VII. Les modèles du socle

Sommaire
I.
Introduction ................................................................................................................................3
II.
Les failles ...................................................................................................................................4
1.
Cas de la variation de la profondeur .........................................................................................4
2.
Cas d’une seule couche géologique de forte densité .................................................................4
3.
Cas d’une seule couche géologique de faible densité ................................................................5
III.
Dipping beds ...........................................................................................................................6
IV.
Les synclinaux ........................................................................................................................7
1.
Le synclinal .............................................................................................................................7
2.
Le graben ................................................................................................................................8
3.
Le synclinal faillé ....................................................................................................................9
Les anticlinaux .......................................................................................................................... 10
V.
1.
Cas d’un anticlinal faillé ........................................................................................................ 10
2.
Cas d’une couche géologique unique de forte densité............................................................. 12
3.
Cas d’un horst ....................................................................................................................... 13
4.
Cas du coussin de sels ........................................................................................................... 14
VI.
Les constructions carbonatées ................................................................................................ 15
VII.
Les modèles du socle ............................................................................................................. 16
1.
Cas du changement dans la lithologie .................................................................................... 17
2.
Cas du changement dans la topographie ................................................................................. 18
VIII.
Les intrusifs .......................................................................................................................... 19
1.
Les roches intrusives salifères................................................................................................ 19
2.
Les roches intrusives argileuses ............................................................................................. 20
3.
Les roches basaltiques et ignées ............................................................................................. 20
4.
Cas d’un dôme de sels ........................................................................................................... 21
Bibliographie .................................................................................................................................... 23
2
Les signatures gravimétriques des différents modèles géologiques
I. Introduction
Les caractéristiques de la signature de l’anomalie gravimétrique 1
dépendent de
plusieurs paramètres physiques :

La géométrie de la source de l’anomalie

La densité

La vélocité2

La porosité

Le magnétisme

La profondeur
Ces signatures gravimétriques présentent un outil important dans la reconnaissance
des modèles structuraux.
Corine Prieto a établi des modèles pour différentes structures géologiques et a
calculé leurs réponses magnétiques et gravimétriques qui ont été par la suite discutées
pour déterminer les caractéristiques des différentes anomalies.
Les variations magnétiques et de densité sont basées sur des données provenant de
plusieurs zones géographiques suites aux explorations effectuées par la compagnie
supérieure d’huile3 et à partir des données de la littérature publiée.
Les modèles sont utilisées pour montrer comment la profondeur, la densité et
d’autres facteurs physiques peuvent varier les caractéristiques de l’anomalie.
1
L’anomalie de Bouguer
La vitesse et la direction du mouvement
3
Elle a été une compagnie d’huile américaine indépendante (1921-1984), actuellement, elle
fait partie de la société pétrolière américaine : ExxonMobil
2
3
II. Les failles
1. Cas de la variation de la profondeur
En gravimétrie, la signature standard de la faille est un gradient abrupt, ce gradient
devient de plus en plus abrupt (la pente devient importante) lorsque la faille est moins
profonde. Le point d’inflexion du gradient correspond au centre de la faille.
Lorsque l’anomalie gravimétrique est positive c'est-à-dire que le socle est attaqué
par la faille.
Le gradient
le plus
abrupt qui
correspond
à la faille
la moins
profonde
Le point d’inflexion du gradient correspond au centre de la faille
Figure F1 : Modèle gravimétrique d’une faille normale située à différentes profondeurs
2. Cas d’une seule couche géologique de forte densité
Un deuxième cas de faille normale est illustré dans la figure 3 ou une couche
géologique de grande densité est introduite dans la géométrie, elle produit un gradient
gravimétrique comme dans le premier cas, mais ce gradient devient plus important du à
l’augmentation du contraste de densité de la couche faillée. La couche de forte densité
peut être une formation carbonatée, la couche géologique de faible densité peut être une
4
séquence clastique et dans ce cas le socle est attaqué par la faille et par la suite une
anomalie magnétique est générée.
Un
gradient
abrupt
plus
important
que le
précédent
Génération
d’une anomalie
magnétique
suite à l’attaque
du socle par la
faille
Présence
d’une
couche de
grande
densité
Le socle granitique est attaqué par la faille
normale
Figure F3 : Modèle gravimétrique d’une faille normale avec une seule couche géologique de
grande densité
3. Cas d’une seule couche géologique de faible densité
Le même modèle de faille que celui illustré dans la figure 3 mais avec l’introduction
dans la géométrie étudiée d’une couche géologique de faible densité, une anomalie
gravimétrique positive apparait. L’anomalie magnétique est la même que celle de la
figure 3 puisque la structure du socle n’a pas changé.
5
Une anomalie
gravimétrique
positive
Couche de
faible densité
Figure F41 : Modèle gravimétrique d’une faille normale avec une seule couche de faible
densité
Les trois cas géologiques d’une faille normale montrent une même signature
gravimétrique, un gradient abrupt, mais l’amplitude de l’anomalie varie en fonction de
la profondeur et en fonction du contraste de densité de la structure géologique en
question.
III.
Dipping beds
Ils produisent une anomalie gravimétrique similaire à celle de la faille, mais la
différence est lorsque le banc est proche de la surface, le gradient de l’anomalie devient
moins abrupt, c'est-à-dire que la pente diminue. Le modèle gravimétrique, figure D,
utilise les contrastes de densité qui peuvent représenter le chevauchement des couches
anciennes sur des couches plus récentes ou l’introduction d’un filon
magmatique dans une séquence sédimentaire.
6
de roche
Figure D12 : Modèle gravimétrique des dipping beds (Effet de la variation du pendage)
Plus l’inclinaison du banc est proche à la verticale plus on observe une symétrie dans
l’anomalie gravimétrique. L’amplitude de l’anomalie dépend du contraste de densité et
de la profondeur.
IV.
Les synclinaux
1. Le synclinal
Le synclinal produit une fermeture minimale dans la plupart des cartes géophysiques.
L’amplitude et les caractéristiques de l’anomalie gravimétrique et magnétique associées
aux synclinaux dépendent de :

