Le travail présenté dans ce mémoire est basé sur l’étude de l’enregistrement sédimentaire de la marge occidentale de la mer Noire au travers de l’analyse de données de sismique réflexion. Outre leur interprétation structurale, l’analyse de ces sections sismiques a été réalisée selon la méthode dite de la stratigraphie sismique.
II-4.1. Stratigraphie sismique
Les principes généraux de la stratigraphie sismique ont été établis par les géologues pétroliers, en particulier d' EXXON, au cours des années 70 [Mitchum et Vail, 1977;
Mitchum et al., 1977]. Cette méthode se fonde sur l’examen des réflexions sismiques qui se produisent sur les surfaces séparant deux milieux d’impédance acoustique différente. Les surfaces physiques qui provoquent ces réflexions sont généralement soit des limites de strates soit des discontinuités géologiques (discordance). Ces discontinuités permettent d’identifier sur les lignes sismiques des unités de dépôts sédimentaires dont l’analyse des caractéristiques nous renseignera sur les facteurs à l’origine de leur différenciation. Parmi les facteurs potentiels, les variations relatives du niveau marin sont considérées comme un facteur prépondérant dans l’organisation et le séquençage des corps sédimentaires. En s’appuyant sur ce postulat, la méthode de la stratigraphie sismique se voulait à l’origine un outil permettant la reconstitution de la courbe des variations relatives du niveau marin du bassin considéré. Nous verrons que par la suite la stratigraphie sismique a évolué vers la stratigraphie séquentielle [Vail et al., 1987; Posamentier et al., 1988; Posamentier et Vail, 1988] permettant de raisonner en terme de séquences de dépôt et d’essayer de comprendre les facteurs qui leur sont liés (eustatisme, tectonique, flux sédimentaires.)
L’interprétation en stratigraphie sismique passe par une procédure d’analyse basée sur deux étapes incontournables, qui sont :
• l’identification des séquences sismiques.
• l’analyse des faciès sismiques.
II-4.1.1. Séquences sismiques a. Définition
La séquence sismique constitue l’élément de base de la stratigraphie sismique. Elle consiste en une succession de réflexions relativement concordantes limitées à la base et au sommet par des discontinuités reconnues à la terminaison latérale des réflexions.
b. Signification chronostratigraphique
Une séquence sismique a une signification chronostratigraphique car elle s’est déposée durant un intervalle de temps déterminé par les âges des limites à son mur et à son toit.
Cependant, ces limites sont souvent des discordances qui ne sont pas nécessairement isochrones car le hiatus de temps correspondant (non-dépôt ou érosion) peut représenter de quelques milliers à quelques millions d’années. Les réflecteurs résultant ont donc une valeur chronostratigraphique relative.
Partie II Données, traitements et méthodes d'interprétations c. Identification
L’identification des séquences (unités) sismiques est basée sur l’analyse de la géométrie des terminaisons de leurs réflecteurs, interprétées comme les terminaisons latérales des strates. Aux limites des séquences, ces terminaisons sont classées en différentes catégories (Figure II-6). Les relations géométriques des réflecteurs aux limites d’une séquence sont basées sur le parallélisme ou le manque de parallélisme entre les réflecteurs et la surface de discontinuité elle-même.
Le tracé de ces discontinuités doit être étendu à l’ensemble des sections, y compris dans les zones où il y a concordance apparente entre les surfaces de discontinuités et les réflexions.
Les limites de séquences sont alors tracées soit dans le prolongement des discordances, soit en utilisant les données issues des forages.
L’expression sismique des limites de séquences varie considérablement en fonction du contraste d’impédance entre les strates situées de part et d’autre de la limite. Si ce contraste est faible à travers la limite, celle-ci n’engendrera pas forcement de réflexion identifiable.
Cependant, une discordance angulaire pourra toujours être tracée sur les sections sismiques à partir de l’analyse de la terminaison des réflecteurs (troncature d’érosion, dowlap, onlap, …).
Nous verrons que dans le cadre de mon travail, l’identification des limites de séquences correspondant à des surfaces d’érosion a occupé une part importante de l’analyse sismique.
Figure II-6. Les relations entre les réflexions sismiques et les limites de séquence, d'après [Mitchum et al., 1977].
II-4.1.2. Analyse des faciès sismiques
L'analyse des faciès sismiques consiste en l'étude de tous les paramètres et surtout des configurations des réflexions qui caractérisent une séquence sismique.
Elle a pour but l'interprétation des sédiments donnant ces réflexions en termes de lithologie, stratification, caractéristiques du milieu de dépôt.
Les paramètres analysés sont :
L'amplitude (forte à faible). L'amplitude nous informe sur les contrastes de vitesse de propagation des ondes acoustiques et de densité et nous renseigne sur les variations latérales dans les séquences.
La fréquence (haute à basse). La fréquence (c'est-à-dire, l'espacement en temps entre les réflexions sismiques) dépend essentiellement de la signature de la source sismique employée. Pour une même source, les différences de fréquence peuvent résulter des différences d'espacement des strates ou des variations latérales de lithologie ou de vitesse de propagation des ondes acoustiques.
La continuité (bonne, moyenne, passable, médiocre, discontinue). La continuité des réflexions sismiques est généralement associée à celle des strates, une grande continuité témoignant de dépôts de grande extension uniformément stratifiés.
La vitesse d'intervalle (en mètres par seconde). Les variations de vitesse d'intervalle dépendent de plusieurs facteurs dont la lithologie, la fracturation, la porosité, le contenu en fluide.
