17Modèles de faciès

Une carotte prélevée dans un puits d’un kilomètre de profondeur : un mètre de sable grossier à stratification oblique reposant sur une base nette, passant vers le haut à des silts marqués par des traces de racines, puis de nouveau du sable sur une autre base nette. Le géologue y lit une rivière qui a divagué sur sa plaine, alors qu’aucun cours d’eau ne coule plus à cet endroit. Cette lecture repose sur deux outils : un ensemble de modèles, chacun étant une synthèse de nombreux exemples actuels et anciens d’un même environnement, et une loi qui transforme une succession verticale de couches en une carte des environnements voisins.

Tu sais déjà

Les faciès sédimentaires, les milieux de dépôt, les formes de fond, la stratification oblique, les deltas des trois types, les courants de turbidité, les turbidites et les bancs granoclassés sont traités dans le volume de première année, au chapitre consacré aux sédiments détritiques et à leurs milieux ; l’usine à carbonates, les récifs et les plates-formes carbonatées, dans le chapitre consacré aux sédiments carbonatés, siliceux et évaporitiques ; le log de sondage et la corrélation des logs, dans le chapitre consacré aux coupes. La porosité et la perméabilité figurent dans les manuels du secondaire. Les paraséquences, les surfaces d’inondation et les cortèges sédimentaires sont au chapitre 16. Les vagues en eau profonde, dont le mouvement s’atténue avec la profondeur, sont traitées dans les volumes de physique.

17.1 Faciès, successions et loi de Walther

Un faciès sédimentaire se décrit à partir de ce que l’on voit dans une carotte ou sur une falaise : taille des grains, classement, structures, fossiles, couleur. Un faciès isolé est rarement diagnostique : du sable à stratification oblique se forme dans les rivières, sur les plages, dans les chenaux de marée et dans les déserts. Ce qui identifie un milieu, ce sont les faciès qui lui sont associés et l’ordre dans lequel ces faciès se succèdent.

Définition 17.1 (Association de faciès et succession de faciès)

Une association de faciès est un groupe de faciès qui apparaissent ensemble et se sont déposés dans un même milieu, comme des sables de chenal, des silts de levée et des boues de plaine d’inondation avec racines. Une succession de faciès est une suite verticale de faciès dans laquelle une propriété évolue progressivement vers le haut ; dans une succession granodécroissante, la taille des grains diminue vers le haut, tandis que dans une succession granocroissante elle augmente.

Définition 17.2 (Modèle de faciès)

Un modèle de faciès est une synthèse générale d’un milieu de dépôt, établie à partir de nombreux exemples actuels et anciens : les faciès qu’il produit, leur géométrie, leurs relations latérales et les successions qu’ils forment. Il sert de référence pour comparer un nouvel exemple, de guide pour les observations ultérieures, de prédicteur dans des situations nouvelles et de base pour interpréter le milieu.

La liaison entre le latéral et le vertical repose sur une loi. Des milieux voisins se trouvent côte à côte à un instant donné : la plage à côté de l’avant-côte, l’avant-côte à côté de la boue de plateau externe. Lorsque le rivage se déplace, chaque milieu vient se superposer à son voisin.

Théorème 17.3 (Loi de Walther)

Dans une succession concordante, sans rupture significative de sédimentation ni surface d’érosion, les faciès qui se superposent directement se sont déposés dans des milieux qui étaient côte à côte à l’époque.

La loi fonctionne dans les deux sens. Une régression empile les ceintures dans leur ordre vers le large, de bas en haut, une transgression dans l’ordre inverse ; et une succession verticale lue dans une carotte donne la carte des milieux voisins à l’époque considérée. Elle cesse de s’appliquer précisément là où le chapitre 16 place ses surfaces clés : au niveau d’une limite de séquence, où l’exposition et l’érosion amènent du sable fluviatile sur une boue de plate-forme, et au niveau d’une surface d’inondation, où la boue du large repose directement sur la plaine côtière.

17.2 Rivières

Définition 17.4 (Rivières en tresses et rivières à méandres)

Une rivière en tresses s’écoule dans plusieurs chenaux peu profonds qui se divisent et se rejoignent autour de barres, sur une plaine à forte pente, chargée abondamment en matériaux grossiers et à débit variable. Une rivière à méandres s’écoule dans un chenal unique et sinueux, sur une plaine plus douce, transportant davantage de sédiments fins ; elle migre en érodant la rive externe de chaque courbe et en déposant sur la rive interne. Le dépôt de la rive interne est une barre de méandre. L’avulsion est l’abandon d’un chenal pour un nouveau tracé à travers la plaine d’inondation, généralement après qu’une crue a rompu une digue naturelle.