La profondeur

Le type du remplissage sédimentaire

L’introduction du socle dans la géométrie étudiée

Le degré de la déformation sédimentaire
Un synclinal qui se caractérise par une augmentation uniforme de la densité avec la
profondeur illustré dans la figure S1, produit une anomalie gravimétrique minimale
(due à la déformation sédimentaire).
7
Anomalie
gravimétrique
minimale
Figure S1 : Modèle gravimétrique et magnétique du synclinal
2. Le graben
Le modèle du bassin illustré dans la figure S2 montre les caractéristiques
gravimétriques et magnétiques qui permettent de prévoir la profondeur et l’extension
du bassin. L’intégration du socle augmente l’amplitude et la netteté de la signature
gravimétrique et génère également une signature magnétique. L’extension latérale du
bassin ou du graben peut être déterminée par l’identification de la signature des failles
qui délimitent le bassin.
8
Figure S2 : Modèle gravimétrique et magnétique du graben
L’anomalie gravimétrique donne déjà une idée première sur la profondeur (Flèche
bleue) et l’extension (Flèche rose) du bassin, les cadres rouges représentent les
signatures gravimétriques classiques des failles normales
3. Le synclinal faillé
Le synclinal attaqué par une faille et illustré dans la figure S3 est un exemple très
complexe. Les signatures magnétiques et gravimétriques sont modifiées. Dans les
sections sismiques, un synclinal peut présenter des problèmes de diffraction et de
vélocité. La signature gravimétrique du synclinal peut être une anomalie minimale
9
Anomalie
minimale
Figure S3 : Modèle gravimétrique et magnétique d’un synclinal faillé
V. Les anticlinaux
Un simple anticlinal symétrique produit une anomalie gravimétrique positive et
symétrique.
L’amplitude et les caractéristiques de l’anomalie gravimétrique et magnétique
dépendent de :

La profondeur

Le degré de la déformation sédimentaire

L’intégration du socle dans la géométrie étudiée
1. Cas d’un anticlinal faillé
L’anticlinal attaqué par des failles normales illustré dans la figure A1, est une
séquence sédimentaire avec des valeurs de densité qui augmentent avec la profondeur et
la surrection du socle faillé. Cette structure produit une anomalie gravimétrique
maximale.
Deux fréquences d’anomalies positives sont générées,
La première
anomalie est associée à la faille en affleurement et la seconde anomalie est associée au
sommet du rollover. La fermeture minimale entre les deux fortes fréquences est due à la
faible densité relative du matériel entre la faille et le rollover.
10
Génération
d’une
anomalie
magnétique
Socle est attaqué
par la faille
Figure A1 : Modèle gravimétrique d’un anticlinal faillé
Le socle est aussi attaqué par la faille, les deux cadres verts représentent les deux fortes
fréquences causées respectivement par la partie de la faille en affleurement et par le
sommet du rollover
L’anomalie magnétique est générée lorsque le socle s’intègre dans la structure.
L’anomalie magnétique illustrée dans la figure A1témoigne l’existence d’un anticlinal
et d’un socle attaqué par une faille. Pour faire la comparaison, on a établi un calcul
d’une anomalie magnétique (la figure A2) dans le cas d’un anticlinal faillé sans
l’intégration du socle.
11
Absence
d’une
anomalie
magnétique
Socle n’est pas
attaqué par la
faille
Figure A2 : Modèle gravimétrique sans l’intégration du socle
2. Cas d’une couche géologique unique de forte densité
L’anticlinal affecté par des failles normales discuté précédemment est compliqué par
l’introduction d’une couche géologique de grande densité (Figure A3) ; l’anomalie
produite est similaire au modèle précédent (figure A1). L’augmentation du contraste de
densité rendre la fréquence de l’anomalie précédemment identifiée plus nette.
La couche de grande densité peut être des calcaires, des anhydrites ou une séquence
volcanique.
12
Figure A3 : Modèle gravimétrique d’un anticlinal faillé avec l’introduction d’une couche
géologique de grande densité dans la géométrie étudiée (colorée en mauve)
Le modèle illustré dans la figure A4, montre la complexité des signatures observées
et causées par l’introduction de couche géologique de grande densité et peu profonde
voire même de surface, comme par exemple, une surface volcanique ou calcaire très
solide.
Figure A4 : Modèle gravimétrique d’un anticlinal faillé avec un flux thermique d’origine
volcanique à la surface (colorée en mauve)
3. Cas d’un horst
Les contrastes de densité sont dus :
13

