Université de Cergy Pontoise Architecture structurale de la ceinture de Gaspé (Canada) : Imagerie sismique intégrée et application à l’évaluation pétrolière Martin Bêche 8 Décembre 2008 Université Laval Université de Cergy Pontoise IFP

Interprétation sismique et modèle géologique L’acquisition et le traitement des données sismiques fournissent des images qui sont interprétées pour construire un modèle géologique du sous-sol. L’interprétation sismique peut se focaliser : Sur la détermination des structures géologiques (failles, géométrie des couches) Sur la détermination des caractéristiques lithologiques des formations géologiques Le modèle géologique obtenu peut être bâti à l’échelle du bassin et du réservoir pétrolier

Exploration en zone d’avant-pays Limites de l’imagerie sismique temps : Les images sismiques en temps ne sont pas représentatives de la géométrie dans les milieux complexes Présence de zones sourdes sur les sections sismiques La coordonnée verticale des sections sismiques est donnée par le temps de trajet de propagation de l’onde sismique Apports de l’imagerie sismique profondeur : Elle donne des images représentant correctement le sous-sol Meilleure estimation des profondeurs caractérisation des différentes formations géologiques (géométrie) Temps Profondeur

Architecture structurale de la ceinture de Gaspé Architecture structurale de la ceinture de Gaspé... : Un double objectif (I) Objectif I : Méthodologie d’étude de bassin intégrée : Mise au point d’une méthode intégrée en imagerie sismique profondeur dans les zones à structure complexe avec la prise en compte des informations géologiques disponibles. Construction des modèles structuraux 2D actuels comme première approche pour l’élaboration du modèle structural en 3D.

Objectif II: étude de la ceinture de Gaspé Architecture structurale de la ceinture de Gaspé... : Un double objectif (II) Objectif II: étude de la ceinture de Gaspé Obtenir des images sismiques profondeur calibrées et cohérentes avec les informations géologiques a priori Élaborer un modèle structural : à partir de l’interprétation des images sismiques profondeur intégrer les études de géologie de surface et régionales préciser la géométrie interne et les relations des ceintures taconienne et acadienne Effectuer une modélisation de bassin sur une partie de la zone d’étude pour y faire une première évaluation du potentiel pétrolier et en déduire des études futures.

Plan de l’exposé Présentation de la géologie de la péninsule de la Gaspésie et de la zone d’étude (partie centrale) Amélioration des images sismiques par migration sismique profondeur : méthode et résultats Interprétation structurale des images sismiques et validation du modèle structural de ceinture de plis et de chevauchement Première étude 2D de modélisation de bassin en Gaspésie : l’exemple du synclinal du Lac des Huit Miles Conclusion et perspectives

La péninsule de Gaspésie : une zone de chevauchement complexe Géologie régionale F G Lavoie, 2002 Ceinture taconienne Ceinture acadienne La Péninsule de Gaspésie est constituées de ceintures orogéniques, la ceinture taconienne dans la partie nord constituée de roches cambro-ordoviciennes avec de nombreuses nappes Et la ceinture de Gaspé au sud constituée de grands plis en surface, le Synclinorium de Connecticut Valley-Gaspé, suivi de l’Anticlinal d’Aroostook Percée et le Synclinorium de la Baie des Chaleurs Brisebois et Brun, 1994

La péninsule de Gaspé : Les trois principaux événements tectoniques Géologie régionale La péninsule de Gaspé : Les trois principaux événements tectoniques O. acadienne Déformation polyphasée dans les unités pré-lochkoviennes, Gaspésie Sud 370 Ma : Plissement terminé 364 Ma : Coulissage terminé Pulsation salinique Remplissage sedimentaire des séquences du Wenlockien au Praguien. Blocs basculés, failles normales O. taconienne Collision marge passive et archipel d’arc péri-laurentia 2 orogénies Tiré de Bourque et al 2003

Le modèle structural de la ceinture de Gaspé Géologie régionale Le modèle structural de la ceinture de Gaspé Orogenèse acadienne Lochkovien NW Orogenèse taconienne Bassin de Gaspésie SE Avant-pays Biseau orogénique NW SE Pulsation salinique Kirkwood et al., 2004 Malo et al., 2001 Collision Marge passive avec archipel d’arc volcanique puis obduction (Ord. Sup) Phase extensive, blocs basculés (Silurien Inf. à Moy.) Développement ceinture de plis et chevauchement (fin Silurien à Dévonien Moy.)

