Géologie de l’Exploration et des Réservoirs

Cet enseignement a pour but de rappeler et de compléter les connaissances sur des notions fondamentales concernant la formation de la croûte océanique et les relations avec le magnétisme et l’hydrothermalisme, la naissance, le fonctionnement et la dynamique des zones de subduction (formation des marges actives et des bassins arrière-arcs), les mécanismes de subduction et de collision continentale (formation du prisme orogénique, extension post-orogénique et exhumation). Les couplages entre tectonique et processus de surface seront aussi abordés.

Ces notions seront étayées par des modèles théoriques et physiques, largement illustrées par des études de cas naturels (Himalaya-Tibet, Taiwan, Alpes, Pacifique ouest, Sumatra, Méditerranée). Un cours sera dédié à l’Archéen (géodynamique et géoressources).

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Cette unité d’enseignement présente les fondamentaux de la géologie structurale à un niveau master. Il porte sur l’analyse des différents objets et mécanismes de  déformation de la croûte terrestre depuis la surface jusqu’en base de croûte. La déformation est présentée à partir d’exemples de terrain, d’échantillons, de lames minces et d’expérimentation. Ces observations sont confrontées à la théorie et aux modélisations analogiques, analytiques et numériques.
Points majeurs abordés :
(1) analyses de la déformation à toutes les échelles, et des régimes tectoniques associés 
(2) typologie et cinématique des objets structuraux (ex : failles, fractures, plis, zone de cisaillement),
(3) coupe structurale équilibrée,
(4) lien entre les différentes échelles et profondeurs de déformation, 
(5) différents contextes rhéologiques et structuraux (niveaux structuraux cassant et ductile, régimes compressif et extensif, milieux homogène et stratifié),
(6) présence des fluides et leur rôle dans la déformation.

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Analyse de la formation des bassins sédimentaires par interaction de forçages internes (processus lithosphériques) et de forçages externes (processus dans les enveloppes externes de la Terre). 
Analyse de l’évolution post-dépôt qui conduit à la formation des ressources naturelles (énergétiques et minérales).

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Ce module est une formation approfondie en sédimentologie qui comprend une partie magistrale (cours) et une partie pratique (terrain). Après un cadrage sur les mécanismes de l’enregistrement sédimentaire, les processus hydrodynamique et les figures et structures sédimentaires associées. les différents environnements de dépôts détritiques terrigènes puis carbonatés sont passés en revue en balayant le paysage sédimentaire de l’amont vers l’aval.

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Ce module vise à fournir les bases sur l’imagerie géophysique des formations géologiques, proche de la surface comme à l’échelle de la lithosphère. On se focalisera ici sur les méthodes sismologiques (tomographie ondes de volume et de surface, fonctions récepteurs, bruits ambiant), la gravimétrie et la magnétotellurique. Nous présenterons aussi les bases de la sismique réflexion (acquisition et traitement).  Un cas d’étude vu en TP permettra de souligner l’importance de combiner ces méthodes pour décrire au mieux le milieu et ses propriétés, notamment en termes de fluides.

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Ce stage de terrain intervient au début du cycle de notre formation de Master. Il ambitionne de caractériser la succession des processus de formation puis de démantèlement de l’orogène Varisque, à travers l’étude thématique du massif de la Montagne Noire. Une attention particulière sera portée à la fois sur (1) l’étude de la déformation de la couverture sédimentaire et de l’évolution géodynamique des  bassins ; (2) l’analyse de la déformation ductile et du métamorphisme associé dans les niveaux crustaux les plus profonds ; et (3) l’étude des bassins tardi-orogéniques. Cette unité d’enseignement est constituée de trois étapes successives : la phase de préparation à partir de l’étude de documents cartographique en salle, le travail sur le terrain et la rédaction d’un rapport, et enfin une étude critique de la bibliographie.

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Cette UE a pour objectif d’homogénéiser les connaissances de promotions d’étudiants provenant de formations variées. La formation cible en particulier des connaissances en minéralogie, pétrologie magmatique et les gisements métalliques associés. Ces disciplines sont abordées avec une approche synthétique et globale, intégrant les processus et faisant le lien entre les principaux réservoirs minéralogiques et géochimiques. Les cours sont supportés par des travaux pratiques de pétrologie magmatique et métallogénie à travers l’étude d’échantillons de roche et minéralisés, macroscopiques et microscopiques.

