Développement méthodologique pour la modélisation géologique avec exemple pour la région de Moose Mountain, Alberta

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LUC MASSÉ

Développement méthodologique pour la

modélisation géologique avec exemple pour la

région de Moose Mountain, Alberta.

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences de la Terre

pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)

Faculté des sciences et de génie UNIVERSITÉ LAVAL

Juin 2003

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Résumé

Depuis peu, l’intégration et l’interprétation des données géoscientifiques peut s’effec tuer dans des systèmes d’information géoscientifique (SIGS), afin de bâtir des modèles géologiques en trois dimensions. Ces systèmes sont encore à un stade juvénile de dé veloppement et d’utilisation, marqué par peu de méthodes et d’exemples d’application pour guider les utilisateurs potentiels.

Une méthodologie de construction de modèles géologiques 3D a donc été dévelop pée à l’aide du logiciel gOcad™. Cette méthode est fondée sur l’intégration de données géoscientifiques de surface, d’un modèle numérique de terrain, et d’une mosaïque d’or thophotos. La modélisation est guidée par les contraintes géologiques établies par une étude structurale récente de la région à l’étude.

La construction du modèle géologique a permis d’établir la géométrie tridimension nelle des failles et des plis, ainsi que de déterminer l’extension latérale de ces structures. De plus, la méthode permet de résoudre la construction d’une surface géologique com plexe partiellement affectée par un chevauchement.

Luc Massé Etudiant Donna Kirkwood Directrice de recherche Daniel Lebel Directeur de recherche

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Avant-propos

J’ai eu la chance de participer à ce projet de géologie informatique grâce à mon bon ami Jean-Sébastien Mardi. Jean-Sé a proposé ma candidature auprès de mes deux futurs directeurs, car il savait que je possède un profil et l’intérêt qui répondaient aux attentes du projet. C’est lors de mon projet de fin d’étude au baccalauréat, dont le titre est "Visualisation 3D des données du simulateur de forage FOREUR”, que mon intérêt pour les applications de l’informatique à la géologie s’est développé. Le projet de modélisation géologique 3D proposé par Daniel Lebel et Donna Kirkwood allait donc me permettre d’explorer ce champ de connaissances. J’aimerais remercier Donna Kirkwood et Daniel Lebel pour m’avoir dirigé durant ma maîtrise.

Daniel Lebel, directeur de la Commission géologique du Canada (CGC) - Division de Québec et professeur associé en géologie strucurale et géomatique à l’université Laval a été le pilier de mon projet au niveau des outils informatiques nécessaire à mon projet. M. Lebel a toujours su me nourrir de nouvelle idées à développer durant mon projet.

Donna Kirkwood, professeure agrégée et chercheuse en géologie structurale à l’Uni versité Laval fut le pilier au niveau du déroulement global de mon projet. Elle m’a fait part de ses connaissances géologiques et de ses idées novatrices. Elle m’a encouragé à développer mes idées jusqu’à leur aboutissement tout en me laissant une autonomie totale dans mon projet.

J’aimerais aussi remercier M. Pierre Therrien, spécialiste informatique du dépar tement de géologie et de génie géologique, pour la rigueur qu’il m’imposait par ses réflexions au niveau technique ainsi que par son aide au niveau informatique. De plus, Serge J. Paradis du Centre géoscientifique de Québec (CGQ) m’a fourni un excellent support informatique lors de mon séjour au CGQ au début du projet.

Pour leurs commentaires en ternie de modélisation géologique, j’aimerais remercier, par ordre chronologique, Eric DeKemp (CGC-Ottawa), Ron Da Roza (CGC-Calgary), Donna Drysdale (Shell Canada), Howard Ho (Adams Pearson Associâtes), Gervais Perron et ses collègues (Mirageosciences), Jeff Hussey ( Noranda Inc.) et Francine Fallara (URSTM).

Pour terminer j’aimerais remercier pour, leur soutien, mes confrères : François Huot, Jean-Sébastien Mardi, Jean-Michel Lemieux, Mathieu Lavoie, Guillaume Descamps, Félix-Antoine Comeau, Alexandre Boutin; et mes amis : Hugo, Pat et Phil.

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Table des matières

Résumé i

Avant-propos ii

Table des matières iii

Table des figures v

1 Introduction 1 1.1 Contexte de l’étude... 1 1.2 Objectifs... 2 1.3 Présentation du mémoire... 4 2 Développement méthodologique 5 2.1 Revue de la problématique... 6

2.1.1 Intégration de données géoscientifiques... 6

2.1.2 La géoscience tridimensionnelle... 8

2.1.3 La modélisation géologique... 9

2.1.4 Système d’information géoscientifique... 11

2.1.5 Les méthodologies ... 12

2.2 Choix du cadre géologique pour le modèle ... 13

2.2.1 Description du secteur géologique... 13

2.2.2 Evaluation des données disponibles... 17

2.3 Sélection et apprentissage du logiciel ... 19

3 Geological modelling from field survey and photogrammetric method 22 3.1 Introduction... 22

3.2 Prototype study area for method development and associated geological framework... 24

3.3 Workflow ... 26

3.4 Intégration of surface data... 28

3.4.1 Terrain rendering... 29

3.5 3D digital map ... 32

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3.7 Building the geological model... 36

3.8 Discussion... 38

3.8.1 Complex surfaces... 38

3.8.2 Improved geological interprétation of folds... 39

3.8.3 Improved geological interprétation of latéral ramps ... 41

3.9 Conclusion... 41

4 Guide méthodologique 44 4.1 Exercice 1 Cartographie 3D assistée par rendu de terrain... 45

4.1.1 Objectif... 45 4.1.2 Notions abordées... 45 4.1.3 Livrable... 46 4.1.4 Données... 46 4.1.5 Méthodologie... 46 4.2 Exercice 2 Les coupes géologiques... 51

4.2.1 Objectif... 51 4.2.2 Notions abordées... 51 4.2.3 Livrable... 51 4.2.4 Données... 52 4.2.5 Méthodologie... 52 4.3 Exercice 3 Les surfaces 3D... 56 4.3.1 Objectif... 56 4.3.2 Notions abordées... 56 4.3.3 Livrable... 56 4.3.4 Données... 57 4.3.5 Méthodologie... 57 5 Conclusion 65 Bibliographie 68

