Stratigraphie sismique et séquentielle haute résolution des formations du Jurassique supérieur du Boulonnais (Nord de la France)

0 Acaditmie

des sciences

Stratigraphie

/ Stratigraphy

/ Elsevier,

Paris

Stratigraphie sismique et Gquentielle haute r6solution des formations du Jurassique superieur du Boulonnais (Nord de la France) High-resolution seismic and sequence stratiglzlphy of the UpperJurassic deposits of the Boulonnais (northern France) Geoffroy Mahieuxa*,

Jean-Noel

Proust”, Bernadette Tessiera, Marc De Batist”, Her&

a URA CNRS 719, SN5, universiti! de Lille-1, 59655 Villeneuve b UPR CNRS 4661, Universiti! de Rennes 1, Campus Beaulieu, ’ RCMG Geologisch Instituut, Universiteit van Gent, Krijgslaan

d’Ascq cedex, France Bgt. 15, 35042 Rennes cedex, 281 s8, 9000 Gent, Belgique

(Recu le 26 octobre

1999)

1998,

accept6

aprPs &vision

le 26 janvier

Charnley”

France

Abstract - Very high-resolution seismic data were obtained from a Kimmeridgian-Tithonian submarine series located off the Roulonnais (northern France). The data were compared with high-resolution sequence stratigraphic results obtained on the same formations cropping out on the adjacent coastal cliffs. The seismic data provide better defined geometrical relationships between the sequences and the surfaces (‘toplap’, ‘downlap’) than the ones identified in the field. Based on the identification of downlap and toplap surfaces? one of the major contributions of the seismic data is to point out that the sandstone bodies isolated in offshore shales are sharp-based shoreface deposits induced by forced regression. (0 Academic des sciences / Elsevier, Paris.) high-resolution Strait/ France

seismic stratigraphy

/ sequence

stratigraphy

/ forced regression

/ Dover

sismiques marines trPs haute r&olution (THR) sont acquiR&urn4 - De nouvelles don&es ses dans le Kimmkidgien-Tithonien en Manche orientale, dans I’Est du Boulonnais. Deux unit& sismiques sont reconnues, l’une parallPle/agradante et l’autre progradante. Ces donnhes sismiques, comparkes avec I’organisation sequentielle des corteges skdimentaires dkfinis 2 terre, montrent que les relations gkomktriques des sequences et leurs limites toplap, downlap sont mieux identifikes sur les profils sismiques qu’a terre. En particulier, les don&es sismiques montrent que les corps grbeux isok dans les ensembles argileux correspondent h des dbpbts de type sharp-based shorefaces induits par des rbgressions for&es. (0 Acadkmie des sciences / Elsevier, Paris.)

stratigraphie sismique Boulonnais / France

haute resolution

/ stratigraphie

dquentielle

/ rbgression

for&e

/

Abridged version Application of high-resolution seismic in the marine environment allows detailed imaging of the upper tens of metres of the subsurface with a resolution of l-2 m (Lee et al., 1996).

Note

prCsent6e

Most marine high-resolution seismic reflection investigations have focused on the continental margins (e.g. Lericolais and Bernt-, 1990: Tesson et al., 1990) but there is no direct correla-

par Jean Dercourt.

* Correspondance et tir& a part. Geoffroy.MahieuxOuniv-lillel .fr C. R. Acad.

Sci. Paris, Sciences

1999 328.341-346

de la terre

et des plandtes

/ Earth & Planetory

Sciences

341

G. Mahieux

et al.