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Apport de la géochimie, de la géo-thermochronologie et de la pétrologie dans la connaissance :
- des grandes étapes de la formation, de la déformation et de l’évolution des bassins sédimentaires et de leur substratum
- dans la formation, l’origine, l’âge et l’évolution des gisements métallifères

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Des notions concernant l’économie des ressources primaires et l’histoire des ressources minérales sont abordées en introduction. Cette formation consiste ensuite à appréhender les principaux processus métallogéniques en lien avec mes contextes géodynamiques. Les notions de métallotectes sont détaillées à travers la compréhension (description, processus de formation) des principaux gîtes minéraux exogènes et endogènes. Les travaux pratiques permettent d’approfondir la minéralogie spécifique des minéralisations métallifères.

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Points majeurs abordés : le concept de niveau marin, l’enregistrement sédimentaire des variations du niveau de la mer, la notion de séquence de dépôts, l’origine des séquences, la reconnaissance des séquences et les domaines d’application (architecture des bassins/réservoirs, prédiction de réservoirs).

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Cas d’étude du front de chevauchement de Montpellier, zone SW de St Paul-et-Valmalle : Mas d’Arnaud – Mas de Fabre – Le Castellas.
Géologie structurale, cartographie de terrain classique et numérique, sédimentologie de faciès, SIG, carte géologique détaillée.

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Mise en pratique sur le terrain des connaissances acquises dans l’analyse des bassins sédimentaires par une approche pluri-disciplinaire et multi-échelle associant sédimentologie et tectonique. Ce travail se fait par l’intégration des observations de terrain et de données de sub-surface dans le cas d’un bassin d’avant chaîne.

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Cette UE propose une présentation des comportements mécaniques des roches en se fondant sur les résultats des travaux obtenus à l’échelle du laboratoire. Les différents types d’expériences de laboratoire sont décrits et les divers comportements mécaniques sont abordés et illustrés par des données expérimentales. Les tests de compression hydrostatique, de compression uniaxiale et triaxiale sont ainsi décrits. Les comportements élastiques, plastiques, visqueux sont envisagés et la combinaison de ces comportements est appliquée à la description du comportement des roches. 
Des notions relatives aux comportements des discontinuités, ainsi qu’à la mécanique de la rupture sont abordés. Les notions de fluage et de comportements différés seront également abordées pour envisager les comportements à long terme des massifs rocheux.
Afin d’envisager de façon quantitative les comportements mécaniques, les notions de tenseur de contrainte et de déformation seront abordés. Elles permettront d’introduire des calculs de déformation élastiques à partir des modules élastiques. Le calcul des contraintes sur des plans, à partir de la connaissance du tenseur des contraintes, sera abordée dans le cas général et sera illustrée par la représentation de Mohr.

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La sismique réflexion est très largement utilisée dans l’exploration, en mer et à terre, quel que soit le contexte géologique. Bien qu’elle ait été développée initialement par l’industrie pétrolière, elle est aujourd’hui utilisée aussi bien par l’industrie (pétrolière et minière) que par la recherche et les bureaux d’études. Elle peut être déployée pour imager le sous-sol aussi bien à l’échelle locale que régionale. Les étudiants apprendront donc à interpréter les objets sédimentaires, structuraux et fluides identifiés sur les profils sismiques 2D et 3D. Une attention particulière sera portée sur la résolution de l’interprétation en fonction des données initiales.

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Définition, typologie et analyse approfondie  des réservoirs fracturés (NRF : naturally fractured reservoirs) dans différents contextes géologiques : différents types de roches (carbonates, argiles, socle), enfouissement, diagénèse, exhumation, plissement, endommagement de faille, refroidissement, changement minéralogique. Systèmes anthropiques de fracturation induite (hydraulique, thermique), applications aux réservoirs argileux (shale plays), aux argiles de couverture et aux sites de stockages.
Intégration de ces connaissances à l’exploration et l’exploitation des réservoirs fracturés.
Concept et workflow pour l’édition des DFN (discret fracture networks).
Intervention de Bertrand Gauthier de Total à titre gracieux sur 2 jours : Propriété statique et dynamiques des réservoirs fracturés pétroliers.

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Formation à l’évaluation et simulation numérique de réservoirs fracturés.
Workflow de la construction de modèle structural sous Petrel depuis le piquage sismique, jusqu’à la construction de DFN (discrete fault/fracture network), en passant par l’intégration des données structurales de puits et la restauration du modèle structural.