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Table des figures

1.1 Carte géologique de la région de Moose Mountain... 3

2.1 Les représentations graphiques 2D, 2.5D et 3D... 9

2.2 Intégration des données dans un modèle géologique... 10

2.3 Complexité de la géologie ... 14

2.4 Carte de localisation... 15

2.5 Géologie de Moose Mountain : Pli hybride... 16

3.1 Géologie de Moose Mountain : Pli hybride... 25

3.2 Stratigraphie ... 26

3.3 Méthodologie proposée... 28

3.4 MNT et base de données de photos obliques... 30

3.5 Mosaïque d’orthophotos ... 31

3.6 Carte géologique 3D ... 32

3.7 Adoucissement des courbes numérisées... 34

3.8 Corrélation carte-coupe... 35

3.9 Distance entre les surfaces... 37

3.10 Surfaces complexes... 39

3.11 Evolution d’un pli entre deux parois de la vallée... 40

3.12 Variation latérale de l’attitude d’un pli... 42

3.13 Rampe latérale... 43

4.1 Cartographie assistée par rendu de terrain... 50

4.2 Interprétation géologique en coupe ... 54

4.3 Numérisation des interprétations dans gOcad... 55

4.4 Création des surfaces 3D simples ... 61

4.5 Création des surface complexes : Suppression des triangles... 62

4.6 Applications des contraintes... 63

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Chapitre 1

Introduction

1.1 Contexte de l’étude

L’analyse des travaux de recherche publiés pour les Foothills de l’Alberta et la consultation auprès d’intervenants de compagnies d’exploration pétrolière dans le cadre du projet Moose Mountain a permis d’établir la problématique principale de ce pro jet de recherche. Il s’agit de mieux comprendre, grâce à la construction d’un modèle géologique 3D, la nature et l’étendue des compartiments structuraux des réservoirs ga ziers, de même que les relations qui existent avec les différents éléments géologiques, plis, failles et fractures. Les réservoirs de gaz naturel présents en profondeur dans les Foothills de l’Alberta sont en effet souvent compartimentés par des failles et sont compliqués par des plis et des fractures. Il est souvent difficile de bien comprendre la complexité de ces réservoirs à partir de données sismiques et de forage. Dans ce contexte, un modèle géologique de Moose Mountain, situé dans une région porteuse de champs de gaz naturel, construit à partir d’une géologie de surface (voir figure 1.1) bien établie a le potentiel de servir d’exemple analogue pour guider l’exploration. Ainsi, un tel modèle pourrait être utilisé pour prédire les zones de fractures par rapport à la position de plis et de failles et comme élément pédagogique pour former les géologues et les géophysiciens d’exploration. La visualisation rapide de la position des éléments géologiques tels que les plis et les failles locales, ainsi que les fractures qui leur sont as sociées dans un contexte plus général et tridimensionnel, permettrait ainsi d’établir des modèles prédictifs de la porosité et de la perméabilité des réservoirs gaziers de ceintures de plis et de chevauchement comme les Foothills de l’Alberta. Les caractéristiques du

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Introduction 2

modèle et du système de modélisation devraient donc être de :

® représenter fidèlement du point de vue géométrique les données géologiques de surface à toutes les échelles (ex. failles et plis régionaux, failles et plis locaux, fractures ou familles de fractures à l’affleurement) ;

@ pouvoir visualiser les éléments de surface et de sous-surface simultanément et par tranches (cartes et coupes) ;

® pouvoir dériver des données subsidiaires pour valider le modèle (mesurer la va riation des épaisseurs des couches) ;

@ pouvoir raffiner la géométrie du modèle de façon interactive.

1.2 Objectifs

Cette étude s’insère dans le projet de recherche GEOIDE-Moose Mountain. Le ré seau GEOIDE (La géomatique pour des interventions et des décisions éclairées) est membre du programme fédéral des Réseaux de centres d’excellence (RCE). Le ré seau GEOIDE agit à titre de catalyseur au sein de la communauté canadienne en sciences géomatiques. Le projet Mo ose-Mountain (#RES25) s’intitule : "'Intégration

numérique en 3D de données géologiques, photogrammétriques, géophysiques et de té lédétection avec application à la prospection des ressources dans les chaînes de défor mation d’avant-pays'".

Ce projet de maîtrise visait à développer une méthodologie d’intégration et de traitement tridimensionnel de données géologiques dans le logiciel de modélisation géo logique gOcad™, à partir de données de terrain de surface et tirées d’interprétation d’orthophotos, ceci afin d’améliorer les méthodes d’analyse des connaissances de la sous-surface de la Terre.

Les objectifs poursuivis étaient :

® Etablir une méthodologie simple et concise afin

d’intégrer un modèle numérique de terrain, des orthophotos et l’information provenant d’un relevé géologique de terrain.

de rendre l’interprétation des données plus efficace par rapport aux mé thodes conventionnelles, précédemment utilisées dans la région d’étude, par la construction d’un modèle géologique.

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Introduction 3

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Introduction 4

Œ) de montrer les avantages du modèle géologique par rapport à la carte géologique conventionnelle par l’évaluation des apports du modèle pour l’interprétation de la géologie structurale au niveau de :

la géométrie des plis et des failles de chevauchement ; la projection latérale des éléments structuraux.

1.3 Présentation du mémoire

Le mémoire comporte cinq chapitres. Le chapitre 1 : Introduction met en contexte l’étude et il décrit les objectifs de l’étude. Le chapitre 2 : Développement méthodologique décrit les différentes étapes qui ont mené à la construction de la méthode proposée. Le chapitre 3 : Geological modeling from surface mapping and photogrammetric method est un article qui sera soumis pour publication dans une revue spécialisée. Il porte sur les détails des étapes de la méthode développée afin de bâtir un modèle géologique avec gOcad et des données géologiques et photogramétriques. Il traite aussi des nouvelles connaissances qui ont été acquises grâce au modèle géologique par rapport à la carte géologique conventionnelle. Le chapitre 4 : Guide méthodologique comporte un didac ticiel qui fut présenté à la session d’hiver 2003 dans le cadre d’un cours gradué au département de géomatique de l’Université Laval. Les exercices proposés sont basés sur la méthodologie développée dans le cadre de cette maîtrise. Finalement, les conclusions de ce travail de recherche sont présentées au chapitre 5 : Conclusion.

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Chapitre 2

Développement méthodologique

Le processus de développement d’une méthode de construction de modèles géolo giques a procédé de la façon suivante.

Revue de la littérature concernant les méthodes disponibles de construction de modèles géologiques pour bâtir sur les acquis et bien cerner la probléma tique.

Revue des outils logiciels disponibles et sélection d’un outil pour le dévelop pement d’une méthode de construction.

® Choix du cadre géologique pour le modèle

& Sélection d’une région où une somme et une variété de données substantielles existent, de même qu’une problématique intéressante d’exploration des res sources naturelles souterraines, en vue de développer un modèle géologique utile.

Evaluation des données disponibles afin de déterminer si le modèle nécessaire peut être réalisé.

® Apprentissage du logiciel de modélisation géologique

Utilisation de méthodes conventionnelles 2D (ex. cartes et coupes) pour établir la base

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Développement méthodologique 6

Intégration successive des différents types de données et processus d’itéra tions pour raffiner le modèle

Evaluation de la méthode par l’examen des apports au niveau de l’interpré tation.

2.1 Revue de la problématique

La revue de littérature au niveau des méthodes et outils disponibles pour la modéli sation géologique a permis de faire ressortir que les connaissances reliées à la modélisa tion géologique ne sont pas bien établies. Quatre grands points ont été regroupés dans cette section afin de bien mettre en évidence la situation de la modélisation géologique à ce jour. Premièrement, l’intégration des données a toujours été le point de départ de toute étude géoscientifique. Cependant, l’amélioration des méthodes d’acquisition entraîne une augmentation rapide du nombre et de la panoplie des données disponibles, de même qu’une augmentation du nombre de méthodes d’intégration rudimentaire et non-standardisées. Deuxièmement, malgré que les éléments qui constituent la géologie sont par nature en trois dimensions, les interprétations sont encore trop souvent limitées à une ou deux dimensions. Troisièmement, la modélisation géologique est une méthode d’analyse 3D de la géologie ayant de multiples définitions qui restent évasives et am- bigües entre elles ou en soi. Finalement, les capacités et les applications des systèmes d’information géoscientifique semblent encore mal exploitées.

2.1.1 Intégration de données géoscientifiques

Les sciences de la Terre, aussi appelées géosciences, sont l’ensemble des disciplines qui mènent à la connaissance des phénomènes géologiques que l’on acquiert par l’étude, l’expérience et l’observation de ces phénomènes. Les géosciences reposent sur l’intégra tion d’une vaste gamme d’informations provenant d’observations directes et indirectes des phénomènes géologiques (Kelk, 1992). D’une part, les observations directes sont récoltées par l’examen du terrain (géologie de surface) ou des échantillons recueillis par forage (géologie de sous-surface). D’autre part, les observations indirectes sont ob tenues par le biais d'instruments qui mesurent les paramètres physiques et chimiques des roches (méthodes géophysiques et géochimiques, diagraphies, données satellitaires, sondes aéroportées).

