Modélisation spatio-temporelle de la lithosphère

Modélisation spatio-temporelle
de la lithosphère
Objectifs et approche
Les objectifs sont l’étude des processus lithosphériques en termes (a) de transferts de chaleur et de
matière (solides et fluides) et (b) de couplage cinétique et cinématique, à l’aide d’une approche spécifique
intégrant la pétrologie, la géochronologie, l’étude des fluides, la tectonique et les géomathématiques. C’est
au moyen de la combinaison, exceptionnelle pour un centre de recherche, de ces différentes disciplines, que
seront abordées trois actions prioritaires de recherche :
Le développement sur gOcad de la modélisation des objets géologiques,
Les modélisations thermiques, cinétiques et géochronologiques des orogènes,
La métallogénie et les gemmes.
Cette approche pluridisciplinaire repose sur l’observation de terrain et y associe des outils de laboratoire
tels que la géochronologie, la modélisation géométrique sous gOcad, et la modélisation physique et thermi-
que. Ces approches permettent des transferts d’expertise avec les autres groupes de recherches du CRPG, en
particulier pour les aspects géochronologiques et géochimiques des roches et fluides.
Actions
1 - Le développement sur gOcad de la modélisation
des objets géologiques
Notre effort d’analyse portera sur plusieurs axes
spécifiques :
• Modélisation des horizons et des failles: mo-
délisation des propriétés des failles
(transmissivité, rejet, critère de gouge) et de
leur géométrie. Automatisation des tests de
cohérence d’un réseau de failles.
• Maillages 3D structurés et non-structurés :
construction automatique de maillages à partir
d’un modèle 3D comprenant des failles, des
horizons et des complexités internes (chenaux,
lentilles,…). Généralisation des algorithmes
d’interpolation de la géométrie et des proprié-
tés (méthode DSI, géostatistique) sur les mailla-
ges non-structurés. Construction et optimisa-
tion de maillages non-structurés en vue de leur
utilisation par des logiciels de simulation
d’écoulements polyphasiques (projet Stancy,
Thermass).
La modélisation numérique des objets géologiques, que ce soit leur géométrie, leurs propriétés et leurs
déformations au cours du temps, est une démarche essentielle pour comprendre et quantifier les processus
de transferts dans la lithosphère et les réservoirs.
• Dépliage en 3D : dépliage équilibré d’horizons
et de couches stratigraphiques. Application à
la construction d’attributs structuraux globaux
3D.
• Incertitudes des modèles : incertitudes géomé-
triques et volumiques sur les grilles faillées à
partir de méthodes géostatistiques. Modélisa-
tion stochastiques des chenaux et des turbidites.
• Estimation des propriétés physiques des roches
: relations entre sismique, lithologie et para-
mètres physiques. Détermination de la
diffusivité hydraulique à partir de données de
microsismique. Changement d’échelle en mi-
lieux hétérogènes et fracturés. Applications à
la détermination de la perméabilité de milieux
cristallins fracturés ou sédimentaires.
• Modélisation thermo-mécanique : développe-
ment d’outils de modélisation thermo-mécani-
que afin de simuler la rhéologie et les trans-
ferts de matières associés aux échelles
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mégascopiques et macroscopiques (lithosphère,
réservoir).
• Modélisation 3D à différentes échelles (du µm
au m) des objets naturels : microscopie
(confocal, AFM, tomographie, inclusions flui-
des, microfractures) application à l’environne-
ment et à la caractérisation des propriétés des
roches (coll. CPB, CREGU-G2R Nancy).
Les outils employés
cartes généralisées (Gmap), nouvelle topo-
logie (gOcad)
méthodes géostatistiques avancées et simu-
lation stochastique, arithmétique d’in-
tervalle
méthodes de résolution des équations dif-
férentielles (logiciel Thermass)
développement de codes numériques spé-
cifiques (gOcad)
cave de réalité virtuelle 3D pour représen-
ter des structures géologiques pluri-
échelles (en collaboration avec le
LORIA)
Les résultats majeurs attendus pour les 4 ans à
venir portent sur :
• La réalisation d’outils robustes de modélisation
spatio-temporelle (3D et 4D), dans le cadre du
logiciel gOcad, capables de s’adapter à la com-
plexité et au volume élevé d’information ren-
contrée en géologie.
• La détermination du champ du tenseur de dé-
formation et la corrélation avec les paramètres
pétrophysiques.
• La modélisation de la distribution des faciès
dans un réservoir.
• La meilleure compréhension des processus géo-
dynamiques par modélisation numérique.
• La validation et valorisation des logiciels dé-
veloppés par leur application à des études de
cas réels, dans le cadre de projets nationaux ou
internationaux. Les retombées attendues se si-
tuent principalement dans les domaines de la
géodynamique, la métallogénie, la gestion des
réservoirs (pétrole, géothermie, eau) et l’envi-
ronnement.
