints, veines, stylolites, failles …) et leurs comportements nouveaux ?
 - quelles incidences ont ces discontinuités initiales sur les mécanismes de déformation (dissolution, cristallisation, cataclase …) surimposés ?
 - quelles incidences ont les réactivations sur la circulation de fluides ?

 Nos travaux récents sur la déformation polyphasée affectant des failles dans des niveaux argileux (Fig. 62) montrent l’importance de cette approche  pour la compréhension des relations fracturation et transfert de fluides.
Ainsi, nos recherches en cours et futures mènent sur :
- l’étude des relations entre la tectonique, la sédimentation, la circulation de fluides et des minéralisations sur une grande zone de faille en bordure d’un bassin (bassin de Tim Mersoil, Niger Nord, Thèse de doctorat d’Olivier Gerbeaud en cours)
-  et l’évolution de la zone faille de Tan Lu  (Chine) au cours du Paléozoïque sup. – Cénozoique (exploitation et interprétation des données de terrain).
 

3) – Chantiers régionaux

 Une grande partie de nos chantiers s’intègrent parfaitement dans le chantier commun de l’UMR (Plaque Arabe et Région Méditerranéenne), d’autant plus qu’un projet d’étude des failles en Oman avec la compagnie ADCO des Émirats Arabes est en gestation.

 Nos chantiers actuels et prévus pour le quadriennal sont :

- Système faillé extensif du Golfe de Corinthe (Grèce)
- Système faillé extensif du golfe du Sperchios (Grèce) et hydrothermalisme associé
- Failles extensives de Berga, Versant sud des Pyrénées (Catalonia)
- Failles extensives des Bétiques (Espagne)
- Failles extensives dans les séries carbonatées des Alpes du Sud (France)
- Décrochements dans les carbonates en Oman (projet en gestation)

 Hors chantier commun de la UMR 7072 :
 - Zone de faille bordière du bassin de Tim Mersoil (Niger Nord)
- Zone de faille de Tan Lu  (Chine)
 

5) – Collaborations et Partenaires

Collaborateurs :

En France : Univ. Montpellier II, Univ. Paris VI (UMR Sisyphe), LSCE de Gif
A l’étranger : Univ. de Stanford (USA), Univ. de Nevada (USA), Univ. de Camerino (Italie), INGV Roma (Italie)

Partenaires : Total, Cogema, IPSN