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L'intégration des données géoscientifiques permet la construction de modèles ana logues pour inférer la géologie dans différents contextes d’études géoscientifiques. Ce pendant, la construction de tels modèles analogues présuppose une approche standar disée de traitement de données afin d’optimiser les combinaisons des données de base (Fried, 1992). De plus, une méthode claire d’extrapolation de la géologie dans les régions où peu de données existent permettrait à un observateur indépendant d’estimer les pro babilités que des interprétations ou des modèles alternatifs existent. Or, il n’existe pas d’approche standard pour développer de tels modèles.

En principe, l’intégration de données doit procéder du mieux connu au moins connu et du plus simple au plus complexe. La constitution d’une carte géologique de surface apparaît comme l’élément le plus simple à établir. A cette étape, les observations de terrain, c’est-à-dire les données structurales et la stratigraphie locale sont intégrées avec la cartographie plus régionale pour obtenir la carte géologique. Les appareils de géophysiques et de forage permettent d’obtenir des informations supplémentaires afin de délimiter la géologie de la sous-surface. La caractérisation d’un site est donc basée sur l’utilisation des diverses données, mais est aussi liée à la connaissance du géoscien tifique des différentes caractéristiques des données. Ainsi, l'efficacité de l’intégration des données de surface passe d’abord par des méthodes de travail appropriées pour standardiser l’approche dans la collecte et l’analyse de données des divers instruments de mesure directe ou indirecte, ce qui a donc une incidence directe sur la qualité de l'interprétation géoscientifique.

En résumé, l’intégration des données géoscientifiques nécessite une grande rigueur et doit être basée sur une méthodologie fiable et établie. Plusieurs lacunes existent actuel lement au niveau de la méthodologie d’intégration de données géoscientifiques. D’une part, peu de méthodes ou "recettes” d’intégration de données géoscientifiques tiennent compte de la gamme grandissante des types de données disponibles pour le géoscienti fique. D’autre part, les projets d'acquisition de connaissances géologiques pour l’explo ration des ressources naturelles sont souvent conçus et menés par des équipes sectorielles (pétrole, mines, eau souterraine) peu au fait de toute la gamme des technologies dis ponibles, car certaines font souvent partie du secret industriel. Enfin, les systèmes de base de données, de conception assistée par ordinateur (CAO), d’information géogra phique (SIG) et d’information géoscientifique (SIGS) sont encore peu maîtrisés par les géoscientifiques, faute de disponibilité d’enseignants, de matériel didactique ou d’ac cessibilité de coûts. Ces systèmes sont critiques au succès de l’intégration des données géoscientifiques.

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2.1.2 La géoscience tridimensionnelle

Plusieurs méthodes existent pour représenter la géologie d’une région. La plus connue et la plus utilisée est sans doute la cartographie géologique (figure 2.1 A). La carte géologique consiste en une représentation graphique plane de l’expression à la surface du terrain des éléments géologiques, localisés selon un système de positionne ment à références spatiales. Afin d’améliorer la perception de la carte selon les repères topographiques du terrain, la représentation peut inclure la valeur de l’élévation du terrain. En représentation planaire (2D), la topographie est représentée normalement par des isohypses ou par un ombragé qui simule l’effet d’une source lumineuse sur le relief du terrain. Dans un environnement graphique à trois dimensions, la représenta tion de la carte peut être effectuée en ajoutant la valeur de l’élévation aux éléments cartographique afin d’obtenir une carte 2.5D (figure 2.1 B).

Cependant, la géologie est constituée d’éléments qui se prolongent sous la surface du sol, dans la troisième dimension géométrique. Ces éléments sont définis de façon ponctuelle, selon une ligne, selon une surface ou selon un volume. Une représentation optimale des éléments géologiques doit être faite en trois dimensions. Différentes re présentations sont possibles (Pflug and Harbaugh, 1992, chapitre 1), dont les deux méthodes décrites ci-haut. En représentation planaire, la coupe géologique horizon tale, utilisée dans le domaine minier, montre la géologie à profondeur déterminée et la coupe verticale, utilisée en stratigraphie et en géologie structurale, montre l’évolution en profondeur selon un profil. Dans le cas d’un environnement graphique 3D, il est pos sible d’afficher des informations concernant les surfaces qui se succèdent verticalement selon leur valeur d’élévation, de profondeur ou de temps, positionnée selon un sys tème de référence planaire (x,y). Cette représentation est définie ici comme un modèle 2.5D. Les éléments représentés sont bidimensionnels, soit définis par un couple (x,y), où l’élévation est une propriété unique pour chaque couple (x,y) qui est représentée graphiquement selon l’axe Z. Par exemple, un environnement géologique simple, tel un environnement sédimentaire non-déformé, serait représenté par une suite de surfaces représentant le sommet des horizons géologiques. Dans ce cas, l’élévation est une pro priété unique pour chaque couplet (x,y) qui est représenté graphiquement selon l’axe vertical de l’environnement graphique. Cependant, dans le cas de la modélisation géo logique 3D, les éléments géologiques sont définis par un ensemble de triplet (x,y,z). Ici, Z ne constitue pas une propriété, mais une des coordonnées de localisation du triplet. Les éléments dont les données de localisation sont définis en (x,y,z) peuvent ainsi avoir

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Fig. 2.1 - Les différences entre les représentations 2D, 2.5D et 3D. A) La carte géolo gique est une représentation planaire. B) La carte 2.5D représente la carte géologique couchée sur la topographie dans un environnement graphique 3D. C) Une surface 3D, dans un modèle 3D. défini par un ensemble de triplet (x,y,z) qui permet d’avoir une superposition d’une même surface selon l’axe (z) pour le même couple (x,y).

une superposition verticale (en z)(figure 2.1 C). Pour une discussion plus complète des avantages de la 3D. le lecteur est invité à se référer aux auteurs suivants : Mallet (1992), Belcher et Paradis (1992) .

2.1.3 La modélisation géologique

"La modélisation géologique est l’ensemble des méthodes mathématiques qui per mettent de modéliser de façon unifiée la topologie, la, géométrie et les propriétés phy siques des objets géologiques, tout en considérant les données de toute sorte rattachées à ces objets” (Mallet, 2002, p.4). Autrement dit, un modèle géologique est une re présentation dans un environnement informatique à trois dimensions graphiques des éléments géologiques d’une région (unités géologiques, systèmes de failles, faciès sédi- mentaires, etc.) ainsi que des propriétés qui leurs sont rattachées (perméabilité, fractu ration, concentration, etc.). Cette définition sous-entend que le modèle géologique est tridimensionnel, car l’analyse géologique est par nature à trois dimensions géométriques. Les principales étapes de la modélisation géologique sont :1) l’intégration tridimension nelle de données multi-sources (géologie, géochimie, géophysique, télédétection)(voir

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Image de la carte géologique drapée sur le MNT

Forage avec marqueurs stratigraphiques

& ’ ‘ i

1

Plan de coupe avec interprétation géologique

Fig. 2.2 - Le modèle géologique permet l’intégration de diverses données. L'intégration du modèle numérique de terrain (MNT), sur lequel la carte géologique est drapée permet de faire une corrélation rapide avec l’interprétation de la géologie en profondeur sur les coupes géologiques. L’information supplémentaire fournie par les données de forage est une autre source de contrainte afin de bâtir un modèle géologique valide.

figure 2.2) et 2) la construction des formes géométriques par l’interpolation des don nées de base. Le but du modèle est de faciliter l'interprétation géologique à différentes fins, comme par exemple pour l’exploration pétrolière, minière ou hydrogéologique, pour détecter des anomalies ou pour développer des modèles géologiques analogues. Il est donc important que le modèle géologique représente le type de réponse fixé par les objectifs du projet (ex. délimitation de réserves, de zones fracturées ou de la. géométrie des structures géologiques).

