Ce travail doctoral avait pour but d’améliorer les connaissances sur les processus permettant la mise en place d’un système de volcan de boue composé d’une source de fluides en profondeur, d’une source de matériel argileux différenciée à plus faible profondeur, d’un système de transfert depuis cette source de boue vers la surface pour former le volcan de boue. Les principaux axes de cette thèse peuvent se résumer à :
Imager la zone de fluidisation du sédiment, source du matériel argileux, différenciée de la source des fluides.
Définir un système de volcan de boue le plus simple possible et applicable à différents contextes.
Comprendre la mise en place de systèmes de volcans de boue à morphologies plus complexes.
Investiguer les processus impliqués dans la croissance des édifices de surface, notamment les édifices à morphologie plate appelés mud pie.
Pour mettre en lumière la source de boue du système, nous avons procédé à une étude sismique de trois structures imagées par trois cubes sismiques dans le NW du Bassin Sud Caspien ainsi que dans le delta du Niger. Afin de contraindre les processus permettant la croissance des édifices de surface, nous avons procédé à une étude structurale approfondie ainsi qu’à une étude géochimique des volcans de boue situés dans la continuité onshore du Bassin Sud Caspien : le Bassin de la Kura, en Azerbaïdjan.
L’étude de la Structure 1 a permis de décrire proprement un système de volcan de boue simple qui peut être décrit comme une succession de différents objets :
Une source de fluides (eau et gaz) en profondeur. Il s’agit de la zone en surpression de fluides située en profondeur, le Maykop par exemple pour le Bassin sud Caspien. Les fluides impliqués ensuite dans la formation de la boue migrent vers le haut depuis cette source.
Une chambre primaire : il s’agit de la zone de fluidisation du sédiment, où est formé le matériel argileux. Cette chambre primaire peut correspondre à un piège stratigraphique où sont accumulés les fluides qui migrent depuis une plus grande profondeur, tel que la crête d’un anticlinal dans les cas de la Structure 1 et Absheron. Les mécanismes de fluidisation ne sont pas étudiés ici.
Un système de transfert du matériel argileux constituant la chambre primaire vers la surface. Ce système de transfert peut être simple, constitué d’un chemin de migration jusqu’en surface, ou plus complexe avec des zones de stockages temporaires entre la chambre primaire et la surface que l’on appelle chambres secondaires.
Un volcan de boue, édifice de surface du système.
L’extrusion du matériel constituant la chambre primaire vers la surface se fait de façon contemporaine avec l’effondrement de la couverture. Lorsque le volcan de boue est formé,
les fluides peuvent migrer vers la surface le long de ce système de transfert et le long des failles d’effondrement de la couverture, il n’y a donc plus de surpression de fluide en profondeur, le système est figé à partir de la formation du volcan. Cet état de relative stabilité peut être modifié par la sédimentation qui vient sceller les failles et ainsi permettre l’accumulation de nouvelles surpressions de fluides.
L’étude d’une zone plus complexe telle que celle du delta du Niger permet d’appliquer les différents modèles définis précédemment. La morphologie sismique des systèmes de volcan de boue du delta du Niger est difficilement interprétable car mal imagée à cause de la présence de gaz en surface. Une fois le modèle de système de volcan de boue simple basé sur la Structure 1 défini, il devient possible d’extrapoler ce modèle pour décrire la morphologie des systèmes du delta du Niger comme étant des assemblages de plusieurs systèmes de volcan de boue. On définit ainsi un complexe de systèmes de volcans de boue que l’on décrit comme un assemblage de quinze systèmes emboités les uns sur les autres. Chaque système se met en place en terminaison des failles d’effondrement affectant le système précédent. Les réactivations de ce complexe sont gérées par la sédimentation qui vient sceller les failles et donc empêcher la migration des fluides jusqu’en surface, permettant ainsi de produire à nouveau des surpressions de fluides qui vont créer un nouveau système de volcan de boue. Ce modèle de « complexe de systèmes de volcans de boue » permet donc de montrer le rôle important de la sédimentation dans l’évolution des systèmes de volcan de boue.
L’étude sismique du système d’Absheron ainsi que l’étude structurale de l’édifice Ayaz Aktharma permettent de présenter le modèle du « Pousse-Muraille ». La surface de ces édifices correspond à une croûte indurée flottant sur du matériel argileux liquide, un réservoir de matériel que l’on appelle la chambre superficielle, imagée en domaine offshore sur des données sismiques, et par la résistivité électrique à terre. L’arrivée de matériel depuis la source de boue induit le gonflement de cette chambre superficielle, gonflement qui engendre une extension extrême au-dessus du point d’émission. Le reste de la surface de l’édifice est affectée par un contexte compressif visible sur la plupart des édifices de type
mud pie qui est dû à la migration de matériel dans la chambre superficielle pour retrouver
une surface d’équilibre.