La structure du socle

La déformation de toutes les couches géologiques au dessus du socle
Figure A5 : Modèle gravimétrique d’un horst (socle)
Il montre l’effet de la déformation des couches géologiques au dessus du socle sur l’anomalie
gravimétrique avec un trait vert continu et l’absence de cet effet avec un trait vert discontinu
4. Cas du coussin de sels
Le coussin de sels (figure A6) est un modèle commun d’anticlinal, il y a un contraste
de densité négatif due à l’interface sédiment 4/sels et donne alors une signature
minimale.
L’amplitude dépend de la profondeur et de l’épaisseur du coussin.
4
C’est l’encaissant
14
Figure A6 : Modèle gravimétrique de coussin de sels
VI.
Les constructions carbonatées
La figure A7 représente un récif carbonaté : calcaire dans une séquence clastique, le
récif produit une anomalie gravimétrique positive. L’extension latérale du récif peut être
facilement identifiée par l’extension de l’anomalie gravimétrique positive. L’épaisseur
du récif peut être modelée par les données gravimétriques. On va parler donc des
caractéristiques des anomalies gravimétriques qui sont très dépendantes de la qualité des
données gravimétriques sur le récif.
L’amplitude et la forme de l’anomalie gravimétrique varient en fonction de la
porosité.
Le modèle du récif illustré dans la figure A7 est un exemple d’un récif symétrique.
Un récif avec une porosité nulle (courbe en bleue) produit une anomalie positive
symétrique.
15
Figure A7 : Modèle gravimétrique de coussin de sels
Dans le cas d’un récif avec 10% de porosité remplit par des huiles ou de gaz réduit
l’amplitude de l’anomalie gravimétrique,
mais l’anomalie devient plus aplatie par
rapport à celle à porosité nulle.
Le caractère de l’anomalie gravimétrique varie et dépend de la position de la zone
poreuse.
La capacité de distinguer entre un remplissage en huile ou en gaz est difficile à cause
des problèmes d’acquisition.
VII.
Les modèles du socle
Les anomalies magnétiques du socle cristallin ne sont pas vraiment générées par la
structure du socle, mais plutôt générées par la variation de sa composition interne
comment ? Par exemple, s’il y a une force tectonique exercée sur ce socle, les zones de
faiblesse sont les plus susceptibles d’être fracturées et faillées, c’est pourquoi
la
variation dans la composition du socle est généralement corrélée à sa structure.
La figure M1illustre un modèle de socle avec une composition différente (variation
de densité). La zone de transition est représentée par une limite verticale, la profondeur
au socle est égal à 6.1 Km. Les deux anomalies magnétiques et gravimétriques sont
générées en réponse à la variation de la composition du socle ‘intrabasement’.
16
Zone de
transition
Figure M1 : Modèle gravimétrique et magnétique du socle
(Variation de la composition interne)
1. Cas du changement dans la lithologie
Une anomalie gravimétrique est générée suite à la variation seulement dans la
lithologie du socle et illustrée dans la figure M3.
Figure M3 : Modèle gravimétrique du socle (variation de la lithologie)
17
2. Cas du changement dans la topographie
Le contrôle de l’effet du changement dans la topographie du socle sur la génération
des anomalies magnétiques et gravimétriques se fait en fixant sa lithologie.
A la structure précédente, on a ajouté deux autres blocs d’une topographie différente
et qui montrent un contraste de densité avec les sédiments5 égal à 0.25g/cc, les
amplitudes des deux anomalies (gravimétrique et magnétique) montrent une
augmentation de la fréquence.
La figure M5montre cette réponse gravimétrique.
Figure M5 : Modèle gravimétrique du socle
(Variation dans la topographie et dans la lithologie)
L’amplitude et la fréquence de l’anomalie gravimétrique dues à la variation dans la
lithologie du socle deviennent plus importantes par l’ajout de l’anomalie due à la
variation dans la structure du socle.
La différence principale entre la variation dans la lithologie et dans la structure, c’est
que le premier a une faible fréquence et une grande amplitude que le dernier.
Dans plusieurs cas, lorsqu’on essaye de corréler les anomalies liées à la variation
dans la lithologie à celles liées à la variation dans la structure, généralement, la structure
5
C’est l’encaissant
18
générée par le logiciel n’a pas une véritable signification géologique et par la suite, la
solution exige d’autres données géophysiques.
VIII.
Les intrusifs
Les intrusifs peuvent être de différentes tailles et compositions et peuvent être
présents dans plusieurs provinces géologiques. A cause de plusieurs problèmes de
diffraction, les sections sismiques révèlent l’existence des intrusifs par la zone de nonréflexion qu’ils génèrent. Les informations sur la vélocité peuvent être utilisées pour
déterminer la composition des roches intrusives. Il existe trois types de roches
intrusives :

