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 thermique. 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
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.
Notre effort d’analyse portera sur plusieurs axes
spécifiques :
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Modélisation des horizons et des failles: modélisation 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 propriétés (méthode DSI, géostatistique) sur les maillages non-structurés. Construction et optimisation de maillages non-structurés en vue de leur
utilisation par des logiciels de simulation
d’écoulements polyphasiques (projet Stancy,
Thermass).
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Dépliage en 3D : dépliage équilibré d’horizons
et de couches stratigraphiques. Application à
la construction d’attributs structuraux globaux
3D.
Incertitudes des modèles : incertitudes géométriques et volumiques sur les grilles faillées à
partir de méthodes géostatistiques. Modélisation stochastiques des chenaux et des turbidites.
Estimation des propriétés physiques des roches
: relations entre sismique, lithologie et paramètres physiques. Détermination de la
diffusivité hydraulique à partir de données de
microsismique. Changement d’échelle en milieux hétérogènes et fracturés. Applications à
la détermination de la perméabilité de milieux
cristallins fracturés ou sédimentaires.
Modélisation thermo-mécanique : développement d’outils de modélisation thermo-mécanique afin de simuler la rhéologie et les transferts de matières associés aux échelles
•
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 complexité et au volume élevé d’information rencontrée en géologie.
• La détermination du champ du tenseur de déformation et la corrélation avec les paramètres
pétrophysiques.
• La modélisation de la distribution des faciès
dans un réservoir.
• La meilleure compréhension des processus géodynamiques par modélisation numérique.
• La validation et valorisation des logiciels développés par leur application à des études de
cas réels, dans le cadre de projets nationaux ou
internationaux. Les retombées attendues se situent principalement dans les domaines de la
géodynamique, la métallogénie, la gestion des
réservoirs (pétrole, géothermie, eau) et l’environnement.
mégascopiques et macroscopiques (lithosphère,
réservoir).
Modélisation 3D à différentes échelles (du µm
au m) des objets naturels : microscopie
(confocal, AFM, tomographie, inclusions fluides, microfractures) application à l’environnement et à la caractérisation des propriétés des
roches (coll. CPB, CREGU-G2R Nancy).
Les outils employés
cartes généralisées (Gmap), nouvelle topologie (gOcad)
méthodes géostatistiques avancées et simulation stochastique, arithmétique d’intervalle
méthodes de résolution des équations différentielles (logiciel Thermass)
développement de codes numériques spécifiques (gOcad)
cave de réalité virtuelle 3D pour représenter des structures géologiques pluriéchelles (en collaboration avec le
LORIA)
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 thermomécaniques 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 déformations (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-environnements, Cinétique et bilans des processus magmatiques).
Notre effort d’analyse portera sur plusieurs axes
spécifiques :
• Cinétiques et cinématiques d’exhumation, vitesses d’érosion et de subsidence: quantification de l’exhumation par les méthodes
pétrologiques
et
géochimiques
(géobaromètres,
géothermomètres,
géochronologie), quantification des composantes «érosion» et «déformation» de l’exhumation, flux de matière sortant en surface (cf.
thème Environnements et Paléo-environnements), mise au point des bilans et modélisation des processus de transfert de matière entre 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 sédimentation-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 laboratoire 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 microéchantillons (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.
Analyse structurale des plis, des failles et des fractures, paléocontraintes, microtectonique, profils 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.
Chantiers existants:
Orogène Cénozoïque: Chaînes alpines (Alpes, Pyrénées, Cyclades), Cordillère Orientale de Colombie.
Orogène Paléozoïque: Variscides (Massif Central, Irlande, Pyrénées, Dabie Chan).
Orogène Protérozoïque : cratons ouest Africains.
Chantier fédérateur : Chaînes alpines
Il est proposé de concentrer une grande partie des
efforts sur un ou deux orogènes comme les chaînes alpines et plus particulièrement les Alpes occidentales . Dans ces dernières, les relations temporelles 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 entreprendre 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 projets 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 développent 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.
sur les gemmes (traitements) et les synthèses expérimentales.
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 transferts de fluides minéralisateurs et les
magmatismes, dévolatilisation des magmas acides différenciés et transition magmatismehydrothermalisme.
• Les gisements VMS (Cu-Pb-Zn-Au) et les relations entre les circulations fluides, le magmatisme
et le métamorphisme hercynien.
• La métallogenèse des marges continentales actives (Ag-Au-Cu-Co): estimation de la durée des
épisodes minéralisateurs, relations entre les transferts de fluides et le volcanisme tardi-orogénique,
identification des mécanismes tectoniques dominant 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: typologie et définition des métallotectes. Etablissement d’une banque de données permettant la
caractérisation des modifications anthropiques
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 minéralogie et de l’analyse géochimique majeurs et
traces. En second lieu, nous y ajouterons les méthodes d’analyse des fluides (inclusions fluides,
géochimie des isotopes stables), du traçage des sources (géochimie des isotopes stables et
radiogéniques) et de la modélisation chimique (bilan) 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 associées (gangue) au moyen des méthodes K-Ar, Ar/
Ar, ainsi que U-Th-Pb et Rb-Sr in situ (sonde ionique) et également sur les minéralisations elles-mêmes (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
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groupes compétents reconnus dans ce domaine
(voir ci-dessous).
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 préférentiels pour la circulation des fluides minéralisateurs
(sujet en relation avec celui des modélisations thermiques, 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 conditions 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 économique. L’objectif à terme est la construction de modèles numériques robustes intégrant tous les aspects
ci-dessus pour mieux comprendre les processus
sous-jacents aux mécanismes de formation des gisements, 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
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 modélisation 3D.
- l’optimisation des moyens analytiques du CRPG
dans le domaine de la géochronologie (U-ThPb et Rb-Sr par sonde ionique notamment)
- la détermination des spéciations moléculaires des
fluides pegmatitiques dans les minéraux à anneaux silicatés (exemple des émeraudes) au
moyen de la spectroscopie infrarouge. Les conséquences de ces recherches en terme de traçage d’origine sont économiquement très importantes 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 avancés (isotopes stables, sonde ionique, infrarouge)
Principaux chantiers :
• 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.
Collaborations actives
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, consortium 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; Université de Liverpool, GB; Université de Cork, Irlande; IRD; LEM-UMR 7569; SCNST -Institut de Géologie d’Hanoï, Vietnam; Geological Survey of Pakistan à Islamabad; Université de Katmandou, Népal; Institut 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.
Financements
TEMPUS (CEE), COFECUB (Comité Français d’Evaluation de la Coopération Universitaire avec le Brésil); 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).
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Chercheurs et Étudiants impliqués
Le développement sur
gOcad de la modélisation
des objets géologiques
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
Les modélisations
thermiques, cinétiques et
géochronologiques des
orogènes
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La métallogénie et
les gemmes
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Post-Docs
P. Audigagne
R. Cognot
M. Diraison
B. Levy
S. Muller
A. Shtuka
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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
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