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2.1.4 Système d’information géoscientifique

Les logiciels qui permettent de bâtir des modèles géologiques font partie de la caté gorie de Systèmes d’information GéoScientifique (Vinken, 1988, SIGS). Les SIGS ré pondent à la définition des systèmes d’information géographique (SIG), soit un système informatique capable de réunir, emmagasiner, manipuler et afficher des informations géoréférencées. Les SIG quant à eux représentent la localisation des informations géo graphiques, donc des données de la surface du terrain. Les SIGS se distinguent des SIG par le fait qu’ils sont appliqués pour l’intégration et l’analyse des données géoscienti fiques, qui par nature comportent des données de surface autant que des données de sous-surface tridimensionnelles. Les applications des SIGS diffèrent selon les domaines des géosciences qui ne traitent pas les données selon les mêmes objectifs. Par exemple, en hydrogéologie, les modèles géologiques peuvent avoir comme objectif de représen ter les domaines hydrostratigraphiques par un maillage numérique compatible avec les formules d’écoulements et de transport (Jones et al., 2002). Dans le domaine de l’ex ploration minière, les SIGS permettent des requêtes 3D sur les différentes associations de paramètres physico-chimiques des analyses de forage afin de déterminer de nouvelles cibles d’exploration (Fallara et al., 2001). En géologie structurale, les SIGS permettent de développer des modèles géométriques appliqués à la caractérisation structurale des éléments géologiques et permettent ultimement d’établir un modèle cinématique d’une région (Mardi, 2003). Malgré les divergences des objectifs à atteindre de la modélisation géologique, les logiciels de modélisation géologique possèdent quatre caractéristiques principales. Premièrement, les logiciels permettent l’acquisition des données provenant des observations effectuées par divers instruments ou méthodes. Deuxièmement, les données sont emmagasinées numériquement et seront représentées graphiquement se lon leur positionnement, leur géométrie et selon les différentes valeurs de paramètre mesuré. Troisièmement, ces logiciels permettent le traitement graphique des éléments et les manipulations mathématiques des données. Finalement, la visualisation des don nées s’effectue dans un environnement graphique à trois dimensions.

Il existe plusieurs autres types de logiciels de modélisation dit 3D, mais ils ne sont pas directement applicables aux sciences de la Terre. Les logiciels de dessin assisté par ordinateur (DAO) comme MicroStation™ et AutoCAD™ fournissent un envi ronnement graphique 3D, mais permettent difficilement d’attribuer et d’interpoler des propriétés physico-chimiques ou d’établir une topologie entre les éléments géologiques. De plus, les algorithmes pour créer les surfaces en 3D, tels Béziers, NURBS et Spline,

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s’appliquent difficilement aux données géologiques hétérogènes. Ces algorithmes ne per mettent pas non plus de minimiser le lissage des données pour bien relever les anomalies géologiques critiques à la compréhension des phénomènes géologiques (Mallet, 1992). D’autres logiciels se spécialisent dans la visualisation 3D, comme dans le domaine des jeux vidéos et du cinéma. Les progrès technologiques en imagerie numérique ont pro fité aux SIGS, mais les systèmes eux-mêmes n’ont aucun intérêt pour 1a. modélisation géologique.

Afin de répondre aux besoins spécifiques des sciences de la Terre, plusieurs équipes ont travaillé à la conception de logiciels de type SIGS. Par exemple, le projet gOcad (Mallet, 1992) et le projet du BRGM (http ://www. brgm.fr/) avec le logiciel ouvert OpenCascade (http ://www.opencascade.com/). Le développement de ces logiciels est largement financé par l’industrie pétrolière, qui acquiert et gère une grande quantité de données de sous-surface provenant principalement des relevés géophysiques et des forages. Ainsi, le développement de ces logiciels cible principalement la mise en valeur de ces deux types de données. Par contre, les algorithmes de ces logiciels permettent aussi l’intégration des données de natures différentes, incluant des données de surface.

2.1.5 Les méthodologies

La modélisation géologique se trouve à un stade juvénile, car les divers domaines d’application n’ont pas tous été explorés. Par exemple, les domaines de l’hydrogéologie et de la géotechnique soulèvent des problèmes qui diffèrent de ceux soulevés par le milieu pétrolier. Dans ce contexte, les géoscientifiques ne connaissent pas encore toutes les possibilités et les limites des logiciels et il est fréquent de voir qu’ils se tournent d’abord vers les SIG dont certaines applications ont été démontrées dans plusieurs domaines. L’intégration de données de surface dans un logiciel de modélisation géologique serait plus appropriée dans bien des cas, car elle offre la possibilité de traiter les données dans un environnement tridimensionnel.

Suite à la démonstration qu’un projet d’intégration de données de surface est pos sible dans un logiciel de modélisation géologique, l’obstacle principal à la réalisation de la modélisation est le plus souvent le manque de documentation détaillée. Afin de bâtir un modèle de façon rapide et concise, une méthodologie doit être suivie scrupu leusement. L’utilisation des fonctions appropriées du logiciel suivant un ordre établi permettrait en principe de produire un modèle stable et fiable.

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Développera en t métli odologi que 13

Peu ou pas de documents décrivent de façon détaillée les méthodes de modélisation pour divers types de données, pour divers environnements géologiques et pour divers objectifs. Certains auteurs ont établi des principes, des applications ou de nouvelles méthodes de modélisation (Mallet, 2002; De Kernp, 2000; Maerten et al., 2001, entre autres), sans présenter toutefois de méthode détaillée, étape par étape. Cette situation freine l’apprentissage rapide de la modélisation géologique.

2.2 Choix du cadre géologique pour le modèle

Un des aspects essentiels du modèle géologique à considérer du point de vue de la conceptualisation de la méthode est la complexité de l’environnement géologique à modéliser (voir figure 2.3). Les séries sédimentaires peu déformés, tels les Basses-Terres du Saint-Laurent, représentent un déh moins important, car en général les unités géo logiques ne varient que peu entre les points d’observations. A l’opposé, les terrains affectées par plusieurs événements tectoniques, métamorphiques, sédimentaires ou ig nés, nécessitent diverses sources de données afin de soutenir l’interprétation. De plus, dans le cas où les systèmes de failles découpent les massifs rocheux en différent compar timents, chaque bloc doit être modélisé de façon indépendante. Donc, la représentation de l’évolution spatiale des éléments géologiques dans les environnements complexes né cessite un plus grand nombre de données afin de supporter l’interprétation sans quoi la qualité du modèle sera moindre. Par exemple, dans le cas où il y a un manque d'infor mation en profondeur causé par la perte de la réponse sismique en profondeur, l’utili sation d’informations alternatives devient nécessaire. L’interpolation de la géologie en profondeur par le biais de coupes géologiques représente une alternative intéressante, car elle permet de projeter en profondeur les données de surface à partir de règles géométriques bien établies (Dahlstrom, 1969). L’utilisation d’un modèle numérique de terrain et d’orthophotos permet d’augmenter le contrôle en surface et de mieux cadrer les interprétations des structures géologiques en profondeur.

2.2.1 Description du secteur géologique

Dans cette étude, le choix de la région s’est porté sur Moose Mountain. La région ex pose en surface des structures géologiques semblables à celles observées sur les données de sismique réflexion. Cette étude permettrait donc de développer un modèle analogue

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Fig. 2.3 - Les environnements géologiques à modéliser peuvent être simples ou com plexes, des points de vue géologique et géométrique. [A] Un environnement simple, tel une série stratigraphique régulière sans déformation, peut être modélisée dans des sys tèmes qui définissent les éléments en 2.5D. [B]Un environnement complexe nécessite une représentation entièrement tridimensionnelle. Les ceintures de plis et chevauchements, telles celles qui marquent la région à l’étude, représentent un cas d’environnement géologique complexe.

pour l’exploration pétrolière. De plus, un critère important pour le choix du site d’étude était qu'il puisse permettre l’utilisation du plein potentiel des données de surface. Le terrain choisi montre peu de couvert végétal, expose la géologie de surface et montre un relief important qui permet d’exécuter une première analyse tridimensionnelle de la géologie des zones supérieures du terrain. Aussi, la région de Moose Mountain à été l'ob jet de plusieurs études géologiques récentes (Marcil, 2003). L’existence de ces études permet d’évaluer les apports de l’étude tridimensionnelle par rapport aux méthodes conventionnelles d’analyse.