Les roches salifères : la figure I1

Les argiles : la figure I2

Les roches basaltiques et ignées : La figure I3
Dans nos exemples, toutes les variables sont constantes à l’exception de la densité
des roches intrusives. Il s’agit d’une intrusion de roche intrusive dans une séquence
sédimentaire typique ou la densité augmente avec la profondeur.
Les signatures gravimétriques dues aux roches intrusives sont très différentes.
1. Les roches intrusives salifères
Les roches salifères produisent une anomalie gravimétrique négative et une anomalie
magnétique minimale.
Figure I1 : Modèle gravimétrique d’une roche intrusive salifère
19
2. Les roches intrusives argileuses
Les argiles produisent une anomalie gravimétrique minimale avec l’absence d’une
anomalie magnétique.
Figure I2 : Modèle gravimétrique d’une roche intrusive argileuse
3. Les roches basaltiques et ignées
Les basaltes ou les roches ignées et mafiques produisent une anomalie magnétique et
gravimétrique positive.
La fréquence des anomalies due aux roches salifères et basaltiques augmente quand
la profondeur diminue ou lorsque la circonférence de l’intrusif diminue.
20
Figure I3 : Modèle gravimétrique et magnétique des roches intrusives ignées
4. Cas d’un dôme de sels
Le modèle de la figure I4 illustre l’anomalie gravimétrique produite par un dôme de
sel à différentes profondeurs. La colonne de sel la plus profonde produit l’anomalie
négative la plus large,
représentée ici à une profondeur de 3.66 Km. Quand la
profondeur de dôme de sels diminue et devient moins profonde, l’amplitude et la
fréquence de l’anomalie augmentent.
21
Anomalie
gravimétrique
positive au dessus
de la zone de
Crossover
Anomalie
négative la plus
large
La zone
Crossover
Anomalie
gravimétrique
négative au
dessous de la zone
de crossover
Figure I4 : Modèle gravimétrique d’un dôme de sel
(Effet de la variation de la profondeur)
Cette zone de Crossover ou appelée également Nil, représente l’aire ou la densité des
sédiments6 et des sels est égale (2.2 g/cc) et donc avec un contraste de densité nul.
La zone de Crossover illustrée dans la figure I4 est de 2.500 feet d’épaisseur, en
générale cette zone est de quelques milliers de feet d’épaisseur. Au dessus de cette
zone, les sels produisent une anomalie gravimétrique positive et qui peut être
superposée à l’anomalie négative la plus large à cause de l’important contraste de
densité.
La présence d’un ‘caprock’ génère aussi une anomalie gravimétrique positive.
Les intrusifs ignés produisent différentes signatures avec des caractéristiques qui
dépendent de l’inclinaison magnétique et la géométrie.
6
C’est l’encaissant
22
Bibliographie
Bolt, Bruce, Bernie Adler, Manuel Rotenburg et Sydney Ferbach. Methods in
Computational of Physics. New York: Academic Press, 1973.
Flavelle, A. J. et W. Anfiloff. ‘Non –Standard Gravity Anomalies Over Sedimentary
Structures,’ Australian Petroleum Exploration Association Journal, Vol. 16, 1976,
Grant, F. S. et G. F. West. Interpretation Theory in Applied Geophysics. New York:
McGraw-Hill Book Company, 1965.
Talwani, Manik, J. Larmar Worzel, et Mark Landsiman. ‘Rapid Gravity Computations
for Two-Dimensional Bodies with Application to the Mendocino Submarine Fracture
Zone’. Journal of Geophysical Research, Vol. 64, No. 1, 1959, pp. 49-59.
23