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La matière organique (MO) ne représente qu’une faible part de la sédimentation. Contrairement aux autres particules déposées, elle peut évoluer rapidement au cours de l’enfouissement en interagissant avec les grains de la roche hôte et en produisant des fluides (gaz et liquides) qui vont être très mobiles. A cause de sa dégradation par les bactéries, sa préservation dépend de nombreux paramètres mais surtout de la granulométrie fine des grains déposés en même temps. Ainsi les argiles représentent le milieu le plus favorable à la préservation de la MO mais leur minéralogie complexe en fait un matériau particulier qui va lui aussi se transformer au cours de l’enfouissement. Les produits de leurs interactions ont intéressé bien entendu le milieu minier puis pétrolier puisque ces processus sont à l’origine des grandes séries de charbon et de la production d’hydrocarbures. Mais récemment les études s’intéressent de plus en plus à ces deux éléments comme traceurs de l’origine des sédiments et comme marqueurs ensuite de l’enfouissement ce qui a un intérêt majeur dans la compréhension du remplissage des bassins et de leur évolution post-dépôt.

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Gisements minéraux, techniques d’exploration, géostatistique, économie minière. La formation est principalement axée sur des interventions de professionnels (mine et carrière). Deux journées de terrain viennent illustrer certaines méthodes d’exploration à travers notamment l’étude de minéralisations uranifères et de gypse.

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•    Introduction et rappels des objectifs d’une interprétation diagraphique
•    Pré-traitements et correction des données
•    Détermination des réservoirs et toits
•    Approche conventionnelle déterministe (volume des argiles, porosité, saturation)
•    Chaîne de traitement « quicklook »
•    Estimation finale (cutoff, « net to gross »)
•    Mise en oeuvre à l’aide de TDs puis du logiciel Techlog (Schlumberger).

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•    Présentation des méthodes de réalisation d'un forage à grande profondeur, prenant en compte aussi bien les aspects technologiques de la foration que le contrôle de la boue et des copeaux ("mud logging").  
•    Présentation des méthodes géophysiques en forage ou "diagraphies différées" (méthodes électriques, nucléaires, acoustiques et sismiques ainsi que les techniques développées pour les mesures de température, de pression ou de perméabilité in-situ). 
•    Utilisation de ces méthodes pour des applications pétrolières et environnementales.

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Points majeurs abordés : Pétrophysique, roches carbonates, roches silico-clastique, écoulements pétroliers, diagenèse

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L'accent sera mis sur les processus d’altération et les interactions fluide/roche mais surtout sur les contraintes structurales et texturales permettant de proposer des modèles de gisements contraints, novateurs et originaux. Nous insisterons dans cet enseignement sur la spécificité structurale de chaque gisement et sur les dangers de l’application, parfois aveugle, des modèles livresques.

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Cette UE présente les concepts fondamentaux permettant de comprendre la genèse et le fonctionnement des réservoirs géothermiques.

Dans un premier temps, les différents types de géothermies, depuis la très basse énergie jusqu'à la géothermie haute énergie pour la production d'électricité sont abordées en détail et font l'objet d'étude de cas réels. Un panorama à l’échelle de la planète est proposé afin d’évaluer le potentiel énergétique des ressources géothermiques.

L’UE se focalisera ensuite sur plusieurs points spécifiques à la géothermie, comme les mécanismes de transferts de masse et de chaleur dans les réservoirs. Ceux-ci seront abordés et illustrés sur des cas réels via la modélisation numérique. La signature géologique des réservoirs géothermiques, comme les altérations minérales, seront également étudiées en détails à travers des études de cas.

La problématique du stockage sera abordée en envisageant des applications comme le stockage souterrain du CO2, de chaleur ou d’énergie. L'influence des propriétés mécaniques des roches réservoirs, ainsi que des interactions entre les fluides stockés et les roches encaissantes, seront mises en évidence dans le but d’envisager la faisabilité et la pérennité de ces dispositifs de stockage.

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Ce cours détaille la structure interne, la composition minéralogique et les propriétés pétrophysiques des failles ainsi que les conditions géologiques (contraintes) qui contrôlent leur étanchéité et leur intégrité en milieu réservoirs faillés. Nous traitons des différents types de « fault seals » et des outils communément utilisés dans l’industrie des réservoirs géologiques pour prédire la perméabilité des failles.
Points majeurs abordés:
- Fault and top seals (juxtaposition, SGR, mechanical and diagenetical seals).
- Zonation des failles,
- Mécanismes de déformations,
- Bandes de déformations dans les grès poreux,
- Perméabilité des zones de faille.

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Cette UE consiste en la réalisation de deux projets d'évaluation de ressources reposant sur des cas d’études appliqués en domaines miniers et pétroliers. L’étudiant aura accès à la plateforme d'imagerie numérique. Il sera initié à l’utilisation de logiciels d'interprétation et d'évaluation spécifiques qui lui permettront de manipuler les jeux de données fournis (logiciels type Techlog, Coralis, Petrel…). Les résultats issus de l’interprétation de ces données seront resitués de manières synthétiques et argumentées sous la forme de deux rapports ou présentations.

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Stage de 5-6 mois en entreprise, bureau d'études ou laboratoire.

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