Une barre de méandre s’accroît latéralement à mesure que la courbe migre, si bien qu’en chaque point elle enregistre la section transversale du chenal, du fond vers le sommet : un lag de clastes les plus grossiers reposant sur une base érosive, du sable stratifié en oblique issu des dunes du chenal profond, du sable plus fin à rides provenant du sommet peu profond de la barre, puis le limon et la boue de la plaine d’inondation, avec racines et sols. Selon la loi de Walther, cette succession granodécroissante, épaisse de quelques mètres, a l’épaisseur de la profondeur du chenal. Une rivière en tresses laisse des nappes superposées de sable stratifié en oblique et de gravier, avec peu de boue, dont la taille de grain varie à peine vers le haut ; ses fines sont emportées. L’avulsion déplace la ceinture de chenaux à travers la plaine, de sorte que les corps de chenaux s’empilent au hasard au milieu des boues de plaine d’inondation, séparés par des bases érosives nettes.

17.3 Littoraux, deltas et plates-formes

Les deltas du volume de première année, dominés par les rivières, les vagues ou les marées, s’édifient tous par le même mécanisme : l’embouchure dépose sa charge là où le courant ralentit, et le front deltaïque prograde sur ses propres boues de prodelta. Un front deltaïque ou un avant-côte en progradation laisse, selon la loi de Walther, une succession granocroissante : boue du large, boue interstratifiée avec des sables de tempête, sable d’avant-côte, plage. Chaque paraséquence du chapitre précédent est une telle succession.

Définition 17.5 (Avant-côte et bases d’action des vagues)

L’avant-côte est la zone en pente située au large de la plage, où les vagues remanient en permanence le fond marin. Sa base est la limite d’action des vagues de beau temps, la profondeur sous laquelle les vagues ordinaires ne mettent plus en mouvement les sédiments de fond. La limite d’action des vagues de tempête est la limite plus profonde atteinte par les vagues de tempête ; entre les deux, la boue se dépose par temps calme et est remaniée en bancs de sable lors des tempêtes. Sous la limite d’action des vagues de tempête, le fond n’est pas perturbé par les vagues.

Le mouvement orbital d’une vague en eau profonde s’atténue selon $e^{-2\pi z/\lambda}$ avec la profondeur $z$, pour une longueur d’onde $\lambda$ : à une demi-longueur d’onde, il conserve $4\,\%$ de son amplitude en surface, ce qui fixe l’ordre de grandeur d’une base de vague. Les enregistrements de bouées de plus de deux millions de spectres de vagues, provenant des Caraïbes, du golfe du Mexique et de l’Atlantique occidental, donnent des longueurs d’onde modales d’environ $75\,\mathrm{m}$ dans les mers abritées et d’environ $110\,\mathrm{m}$ sur la marge ouverte, et montrent que, moyennées sur des semaines à des années, les longueurs d’onde ne se répartissent pas en une classe de beau temps et une classe de tempête : la probabilité qu’une vague remue le fond augmente régulièrement à mesure que l’eau devient moins profonde. Les deux bases de vagues restent utiles comme termes désignant des zones d’un profil, et non des profondeurs précises.

Définition 17.6 (Stratification oblique en mamelons)

La stratification oblique en mamelons est une stratification de sable fin en lamines faiblement courbes, concaves vers le haut (dépressions) et convexes vers le haut (mamelons), qui se recoupent sous de faibles angles et s’épaississent ou s’amincissent latéralement, sur des longueurs d’onde de l’ordre du mètre à plusieurs mètres. Elle se forme sous l’effet des écoulements oscillants et combinés des vagues de tempête, entre la limite d’action des vagues de beau temps et la limite d’action des vagues de tempête.

Sur le terrain — Bancs de tempête sur une plate-forme silurienne

Dans la formation d’Arisaig, en Nouvelle-Écosse, des couches de grès fin alternent avec des argilites plus sombres. Les géologues qui ont étudié ces bancs reconnaissent les lamines basses, courbes et sécantes de la stratification oblique en mamelons : chaque banc enregistre une tempête qui a remué la plate-forme sous la portée des vagues ordinaires, et la boue qui l’entoure enregistre le long calme entre les tempêtes.

Là où les marées dominent, le faciès change : les courants de flot et de jusant construisent des stratifications obliques de sens opposés, des draps de boue se déposent à chaque étale, et l’épaisseur des ensembles compris entre les draps croît et décroît avec le cycle des marées de vives-eaux et de mortes-eaux. Les chenaux de marée, les estrans et les crêtes de sable ont leurs propres modèles, construits de la même manière.