Principaux chantiers :
Projet GéoFrance 3D (Fossé rhénan et Gestion et modélisation des données), projet Urgent-EUCOR, Site
géothermique de Soultz, Zone Atelier Moselle (ZAM).
2 - Les modélisations thermiques, cinétiques et
géochronologiques des orogènes
Les systèmes orogéniques impliquent des interactions complexes entre d’une part les processus thermo-
mécaniques et la déformation liés à l’épaississement de la lithosphère, et d’autre part les processus de
surface (érosion, sédimentation). Ces processus contrôlent les flux de matière (y compris les fluides) entrant
et sortant de la lithosphère épaissie à tous les stades de l’orogenèse. L’axe commun de ce thème est la
quantification dans l’espace et dans le temps des transferts (érosion, fluides, sédimentation) et des déforma-
tions (tectonique profonde, tectonique superficielle). L’objectif est de faire un bilan global des transferts et
mouvements de matière entre la profondeur et la surface dans une zone orogénique, et de modéliser les
processus géodynamiques, en particulier les couplages entre les zones internes et externes d’un orogène.
Cette action est aussi directement liée aux autres thèmes du CRPG (Environnements et paléo-environne-
ments, Cinétique et bilans des processus magmatiques).
Notre effort d’analyse portera sur plusieurs axes
spécifiques :
• Cinétiques et cinématiques d’exhumation, vi-
tesses d’érosion et de subsidence: quantifica-
tion de l’exhumation par les méthodes
pétrologiques et géochimiques
(géobaromètres, géothermomètres,
géochronologie), quantification des compo-
santes «érosion» et «déformation» de l’exhu-
mation, flux de matière sortant en surface (cf.
thème Environnements et Paléo-environne-
ments), mise au point des bilans et modélisa-
tion des processus de transfert de matière en-
tre la profondeur et la surface.
• Bilans quantitatifs des transferts de fluides:
flux de matière entrant et sortant dans la croûte
pendant l’orogenèse.
• Mécanismes de déformation et interactions sé-
dimentation-déformation dans les systèmes
orogéniques externes .
• Dynamique des bassins associés aux orogènes
et transferts de fluides associés: chronologie
des épisodes tectoniques et des circulations
fluides en contextes flexuraux et distensifs.
• Evolution post-orogénique par une approche
néotectonique et la géomorphologie tectonique.
Les outils employés
Observation sur le terrain : Le terrain est le labo-
ratoire naturel où, à quatre dimensions, et sur
une échelle qui peut aller de l’affleurement au
continent, se déploient les problèmes étudiés.
Géochronologie spécifique à Nancy (U-Th-Pb et
Rb-Sr in situ, utilisation de la spectrométrie de
masse à source plasma pour l’étude des micro-
échantillons (Sm-Nd et Lu-Hf).
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Analyses géochimiques (analyse chimique majeurs
et traces, analyses isotopiques classiques ou in
situ de nombreux traceurs isotopiques) pour
faire les bilans de transferts afin d’aboutir à une
modélisation XD de l’évolution de la croûte lors
des processus majeurs de son évolution .
Pétrologie métamorphique -thermobarométrie,
équilibres thermodynamiques et cinétique de
diffusion pour les éléments majeurs.
Orogène Cénozoïque: Chaînes alpines (Alpes, Pyrénées, Cyclades), Cordillère Orientale de Co-
lombie.
Orogène Paléozoïque: Variscides (Massif Central, Irlande, Pyrénées, Dabie Chan).
Orogène Protérozoïque : cratons ouest Africains.
Analyse structurale des plis, des failles et des frac-
tures, paléocontraintes, microtectonique, pro-
fils équilibrés.
Inclusions fluides (propriétés V-X et géochimie)
Modélisation géométrique, physique et thermique
via gOcad et Thermass, modélisation physique
et thermique, modélisation chimique (bilans).
Modélisation thermo-mécanique.
Il est proposé de concentrer une grande partie des
efforts sur un ou deux orogènes comme les chaî-
nes alpines et plus particulièrement les Alpes oc-
cidentales . Dans ces dernières, les relations tem-
porelles entre l”exhumation des zones internes et
la formation des bassins flexuraux constitueront
l'essentiel de nos préoccupations dans ce chantier .
De plus les nouveaux résultats acquis lors du
projet Alpes de GéoFrance 3D et de NFP 20 en
Suisse, fournissent une excellente base pour entre-
prendre cette recherche. Ce chantier a pour objet
de fédérer la plupart des axes de recherche définis
ci-dessus. Il servira de lieu de discussion, et de point
de départ pour des collaborations au sein de pro-
jets nationaux et internationaux.