Étude de la partie centrale de la Gaspésie Géologie régionale Étude de la partie centrale de la Gaspésie Profils sismiques à travers la ceinture acadienne : 2001-MRN-10b 2001-MRN-08 Imagerie sismique de la Faille de Schickshock Sud Analyse structurale Synclinal du Lac des Huit-Miles Anticlinal de Causapscal 67°00' W N 10 km Ceinture taconienne Faille de Shickshock Sud Anticlinal de Causapscal Synclinal du Lac des Huit Miles 48°30' N Ceinture acadienne

Imagerie sismique et géologie structurale B – Imagerie sismique profondeur Modèle de vitesse prof. ~ Points de tir C – Interprétation structurale Données sismiques et géologiques A – Acquisition de données Interprétation sismique ~ Étude géologique

Données géologiques initiales et mesures Imagerie sismique Données géologiques initiales et mesures Observations de terrain (pendages) Mesures de vitesse en laboratoire Géologie de surface Puits La Veyrendrie Mesures de géochimie de surface Roy 2008

Inversion des temps de trajet et migration profondeur Imagerie sismique Inversion des temps de trajet et migration profondeur Étape 1 : Pointé des temps de trajet sismique associés à des réflecteurs sur la section sismique en temps Étape 2 : Construction du modèle de vitesse en fonction de la profondeur, par tomographie de réflexion Étape 3 : Application des traitements de migration profondeur pour obtenir une image sismique en profondeur (application possible sur la section somme et sur les points de tir)

L’exemple du synclinal du lac des Huit Miles Imagerie sismique L’exemple du synclinal du lac des Huit Miles NW SE Synclinal du Lac des Huits Miles Faille de Shickshock Sud Réflecteur des Shickshock Réflecteur du Lac des Huits Miles Faille du synclinal du Lac des Huits Miles 4.5s L'étude d’imagerie sismique s'est centrée sur : les couples - faille et réflecteur associé - situés sous le synclinal des Huits-Miles et sur la faille des Shickshock Sud. la détermination de variations de vitesse associées aux lithologies

1 - Imagerie de la base du synclinal Imagerie sismique 1 - Imagerie de la base du synclinal modèle par bloc (B) Modèle lisse (C ) modèle initial par bloc issu d’une interprétation préliminaire amélioration du modèle de vitesse lisse par inversion des temps de trajet de la base du synclinal => Confirmation des vitesses élevées ~ 5000 - 6000 m/s => géométrie plus précise de ce réflecteur par amélioration, étape par étape, du modèle de vitesse et prise en compte des données de géologie de surface

2 – Faille sous la base du synclinal Imagerie sismique 2 – Faille sous la base du synclinal Accessibilité à des événements structuraux détectables sur les points de tir élémentaires et diffus sur l’image sismique en temps Détermination des pendages de failles interprétation des failles et des réflecteurs associés sur l’image profondeur

3- Faille de Shickshock Sud Imagerie sismique 3- Faille de Shickshock Sud Mise en évidence de nouveaux réflecteurs sur les images sismiques profondeur Ces événements ne sont pas visibles sur les sections temps La modélisation des temps de trajet calculée lors de l’inversion tomographique permet de vérifier leur réalité et de les caractériser pendage de 30 à 40° prolongement en profondeur

Migration sismique profondeur avant sommation Imagerie sismique Migration sismique profondeur avant sommation NW SE 35 km 4.5 s Image temps

Migration sismique profondeur avant sommation Imagerie sismique Migration sismique profondeur avant sommation

Migration sismique profondeur avant sommation Imagerie sismique Migration sismique profondeur avant sommation 35 km 10 km Image profondeur NW SE

Inversion des temps de trajet et Migration profondeur Imagerie sismique Inversion des temps de trajet et Migration profondeur Importance de la prise en compte des contraintes géologiques pour la détermination du modèle de vitesse par inversion des temps de trajet La migration profondeur avant sommation permet de renforcer la continuité des réflecteurs et fournit directement une image sismique en profondeur correcte et fiable (correction des effets dûs aux variations structurales dans le traitement sismique) L'inversion a été utilisée pour déterminer : le pendage de failles la profondeur de réflecteur les variations de vitesse La migration a été appliquée sur : la section sommée les points de tir Validation du modèle de vitesse

Stratigraphie de la ceinture de Gaspé dans la partie centrale Interprétation structurale Stratigraphie de la ceinture de Gaspé dans la partie centrale N ▲ 2001-MRN-10b Forillon Synclinal des Mts Berry St Léon 2001-MRN-08 Au niveau des lignes sismiques dans la partie centrale de Gaspé, en surface on observe le Groupe de Chaleur composé du Val Brillant sayabec à sa base qui présente un bon marqueur sismique du à sa nature gréseuse pour de la Val Brillant et des carbonate du Sayabec. On observe la Formation de Saint Léon et Indian Point qui sont des formation silicoclastique Ensuite au coeur du synclinal on trouve le Groupe des Calcaires de Gaspé … Et dans le Synclinal des Mt Berry, on trouve le Groupe de Gaspé Sayabec Val-Brillant Le synclinal du Lac des Huit Miles