17.4 Milieu profond

Un courant de turbidité qui ralentit dépose sa charge selon l’ordre de sédimentation : les grains les plus grossiers d’abord, les plus fins en dernier. Un banc de turbidite complet présente cet ordre sous la forme de cinq divisions.

Définition 17.7 (Séquence de Bouma)

La séquence de Bouma est la succession idéale de divisions d’un banc de turbidite, de la base au sommet : Ta, sable massif ou granoclassé sur une base érosive à marques de courant et d’outil ; Tb, sable à lamination parallèle ; Tc, sable fin à rides et lamines convolutes ; Td, silt à lamination parallèle ; Te, boue, en partie issue du courant de turbidité et en partie de la sédimentation lente entre les écoulements.

Peu de bancs présentent les cinq divisions : près de la source, le courant est rapide et laisse des divisions Ta épaisses, dont les parties supérieures sont érodées par l’écoulement suivant ; loin de celle-ci, seules arrivent les divisions les plus fines, de Tc à Te. La séquence enregistre l’affaiblissement d’un écoulement, et le changement des bancs le long de l’éventail enregistre l’affaiblissement des écoulements avec la distance.

Définition 17.8 (Éventail sous-marin)

Un éventail sous-marin est un cône de sédiments au pied d’un talus continental, alimenté par un canyon : un éventail supérieur avec un chenal principal entre des levées, un éventail moyen de chenaux distributaires se terminant par des lobes de sable, et un éventail inférieur de fines turbidites passant à une boue de plaine abyssale.

Le long de la marge, les courants profonds entraînés par la circulation océanique remanient les sédiments fins du talus en contourites, en monticules et en dérives de silt et de boue bioturbés, qui croissent le long des isobathes plutôt que dans le sens de la pente.

17.5 Plates-formes carbonatées

Le sédiment carbonaté se forme sur place, par l’action d’organismes dans une eau chaude, claire et peu profonde, et ses faciès suivent le profil de la plate-forme que l’usine à carbonates construit pour elle-même.

Définition 17.9 (Rampe carbonatée et plate-forme à barrière)

Une rampe carbonatée est une plate-forme dont le fond s’incline doucement et régulièrement depuis le rivage jusque dans le bassin, sans rupture : ses ceintures de faciès, des replats de marée et des sables de plage-barrière jusqu’aux grains de haut-fond, aux sables bioclastiques et aux boues calcaires du large, sont larges et passent progressivement les unes aux autres, triées par l’énergie des vagues qui décroît avec la profondeur. Une plate-forme à barrière est une plate-forme à sommet plat, avec une rupture de pente marquée à sa marge, où des récifs et des hauts-fonds sableux édifient une barrière qui abrite un lagon en arrière ; au-delà de la barrière, une pente raide déverse blocs et grains dans le bassin.

Sur le sommet plat d’une plate-forme, une faible hausse du niveau marin relatif inonde les replats de marée, et l’usine, qui travaille le plus vite dans l’eau la moins profonde, comble l’espace jusqu’au niveau de la mer en peu de temps. Il en résulte un empilement de cycles péritidaux d’un mètre ou de quelques mètres d’épaisseur, chacun une paraséquence à tendance régressive, allant de boues subtidales à un replat de marée portant des fentes de dessiccation ou des tapis microbiens, coiffée par la surface d’inondation suivante.

17.6 Carottes et diagraphies

La majeure partie des roches sous les bassins sédimentaires est connue grâce aux forages. Quelques forages sont carottés, et leurs carottes sont décrites banc par banc, comme une falaise ; presque tous sont diagraphiés.

Définition 17.10 (Diagraphies)

Une diagraphie est un enregistrement continu d’une propriété physique des roches en fonction de la profondeur, mesurée par une sonde descendue au bout d’un câble dans un forage. La diagraphie gamma enregistre la radioactivité gamma naturelle de la roche, en unités API : forte dans les argiles, dont les minéraux retiennent potassium, thorium et uranium, faible dans le sable de quartz propre et dans le calcaire. La diagraphie de densité enregistre la masse volumique apparente d’après la diffusion des rayons gamma émis par une source placée sur la sonde. La diagraphie sonique enregistre le temps de transit par intervalle d’une onde de compression, en microsecondes par pied. La diagraphie neutron enregistre le ralentissement des neutrons par l’hydrogène, et donc l’eau retenue dans les pores et dans les argiles.

