Description du sujet de thèse

Sujet de thèse Bassins Asie Orano
Géométries et distribution des faciès sédimentaires fluvio-deltaïques et lacustres des gisements uranifères de Mongolie. Impact de l’évolution structurale et évolution séquentielle
CONTEXTE
Les sous-bassins de Zuunbayan et d’Unegt situés dans le sud-est de la Mongolie renferment les gisements uranifères de type roll front de Zoovch Ovoo et de Dulaan Uul. Ces deux gisements sont situés de part et d’autre de la faille de Zuunbayan liée à la fermeture tardi-hercynienne de l’océan Mongol-Okhotsk (Johnson, 2015). Dans le sous-bassin de Zuunbayan, à Zoovch Ovoo, les systèmes sédimentaires datés du Crétacé supérieur sont fluvio-deltaïques à lacustres et montrent des variations d’épaisseur significatives des niveaux réservoir liées aux géométries progradantes des sables deltaïques (Roger, 2016). En revanche le gisement de Dulaan Uul dans le sous-bassin d’Unegt, est localisé dans des sables fluviatiles de type tresse. Même si les niveaux minéralisés sont de même âge ces deux gisements présentent des géométries et des concentrations en uranium très différentes. Au sein de ces systèmes, des niveaux particuliers ont permis la combinaison du drainage de solutions uranifères avec la présence de phases minérales réductrices et de matière organiques permettant la mise en place des fronts réducteurs biogéochimiques typiques à Zooch Ovoo.
Si des études à l’échelle des réservoirs minéralisés existent ponctuellement aussi bien d’un point de vue pétrographique que géochimique (Rallakis, 2019), la compréhension fine des distributions verticales et latérales de faciès reste peu connue alors qu’elle semble avoir contrôlé la mise en place de la minéralisation (Roger, 2016). Dans les systèmes fluvio-deltaïques de type bassin peu profond (Hjulström type sensu Postma, 1990) avec un faible gradient topographique, les variations du niveau de base et du taux de sédimentation engendrent des migrations rapides et sur des grandes distances des ceintures de faciès. Il apparait par conséquent primordial de caractériser de manière fine les géométries, la paléogéographie du bassin à partir notamment de données de paléocourants et d’évolution latérale de faciès, les enchainements verticaux de ces faciès, et l’évolution séquentielle du système au cours du temps.
D’un point de vue structural, les données sismiques montrent la présence de structures extensives de type horst et graben d’âge Crétacé inférieur enfouies sous le bassin (Heumann et al., 2012). Toujours sur la base des données sismiques et structurales (Belaïd, 2009) après une courte phase d’inversion, la période du Crétacé supérieur semble marquée par une phase de subsidence transtensive liée au jeu senestre de la faille majeure de Zuunbayan (Gine-Sanchez, 2010). Depuis le Tertiaire une inversion du bassin est à l’origine de la réactivation en failles inverses des principaux accidents. Le timing et la géométrie de cette histoire structurale a pu avoir une importance critique sur le fonctionnement des roll fronts, soit dans le contrôle du dépôt des séries sédimentaires hôtes, soit dans la création de gradients hydrodynamiques à l’origine de la mise en place des roll fronts, ou encore dans la mise en connexion du réservoir minéralisé avec des réservoirs et des fluides plus profonds.
A l’affleurement, la présence de discordances sédimentaires au sommet du Crétacé inférieur ainsi que l’activité synsédimentaire de failles décrochantes, laissent par exemple suggérer un contrôle structural local sur la répartition des faciès et des réservoirs au Crétacé supérieur entre Zoovch Ovoo et Dulaan Uul.
Cette diversité implique des situations paléo-environnementales contrastées dans l’espace et le temps qui conditionnent les propriétés des réservoirs. Les mises en place des gisements, bien que marquées par les conditions hydrologiques et diagénétiques locales des roll-fronts, répondent ainsi à des contrôles d’ordres paléoenvironnementaux (distributions des faciès perméables, nature et répartition des phases réductrices et de la matière organique), tectoniques et hydrologiques qu’il conviendrait de hiérarchiser à l’échelle de la Mongolie notamment. Ces propriétés sont ensuite affectées par la diagénèse précoce, l’enfouissement et enfin la telogenèse typique à chaque sous-bassin, mais sous contrôle d’une logique tectonique à l’échelle continentale. L’objectif est donc de caractériser d’éventuelles variations latérales de faciès et d’épaisseurs sédimentaires et de comprendre si oui ou non elles ont eu un impact sur la localisation des roll-fronts.
ENJEUX SCIENTIFIQUES
L’objectif premier de la recherche consiste à reconstituer les paléogéographies des sous-bassins à l’échelle régionale au Cénomanien. Ce travail permettra 1) la reconstruction des géométries et les polarités des systèmes sédimentaires, 2) l’identification des sources sédimentaires, 3) la reconstruction de l’histoire d’exhumation des sous-bassins et de mise à l’affleurement du socle cristallin. Dans un second temps, un volet concernera l’étude des géométries des facies sédimentaires à l’échelle réservoir. Pour y parvenir, il est envisagé d’intégrer les informations des études combinées de sédimentologie, de minéralogie et de géochimie organique (réalisées à l’échelle des roll-fronts) pour à terme pouvoir les intégrer à l’échelle réservoir (description, hiérarchisation dans le cadre de la stratigraphie séquentielle) dont l’interprétation génétique s’ancre dans l’évolution des bassins (évolution tectonique, dynamique des remplissages, enfouissement, diagénèse thermique).
Si la répartition paléogéographique des faciès sédimentaires a été en partie contrôlée par le rapport A/S (accommodation/taux de sédimentation), un contrôle structural sur les variations locales d’accommodation et d’épaisseur des séries cénomaniennes n’est pas à exclure.
Les variations observées à l’échelle régionale (nature, étendue, épaisseur, variations latérales) soulèveront ainsi des questions d’ordre génétiques :
- Ces variations sont-elles uniquement liées à la distribution paléogéographique des faciès sédimentaires dans un bassin structuralement stable ou l’évolution structurale a-t-elle impacté cette distribution ?