Le synclinal du Lac des Huit Miles Interprétation structurale Le synclinal du Lac des Huit Miles Bêche et al., 2007

Le synclinal du Lac des Huit Miles Interprétation structurale Le synclinal du Lac des Huit Miles

Localisation du profil 2001-MRN-08 Géologie régionale Localisation du profil 2001-MRN-08 Faille de Shickshock Sud Ceinture taconienne Ceinture acadienne N 10 km 67°00' W 48°30' N Synclinal du Lac des Huit Miles Anticlinal de Causapscal

L’anticlinal de Causapscal Interprétation structurale L’anticlinal de Causapscal Ligne 2001-MRN-08

L’anticlinal de Causapscal Interprétation structurale L’anticlinal de Causapscal

Le synclinal du Lac des Huit Miles Interprétation structurale Le synclinal du Lac des Huit Miles Un style de tectonique de couverture compatible avec un style de ceinture de plis et de chevauchement : présence de pli de rampe dans le coeur du synclinal avec épaississement syn-sédimentaire présence d’imbrications structurales sous le synclinal dans les formations cambro-ordoviciennes discordance salinique identifiée par le jeu des failles normales dans le doublet Val-Brillant-Sayabec contact taconien-acadien : formations siluro-dévoniennes en discordance sur les formations taconiennes la faille des Shickshock Sud visible en profondeur (>5000m) avec un pendage de 30-40° Une géométrie différente de l’anticlinal de Causapscal sur les deux lignes sismiques étudiées

La coupe structurale proposée interprétation structurale La coupe structurale proposée L’ensemble de ces applications a permis de valider la méthodologie de l’imagerie sismique de profondeur et d’en dégager son intérêt pour l’interprétation sismique et la construction du modèle structural Ceinture de plis et de chevauchement Rejeu de nombreuses failles taconiennes lors de la pulsation salinique et l’Orogenèse acadienne

La coupe structurale proposée interprétation structurale La coupe structurale proposée L’ensemble de ces applications a permis de valider la méthodologie de l’imagerie sismique de profondeur et d’en dégager son intérêt pour l’interprétation sismique et la construction du modèle structural Rejeu de failles affectant le socle (Failles des schickshock Sud et Faille de Ste Florence) donc composante de tectonique “thick skinned” Rejeu de failles avec décollement au dessus du socle grenvillien donc composante de tectonique de “thin skinned”

La coupe structurale proposée interprétation structurale La coupe structurale proposée L’ensemble de ces applications a permis de valider la méthodologie de l’imagerie sismique de profondeur et d’en dégager son intérêt pour l’interprétation sismique et la construction du modèle structural Grande variation d’épaisseur des couches cambro-ordoviciennes de part et d’autre de la faille des Shickshock Sud Soit dû au soulèvement de socle important Soit dû au décalage issu du décrochement

Les différentes étapes d’une étude de bassin pour l’évaluation pétrolière Construction du modèle structural à l’âge actuel à partir des données géologiques Reconstruction de l’histoire du bassin par la modélisation cinématique Simulation de la génération et de la migration des hydrocarbures Évaluation du potentiel pétrolier Ce travail a consisté à élaborer une méthodologie pour l’évaluation pétrolière et en particulier pour la modélisation de bassin. Pour la modélisation de Bassin, Plusieurs étapes sont nécessaires, tout d’abord il faut une bonne connaissance de la région d’étude, Ceci se traduit par les données de géochimie, de la maturité de la matière organique et d’une interprétation du sous-sol. On commence par l’interprétation des images sismiques pour obtenir une coupe structurale. Ainsi on construit un modèle géologique à l’age actuel. Pour la modélisation de bassin, il est nécessaire de retrouver la géométrie du bassin dans le passé Pour cela, plusieurs techniques peuvent être utilisé soit la restauration qui est une technique qui se base sur la géométrie et les conservations des surfaces. Mais la plupart du temps les logiciels de modélisations utilise la technique du backstripping, c’est à dire la décompaction des unités géologiques au cours du temps. Ensuite, on reconstruit le bassin en lui appliquant les différentes propriétés géologiques, lithostartigraphiques, les épaisseurs d’erocions, le régime thermique au cours du temps, Les roches mères. Enfin une fois toutes les paramètres configurées, il est possible de lancer le calcul de simulation de bassin pour observer l’histoire des roches mères, les hydrocarbures générés, la migration et les différents réservoirs. Ainsi les informations en amont des calculs sont très importants pour bien contraindre le modèle et avoir des résultats le plus proche de la réalité possible.