L’unité API de rayonnement gamma est définie dans une fosse d’étalonnage : un deux-centième de la différence entre une zone de radioactivité négligeable et une zone contenant les radioisotopes d’une argile moyenne à environ deux fois sa concentration. Le charbon, le calcaire et la dolomie sont généralement moins radioactifs que les argiles ; le grès quartzeux est faible, une arkose riche en feldspath potassique l’est davantage ; toute roche peut être rendue radioactive par l’uranium apporté par les eaux souterraines.

Proposition 17.11 (Porosité à partir de la masse volumique et du temps de transit)

Une roche de porosité $\phi$, dont les grains ont une masse volumique $\rho_{\mathrm{ma}}$ et des pores remplis d’un fluide de masse volumique $\rho_f$, a pour masse volumique globale $\rho_b = (1 - \phi)\rho_{\mathrm{ma}} + \phi\rho_f$, de sorte que

$$\phi = \frac{\rho_{\mathrm{ma}} - \rho_b}{\rho_{\mathrm{ma}} - \rho_f}.$$

Si une onde de compression traverse les grains et le fluide en série, sur des longueurs proportionnelles à $1 - \phi$ et $\phi$, son temps de transit est $\Delta t = (1 - \phi)\Delta t_{\mathrm{ma}} + \phi\Delta t_f$ (la équation de la moyenne temporelle), et $\phi = (\Delta t - \Delta t_{\mathrm{ma}})/(\Delta t_f - \Delta t_{\mathrm{ma}})$.

Les masses volumiques des grains valent $2.65\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ pour le quartz et $2.71\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ pour le calcaire ; l’eau interstitielle vaut $1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ lorsqu’elle est douce et jusqu’à $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ en saumure. Les temps de transit vont de 42 à $48\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ dans la dolomie, de 48 à 53 dans le calcaire, 53 pour un grès consolidé, et 189 dans la saumure. L’équation de la masse volumique est exacte pour une matrice connue ; l’équation de la moyenne temporelle est une règle empirique qui fonctionne au mieux dans les roches consolidées à pores intergranulaires. Les argiles mettent en défaut les deux : elles ont leurs propres masses volumiques et retiennent de l’eau liée.

Définition 17.12 (Rapport net sur brut)

Le rapport net sur brut d’un intervalle est l’épaisseur de sa roche de qualité réservoir, généralement le sable identifié sur la diagraphie gamma sous un seuil de coupure, divisée par l’épaisseur totale de l’intervalle.

La forme de la courbe gamma à travers un corps sableux est un outil de faciès. Une cloche, propre à la base et plus argileuse vers le haut, correspond à une succession granodécroissante, comme dans une barre de méandre ou un remplissage de chenal ; un entonnoir, argileux à la base et propre au sommet, correspond à une succession granocroissante, comme dans un avant-côte progradant ou un front deltaïque ; un cylindre, propre sur toute sa hauteur, avec des limites nettes, correspond à un sable de rivière en tresses empilé, à une dune éolienne ou à un haut-fond carbonaté. Ces formes sont des indices, non des preuves : une carotte, ou du moins les diagraphies voisines, doit les confirmer.

Au laboratoire — Description d’une carotte

Dans un entrepôt de carottes, les carottes d’un puits sont disposées en caisses, fendues sur leur longueur, dans l’ordre de leur profondeur. Un sédimentologue décrit la carotte banc par banc sur une fiche de description : taille des grains à la loupe et à l’aide d’une charte de comparaison, structures, contacts, fossiles, traces de terriers et de racines, couleur de la boue. La description est ensuite placée à côté des diagraphies de mêmes profondeurs, ce qui permet d’étalonner la forme des diagraphies par rapport à la roche et de lire les puits voisins non carottés.

17.7 Exercices

Exercice 17.1 ★

Une carotte présente, de la base vers le haut : boue du large, boue et sable fin interstratifiés, sable d’avant-côte, sable de plage, puis charbon à racines. En utilisant la loi de Walther, donner l’ordre des milieux le long de la côte à cette époque et le sens dans lequel le rivage s’est déplacé. Qu’aurait laissé une transgression ?

Solution

Solution de Exercice 17.1.

Du large vers la terre : offshore, transition offshore avec sables de tempête, avant-côte, plage, une plaine côtière à marais. Chaque milieu est venu se superposer à son voisin situé vers le large : le rivage s’est déplacé vers le large, c’est une régression. Une transgression les aurait empilés dans l’autre sens, la plaine côtière à la base et la vase offshore au sommet, souvent avec une surface d’érosion là où l’avant-côte passait.