3 - La métallogénie et les gemmes
La compréhension des mécanismes de concentration des métaux nécessite en premier lieu la prise en
compte de la dimension «terrain» du problème, dans le sens que le terrain constitue le lieu où se dévelop-
pent ces concentrations à trois dimensions et sur une échelle qui peut aller de l’affleurement au continent.
C’est le croisement entre cette approche spécifique et l’utilisation complémentaire d’outils géochronologique,
géochimique et de modélisation physique disponibles au CRPG qui constituent l’originalité de ce projet.
Notre effort d’analyse portera sur plusieurs axes
spécifiques:
• Les crises métallifères (W-Sn-As-Au-Sb-Be) de
la période tardi-varisque: relations entre les trans-
ferts de fluides minéralisateurs et les
magmatismes, dévolatilisation des magmas aci-
des différenciés et transition magmatisme-
hydrothermalisme.
• Les gisements VMS (Cu-Pb-Zn-Au) et les rela-
tions entre les circulations fluides, le magmatisme
et le métamorphisme hercynien.
• La métallogenèse des marges continentales ac-
tives (Ag-Au-Cu-Co): estimation de la durée des
épisodes minéralisateurs, relations entre les trans-
ferts de fluides et le volcanisme tardi-orogénique,
identification des mécanismes tectoniques domi-
nant dans le cadre de l’évolution crustale.
•Les transferts de matière et de fluides dans les
couloirs de déformation ductile (décrochements
et chevauchements): applications aux gisements
de rubis, de saphir et d’émeraude.
• Les gisements d’émeraude dans le monde: ty-
pologie et définition des métallotectes. Etablis-
sement d’une banque de données permettant la
caractérisation des modifications anthropiques
sur les gemmes (traitements) et les synthèses ex-
périmentales.
Les outils employés à l’analyse de ces différents
thèmes seront en premier lieu les méthodes de la
géologie structurale, de la pétrographie, de la mi-
néralogie et de l’analyse géochimique majeurs et
traces. En second lieu, nous y ajouterons les mé-
thodes d’analyse des fluides (inclusions fluides,
géochimie des isotopes stables), du traçage des sour-
ces (géochimie des isotopes stables et
radiogéniques) et de la modélisation chimique (bi-
lan) des interactions fluides-roches.
Un développement particulier sera apporté dans le
domaine de la géochronologie des événements
minéralisateurs pour réduire toujours plus la gamme
d’incertitude. Cet effort portera sur les phases as-
sociées (gangue) au moyen des méthodes K-Ar, Ar/
Ar, ainsi que U-Th-Pb et Rb-Sr in situ (sonde ioni-
que) et également sur les minéralisations elles-mê-
mes (Rb-Sr sur sphalérite, U/Pb sur scheelite et
wolframite, Re-Os sur sulfures).
L’ensemble des observations acquises à plusieurs
échelles, des mesures analytiques et des datations
seront utilisées pour la construction de modèles
Chantier fédérateur : Chaînes alpines
Chantiers existants:
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quantitatifs géodynamiques spatio-temporels. Les
points suivants seront particulièrement étudiés: (i)
la déformation des champs à fortes contraintes
ayant conduit à la formation des drains préféren-
tiels pour la circulation des fluides minéralisateurs
(sujet en relation avec celui des modélisations ther-
miques, cinétiques et géochronologiques des
orogènes), (ii)les transferts de chaleur par
conduction ou advection dans la lithosphère lors
de la déformation ou dans les fluides, y compris
les magmas, (iii) l’origine des fluides
minéralisateurs (traçage isotopique), leurs condi-
tions X-P-T, leur stabilité thermodynamique et leur
transport dans la lithosphère, (iv) la dissolution, le
transport et le dépôt des métaux et gemmes, et la
formation des minéralisations d’intérêt économi-
que. L’objectif à terme est la construction de mo-
dèles numériques robustes intégrant tous les aspects
ci-dessus pour mieux comprendre les processus
sous-jacents aux mécanismes de formation des gi-
sements, et fournir un outil global de prédiction
lors des stratégies d’exploration. Pour atteindre ces
objectifs, les outils de modélisation géométrique
(gOcad), physique et thermique (Thermass), et
chimique (Eq6) seront utilisés en collaboration avec
les thèmes orogenèse et gOcad du CRPG, et les
groupes compétents reconnus dans ce domaine
(voir ci-dessous).
Les résultats majeurs que nous visons pour les 4
ans à venir portent sur :
- un perfectionnement des modèles
métallogéniques. Ceci devrait permettre au
moyen du traçage des sources des métaux et
des mécanismes de transferts de ceux-ci de
mieux appréhender le couplage entre évolutions
tectoniques profondes et superficielles et la mo-
délisation 3D.