La région de Moose Mountain est située dans les Foothills de la Cordillère cana dienne (figure 2.4). Cette région se trouve à 50 km à l’ouest de Calgary en Alberta. Le terrain est accidenté et caractérisé par des dénivelés de l’ordre de 600 à 800 mètres qui sont présents dans l’ensemble du territoire à l’étude. Les sommets les plus hauts sont alignés suivant un axe NO-SE avec une culmination au !‘Lookout Peak” à une altitude de 2430 mètres. Dans les vallées, quelques ruisseaux coulent en réseaux nord-sud et est- ouest. Les régions situées à plus de 2000 mètres d’altitude ou à pentes abruptes sont généralement dépourvues de végétation. La roche affleure en abondance étant donné le

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Fig. 2.4 - La région de Moose Mountain se situe à 50 km à l’ouest de Calgary. Le site se situe dans la ceinture de plis et chevauchements du sud de l’Alberta. L’orientation principale des grandes structures (lignes noires = chevauchements principaux) est NO- SE. Le site couvre un territoire de 12 x 22 km et il est délimité entre 5 652 000m. N / 647 000 m. E. et 5 630 000m. N / 659 000m. E. selon le fuseau 11 du système UTM (Universel Traverse Mercator).

peu de mort-terrain et le faible couvert végétal. Le bas des pentes est parfois recouvert de débris d’éboulis.

La zone d’étude est particulièrement complexe. La structure en dôme de Moose Mountain est située dans la chaîne d’avant-pays des Rocheuses du sud de l’Alberta (Newson and Sanderson, 1999). La culmination de ce dôme est centrée sur un anti forme qui expose une fenêtre de roches carbonifères au coeur d'une ceinture de roches mésozoïques (voir figure 1.1).

La région est constituée de plis et de failles caractéristiques des avant-pays de chaîne de montagne : plis de rampe, plis de décollement, chevauchements, structures en duplex (Marcil et al., en préparation). Deux types de plis sont observés : la grande structure de l’anticlinal Moose Dôme et la structure plus serrée du pli en M de moindre envergure (voir figure 2.5). L’anticlinal Moose Dôme est un pli de détachement caractérisé par des flancs légèrement inclinés dont la demi-longueur d’onde est d’environ 5 km. Le plan axial est subvertical et l’axe du pli plonge légèrement vers le SSE. Le pli en M est situé sur le flanc ouest du Moose Dôme Anticline. La demi-longueur d’onde est de l’ordre de 500 mètres. Il a la configuration hybride d’un pli de détachement/pli de propagation (figure 2.5). Le plan axial est subvertical d’orientation NO-SE avec un axe plongeant légèrement dans les deux directions. Le pli de propagation situé sur le flanc arrière du

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Fig. 2.5 - Coupe schématique du Lookout Ridge selon Marcil (en préparation). La Formation de Shunda démontre la configuration hybride du pli en M. La région est aussi affectée par de la déformation qui est accommodée par trois systèmes de faille. MH = Mount Head, TV = Turner Valley, SH = Shunda, PK — Pekisko, 1 = Chevauchements, 2 = Rétrochevauchements à pendage fort, 3 = Rétro chevauchements à pendage faible, pli de détachement a un plan axial à vergence NE et un axe légèrement plongeant vers le NO. Le pli est caractérisé par un flanc Ouest légèrement incliné (N199/9) et un flanc Est fortement penté (N331/79).

Trois systèmes de failles (figure 2.5, no.l, 2 et 3) sont reconnus à Moose Mountain (Marcil et al., en préparation). Des chevauchements majeurs ENE à pendage variable (15° à 25°), des rétrochevauchements OSO à fort pendage et des rétrochevauchements ONO à faible pendage. Le déplacement le long des rétrochevauchements abrupts est relativement faible, de l’ordre de 10 à 100 mètres. Par contre, le déplacement le long des rétrochevauchements plats est de l’ordre de 2 km. Le flanc arrière du pli hybride est découpé par plusieurs chevauchements. Les chevauchements et les rétrochevauchements abruptes sont compatibles avec une même direction de raccourcissement OSO-ENE.

Contexte pétrolier

La région de Moose Mountain est le site d’un champ gazier qui est composé de plusieurs réservoirs souterrains dont la taille est généralement faible par rapport aux autres champs de l’Alberta. Ils se situent au niveau des anticlinaux fracturés. La pro

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duction actuelle de Moose Mountain provient de la Formation de Turner Valley d’âge Carbonifère, imbriquée par des failles pour former cinq compartiments séparés dans différentes écailles, situés à environ 2500 mètres sous la surface. Une recrudescence de l’exploration de la région a résulté en une série de puits d’exploration qui ont indiqué la présence de pétrole et de gaz dans 5 puits. La Formation de Turner Valley d’environ 90 mètres d’épaisseur, est constitué de grainstone dolomitisé et poreux. En absence de fracturation, la perméabilité est limitée à 1-10 md. Ainsi, l'habileté à prédire la localisation de fractures ouvertes permettrait le développement de nouveaux puits de production et d’exploration. L’intégration des données disponibles dans un modèle géo logique fiable permettrait de mieux connaître la géométrie structurale des réservoirs et de mieux cibler les zones hautement fracturées. Aussi, l’orientation tridimensionnelle des structures majeures faciliterait le positionnement de nouveaux forages.

2.2.2 Évaluation des données disponibles

Trois types de données sont intégrées dans le modèle géologique de la région de Moose Mountain. 1) Le modèle numérique de terrain donne l’information relative à l’élévation du terrain ; 2) l’orthophoto donne de l’information visuelle sur les éléments géologiques visibles à la surface du terrain ; 3) le relevé géologique et l'interprétation géologique comprennent une série de données géologiques qui guideront la construction du modèle, dont une série de photos de terrain organisées dans une base de données.

Modèle numérique de terrain

Le modèle numérique de terrain (MNT) consiste en un grillage de points où l’élé vation de la surface du terrain est connue. L’élévation fut extraite à partir des paires stéréographiques de photos aériennes analogues levées en 1981 par l’Alberta Environ- mental Protection (AEP) à l’échelle 1 :60 000. La précision initiale de l’élévation est de +/- 5 mètres et le facteur d’erreur principal est attribuable à la végétation. Le maillage est espacé à 25 mètres et fut dérivé d’une grille de levé au 100 mètres.

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Orthophoto

Une orthophoto est une image obtenue par un ajustement de photographie aérienne sur un modèle numérique de terrain. L’orthophoto ne comporte pas de déformations attribuables au relief ou à l’équipement photographique. Deux jeux de photos aériennes ont été utilisés durant le projet, soit un noir et blanc et un autre en couleur provenant du gouvernement de l’Alberta. Les orthophotos ont été produites par la CGC avec le logiciel DiAP (ISM Corp. de Vancouver) et des points de contrôle du relevé de 1998 du gouvernement albertain. La résolution des orthophotos couleur est de 0.700 m/pixel avec un écart-type moyen de 0.681m en X, 1.074m en Y et 0.981m en Z. La résolution des orthophotos noir et blanc est de 0.5m/pixel.