Exercice 17.2 ★

Trois corps sableux présentent des formes de rayonnement gamma : (a) une cloche de $8\,\mathrm{m}$ d’épaisseur à base nette ; (b) un entonnoir de $20\,\mathrm{m}$ d’épaisseur ; (c) un cylindre de $30\,\mathrm{m}$ d’épaisseur à sommet et base nets. Proposer un milieu pour chacun, et l’observation dans une carotte qui le confirmerait.

Solution

Solution de Exercice 17.2.

(a) Un remplissage de chenal ou une barre de méandre : un affouillement graveleux à la base, des stratifications obliques, puis des rides et une vase racinaire. (b) Un avant-côte progradant ou un front de delta : de la vase avec des bancs de sable de tempête et de la stratification oblique en mamelons (HCS) en dessous, un sable d’avant-côte à stratification oblique et une plage au-dessus. (c) Des sables de rivière en tresses empilés, une dune éolienne ou un haut-fond carbonaté : des ensembles de stratifications obliques à taille de grain constante avec de grands foresets de dunes dans le cas éolien, ou des grains squelettiques et oolithiques dans le cas du haut-fond.

Exercice 17.3 ★

Un grès présente $\rho_b = 2.40\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$. Calculer sa porosité avec une matrice de quartz et d’eau douce, puis avec une saumure de $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$.

Solution

Solution de Exercice 17.3.

$\phi = (2.65 - 2.40)/(2.65 - 1.0) = 0.152$ ; avec de la saumure, $0.25/1.55 = 0.161$.

Exercice 17.4 ★

Ondes de longueur d’onde modale $75\,\mathrm{m}$ et $110\,\mathrm{m}$ (les mers abritée et ouverte de l’étude par bouée). Estimer la profondeur à laquelle chacune conserve $4\,\%$ de son mouvement de surface, et la fraction restante à une profondeur de $20\,\mathrm{m}$.

Solution

Solution de Exercice 17.4.

$e^{-2\pi z/\lambda} = e^{-\pi} = 0.043$ à $z = \lambda/2$ : environ $38\,\mathrm{m}$ et $55\,\mathrm{m}$. À $20\,\mathrm{m}$ : $e^{-2\pi\times20/75} = 0.19$ et $e^{-2\pi\times20/110} = 0.32$ du mouvement de surface.

Exercice 17.5 ★★

Un calcaire présente $\Delta t = 60\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$. Calculer sa porosité avec l’équation de moyenne temporelle pour une matrice de 47.6 et de $52.6\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ et une saumure à $189\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$. Qu’enseigne la différence ?

Solution

Solution de Exercice 17.5.

$(60 - 47.6)/(189 - 47.6) = 0.088$ ; $(60 - 52.6)/(189 - 52.6) = 0.054$. Une valeur de matrice incertaine de $5\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ modifie la porosité d’un tiers : l’équation de moyenne temporelle exige une valeur de matrice vérifiée sur carottes.

Exercice 17.6 ★★

Un intervalle de $40\,\mathrm{m}$ renferme des bancs de sable de 6.0, 3.5, 8.0 et $2.5\,\mathrm{m}$ au-dessous du seuil, le reste étant de la boue. Calculer son rapport net sur brut. Avec une porosité de $22\,\%$ dans le sable, quel volume de pores contient un kilomètre carré de cet intervalle ?

Solution

Solution de Exercice 17.6.

$(6.0 + 3.5 + 8.0 + 2.5)/40 = 20/40 = 0.50$. Volume poreux : $20\times0.22 \times10^6 = 4.4 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$ par kilomètre carré.

Exercice 17.7 ★★

Un banc turbiditique près de l’embouchure d’un canyon est formé de $1.2\,\mathrm{m}$ de sable massif (Ta) érodé au sommet par le banc suivant ; à $30\,\mathrm{km}$ en aval de l’éventail, un banc du même écoulement se compose de $8\,\mathrm{cm}$ de sable fin et de silt à rides laminées, sous $3\,\mathrm{cm}$ de boue. Nommer les divisions de chacun et expliquer le changement.

Solution

Solution de Exercice 17.7.

Près du canyon : Ta seulement, les divisions supérieures ayant été enlevées par l’écoulement suivant ; en descendant l’éventail : Tc (rides) et Td (silt) sous Te (vase). Le courant perd de la vitesse et sa charge grossière avec la distance ; seule la fraction fine parcourt $30\,\mathrm{km}$, et elle est déposée par un écoulement plus lent qui construit des rides, et non par retombée d’une suspension dense.