Restauration cinématique du synclinal du Lac des Huit Miles évaluation pétrolière Restauration cinématique du synclinal du Lac des Huit Miles Grâce à l’imagerie sismique en profondeur, la déformation géométrique à travers le temps est mieux contrôlée par l’équilibrage de la coupe issue de l’interprétation sismique Équilibrage par conservation des longueurs et des épaisseurs (méthode couche par couche) Les formations taconiennes ne peuvent être restaurées à cause de leurs déformations multiples Synclinal du Lac des "Huit-Miles"

Modèles utilisés pour l’évaluation pétrolière Modèle structural Synclinal du Lac des Huit Miles Roches mères Roches réservoirs 10 km Le Groupe d’Honorat (MRI) et la Formation de Forillon contiennent des roches mères potentielles. Les formations de Val Brillant et de St Léon sont des roches réservoirs potentielles.

Évolution cinématique du bassin évaluation pétrolière Évolution cinématique du bassin La déformation est basée sur la méthode de décompaction : on ne peut pas prendre en compte la déformation tectonique. L’environnement de dépôt est plus important que la géométrie. Pour la période donnée (de l’Ordovicien moyen à l’âge actuel), prise en compte : du taux de sédimentation, de la compaction, de l’érosion La calibration de l’érosion est faite à partir des mesures de géochimie sur échantillons (Genex®) 415 Ma (Dévonien inf.) 9000m 406 Ma (Emsien) Failes permeables 391 Ma (Dévonien moyen) 9000m 0 Ma (actuel) 9000m

Évolution et maturité des roches mères évaluation pétrolière Évolution et maturité des roches mères Silurien sup À partir des données géochimiques, il est possible de reconstruire l’évolution des roches mères. Les roches mères du Groupe de l’Honorat ont été matures et ont produit des HC de 420 Ma (Silurien supérieur) à 391 Ma (Dévonien moyen). Aujourd’hui, les roches mères du Groupe de l’Honorat sont supramatures. Les roches mères de la Formation de Forillon sont mature depuis 391 Ma et sont toujours dans la fenêtre à huile. Forillon Honorat 5000 m erosion Roches mères Forillon actuel Honorat 9000 m Expliquer code couleurs Modelisation coherente si on retrouve les valeurs mesurées immature mature supramature

Génération et expulsion des hydrocarbures évaluation pétrolière Génération et expulsion des hydrocarbures 417 Ma (Silurien sup.) saturation 5500m À partir de 417 Ma, les roches mères du Groupe de l’Honorat sont saturées en hydrocarbures et la migration peut commencer. Les failles sont des chemins préférentiels pour que les HC accèdent aux réservoirs. Dans la Formation de Forillon, les HC produits par les roches mères migrent peu. 391 Ma (Dévonien moyen) migration 12000m Dire code de couleurs, saturation, surligner les formations migration 0 Ma (actuel) 9000m Roches réservoirs

Potentiel pétrolier du synclinal du Lac des Huit Miles évaluation pétrolière Principaux résultats Potentiel pétrolier du synclinal du Lac des Huit Miles Les roches mères de la Formation de Forillon se trouvent encore dans la fenêtre à huile dans la partie centrale et les roches mères du Groupe de l’Honorat sont supramatures très tôt dans l’histoire du bassin (397 Ma). Les failles jouent un rôle important dans les chemins de migration quand elles sont perméables pendant la migration. En leur absence, la migration ne se fait que dans les formations voisines de la roche mère. Limites du modèleTemis2D Nécessité de données géochimiques supplémentaires (données de puits) Nécessité de données géologiques complémentaires pour calibrer les érosions Pas de migration latérale évaluée dans le synclinal => modèle 3D

Conclusion (I) Méthodologie d’étude de bassin intégrée : Choix d’une technique d’imagerie profondeur adaptée à la complexité structurale intégrant les données géologiques Apport quantitatif essentiel de l’inversion des temps de trajet : estimation des pendages structuraux et des profondeurs Étude structurale plus complète et plus fiable grâce à l’interprétation directe des images profondeur Contrôle de la cohérence 3D des interprétations Utilisation d’une chaîne de logiciels du traitement sismique à la modélisation de bassin Ce travail permettra la construction d’un modèle bassin 3D Remarque : Céres complexe 2D n’a pu être utilisé en raison de l'insuffisance des informations géologiques pour la partie taconienne. Il est nécessaire d’avoir une base de données suffisantes pour pour pouvoir faire un travail complet en modélisation 3D : Données sismiques Données de maturations Données de puits

Conclusion (II) Apports géologiques pour la partie centrale de ceinture de Gaspé Ce travail a permis de mettre en évidence : la structuration en plis et chevauchements les reprises des anciennes structures taconiennes lors de l’Orogenèse acadienne les roches mères (MRI, Formation de Forillon), les chemins de migration (failles) et les réservoirs potentiels (formations de Sayabec, de Saint Léon et de Forillon et Groupe d’Honorat) Il a confirmé le fonctionnement du système pétrolier dans la partie centrale de la Gaspésie Et a permis son évaluation pétrolière