Géologie

L’information géologique intégrée au modèle provient des travaux de terrain effec tués lors de la première partie du projet Moose Mountain, dont une grande partie fut réalisée par Jean-Sébatien Mardi dans le cadre de sa maîtrise intitulée Cartographie

détaillée et étude structurale de la région Moose Mountain, Foothills du sud-ouest de l’Alberta (Marcil, 2003). Les informations géologiques utilisées pour la modélisation

géologique sont :

@ la carte géologique qui donne de l’information sur le positionnement des contacts des éléments géologiques à la surface du terrain. Les sommets des formations et les trois systèmes de failles y sont représentés, ainsi que la position des synclinaux et anticlinaux.

® la base de données structurales est constituée des éléments structuraux position nées sur le terrain. Ils sont exprimés selon la direction et le pendage pour les plans et la direction et la plongée pour les éléments linéaires.

® les coupes géologiques sont tirées de l’interprétation de l’évolution latérale et en profondeur des structures géologiques.

© la base de données photographiques constituées de quelques centaines de photos de terrain à haute résolution qui sont intégrées à un fureteur WEB (http :/ /www.cgq-qgc.ca/geoide/). La consultation de cette base de données est rapide et efficace grâce à leur localisation sur une carte.

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2.3 Sélection et apprentissage du logiciel

Un logiciel de modélisation géologique doit être choisi en considérant les données disponibles, l’environnement géologique à modéliser et surtout les objectifs du projet.

Contrainte en fonction des objectifs poursuivis

La définition des objectifs est l’argument essentiel au choix d’un système de modé lisation. Le logiciel doit être en mesure d’offrir les éléments de réponse aux questions géologiques permettant ainsi une interprétation adéquate. Par exemple, la représenta tion d’éléments structuraux tridimensionnels complexes nécessite l’intégration de don nées spécifiques afin de bâtir des surfaces 3D complexes. De plus, un projet générant beaucoup de données nécessite un système capable de gérer l’ensemble des données d’un projet. Le système sera choisi selon la diversité et la compatibilité des données pouvant être intégrées. Le choix sera aussi basé sur la capacité de gérer les données par un accès à une base de données et de les représenter rapidement par le biais d’une interface graphique. La capacité de construction d’éléments géométriques complexes est aussi déterminante.

Le modèle doit donc être en mesure de répondre aux objectifs, soit de représenter fidèlement la géométrie des plis et des failles de chevauchement et de permettre une interprétation latérale de ces structures.

Contrainte en fonction des données disponibles

La nature des données de base disponibles pour bâtir un modèle pertinent oriente le choix d’un système d’information géoscientifique plus ou moins sophistiqué. Premiè rement, le système doit offrir une flexibilité au niveau des fonctions d’importation, car la plupart des systèmes utilisent des formats de données particuliers qui nécessitent des routines de transformations. Par exemple, le cas des données de forage représente un de ces cas particulier. Le rapport de forage, tant hydrogéologique, géotechnique ou pétro lier, décrit les observations effectuées lors de la progression du sondage en profondeur. Chaque format de rédaction de rapports de forage est spécifique à chaque compagnie et il est souvent incompatible avec les systèmes de modélisation. De plus, le système doit avoir la capacité de traiter différents types de données et de les combiner. Dans le

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cadre du projet Moose Mountain, les données d’imagerie (données matricielles, aussi nommées ”raster”) provenant de la photogrammétrie ne sont pas d’utilisation courante dans les projets de modélisation géologique, car ceux-ci ciblent la modélisation de don nées de sous-surface. Ainsi, des outils et une méthodologie d’intégration de ce type de données étaient nécessaires pour le projet, en particulier pour les combiner avec les données géologiques et les données d’élévation du sol pour préparer un rendu de terrain. Les données vectorielles cartographiques et géologiques provenant des études antérieures devaient être intégrées afin de guider l’interprétation géologique du secteur.

Les mesures structurales, tels les mesures de direction, de pendage, de détermination des plans axiaux, d’axes de plis et des linéations sont tous des éléments géométriques qui servent à la construction géométrique du modèle géologique. Plus spécifiquement, un axe de pli relie tous les points d’inflexion de la charnière d’un pli. Cette information sert à bâtir les surfaces 3D de façon à ce que la forme du pli soit conservée entre deux coupes structurales. Les failles représentent la limite physique d’un bloc de roches qui a été déplacé. Géométriquement, une faille représente la limite d’un volume, donc une face. Cette face peut être continue pour plus d’un volume de roche. Ainsi, une surface doit être crée pour les autres faces du volume, soit par les sommets et les bases des horizons géologiques. L’épaisseur des horizons géologiques est utilisée afin de construire et contraindre les surfaces à une position déterminée par rapport à un repère connu. Ainsi, une première surface est générée selon les informations les plus abondantes. Cet horizon devient un horizon repère pour générer ou modifier les autres surfaces. Ensuite, certaines surface ou éléments cartographiés par l’interprétation de l’orthophoto pourront être déplacé afin de maintenir les épaisseurs constantes.

Le modèle numérique de terrain informe sur la géologie, car il met en évidence le patron d’érosion différentielle selon les lithologies et les zones de failles. Les lithologie plus compétentes sont en relief positif et les lithologies moins compétentes ainsi que les zones de failles sont plus propice à l’érosion. De plus, la cartographie 3D à l’aide du MNT permet de donner une première approximation de la troisième dimension des éléments géologiques, par le fait que l’inclinaison des éléments géologique est visible.

L’utilisation des orthophotos lors de la modélisation est unidirectionnelle. Des in formations sur le positionnement des éléments géologiques visibles sont extraites de l’orthophoto. Cependant, l’orthophoto n’est pas modifiée lors de la modélisation. Le rendu de terrain, qui est la combinaison de l’imagerie aérienne avec le MNT dans un environnement graphique 3D, permet d’approfondir l’interprétation par le fait que la

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représentation est réaliste.

Ainsi, un système d’information géoscientifique doit être en mesure de traiter les données pluridisciplinaires le plus efficacement possible. Dans le projet Moose Moun tain, l’ensemble des questions mentionnées ci-haut a servi de base pour établir le choix du logiciel de modélisation géologique. Il existe plusieurs candidats pour ce type de travail. Citons les logiciels EarthVision™, gOcad™et Petrel™. Notre choix s’est posé sur le logiciel gOcad car il répondait à toutes les contraintes décrites ci-haut et que le logiciel était déjà disponible au sein de l’équipe de recherche.

Utilisations du SIGS

Au niveau de l’apprentissage des logiciels, les méthodes de travail liées à l’analyse de données, souvent bien délimitées dans l’industrie, sont souvent inconnues dans le cadre de la recherche et de l’enseignement universitaires, pour la simple raison qu’ils font souvent partie du secret industriel lié à la compétitivité des entreprises d’exploration. Ceci a pour effet de limiter la formation de personnel compétent pour la constitution de nouveaux modèles géologiques génériques. L’apprentissage du logiciel, combiné aux objectifs du projet et face aux données disponibles rend donc cette étude pertinente car elle propose une méthodologie pour bâtir un modèle géologique. Cette méthodologie est décrite en détail dans l’article qui se trouve au chapitre 3 et démontrée par des exercices pratiques au chapitre 4.

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Chapitre 3

Geological modelling from field

survey and photogrammetric

method

3.1 Introduction

Geological modelling is to 3D what geological mapping is to 2D. It is a way to represent an integrated geological interprétation into a 3D graphical environment. Geo logical modelling Systems assist the interprétation of the geological setting of an area by facilitating the intégration of multiple geological datasets into the same informa tion System and 3D display framework. Many such modelling Systems are found within petroleum companies to integrate mainly seismic and borehole data into exploration models. Reflective horizons recorded through seismic surveys provide géométrie infor mation that is now commonly used to create primitive 3D surfaces. These data can be correlated with drillhole data to accurately position geological features. Applications to spécifie questions hâve also emerged since other geoscience information can now be used in geological modelling, such as wireline surveys, rernote sensing and surface geo logical maps. For example, the mining industry targets new exploration areas based on geological modelling and 3D queries of data collected through borehole logging (Fallara

et al., 2001).