La forme externe et la configuration interne des unités de faciès. La forme et la configuration interne d'une unité de faciès sont les paramètres les plus directement appréciables. Traditionnellement on associe certaines formes et configurations internes avec des milieux de dépôt précis (plate-forme, structures de glissement, remplissage de chenaux, canyons, constructions récifales, etc.).
En pratique, l'interprétation lithologique se fait à partir des interprétations précédentes en y incluant les données de forages. Il convient donc de rester prudent en l'absence de réel calage lithologique.
II-4.2. Stratigraphie séquentielle
La stratigraphie séquentielle est une méthode dérivée des concepts de stratigraphie sismique développés au cours des années 80 [Vail et al., 1987; Posamentier et al., 1988;
Posamentier et Vail, 1988]. Son but est d'expliquer le mode de formation et de reconstituer en détail les géométries sédimentaires dans un cadre chronostratigraphique rigoureux. Le principe de base de cette méthode est que les séries sédimentaires s'organisent en une succession logique d'unités de dépôts isochrones contrôlées par des variations du niveau relatif de la mer, appliquée à l'échelle du bassin.
II-4.2.1. Enregistrement sédimentaire, notion d'accommodation et d'espace disponible
L'empilement des séries sédimentaires dans un bassins n'est rendu possible que par la création permanente d'espace ouvert à la sédimentation entre le fond du bassin (substratum) et le niveau de la mer. Cette création d'espace est appelée accomodation [Vail et al., 1987].
L'espace créé peut être complètement ou partiellement rempli selon l'importance des apports sédimentaires. L'espace disponible à un moment donné est égal à l'accommodation (espace créé), à laquelle on doit soustraire l'épaisseur des sédiments déjà déposés (espace supprimé).
L'enregistrement sédimentaire dans un bassin est contrôlé par trois facteurs allocycliques qui sont :
• l'eustatisme (variation absolue du niveau marin)
Partie II Données, traitements et méthodes d'interprétations Le niveau marin absolu (ou niveau eustatique) est défini par rapport à un référentiel fixe indépendant des mouvements tectoniques, soit par exemple le centre de la Terre. Les variations du niveau absolu sont dites variations eustatiques.
Le niveau marin relatif est défini en fonction d'un référentiel fixe par rapport à la série sédimentaire et influencé par les mouvements tectoniques, mais pas par le flux de sédiments.
Le référentiel le plus évident dans ce cas est la surface du substrat du bassin.
Figure II-7. Notion d'accommodation et d'espace disponible, modifié de [Vail et al., 1987].
II-4.2.2. Séquences de dépôt
Dans le modèle de stratigraphie sismique, la séquence de dépôt est définie comme une unité stratigraphique composée d’une suite relativement conforme de strates génétiquement liées, limitée à son mur et à son toit par des discontinuités ou leurs surfaces corrélatives (prolongement en concordance)[Mitchum et al., 1977].
Dans le modèle de stratigraphie séquentielle, on considère une séquence de dépôt comme l'ensemble des sédiments déposés lors d'un cycle complet de variations du niveau relatif de la mer
Dans ce dernier modèle, les limites de séquences sont associées au point d'inflexion des variations relatives du niveau marin. La séquence elle-même peut être divisée en cortèges de dépôts (systems tracts) correspondant aux différentes phases de variations du niveau marin.
Deux types de séquences (type 1 et 2) peuvent être distinguées, selon qu'elles sont limitée à la base par une discontinuité de type 1 ou 2. La formation d'une discontinuité de type 1 ou 2 pendant une baisse relative du niveau marin dépend de la vitesse de changement eustatique, supérieure ou non à la vitesse de subsidence sur le rebord de la plate-forme.
II-4.3. Application
L'un des buts des méthodes de la stratigraphie sismique et de la stratigraphie séquentielle est de reconstituer, à partir des interprétations des sections sismiques, la courbe des variations relatives du niveau marin à l'échelle du bassin, et de la comparer à la courbe globale. Cette comparaison permettrait, selon les principes de la stratigraphie séquentielle d'appréhender l'âge de dépôt de ces séquences.
Dans le cadre de cette étude, nous avons systématiquement mis en œuvre les deux premières étapes d'analyse de la méthode de stratigraphie sismique (identification des séquences sismiques – analyse des faciès sismiques). Cependant, la suite de la procédure, c'est
à dire l'application rigoureuse des principes menant aux interprétations eustatiques, s'est avérée difficile dans le cas de la mer Noire. Nous nous sommes heurtés notamment au manque d'information concernant l'évolution eustatique toute particulière de la mer Noire et concernant la subsidence des marges considérées. L'absence quasi-totale de renseignement concernant la lithologie des séries étudiées a par ailleurs considérablement gêné l'interprétation des séquences sismiques en termes d'environnements de dépôt.
L'analyse strati-sismique présentée dans ce mémoire s'est donc concentrée d'une part sur l'identification des séquences sismiques et en particulier sur l'étude de la nature (souvent érosive) de leurs limites. D'autre part ce travail a pu être valorisé par le calage chronostratigraphique des séquences sismiques identifiées à partir des corrélations avec les nombreux forages disponibles sur la zone d'étude.
A partir de ces analyses, un travail d'interprétation en termes de variations relatives du niveau marin (mais sans quantification) a pu être mené et leurs éventuels liens avec les épisodes de connexion-déconnexion du bassin proposés.