- l’optimisation des moyens analytiques du CRPG
dans le domaine de la géochronologie (U-Th-
Pb et Rb-Sr par sonde ionique notamment)
- la détermination des spéciations moléculaires des
fluides pegmatitiques dans les minéraux à an-
neaux silicatés (exemple des émeraudes) au
moyen de la spectroscopie infrarouge. Les con-
séquences de ces recherches en terme de tra-
çage d’origine sont économiquement très im-
portantes et devraient permettre de développer
une action de valorisation de la recherche.
- l’extension de notre expertise sur l’origine des
gemmes à partir de moyens analytiques avan-
cés (isotopes stables, sonde ionique, infrarouge)
• domaines orogéniques hercyniens d’Europe et du Maghreb. Relations circulations fluides et tectonique à
la fin du Carbonifère; granites à métaux rares
• domaine orogénique pan-africain (Maroc). Gisements épithermaux à Ag-Au-Co.
• zone de décrochement du Fleuve Rouge au Vietnam, gisements de rubis du Pakistan, Népal et Birmanie;
source des métaux (Al, Cr, Fe, Ti, C) et des fluides dans le cadre de la genèse des gisements de rubis et
de saphir. Caractérisation de la composition isotopique en oxygène des rubis et saphirs (traceur des
sources géologique et géographique)
• les gisements d’émeraude dans le monde (Madagascar, Russie, Brésil, Zambie, Afghanistan, Colombie);
établissement d’une banque de données géologique, minéralogique et géochimique des gisements.
Principaux chantiers :
Université de Stanford, USA ; Impérial College, UK; Univ. FU-Berlin, Allemagne; PUC Rio de Janeiro,
Brésil; Univ. Freiberg, Allemagne; IFP (Paris), UMR G2R, BRGM, GDR ZAM, GéoFrance 3D, consor-
tium gOcad (45 universités et 28 industriels), CPB Nancy ; GDF ; TOTAL-ELF-FINA ; CGG; Chevron
(US); SOCOMINE; Géosciences Azur (Université de Nice), Université de Rennes; IPG Strasbour g; Uni-
versité de Liverpool, GB; Université de Cork, Irlande; IRD; LEM-UMR 7569; SCNST -Institut de Géolo-
gie d’Hanoï, Vietnam; Geological Survey of Pakistan à Islamabad; Université de Katmandou, Népal; Insti-
tut de gemmologie Gubelin, Suisse; Univ . de Wittwaterrand, Afrique du Sud; Univ. de Novossibirsk et de
Uhlan Ude, Russie; Kola Science Center, Russie; Univ. de Porto, Portugal.
Collaborations actives
TEMPUS (CEE), COFECUB (Comité Français d’Evaluation de la Coopération Universitaire avec le Bré-
sil); ASGA (Consortium gOcad); GDF; IFP; TOTAL-ELF-FINA; Chevron (US); GéoFrance3D; ECODEV
Soultz; GDR ZAM; projet fédérateur UMR; INSU Intérieur de la Terre (thème Ultra Haute Pression);
DBT ECODEV projet Soultz-sous-Forêts; Coopération Luso-française CRPG-INPL-Université Porto ; IRD
: Projet rubis-Pakistan:- Ministère des Affaires Étrangères- Ambassade de France à Islamabad; Geological
Survey of Pakistan; Géofrance 3D, ANDRA; Société REMINEX et Ministère de l’Industrie; projet
métallogénie de la marge mexicaine (Mexique-France); Société Mauboussin; GDR métallogénie (INSU),
PICS Programme International de Coopération Scientifique (Novossibirsk, Russie - CNRS); Coopération
Franco-Russe sur les PGE (Eléments du Groupe Platine) (CNRS- Académie des Sciences); PICS Programme
International de Coopération Scientifique (Maroc Tunisie - CNRS).
Financements
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Chercheurs et Étudiants impliqués
Chercheurs
B. Charoy *
A. Cheilletz * *
E. Deloule * *
S. Duchêne *
M. Ford *
D. Gasquet *
G. Giuliani *
P. Jacquemin *
C. Le Carlier * * *
B. Luais *
J.L. Mallet * *
C. Marignac * *
M. Ohnenstetter *
L. Reisber g *
J.J. Royer * * *
Post-Docs
P. Audigagne *
R. Cognot *
M. Diraison * *
B. Levy *
S. Muller *
A. Shtuka *
Doctorants
P. Alexandrov *
M. Apfel *
G. Caumont *
S. Conreaux *
M. Dazy *
C. Gallera *
O. Grosse *
T. Jérôme *
D. Ledez *
G. Levresse *
J. Massot *
P. Nivlet *
B.Sabot *
O. Voutay *
Le développement sur
gOcad de la modélisation
des objets géologiques
La métallogénie et
les gemmes
Les modélisations
thermiques, cinétiques et
géochronologiques des
orogènes
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