Traditionally, the bulk of structural interprétations in geology is derived from field

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Geological modelling from field survey and photogrammetric method 23

data, gathered through systematic field campaigns and compiled by drawing geological maps and cross-sections. Géographie Information Systems (GIS) are now the common way to integrate field data and compile a geological map. Computed information, derived from reniote sensing, geophysics and photogrammetry is also increasingly used in such Systems to support geological interprétation. However, GIS hâve serious limita tions when it cornes to analyzing geological phenomena in three-dimensions, primarily relative to the handling of geological element topology (Appel, 2001) to quantify geolo gical phenomena. During the past decade, geoscientific information Systems (Vinken,

1988, GSIS) hâve emerged as a new way to analyze geological Systems (Mallet, 1992; Houlding, 1994) and address the shortcomings of GIS. GSIS enable the construction of geological line, surface and 3D grid éléments by spatial interpolation of point data and contain many interpolative routines and geostatistical algorithms to carry out enhanced analysis. Based on the Discrète Smooth Interpolation algorithm (Mallet, 1992, DSI), gOcad is one of these highly sophisticated software packages that allows the user to create complex three-dimensional surfaces by taking into account the heterogeneity of complex geological data. gOcad also offers a fully 3D environment where the géométrie features are defined as a function w(x,y,z) in contrast to GIS that define an object as a function h(x,y) (Mallet, 1992).

In order to build a reliable geological model, a detailed methodology must be followed. Dulac et al. (1999) hâve proposed a general workflow to build an ”earth model” in gOCad. Hence, depending on whicli data set is used as a framework, the workflow va ries (Duvinage et al., 1998). The workflows are generally well defined when subsurface information is available. But in the case of areas where there is a lack of subsurface information, alternatives méthodologies are not well explained. For example, a struc tural study used faults and stratigraphie markers positioned by a Global Positioning System (GPS) in the field (Maerten et al., 2001), thus providing points and polylines on a map. This information is directly used to create 3D surfaces. The method that we présent liere intégrâtes 2D bedrock mapping data acquired through field surveys and photo-interpretation to construct 3D triangular irregular network (TIN) surfaces of folded stratigraphie horizons and faults in gOcad. The TIN surfaces are then used as subsurface information that can be used in Dulac’s general workflow.

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3.2 Prototype study area for method development

and associated geological framework

We used the area of Moose Mountain, Alberta to prototype the geological model ling method presented here. The area is interesting in that geological modelling can be used to better understand the structural relationships between the different geological features that influenced the hydrocarbon trapping and that influenced fluicl migration, réservoirs and seals. Structures are also important for réservoir engineering, to enhance production of the Moose Mountain fields. The study area, located 50 km west of Cal- gary, sits in the fold and thrust belt of the southern Alberta Foothills and is a productive oil and gas field (Newson, 2001). Actual production in the Moose Mountain area cornes from five different pools set in the Carboniferous Turner Valley Formation (Newson, 2001). The structural geometry of Moose Mountain can be reasonably assumed to be a surface outcropping analog case of the subtle fractured réservoirs présent in the sub surface of the area, since it is also a représentative example of Paleozoic thrust sheets with marginal or inner fold and fault zones commonly found at surface of the Foo thills and the Front Ranges of the Rocky Mountains of Alberta. This type of ”subtle” réservoir is increasingly targeted for exploration in the Foothills but the related plays are difficult to explore as they are often too small or too complicated geometrically to image on industry seisrnic lines. As structurally complex areas are likely candidates to fine! fractured réservoirs, we also modelled sonie critical areas to better understand key structural relationships between folds and thrusts. The three-dimensional complexity of the area is highlighted by overturncd folds and thrusted horizons that are repeated vertically in ”thrust stacks”. The general geometry of such thrust Systems is relatively well known and documented as a sériés of geometrical rules (Dahlstrom, 1970; Boyer and Elliott, 1982). We hâve thus tried to use known thrust belt géométrie rules to develop a consistent and intuitive workflow so that the construction would be a valid représentation of the geological phenomena.

Geological data used in the geological modelling came from a detailed geological mapping project performed during the 1999 and 2000 field seasons (Mardi, 2003). The geological pattern created by the structures affecting the area was fondamental to extrapolate sub- and above-surface extensions of the geology and to develop the geo logical model (see figure 3.1). At Moose Mountain, the geological units are subdivided into eight formations (Marcil, 2003), from the Exshaw Formation at the base to the

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Geological modelling from fielcl survey and photogrammetric method 25

Fig. 3.1 - Schematic cross-section of the Lookout Ridge (from Marcil, personal comm.). Shunda Formation shows the hybrid configuration at the M shaped fold. Three faults Systems were also documented. MH = Mount Head, TV = Turner Valley, SH — Shunda, PK = Pekisko, 1 = Thrust, 2 — High angle backthrust, 3 = Low angle backthrust. Kootenay Formation at the top (see figure 3.2). Over the area, the thickness of the formations are considered to be relatively constant (Dahlstrom, 1970). Régional obser vations (Castonguay and Price, 1995; Price, 1986) and recent field survevs (Marcil and Kirkwood, 2002) show tliat the thrust and fold belt comprises an east-verging thrust System, with folds and faults broadly trending NNW-SSE. Marcil et al. (in progress) also recognized a west verging backthrust set, a low angle NE verging and a high angle SW verging thrust set. Geometrically, botli thrust faults and high-angle backthrusts can be related to a same direction of shortening (Marcil et al. ,in progress). The third fault System, associated with low angle backthrusts, cuts across thrusts and high angle backthrusts. The three fault Systems extend from north to south of the entire région. A clear understanding of the fault geometry is critical to subdivide the geological niodel into individual fault blocks.

Fold axis are mainly NNW-SSE. (Newson and Sanderson, 2000) and Marcil et al. (in progress) described two important fold structures visible at surface. First a large- scale feature, the Moose Dôme Anticline, which is a kilometer-scale open cylindrical detachment fold. A smaller scale M-shaped fold outcropping beneath Lookout Peak lias a geometry of a hybrid detachment/fault-propagation fold. (figure 3.1), with an overturned east limb in the central part of the area.

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Geological modelling from field survey ancl photogrammetric niethod 26

Refinements to the geological field survey and geological model was carried out through photo-interpretation of a sériés of high-resolution oblique field photos. These photos are accessible from the gOcad interface through a link to a web accessible database site (www.cgq-qgc.qc.ca/geoide). Marcil (2003) lias also provided a conceptual kinematic model of the geology of the area with implication for hydrocarbon migration that we used to build the geological model of the area.

Fig. 3.2 - Zoom on the draped geological map (from Marcil, pers.comm.2003) in the Lookout Peak area. This oblique view shows the local stratigraphy, from the Exshaw Formation in the bottom of the valley, to the Kootenay Group higher up in the liill. Shaded areas represent south-facing moderate to steep slope.

3.3 Workflow

The geological modelling methodology described here consists in a sequential, stepwise workflow, that includes several cycles of itérations to refine interprétations. The

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steps are grouped into three sequences based on a geological reference frame commonly used by geologists, which are the map, the cross-section and the geological model.

The first sequence consists in developing the 3D digital geological map within gO- cad. To begin, the geologist selects the individual geological features from the field map that need to be interpolated, based on the scale and the purpose of the modelling. Given tliat the geological map is available, the geological features are digitized over the entire modelling area. Accurate positioning of the geological linework (geological contacts, faults and axial traces of folds) is supported by a DEM and a draped orthophoto.

The second sequence corresponds to the définition of 2D vertical subsurface ex tensions of the surface geology, through cross-section construction. On several parallel cross-sections, geological interprétation can be drawn to a depth of some 2000 meters, witli relatively good confidence, given the predictable nature of structures and uniformity of formation thickness. Faults and contacts are thus digitized along the section planes within the computer System and accurately positioned relative to sur face information intersected along the topographie profile. Established rules of balance cross-sections (Dahlstrom, 1969) must also be observed.