Les édifices à morphologie conique ne montrent pas de structures de compression en surface mais sont affectés par des calderas. Les volumes des coulées de boues et de la partie effondrée de la caldera ne sont pas cohérents avec des volumes de coulées de boue de plusieurs ordres de grandeur supérieurs au volume de la caldera, indiquant une source de boue plus profonde que la chambre superficielle. Dans le cas d’édifices coniques, le matériel argileux provient de zones de stockages à faible profondeur : les chambres secondaires. Ces chambres sont des intrusions de matériel à plus forte densité que la surface et qui sont rapidement rechargées, inhibant l’effondrement de la caldera. Dans certains cas, notamment pour le Koturdag, l’étude structurale autour de l’édifice ainsi que la morphologie
du sommet indique la présence d’une colonne de matériel argileux qui migre vers la surface et qui crée une contrainte sur la structure anticlinale, une morphologie de diapir de boue.
Une étude géochimique de six édifices permet de discerner la source de fluide, notamment la source de gaz marquée par du méthane thermogénique, de la chambre primaire située à plus faible profondeur montrant une forte proportion de smectites. Le contraste entre la fenêtre à gaz (nécessaire pour former le gaz thermogénique) et la zone de stabilité des smectites permet de discerner les deux zones. Les édifices Dashgil, Pirkulu et Ayaz Aktharma ont une source de matériel argileux à plus faible profondeur que les édifices Yeux Bleus, Pointe 4 et Durovdag. Cette étude géochimique mérite d’être complétée par d’autres prélèvements sur un plus grand nombre d’édifices, notamment sur le matériel extrudé récemment.
Un point de perspective important serait de poursuivre l’étude de structures en se basant maintenant sur les édifices à morphologie coniques, ou ceux ayant une morphologie de transition entre les pôles mud pie et mud cone. Nous avons pu définir un modèle de croissance des édifices à morphologie plate qui semble cohérent avec les édifices décrits dans la littérature. Toutefois, un point qui reste mystérieux est l’impact de la profondeur d’une chambre secondaire sur la morphologie de surface du système. Il serait bon de travailler les processus de croissance des édifices coniques tels que le Koturdag et le Bozdag, d’aller plus avant dans la compréhension de la déformation de surface de ces édifices pour commencer à comprendre les processus de mise en place de ce genre d’objet.
Le travail d’acquisition de données géophysiques apporte des indices sur la morphologie de sub-surface des édifices investis. Les différents profils acquis sur l’Ayaz Aktharma sont cohérents et, à mon avis, suffisant pour comprendre la structure de surface de l’édifice. Il serait intéressant de poursuivre l’acquisition démarrée sur le Koturdag qui montre également une croûte reposant sur une réserve de matériel non induré, alors que la morphologie du Koturdag ne correspond pas à un mud pie. Au moment de finir ce manuscrit, une campagne de terrain vient de démarrer avec pour objectif principal d’acquérir de nouvelles données de résistivité électrique pour compléter celles déjà acquises et poursuivre le travail sur des édifices différents, notamment quelques profils sur le Koturdag afin d’imager la structure de surface de la coulée active du Koturdag ainsi que la géométrie de la réserve de matériel sous le plancher de la caldera. Le même travail est prévu sur différents édifices.
Nous nous référons beaucoup à la géochimie des fluides constituant la boue qui apporte des indices quant à la profondeur de la source de fluides (eau et gaz) ainsi que celle de la source de boue pour différents systèmes. Ces résultats sont toutefois basés sur un très faible nombre d’édifices échantillonnés, il serait certainement intéressant de poursuivre ce travail en faisant un échantillonnage plus exhaustif des édifices en domaine onshore Azerbaïdjan.
Nous venons de récupérer des lames minces provenant d’un échantillon d’argile « cuite » provenant des sinter mounds du Dashgil. Ces échantillons semblent prometteurs car apparemment riches en inclusions fluides qui peuvent nous renseigner quant à la température de mise en place de ces édifices.
Annexes
Annexe 1: Carte paléogéographique de l’Eocène supérieur, d’après Popov et al., 2004. A cette époque, le BSC fait partie du Greater Caucasus Basin. A cette époque, le contexte de mer ouverte permet de le dépôt de sédiments fins et
Annexe 2 : Carte paléogéographique à l’Oligocène inférieur. A cette époque le BSC fait partie du Greater Caucasus Basin. Le contexte compressif due à la remontée des plaques Africaine et Arabique induit l’isolement progressif de la mer
Annexe 3: Carte paléogéographique de l’Oligocène supérieur, d’après Popov et al., 2004. A cette époque, le BSC fait partie du Greater Caucasus Basin. Le contexte compressif due à la remontée des plaques Africaine et Arabique induit
Annexe 4 : Carte paléogéographique du Miocène inférieur, d’après Popov et al., 2004. Le BSC fait partie du Greater Caucasus Bsain. Le contexte compressif induit des débuts de surrection notamment dans la partie SE du Greater Caucasus
Annexe 5 : Carte paléogéographique du Miocène moyen, d’après Popov et al., 2004. Le BSC est alors appelée Dépression sud Caspienne (SCD). Le contexte compressif induit les surrections de différents reliefs notamment l’Elburz au