- la présence d’éventuels biseaux sédimentaires (e.g. remplissages d’incisions, discordances angulaires) a-t-elle été contrôlée par le contexte structural ou les variations globales du niveau de base ?

- Les systèmes sédimentaires de Dulaan Duul et Zoovch Oovo qui présentent des directions de drainage parallèles de part et d’autre de la faille de Zuunbayan étaient-ils connectés ?

- Quand l’apparition d’un gradient hydrodynamique propice à la circulation de fluides oxydants et à la formation de roll fronts a-t-elle eu lieu et quels ont été les facteurs de contrôle?

- Les sources du matériel sédimentaire ont-elles évolué au cours du temps ? Certaines sont-elles plus propices à la concentration de l’uranium que d’autres ? Quelles sont les natures et logiques de répartition des phases minérales réductrices et des matières organiques dans les contextes sédimentaires rencontrés

L’enjeu principal est ainsi de reconstituer les géométries et les paléogéographies à différents âges depuis le Crétacé Un modèle prédictif de distribution des faciès en dehors des zones à minéralisations avérées pourra être proposé.
PHASES DE TRAVAIL
Nous proposons de nous focaliser sur la Mongolie, sur les sous-bassins de Zuunbayan et Unegt. Dans un premier temps l’étude se focalisera sur les reconstructions à l’échelle régionale. L’étude débutera par la reconstruction des géométries sédimentaires sur la base des données diagraphiques ainsi qu’une approche source to sink intégrant des résultats thermochronologiques et pétrographiques. Cette étude se fera à partir des échantillons prélevés sur des forages historiques et affleurements.
Etablir un état de l’art de l’histoire tectonique et de remplissage du bassin. Replacer cette histoire dans un contexte de d’évolution géodynamique de la région.
• Support d’étude :
o Données bibliographique couvrant les bassins sédimentaires mongoles depuis le bassin d’Unegt jusqu’au bassin de Zuunbayan.
o Données thermochronologiques et structurales bibliographiques des socles du Tavan Har.
o Cartes géologiques notamment du Zuunbayan.
o Rapports industriels disponibles.
o Projet SIG existant

• Méthodologie :
o Synthèse bibliographique.
o Alimentation et amélioration du projet SIG existant en replaçant les données publiées et disponibles (localisation des échantillons, données analytiques et descriptions disponibles, structures identifiées ou interprétées, affleurements étudiés dans la littérature, etc.).
o Identifier les affleurements d’intérêt avec l’appui d’Orano sur la base des affleurements cités dans la littérature et rapports de mission d’Orano et observations sur images satellites et cartes géologiques.

A) Replacer l’architecture sédimentaire des réservoirs minéralisés exploités par Orano et échantillonables dans le contexte pré-établi.
• Support d’étude :
o Données de puits (diagraphies, logs, carottes historiques) recoupant le maximum d’épaisseur de série sous et à l’aplomb des niveaux minéralisés mais également en amont et en aval dans les zones oxydées et les zones réduites.
o Cartes Orano.