Exercice 17.8 ★★

Une succession granodécroissante de $9\,\mathrm{m}$ d’épaisseur présente une base nette à galets, du sable à stratification oblique, du sable fin à rides et de la boue à racines. L’interpréter, et estimer la profondeur du chenal qui l’a construite. La loi de Walther peut-elle s’appliquer au travers de sa base ? Pourquoi ?

Solution

Solution de Exercice 17.8.

Une barre de méandre d’une rivière à méandres : un résidu grossier sur le fond érodé du chenal, du sable à stratification oblique du chenal profond, du sable à rides du sommet de la barre, une vase de plaine d’inondation avec racines. La succession enregistre le chenal du fond à la berge, si bien que le chenal avait environ $9\,\mathrm{m}$ de profondeur (un peu moins, après compaction de la vase). Pas à travers la base : c’est une surface d’érosion, et ce qui se trouvait en dessous a pu être n’importe quel dépôt plus ancien.

Exercice 17.9 ★★

Un plancher de plate-forme descend de $60\,\mathrm{m}$ sur $40\,\mathrm{km}$ ; une autre conserve une profondeur de $5\,\mathrm{m}$ sur $30\,\mathrm{km}$, puis descend de $300\,\mathrm{m}$ sur $1.5\,\mathrm{km}$. Calculer les deux gradients, nommer chaque plate-forme et le faciès attendu au bord de la seconde.

Solution

Solution de Exercice 17.9.

$60/40\,000 = 0.0015$, $0.09{}^{\circ}$ : une rampe. $300/1500 = 0.20$, $11.3{}^{\circ}$, après un palier sommital de $5\,\mathrm{m}$ de profondeur : une plate-forme à barrière, avec des grains de récif ou de haut-fond en bordure, et des blocs et des écoulements granulaires sur la pente en contrebas.

Exercice 17.10 ★★★

Un rivage progradant à une vitesse $v$ tandis que le niveau marin relatif monte à un taux $A$, et sa ceinture d’avant-côte a une largeur $w$. Montrer que le sable d’avant-côte dans la succession verticale a pour épaisseur $h = wA/v$. La calculer pour $w = 2\,\mathrm{km}$, $A = 0.2\,\mathrm{m}/\mathrm{ka}$ et $v = 20\,\mathrm{m}/\mathrm{ka}$, et dire ce qui se passe lorsque $A = 0$. Comparer avec la proposition sur la trajectoire du rivage figurant au chapitre 16.

Solution

Solution de Exercice 17.10.

La ceinture met un temps $w/v$ pour passer en un point donné, pendant lequel le substrat s’élève par rapport au niveau marin à la vitesse $A$ sous elle : le sable remplit $h = A\,w/v$. $2000\times0.2/20 = 20\,\mathrm{m}$. Avec $A = 0$, l’avant-côte ne laisse que l’épaisseur de son propre profil, un mince placage, puisque les ceintures glissent les unes sur les autres sans s’accumuler. Le rapport $A/v$ est la tangente de l’angle de la trajectoire énoncée dans la proposition du chapitre 16 : l’épaisseur de chaque faciès est sa largeur multipliée par cette tangente.

Exercice 17.11 ★★★

Un grès présente $\rho_b = 2.30\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ et $\Delta t = 86\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$. Calculer sa porosité à partir de chaque diagraphie, avec une matrice de grès quartzeux (2.65, $52.6\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$) et une saumure (1.0 pour la masse volumique, $189\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$). Si la porosité sonique est juste, quelle masse volumique des grains implique la diagraphie de densité, et quel peut être le ciment ?

Solution

Solution de Exercice 17.11.

Densité : $(2.65 - 2.30)/1.65 = 0.212$ ; sonique : $(86 - 52.6)/136.4 = 0.245$. Avec $\phi = 0.245$, $\rho_{\mathrm{ma}} = (2.30 - 0.245)/(1 - 0.245) = 2.72\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ : plus dense que le quartz, comme pour un grès cimenté par de la calcite (2.71) ou contenant des grains de calcite.

Exercice 17.12 ★★★

Dans une carotte, de la boue marine noire repose directement sur un charbon à racines, avec une fine couche de débris coquilliers au contact. Expliquer pourquoi la loi de Walther ne s’applique pas au travers de celle-ci, quelle surface c’est, et quelle part de la succession côtière peut manquer si les vagues ont érodé le plancher jusqu’à une limite d’action des vagues de beau temps d’environ $10\,\mathrm{m}$ lorsque le rivage est passé.

Solution

Solution de Exercice 17.12.