tion between seismic data, lithology and rock geometry, This paper provides a test case to compare, at the reservoir scale, high-resolution seismic stratigraphy, with outcrop-based highresolution sequence stratigraphy (Proust et al., 1993. 1995). The series studied are the Klmmeridgian-Tithonian sediments in the Dover Strait and the bordering coastal cliffs in northwest France (figure 1). Three high-resolution marine seismic reflection surveys were carried out in the northeastern part of the English Channel by the University of Ghent (Belgica 1993, 1995) and the University of Lille (Sisboul 1996). The seismic grid reaches a total length of 400 km, and is composed of 51 profiles vgure I). Positioning was obtained using the SYLEDIS system in 1993 and the differential Global Positioning System in 1995 and 1996. All seismic data were acquired using a sparker-array and a single-channel streamer. They were recorded in digital (DELPH2 system) mode and processed using the SSL Phoenix Vector software. The vertical resolution reached by the sparker is 1-2 m. By using the basic principles of seismic stratigraphic interpretation (Mitchurn et al., 1977; Sangree and Widmier, 1977; Vail, I976), 8 seismic units are distinguished on the seismic profiles dataset (Mahieux et al., 1998). These seismic units can be grouped into two basic families (type USA and usB) with common characteristics which can be compared to the stratigraphic section @gure 2). The seismic units of the type USA family are bounded at the base by an erosional unconformity. Their upper boundaries are always truncated by ‘seafloor reflection’. Internal reflections show a progradational configuration, in complex and chaotic fills (figure 2). The seismic units of type usB are subdivided into two sub-families @guve 2): - usB1, with units bounded at the base and at the top by conformable surfaces and characterized by an internal configuration of parallel/aggradational reflections; - usB2, with units bounded at the base by a downlap surface and at the top by a toplap surface and characterized by an internal configuration of progradational reflections. The Kimmeridgian-Tithonian formations are deposited on a homoclinal ramp profile (Proust et al., 1993, 1995) in either the outer-ramp environment, located below storm wave-base, the mid-ramp environment, located between storm and fairweather wave-base and, the inner-ramp environment, above fairweather wave-base (figure 3). Three systems tracts, sensu Posamentier and Vail (1988), are recognized in the Boulonnais area: lowstand, transgressive and highstand systems tracts ct;gure$. They represent the elementary building blocks of nine, third order, depositional sequences, Sl to S9 (Proust et al., 1993, 1995). The seismic and field images of the sediment are very precisely correlated because of (1) the availability of low resolution seismic sticked on shallow drilled-cores crosscutting our high resolution seismic surveys (Lapierre et al., 1970; Robert 1972; Auffret and Colbeaux 1977): (2) the direct datation of the outcropping formations on the sea-floor by in situ samplings (Guyader, 1968; Robert, 1972); (3) the calculation of the location of the strata on the sea-floor, by the projection of their main dip, several hundreds of metres

342

seaward from the cliff exposures (A&fret and Colbeaux, 1977; Proust et al. 1995, Lamarche et al., 1996). The available seismic data only image the part of the section located between the top of the Calcaire du Moulin Wibert Formation and the base of the Wealdian formations. The chaotic discontinuous seismic facies in the USA family seismic units is probably related to fluvial deposits (Sangree and Widmier, 1977). They are thought to represent the Wealdian and Purbeckian deposits that, unfortunately, are not well exposed in the field sections. They will be not discussed in the comparison with the sequential framework. The two sub-families that compose the type usB family of seismic units are interpreted as follows: usB1, with parallel-aggradational seismic patterns and high continuity, would suggest the presence of a laterally continuous and homogeneous strata deposited in a relatively widespread and uniform environment and confirm the interpreted low-angle depositional profile of the ramp setting. These units are bounded by conformable surfaces. The usB1 may correspond to the shaly units of transgressive and highstand system tracts (Proust et al., 1995; Mahieux et al., 1998). The maximum flooding surface located at the boundary between transgressive and highstand systems tracts is impossible to depict on our seismic profiles in spite of their very high resolution. The absence of the downlap pattern at the maximum flooding surfaces and of the onlap patterns at the transgressive surfaces can be explained by the low-angle, mud-supported ramp profile. The general dip of the strata, observed on the seismic profiles, is less than 2”, and confirms the hypothesis that the stratigraphic formations of the Boulonnais sections were deposited on a low-angle, inherited, slope-morphology or ramp. The lateral extent of this ramp is probably too large to exhibit a properly imaged geometry either by very high resolution seismic and field observations. usB2, with moderate continuity and progradational seismic pattern would suggest a depositional environment of fluvial to nearshore marine environments which may correspond to the bioclastic and well-sorted sand-prone inner-ramp deposits of most of the sandstone formations in the Boulonnais. The usB2 lie on a downlap surface, and are capped by a toplap surface, interpreted in the field respectively as sequence boundary and ravinement surface (Proust et al., 1995). The usB2 may correspond in the field to the lowstand systems tracts (Proust et al., 1995; Mahieux et al., 1998). The geometrical pattern of the usB2 family of seismic units, especially their downlap basal surface, indicates that these progradational deposits were emplaced during a rapid net sea level fall and basinward migration of the shoreline. According to the criteria given by Posamentier et al. (1992) such deposits can be interpreted as sharp-based shoreface deposits disconnected from the underlying highstand systems tract and deposited during a forced regression. Therefore the geometrical criteria identified on seismic profiles confirms the interpretation given by Proust et al. (1995) based on depositional facies analysis. On the seismic profiles, the lowstand systems tracts (sensu Posamentier and Vail, 1988) are clearly bounded at their base, and their top respectively, by downlap and toplap surfaces which are not detectable in the field from geometric consider-

