1. Introduction

1.1. But de la recherche

Ce travail de pétrophysique sur une partie du Complexe récifal du Jura méridional interne s’inscrit dans la continuité des recherches entreprises au Département de géologie et paléontologie.

L’objectif de ce travail est d’établir une cartographie « stratigraphique » de la porosité et de la perméabilité sur complexe récifal du Kimméridgien décrit par Fookes (1995). Cette étude est bien évidemment complétée par l’examen détaillé des microfaciès et de l’estimation des porosités obtenues par analyse d’image, ainsi que par des mesures sur affleurement de rayonnement gamma.

1.2. Thème

La recherche de corps poreux et perméables en subsurface est un objectif classique de la prospection pétrolière et sera dans les prochaines décennies déterminante pour l’implantation de forages géothermiques et la recherche d’eau dans des aquifères profonds. La distribution spatiale de la porosité et de la perméabilité est indispensable pour comprendre et modéliser le comportement des fluides dans ces corps sédimentaires. Dans les carbonates (qui contiennent environ la moitié des réserves mondiales connues en huile et en gaz), ces deux paramètres dépendent de la répartition des faciès et de l’intensité (ainsi que de la nature) des transformations diagénétiques. L’examen des relations entre paramètres pétrophysiques et caractères sédimentologiques sur affleurement peut fournir de précieuses indications pour une exploitation des ressources de la subsurface (Bousquie, 1979).

Les faciès récifaux et périrécifaux du Kimméridgien représentent un réservoir potentiel dans le Jura méridional. Ils affleurent particulièrement bien dans la Vallée de la Semine (Ain, France) où Fookes (1995) les a décrits d’un point de vue sédimentologique.

1.3. Les formations coralliennes de Saint-Germain-de-Joux

Les dépôts appartiennent aux « Couches de Prapont inférieurs », formation décrite par Bernier (1984) ; et initialement connue sous le terme « calcaire graveleux inférieur » (Enay, 1965). La formation de Prapont, dont l’épaisseur est de 60 à 70 mètres, est dans l’ensemble synchrone des Calcaires en plaquettes à laminites, et rattachée la zone à Beckeri (Enay et Hess, 1962 ; Enay, 1965, 1982 ; Bernier, 1984).

Le complexe récifal de St-Germain-de-Joux est composé de sédiments bien préservés et fournit de bonnes conditions d’affleurement. Les dépôts ont un pendage régulier de 5° (Fookes, 1995). Bien que la zone investiguée soit petite, la variabilité stratigraphique et latérale des faciès est remarquable. Il n’est souvent pas possible de suivre un faciès sur une longue distance ou de lui identifier un équivalent latéral.

Fig. 2 : Carte détaillée de la région avec localisation des affleurements étudiés :
1) Prapont
2) Echallon

1.4. Contexte

1.4.1. Contexte Géologique

Le Socle de la plate-forme NW européenne à laquelle appartient le Jura est formé de roches anciennes plissées durant la phase hercynienne, puis pénéplainées à la fin du Stéfanien (Carbonifère). Des dépôts fluviatiles ou évaporitiques recouvrent le socle jusqu’au Trias inférieur, suivi par un régime évapo-carbonaté dû à une transgression marine durant le Trias moyen. Un retour à une sédimentation principalement évaporitique durant le Keuper montre que les communications avec la mer ouverte sont plus restreintes (Meyer, 2000).
Par la suite, on assiste à une transgression marine au Rhétien qui perdure au Lias. Elle est suivie au Dogger par l’inclinaison du domaine jurassien vers le sud-est et devient la marge nord du sillon alpin. Au Malm, cette situation s’accentue avec le développement d’une plate-forme carbonatée. Celle-ci va s’étendre à l’Aptien-Albien avant d’être érodée au début du Tertiaire. Finalement, une dynamique d’avant-pays lors de la compression alpine permet le développement du bassin molassique et la chaîne de décollement jurassienne (Meyer, 2000).

1.4.2. Le Kimméridgien

Dans le Jura méridional, le Kimméridgien supérieur est représenté par des formations récifales et périrécifales qui s’intègrent dans une séquence bathydécroissante allant des faciès de bassin de l’Oxfordien jusqu’au faciès émersifs du Purbeckien.

Valdes et Sellwood (1992) ont établi pour le Kimméridgien, un modèle paléoclimatique qui décrit généralement un climat relativement chaud et aride pour l’ensemble de la Terre correspondant à une période de « Greenhouse ». Des conditions tropicales à sub-tropicales s’étendent jusque dans les latitudes moyennes, et un climat tempéré existe dans les hautes latitudes. Leur simulation prédit que la température moyenne globale à la surface de la Terre était de 20°C, c’est à dire de 4 à 6°C de plus qu’actuellement. Du fait de ces températures élevées, les calottes glaciaires n’étaient pas permanentes à proximité des pôles. De plus, les successions sédimentaires indiquent que l’Europe était fréquemment balayée par des tempêtes qui pouvaient être extrêmement violentes.
Au Kimméridgien le niveau marin atteint un maximum pour le Jurassique. Cela est dû probablement à l’augmentation du « spreading » des fonds océaniques ainsi que du « rifting » de la Pangée (Haq et al., 1988 ; Hallam, 1988).