De la vase offshore reposant sur un charbon met en contact des milieux non adjacents : une surface d’inondation, ici une surface de transgression d’érosion par les vagues, les débris de coquilles formant un résidu. Au fur et à mesure que le rivage se déplaçait vers la terre, les vagues ont entaillé le fond jusqu’à environ la limite d’action des vagues de beau temps : la plage, la partie supérieure de l’avant-côte et le sommet de la plaine côtière, sur environ $10\,\mathrm{m}$ de coupe, peuvent manquer.

17.8 Problème : Varden-2, un puits à travers la couverture

Problème 17.1

Problème du week-end — les diagraphies, la porosité, les faciès et le sable net d’un puits fictif du synclinal de Varden

Le puits Varden-2 est foré dans le synclinal des collines de Varden, aux coordonnées (7500, 7000) de la grille régionale, depuis une altitude du sol de $441.0\,\mathrm{m}$, jusqu’à une profondeur totale de $1200\,\mathrm{m}$. Ses diagraphies sont tracées dans la figure de la dernière section. Utiliser des masses volumiques des grains de 2.65 (quartz) et $2.71\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ (calcite), une eau interstitielle de $1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$, des temps de transit de matrice de 52.6 (grès) et $47.6\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ (calcaire), et $189\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ pour l’eau.

Partie I — Lecture des diagraphies.

1. Le rayonnement gamma bondit de 12 à $110\,\mathrm{API}$ à $766\,\mathrm{m}$, puis chute à 18 à $866\,\mathrm{m}$, devient irrégulier à partir de $1046\,\mathrm{m}$ et stable à $85\,\mathrm{API}$ à partir de $1166\,\mathrm{m}$. Nommer les unités rencontrées, à l’aide de leurs diagraphies.
2. Calculer l’épaisseur de chaque unité de la couverture et l’altitude de la base de la couverture.
3. La craie présente $2.03\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ près de la surface et $2.36\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ à $750\,\mathrm{m}$. Calculer sa porosité aux deux profondeurs. Que devient la craie avec la profondeur ?
4. Pourquoi ne peut-on pas attribuer une porosité à l’argilite à partir de sa masse volumique ?
5. Le schiste présente $2.75\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ et $50\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$. Que révèle le socle rapide, dense et sans porosité au foreur ?

Partie II — Porosité.

6. Le calcaire présente $2.573\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ : calculer sa porosité de densité.
7. Il présente $58.9\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$ : calculer sa porosité sonique et la comparer.
8. Le sable propre des remplissages de chenal présente $2.32\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ : calculer sa porosité.
9. Vérifier-la avec son temps de transit, $79.9\,\text{µ}\mathrm{s}/\mathrm{ft}$.
10. Si l’eau interstitielle était une saumure de $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$, de combien changerait la porosité de densité du sable ?
11. Quelle unité ferait le meilleur aquifère ou réservoir, et laquelle constitue la roche couverture qui la surmonte ?

Partie III — Faciès. Une carotte prélevée de 1108 à $1124\,\mathrm{m}$ montre, de la base vers le haut : une surface érodée à galets argileux et graviers ; $10.4\,\mathrm{m}$ de sable moyen à stratification oblique ; $3.2\,\mathrm{m}$ de sable fin à ondulations passant à des silts ; $2.4\,\mathrm{m}$ de boue brun-rouge à traces de racines.

12. Tracer la forme du rayonnement gamma attendue au droit de l’intervalle carotté.
13. Nommer la succession et le milieu de dépôt de chaque partie.
14. À l’aide de la loi de Walther, décrire les milieux qui se succèdent latéralement.
15. Estimer la profondeur du chenal.
16. Le grès renferme onze unités de ce type, chacune reposant sur une base nette. Que révèle l’empilement sur la rivière et sa plaine ?
17. La loi de Walther peut-elle servir à passer d’une unité à la suivante ? Pourquoi ?

Partie IV — Sable net. Les onze remplissages de chenal, à partir de la base du grès, mesurent 14, 9, 12, 7, 16, 10, 13, 8, 11, 12 et $8\,\mathrm{m}$ d’épaisseur. Chacun débute par un sable propre ($30\,\mathrm{API}$) sur une fraction de son épaisseur de 0.60, 0.45, 0.55, 0.30, 0.65, 0.40, 0.55, 0.35, 0.50, 0.45 et 0.30, puis s’affine vers le haut sur une fraction de 0.25, 0.30, 0.25, 0.40, 0.20, 0.30, 0.25, 0.35, 0.25, 0.30 et 0.35, le rayonnement gamma croissant linéairement jusqu’à $105\,\mathrm{API}$, et se termine par de la boue.