C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la terre et des plan&es

/ Earth & Hanefary Sciences 1999 328.341-346

Stratigraphie

This geometrical information, inferred only from seisations. mic data, allows the lowstand systems tracts to be interpreted as sharp-based shoreface considered as forced regression

sismique

du Jurassique

supbieur

du Bouionnais

deposits (Posamentier et al. 1992). The seismic stratigraphic analysis completes the field study and refines the sequence stratigraphic analysis.

1. Introduction Le d&eloppement @cent des techniques d’acquisition en sismique reflexion permet d’obtenir des images de couches lithifikes, avec une r&olution de 1 m (Lee et al., 1996). La plupart des etudes en stratigraphie sismique haute r&olution ont port@ jusqu’a prksent sur les marges continentales (Lericolais et Bern& 1990 ; Tesson et al., 1990), saris que I’on ait toutefois de corr4ation directe avec I’affleurement des roches consid&es. Le propos de cet article est de comparer de man&e concr&te une image sismique a trPs haute @solution (THR), obtenue en mer, avec la geometric des sediments observbe a I’affleurement et interpr&e en terme de sequence de depcits. Entre 1993 et 1996, trois missions ockanographiques de sismique rbflexion THR ont &e conduites dans la partie orientale de la Manche, le long les c&es du Boulonnais (figure I) par I’universitk de Gand (campagnes Belgica 93 et 95) et par I’Universitb de Lille (campagne Sisboul 96). Les don&es sismiques ont et6 acquises en utilisant une source Sparker avec un recepteur monotrace, enregistrees en mode numbrique avec le systPme DELPH2 et traitees avec le logiciel SSL Phoenix Vector. Le positionnement fut rkalise en utilisant un systeme Syledis en 1993 et un GPS differentiel en 1995 et 1996. La grille sismique cumulee atteint une longueur totale de 400 km. Elle est compos&e de 51 profils. Le domaine &udih s’&end 2 quelques centaines de mgtres des falaises &i&es, entre Boulogne-surMer et le cap Gris-Nez (figure J), d’oti sont issues les don&es de terrain. Comme les series sont monoclinales et tr&s peu faillkes (Lamarche et al., 1996), il est possible d’obtenir une image comparGe, sismique en mer et sequentielle 2 terre, du m@me objet sedimentaire. La r&olution verticale atteinte est de 1 m. La s&ie sedimentaire affleurant dans les falaises c&i&res, impliquee dans les structures submergees, se compose du Kimmeridgien, du Tithonien, du Purbeckien et du Wealdien (Lapierre et al., 1970 ; Robert, 1972 ; Auffret et Colbeaux, 1977). Nous p&enterons les r&ultats de I’imagerie sismique THR en mer, puis nous rappellerons les resultats essentiels de I’analyse s@quentielle (Proust et al., 1993, 1995), afin de comparer les deux ensembles de donnkes.

2. Stratigraphie

de la terre

Location map studied

seismic

of the seismic lines.

surveys

with

the position

avec la posi-

of the two

Une premiere famille (USA) d’unites sismiques pr&ente des reflecteurs discontinus, d/amplitude moyenne a forte et de frequence mod&ee. Elles sont caract&isees par des &flexions d’allure chaotique et ?I remplissage progradant. Elles sont limitees ?I la base par une surface d’erosion chenalisante (figure 2). Une seconde famille (usB) d/unit& sismiques presente des rkflecteurs continus, d’amplitude moyenne & forte et de frhquence elevke. Cette etude met en &idence dans la famille usB I’alternance de deux sous-ensembles (fi-

gufe 2) : - les unit&

sismique

Suivant les principes fondamentaux de la stratigraphie sismique definis par Vail (1976), Mitchum et al. (1977) et Sangree et Widmier (1977), 8 unites sismiques superpo&es peuvent @tre distingukes dans la s&ie stratigraphique (Mahieux et al., 1998). Ces unit& peuvent &tre regroupees en deux familles homog&nes du point de vue de leurs caractkristiques acoustiques (figure 2). C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences 1999.328,341-346

