Soutenance de thèse de Nicolas GODEAU

L'apport de contraintes chronologiques absolues sur les différents évènements et processus qui ont modelé la Terre constitue un des défis majeurs dans de nombreux domaines des sciences de la Terre et de l'Environnement. C'est en particulier le cas pour les bassins sédimentaires qui jouent un rôle économique majeur en étant sources d'importantes ressources naturelles, en particulier en hydrocarbures. Encore très récemment, la reconstitution de l’histoire de ces réservoirs géologiques ne s'appuyait que sur des chronologies relatives des processus diagénétiques et des circulations de fluides. Cela limitait fortement notre capacité à reconstruire les propriétés des réservoirs et donc à estimer les ressources associées et à optimiser leur exploitation. L'objectif de cette thèse était de développer la datation absolue par la méthode uranium-plomb sur des minéraux secondaires carbonatés. Cette phase minérale quasi-omniprésente dans les réservoirs pétroliers témoigne de leurs histoires géodynamiques et diagénétiques, souvent complexes. Bien que cette méthode radiochronologique pose de nombreux problèmes méthodologiques et analytiques, en raison entre autres des très faibles teneurs en uranium généralement enregistrées dans les carbonates, elle est à ce jour la seule et unique que l’on puisse appliquer à ces minéraux. Au cours de cette thèse, plusieurs développements méthodologiques ont été mis en œuvre avec pour objectifs de repousser les limites de la méthode U-Pb. Une miniaturisation du protocole de séparation/purification par dilution isotopique a permis de diminuer significativement les quantités d’échantillons nécessaires. Des techniques d’analyses innovantes, comme le couplage ablation laser/SF-ICP-MS et la sonde ionique, ont été testées et ont permis d’accroître de plusieurs ordres de grandeur la résolution spatiale des analyses U-Pb. Ces premiers tests ont par ailleurs motivé la synthèse d’un standard de carbonate ayant une composition isotopique contrôlée, et ainsi proposer une alternative plausible à l’utilisation de standards naturels, souvent hétérogènes, comme matériel de référence pour normaliser les données des analyses in situ. Cette méthode de datation a été appliquée avec succès dans différents contextes d’exploration pétrolière. Appliquée à la plateforme provençale urgonienne, elle a notamment permis de mieux comprendre l’évolution diagénétique de ces carbonates microporeux, par la mise en évidence d’une phase de cimentation majeure et synchrone d’âge turonien à l’échelle régionale. Cet épisode a alors assuré la préservation des qualités du réservoir, en limitant les circulations ultérieures de fluides réactifs. Dans une seconde partie, on s’est intéressé aux phases secondaires carbonatées et siliceuses d’un réservoir profond de la marge angolaise, en couplant les analyses U-Pb aux mesures géothermométriques. Les résultats ont révélé une histoire diagénétique et thermique complexe, caractérisée par la présence d’un flux thermique anormalement élevé, et par une migration précoce des hydrocarbures. Cette inversion du gradient géothermique n'aurait pas pu être révélée par une chronologie relative, et illustre donc la nécessité d’obtenir des âges absolus. Un modèle synthétique des différents résultats obtenus au cours de cette thèse met en lumière les contextes les plus favorables à l’application de la méthode, et donne ainsi une vision d’ensemble du potentiel de la datation U-Pb appliquée aux carbonates secondaires.

Absolute chronological constraints on the different events and processes that have shaped the Earth constitute a major challenge in numerous realms in Earth and Environmental sciences. In particular this is the case for sedimentary basins that play a major economic role as being source of important hydrocarbon resources. Until recently, the reconstruction of history of these geological reservoirs relied mainly on relative chronology of diagenetic processes and fluid circulations. This considerably limits our ability to retrace the reservoir qualities and then to estimate their associated resources and to optimize their completion. The objective of this thesis was to develop absolute uranium-lead dating methodology on secondary carbonate minerals. This ubiquitous mineral phase in petroleum reservoirs testifies their complex geodynamic and diagenetic histories. Although this radiochronological methodology is hampered by low uranium concentration generally observed in carbonates, it is the unique geochronometer that could be applied to these minerals. In this study, several developments were implemented in order to circumvent the limits of U-Pb methodology. A miniaturization of the isotope dilution protocol allowed to significantly decrease the sample amount. Innovative analysis techniques such as laser ablation coupled with SF-ICP-MS and ion probe were tested to increase the spatial resolution of the U-Pb analysis by several orders of magnitude. These preliminary tests have also motivated the synthesis of a carbonate standard with controlled isotopic composition, and thus offer a plausible alternative to the use of natural standards, often heterogeneous, as a standard material to normalize in situ analysis. This methodology was successfully applied in different oil exploration context. Applied to Provence urgonian platform, it allowed to better understand the diagenetic evolution of these microporous carbonates, by highlighting a major and synchronous cementation phase of Turonian age at the regional scale. This episode then ensured the long-lasting of good reservoir qualities by limiting reactive fluid circulations and demonstrates the importance of long exposure events. A second study focused on carbonates and siliceous secondary phases in a deep reservoir on the Angolan margin, by coupling U-Pb analysis with geothermometric analysis. The results revealed a complex diagenetic and thermal history, characterized by the presence of an early heat pulse and hydrocarbon. This reversed geothermal gradient cannot be deciphered by relative chronology and illustrates the need to obtain absolute ages. A synthetic model showing the results of this study highlights the most favorable contexts for this method, and gives an overview of the U-Pb dating potential applied to secondary carbonates.