Meyer (2000) a élaboré plusieurs cartes paléogéographiques détaillées de la région, différenciées les unes des autres par de courts intervalles de temps. Elles permettent de se représenter l’évolution de la situation paléogéographique et de comprendre la succession des différents milieux de dépôts. La chronologie débute à la première implantation de bioconstructions dans la région, et se termine par le retour à une sédimentation de mer ouverte. Cette chronologie nous permet de mettre en évidence la progradation du système. Chaque carte est précisément décrite ci-dessous ou pevent être visionnées ici (Cartes paléogéographiques) :

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Fig. 3 : Cartes paléogéographiques de la région étudiée au Kimméridgien d’après Meyer (2000)

- HST Kim 3 :
Les bioconstructions se cantonnent plutôt dans la région Nord-Ouest et sont certainement issues de la progradation d’édifices récifaux dont la présence est attestée au Kimméridgien moyen dans la région située plus au nord. Le Sud-Est de la zone d’étude est caractérisée par des dépôts de mer ouverte. Dans l’ensemble, le reste de la carte est essentiellement recouverte de calcaires de mer ouverte nommés « Couches à Céphalopodes ». Un environnement de front de récif accompagne la progradation des bioconstructions et se met en place entre autre sur la coupe de Prapont.

- SB Kim 4 :
La progradation suit son cours et gagne lentement sur la mer ouverte à la faveur de la baisse du niveau marin relatif. Les bioconstructions accompagnent cette chute du niveau marin et des communautés de vie peu profondes s’implantent sur des pâtés récifaux composés jusqu’alors d’organismes de milieu plus profond. A Prapont, la grande construction corallienne basale débute.

- MSF Kim 4 :
La plate-forme prograde rapidement du fait de la forte production de carbonate engendrée par le haut niveau marin. La côte empiète progressivement sur la mer ouverte. Cette carte correspond approximativement à la formation de la seconde barre récifale de l’affleurement de Prapont.

- HST Kim 4 :
La transgression qui fait suite éloigne temporairement la ligne de rivage en direction du nord. Les bioconstructions suivent cette montée du niveau marin et des barres oolithiques se développent dans la zone la plus interne. Cette surface d’inondation maximum crée un environnement inter-récifal sur l’affleurement de Prapont, avec formation d’ooides marquant cette surface d’inondation maximale.

- SB Kim 5 :
Cette limite est importante car elle se retrouve clairement dans toute la région. Elle découle de l’émersion d’une grande partie de la carte et notamment de la coupe de Prapont causée par une forte baisse du niveau marin. L’ensemble des édifices récifaux tente de suivre la pente en direction de l’est mais seront finalement tronqués par cette importante surface d’émersion. Celle-ci marque la fin du complexe récifal, laissant la place à des dépôts d’arrière récifs balayés par de violentes tempêtes, puis des dépôts de plage.

1.4.3. Les récifs

Les coraux zooxanthellés font partie des principaux producteurs de carbonates des plates formes du Jurassique supérieur (Meyer, 2000).
Les récifs du Jurassique supérieur sont composés principalement de coraux scléractinaires, d’éponges siliceuses ou calcaires, de microencroûtants et microbialites diverses, de mollusques et d’algues (Kiessling, 1999 ; Leinfelder et al., 1994) alors que les récifs actuels (Blanchon et al., 1997) sont composés en majorité de coraux scléractiniaires et d’algues rouges.

1.5. Historique des études

Peu d’études ont été publiées sur les récifs coralliens de St-Germain-de-Joux, bien qu’ils aient été un point d’intérêt depuis longtemps pour les géologues et les collectionneurs de fossile (Fookes, 1995). Bourgeat (1888) et Shardt (1888) ont été les premiers à décrire une section dans le secteur, cependant ce n’est qu’en 1953, que Pelletier découvre les affleurements dont il est question dans ce travail. De plus, il donne une nouvelle stratigraphie pour la région, toutefois, elle comporte quelques erreurs qu’Enay (1965) révisa en basant ses nouvelles subdivisons sur les formations. Son travail couvre majoritairement les aspects paléontologiques du complexe récifal. En 1984, Bernier affine la sédimentologie et la micropaléontologie en publiant une thèse décrivant les lithologies du Kimméridgien et du Portlandien du Sud du Jura. Puis en 1991, Fookes complète la sédimentologie et la micropaléontologie et offre une nouvelle interprétation pour le complexe récifal. De plus, il précise la forme des constructions récifales, le microfaciès et la diagenèse des dépôts récifaux et périrécifaux.

Les études du complexe récifal de St-Germain-de-Joux traitent de la sédimentologie, de la paléontologie, de la diagenèse et de la stratigraphie séquentielle.
Le présent travail aborde les propriétés pétrophysique de cet affleurement qui représente un excellent « équivalent terrain » des réservoirs carbonatés du Jurassique supérieur.