Figure 1. Plan de position des campagnes sismiques, tion des deux profils sismiques-types Ctudibs. ,;,:)i I:)/b

et des plar&es

du sous-ensemble usB1 se caracterisent par I’allure parall&le/agradante de leurs rkflecteurs internes ; elles sont limitkes, P la base et au sommet, par une surface concordante ;

- les unit& du sous-ensemble usB2 se caracterisent par l’allure sigmoi’dale-progradante de leurs reflecteurs internes ; elles sont limitees A la base par une surface de downlap et au sommet par une surface de toplap (fi-

gure 2).

/ Earth & Planetary

Sciences

G. Mohieux

et al

Figure 2. Sections interprhttees des BDB9302B (A) et (B). La Croix indique croisement des deux ;:/ n_

brutes et profils BDB93043 le point de profils.

Original and interpreted seistnic-profiles BDB93028 (A) and BDB93043 (B). The cross indicates the crossing point of the two profiles.

3. Stratigraphie

skquentielle

Les terrains kimmhridgiens et tithoniens concern& sont @pais d’environ I20 m. Les formations Gdimentaires se sont dbpos&es le long d’un profil de rampe carbonatee homoclinale oti trois environnements de dkpBts majeurs ont &e reconnus (figure 3) : des milieux externes situ& sous la limite infkrieure des vagues de tempgte, des milieux intermbdiaires situ& entre la limite inferieure d’action des vagues de temp@tes et la limite d’action des vagues de beau temps et des milieux internes situ&s audessus de la limite infbrieure d’action des vagues de beau temps (Proust et al., 1995). L’information concernant la ghometrie des corps progradants du profil de rampe n’est pas observable a terre, car les falaises le recoupent perpendiculairement. La superposition de ces diff&ents milieux de dGp6ts au tours du temps permet de d&finir neuf sbquences de dGp8ts de 3’ ordre, SI 2 S9, (500 ka-5 Ma) (Proust et al., 1993,1995). Ces skquences sont compos&es de trois cort&ges de dbp6ts : le cortPge transgressif (CT) et le cortege de haut niveau (CHN), plutBt argileux, et le cor@ge de bas niveau (CBN), sableux, a base abrupte (figure 3).

4. Discussion Les don&es sismiques sous-marines sont corr44es avec les s&ies affleurantes de meme sge sur les falaises c&i&es par : (I) leur comparaison avec les don&es des campagnes sismiques du Cnexo rkaliskes au m@me endroit (Robert, 1972), cal@es par forage en mer, les s&ies a terre etant suffisamment contrastbes pour une identifica-

344

C. R. Acad.

tion [email protected] (Lapierre et al., 1970 ; Auffret et Colbeaux, 1977) ; (2) la datation des formations affleurantes sur le fond marin (Cuyader, 1968) ; (3) la projection ?I quelques centaines de mGtres en mer de la disposition geometrique des strates reconnues ?I terre. Les s&ies sbdimentaires sous-marines &lairees en sismique s’etagent depuis la formation des calcaires du Moulin Wibert jusqu’a la base des formations wealdiennes (figure 3). Les caractPres chaotiques et discontinus des reflecteurs des unit& de la premiPre famille USA sont interpret& g&&ralement comme correspondant & des faciPs continentaux de type fluviatile (Sangree et Widmier, 1977). Les datations et I’extension laterale de cette famille permettent de I’attribuer en totalite aux sPries du Wealdien et du Purbeckien. Cette famille, visible principalement en sondage sur le terrain, n’est pas repr&ent@e sur les coupes gbologiques qui ont servi de base de comparaison avec la sismique, et ne peut done donner lieu B une analyse comparative detaillee. Les deux sous-ensembles, alternant irr@guli&ement, de la seconde famille usB, conduisent a I’interpretation suivante. usB1, dont la geom&rie est parall&le/agradante et limit&e par des surfaces concordantes, comprend des faciPs sismiques, soit de continuitk et d/amplitude 4ev4es, soit de continuitk elevee et d’amplitude faible. La continuite blevke des r@flecteurs suggere la pr&ence de couches homog&nes et continues (Sangree et Widmier, 1977) - oti les contrastes d’impbdance acoustiques persisteraient lathralement - dbposees dans des environnements uniformes, comme ceux rencontr& sur les profils de rampes, d’angles tr&s faibles. Les fortes valeurs d’amplitude, quant 2 elle, correspondraient A des lithologies calcaires, les