18. Quelle fraction de chaque intervalle granodécroissant se situe sous le seuil de $60\,\mathrm{API}$ ?
19. Calculer le sable net de l’unité la plus basse et de la plus épaisse.
20. Calculer le total de sable propre et le total des intervalles granodécroissants du grès.
21. Calculer son rapport net sur brut.
22. Comment varierait le sable net avec un seuil de 45 ou de $75\,\mathrm{API}$ ?
23. Avec la porosité du sable de la question 8, calculer le volume poreux du sable net sous un kilomètre carré.
24. Donner l’épaisseur de sable net du grès triasique de Varden-2.

Solution

Solution de Problème 17.1.

1. Craie (froide, faible densité), argile à partir de $766\,\mathrm{m}$ (chaude), calcaire à partir de $866\,\mathrm{m}$ (froid, dense, rapide), grès à partir de $1046\,\mathrm{m}$ (formes en cloche), schiste à partir de $1166\,\mathrm{m}$.

2. Craie $766\,\mathrm{m}$, argile 100, calcaire 180, grès $120\,\mathrm{m}$ ; base de la couverture à $441.0 - 1166 = -725\,\mathrm{m}$.

3. $(2.71 - 2.03)/1.71 = 0.40$ près de la surface, $(2.71 - 2.36)/1.71 = 0.20$ à $750\,\mathrm{m}$ : la craie perd la moitié de sa porosité sous le poids des roches de recouvrement, par compaction.

4. Ses grains sont des argiles de densité incertaine, et son eau est en partie liée à elles : les hypothèses de l’équation ne sont pas vérifiées.

5. Socle cristallin : la couverture est traversée, et aucun réservoir n’est attendu en dessous.

6. $(2.71 - 2.573)/1.71 = 0.080$.

7. $(58.9 - 47.6)/141.4 = 0.080$ : même résultat.

8. $(2.65 - 2.32)/1.65 = 0.200$.

9. $(79.9 - 52.6)/136.4 = 0.200$ : même résultat.

10. $0.33/1.55 = 0.213$, soit un tiers de plus.

11. Le grès, avec une porosité de $20\,\%$ dans ses sables ; les argilites au-dessus du calcaire constituent la roche couverture, et les boues de plaine d’inondation divisent le grès en compartiments.

12. Une forme en cloche : faible radioactivité gamma dans le sable à stratification oblique, qui remonte à travers l’intervalle granodécroissant jusqu’aux fortes valeurs de la boue enracinée, sur une base nette.

13. Une succession granodécroissante : dépôt grossier résiduel au fond du chenal sur une base érosive, dunes de chenal (stratifications obliques), sommet de la barre de méandre (rides), plaine d’inondation (boue enracinée).

14. Le chenal, sa barre de méandre sur la berge interne, des levées et une plaine d’inondation pourvue de sols, côte à côte.

15. Environ l’épaisseur du sable et de l’intervalle granodécroissant, $10.4 + 3.2 = 13.6\,\mathrm{m}$, un peu plus avant la compaction.

16. Une rivière à méandres dont la ceinture de chenaux s’est déplacée à plusieurs reprises par avulsion pendant que le bassin subsidait, chaque nouveau chenal entaillant la plaine d’inondation laissée par le précédent.

17. Non : chaque base est érosive ; la boue de plaine située sous elle et le sable de chenal situé au-dessus n’ont pas nécessairement été voisins.

18. $(60 - 30)/(105 - 30) = 0.40$.

19. Cas minimal : $14\times(0.60 + 0.40\times0.25) = 9.80\,\mathrm{m}$ ; cas maximal : $16\times(0.65 + 0.40\times0.20) = 11.68\,\mathrm{m}$.

20. Sable propre $58.8\,\mathrm{m}$ ; intervalles granodécroissants $33.4\,\mathrm{m}$ ; boue $27.8\,\mathrm{m}$.

21. Épaisseur nette $= 58.8 + 0.40\times33.4 = 72.2\,\mathrm{m}$ ; rapport net sur brut $72.2/120 = 0.60$.

22. Fractions 0.20 et 0.60 : $65.5\,\mathrm{m}$ et $78.8\,\mathrm{m}$, un écart de $13\,\mathrm{m}$ dû au seul choix du seuil de coupure.

23. $72.2\times0.20\times10^6 = 1.44 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$ par kilomètre carré.

24. L’épaisseur de sable net du grès triasique au puits Varden-2 est $72.2\,\mathrm{m}$.