• Méthodologie :
o Caractérisation des électro-faciès sédimentaires et de leurs épaisseurs en subsurface dans différentes parties du bassin.
o Corrélations de puits (Petrel, Gocad ou autre)

B) Comprendre les liens entre histoire structurale et sédimentation et affiner l’interprétation des faciès et de l’architecture des réservoirs observés en puits à l’aide d’une étude sur affleurements et analogues.
• Support d’étude :
o Affleurements
o Sismique
o Analogues ?

• Méthodologie :
o Confronter les interprétations géologiques réalisées sur puits avec les faciès, les tailles et les géométries des corps sédimentaires à l’affleurement.
o Comprendre les relations géométriques entre les différentes formations et avec le socle (discordances, biseaux, structures anciennes réactivées)
o Synthèse des données de puits et d’affleurement permettant la construction de cartes de faciès à l’échelle des sous-bassins de Zuunbayan et d’Unegt couplées à des cartes d’isopaques. Ces cartes de faciès intégrant les données de terrain et de subsurface permettront d’obtenir une résolution plus fine par rapport aux cartes déjà publiées et construites uniquement à partir des données d’affleurement.

C) Apporter des contraintes sur l’histoire d’exhumation et l’origine des sédiments pour mieux définir les phases de remplissage, les potentielles sources uranifères et l’histoire thermique du bassin.
• Support d’étude :
o Echantillons pris sur carottes historiques et à l’affleurement.
o Rapports Orano minéralogiques et pétrographiques.

• Méthodologie :
o Caractérisation pétrologique d’échantillons des séries sédimentaires prises en amont et en aval des fronts d’oxydoreduction avec une focalisation sur la partie terrigène des réservoirs sableux (éléments lithiques, minéraux lourds, phyllosilicates, etc.).
o Thermochronologie sur forages historiques
o Datations sur minéraux lourds.
o Analyse de la nature et de la répartition des matières organiques
o Recherche d’indices pétroliers.
o Caractérisation de potentielles variations latérales au sein du permis d’Orano et des échantillons pris sur affleurement.

D) Caractérisation fine de l’architecture sédimentaire et de l’organisation spatiale des faciès à l’échelle réservoir. Distribution des faciès perméables et des faciès réducteurs

• Support d’étude :

o Forages carottés
o Diagraphies

• Méthodologie

o Logs sédimentaires détaillés sur carottes
o Calage des électrofaciès sur diagraphies
o Corrélations de proche en proche
o Comparaison avec l’emplacement des zones minéralisées et interprétations en termes de contrôles sédimentaires.

Références :
Belaïd, S., (2009) Analyse structurale et géo-mécanique ; un cas d’étude en Mongolie de l’Est. Mémoire de Master 2, Master BGAE. Université de Montpellier 2. 47p.
Gine-Sanchez, A. (2010) Relation entre les failles, la migration d’hydrocarbures et les minéralisations d’uranium en Mongolie de l’Est. Rapport Master 2, Université Montpellier 2, 52p.
Heumann, M. J., Johnson, C. L., Webb, L. E., Taylor, J. P., Jalbaa, U., Minjin, C. (2012). Paleogeographic reconstruction of a late Paleozoic arc collision zone, southern Mongolia. Bulletin, 124(9-10), 1514-1534.
Johnson, C. L., Constenius, K. C., Graham, S. A., Mackey, G., Menotti, T., Payton, A., Tully, J. (2015). Subsurface evidence for late Mesozoic extension in western Mongolia: tectonic and petroleum systems implications. Basin Research, 27(3), 272-294.
Rallakis, D. (2019) Le système métallogénique et le piège redox dans le gisement d’uranium de type roll-front de Zoovch-Ovoo, Mongolie. Rôle des porteurs du carbone et du soufre. Thèse de Doctorat, Université de Lorraine, 447p.
Roger, M. (2016) Rapport confidentiel de fin d’étude, ENSEGID, 110p.
Postma, G. (1990). An analysis of the variation in delta architecture. Terra Nova, 2, 124-130.

Contexte de travail

La thèse se déroulera principalement au sein de l'UMR CNRS 7359 Georessources à Vandoeuvre-lès-Nancy. Le financement sera assuré par le Labcom Cregu en partenariat avec Orano. Plusieurs missions de terrain en Mongolie sont prévues pour le travail sur affleurements et sur carottes. Le thésard sera également amené à effectuer des déplacement à Châtillon au siège d'Orano.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.