The third sequence corresponds to 3D subsurface interpolation. It begins by delinea- ting the major fault compartments. In cases where the faults limit a discrète volume, formation surface are modelled individually within each compartment. Hence, it is quite easy to define the surface from direct interpolation between each cross-section, given that relative correspondence to a matching thrust compartment within each section can be established. Geological construction rules such as 3D thickness uniformity hâve to be verified and anomalies detected. However, thrusts sheets are often not clearly cir- cumscribed by faults to constitute discrète volumes. The construction of such surfaces become quickly complicated, creating the case of a complex surface that is described further on.

Although the workflow can proceed in a single stream, the geological modelling most often nécessitâtes several itérations to fix problematic géométrie anomalies. Tliis is done by going back to one or more of the three sequences, to refine the map (looking at field photographs or other data), refine the cross-sections accordingly, and fix 3D surfaces. These steps provide the basis to refine, modify or abandon interprétations of extension of geological éléments that suffer from insufficient data as shown by the dashed arrows on figure 3.3.

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Geological modelling from field survey ancl photogrammetric method 28

3D Map_____________________

Terrain rendering

i) Créationof a topographie surface from élévation points

ii) Orthophotoimportation andgeoreferencing

iii) Terrain rendering by drapingthe orthophoto as atexture onthe topographie surface

Digitizing

i) Création of empty object (neme, color, etc.) .<

ii j Geological feature dgitized on the rendered s urface x x iii) Digitized line Smoothed on the topographie surface x

\ \

i

Cross-sections_______________ ]

i) Création of a digitizing surface -<

ii) Création of empty object (name, color, etc.) \

iii) Geologicd interprétation is dgitized on the cross-section \

\ \

\

3D surfaces_________________ !

New T IN surfaces cre built from cross-section polylines:

i) Fault block modeling

ii) Horizon modeling

Fig. 3.3 - The stepwise workflow is divided into 4 sequences. It follows a systematic pattern normally done in conventional geology, but now integrated in a geoscientific information System. In order to correct discrepancies, backward modelling has to be done (dashed arrows).

3.4 Intégration of surface data

Geological maps, reniote sensing, photogrammetry and airborne geophysical surveys are the most common "surface” datasets user! to investigate surface geology. These data reflect geological éléments that extend at depth. Commonly, surficial data is positioned along an (x,y) grid as a local grid or UTM coordinates of a map. The approach proposed here is to use surficial data as a basic framework for construction of the three dimensional geological model , and make use of the simple géométrie rules based on common geological knowledge to orient the construction. In practices generally found in oil and gas exploration, surface data is not commonly used as framework to build a subsurface geological model. More commonly, underground information derived from direct or indirect measurement methods such as drill hole and geophysical surveys are used to build geological models. Surface data is often not used advantageously during

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the preliminary stages of an exploration project, often due to the discontinuons nature of surface exposures and the tenuous nature of the geological mapping. For this reason, drilling and seismic data acquisition campaigns are often preferred to surface field sur veys. However, as shown here, surface data can provide critical information to better target exploration and represent relatively modest costs compared to vast drilling and seismic campaigns.

In the method presented here, three different sets of surface information were integrated to create the geological rnodel : 1) a digital élévation rnodel (DEM) 2) an or thophoto mosaic and 3) surface geological data. The intégration of these informations allowed us to extract new data sets and extrapolate geology into the third dimension.

3.4.1 Terrain rendering

DEM

A digital élévation rnodel is an array of élévation points in a regular gridded pattern in a raster format. The photogrammetrically derived DEM was obtained from the Alberta Environmental Protection (AEP). This provided a 100 meters spaced grid containing the élévation information. The grid was then interpolated to 25 meters. The élévation error of the grid is +/- 5 meters due to végétation. Exploring the ground élévation surface gives information pertaining to the erosional patterns of the area. Geological information can be extracted from the grid such as differential érosion guided by the résistant beds or the fault zones.

The DEM data is critical to précisé mapping in rugged mountain terrains such as the area studied here. Geological boundaries are often marked by subtle to sharp erosional patterns that help trace geological éléments such as formation contacts and faults surfaces over a long distance. Relative lithologie résistance enhance cliff patterns and help delineate the various structures (figure 3.4).

DEM data is imported in gOcad as an élévation point grid in the (x,y,élévation) format and is converted as an (x,y,z) vectorial point set. From these points, a triangular irregular network (TIN) surface is created to represent the topographie surface.

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Fig. 3.4 - The DEM [right] enables extraction of important geological information. The stiff carbonates erosional patterns along Moose Dôme Creek at Moose Mountain highlights the Pekisko Formation that forms vertical cliffs, that can be easily followed on the DEM. Oblique photos [left] are used in conjunction with the DEM in the lab to interpret areas difficult to access or to see on airphotos. A 3D localization point in gOcad is linked to a database accessible through a WEB server [upper left corner].

Geological mapping through terrain draping

An orthophoto mosaic is a set of individual aerial photos that are rectified to correct relative image deformation due to the caméra and topography and assembled as a continuons map. The resolution of the orthophotos used was 0.7 meter per pixel.

Although orthophotos or stéréo photos are commonly used to enhance geological field mapping, only recently has the use of draped orthophotos over DEM been demonstrated as an effective new means of enhancing interprétations (Lebel et al., 2001a). We propose this '"terrain draping’’ method as an intégral part of the workflow to develop the geological model, and as an essential sequence to precisely delineate the geometry of the geological éléments. In the study area, the surface trace of the eight main geo logical formations and the three fault Systems are well exposed and clearly visible on the orthophotos over most of the study area (figure 3.5).

Orthophotos can be imported in gOcad as an 8-bit (256 colors or grayscale) raster image. Once in gOcad, the image is a voxet of vectors (U,V,W)=(1,1,1) with origin at 0,0,0. The image is then georeferenced by defining the real origin coordinate and the

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dimension of each vector which represents the resolution of each pixel. In the présent case, the vectors are (0.7,0.7,1). UTM coordinates of the corners can also be used to scale the voxet of the image.

Fig. 3.5 - Tvpical orthophoto image of 1.5 km x 1.5 km used for terrain draping. An orthophoto is a digital image of the ground surface with the quality of a map. Geological information can easily by positioned, for example, a 5-meter tliick bed can easily be picked ont on the photos in the south fold area. The area that is covered by thick végétation is less effective for positioning of geology contacts.

Bombarde (2002) described the methodology for draping an aerial image on a sur face in gOcad. In our case, the method is applied using the DEM as the draping surface and the orthophoto as the draping image. Visualization operations sucli as zoom, pan and rotate provide efficient means to investigate the surface geology. Compared to the use of plain orthoimagery or to stereoscopy, terrain rendering provides oblique rendi- tions that are very helpful to delineate proper contacts. Because of the distance and the generally difficult access of the study area, tracing a geological feature in the vir- tual model was often much more easier then directly in the field. Régional geological

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Geological modelling from fielcl survey and photogrammetric method 32

interprétation was thus substantially facilitated with this method, as demonstrated in section 3.5.

3.5 3D digital map

From the terrain rendering of Moose Mountain, visual geological information can be derived to refine and complété the geology niapped in the field. A three-dimensional map is generated where the geological features are fully described in a 3D information System (see figure 3.6). The surface traces of the bedding contacts and faults at sur face are created as polylines that are positioned through an x,y,z coordinate System. Intuitive geological interprétation is enhanced by 3D mapping because the trend of the geological éléments such as folds can easily be recognized by rotating the rnodel to an orientation parallel or perpendicular to the main structure orientation.

Fig. 3.6 - Final resuit of the 3D digitizing. The 3D map gives the trend of the geological features. X is East and Y is North.