Sci. Paris, Sciences

de la terre et des plan&es

/ Earth & Planetary Sciences 1999.328,341-346

Stratigraphie

SIM -

Surface d’inondation maximale Murimum floodin,q surjirce

LS _

Limite de SCquence Seqldencc Bouruluty

FWB -Lin,Gte infkieure d’action des vagues de beau tcmps Furnwrrhcr nuve base Figure 3. Coupe sous-marine. 2,: a i. Synoptic

correlative

synthktique

diagram

du Kimmeridgien-Tithonien

of the onshore

and offshore

du Boulonnais.

Boulonnais

faibles amplitudes B des lithologies plus argileuses (Mitchum et al., 1977). Ainsi, usB1 correspondrait aux formations argilo-carbonaGes des cort&ges transgressifs (CT) et de haut niveau (CHN) dkfinis par Proust et al. (1995). A terre, le CT et le CHN peuvent Gtre diffkenciks, car les critPres de condensation, le long des surfaces d’inondaC. R. Acad. Sci. Paris, Sciences 1999.328.341-346

de la terre

et des plan&es

sismique

SR-

du Jurassique

supkrieur

du Boulonnais

Surface de ravinement Rrnincmenr .sttrfke

Limite infkrieure d’action des “agues de tempittes SWB - Srortn M’UYC husc

Comparaison

series. Comparison

du decoupage

of the sequential

sbquentiel

analysis

avec la stratigraphie

with the seismic

sismique

stratigraphy.

tion maximales qui les &parent, sont facilement identifiables (figure 3). En mer, et maI@ la trPs haute rkolution, il est trPs difficile de &parer le CT du CHN, car ces deux ensembles sont concordants et les surfaces d’inondation maximales ne peuvent pas $tre individualis6es. De mGme, I’absence de surfaces d’onlap caractkristique, sur les pro-

/ Farfh & Plunefary

Sciences

345

G. Mahieux et al. fils, s’expliquerait par le profil trop peu pent6 de la rampe. L’ktendue la&ale de cette rampe est probablement trop grande pour exposer une image sismique correcte de la ghom&rie de ces deux corteges.

comme un sharp-based shoreface (Posamentier 1992), induit par une chute nette du niveau marin

usB2 comprend un faciPs sismique de continuite et d’amplitude plus mod&+es. La configuration interne, sigmo’idale 3 oblique progradante, suggererait des environnements sableux proximaux (Mitchum et al., 1977 ; Sangree et Widmier, 1977), qui correspondraient aux formations sableuses bioclastiques proximales des milieux de rampe externe qui caractbrisent les formations gr&euses du Boulonnais (figure 3 ; Proust et al., 1995). Les surfaces de downlap et toplap sont, quant a elles, respectivement equivalentes aux limites de sbquences et aux surfaces de ravinement. Le sous-ensemble usB2 correspondrait aux corteges de bas niveau (CBN) identifies sur le terrain (Proust et al., 1995).

Dans le Jurassique sup&ieur du Nord de la France (rkgion du Boulonnais), les principaux cortPges qui composent les sbquences de depbt de 3’ ordre (duree 5 ka-500 Ma), observees sur le terrain &tier emerge, sont distingues en sismique THR dans le domaine sous-marin adjacent. Toutefois, le profil trop peu pent@ de la rampe homoclinale emp@che de distinguer le CHN du CT, malgre la tr&s haute r&solution de la sismique. La disposition geom&rique des corteges skdimentaires et leurs surfaces limites (onlap, downlap, toplap...) est cependant mieux distinguhe en sismique qu’a l’affleurement en falaises, oil I’&helle d’observation est insuffisante pour distinguer des corps progradants kilomc+triques. Ceci a notamment permis, pour la premiPre fois, de mettre en comparaison directe une image sismique et une image terrain de syst& mes littoraux a base erosive form& lors de rbgressions for&es. Notre objectif est maintenant d/augmenter la i-6. solution, de man&e & pouvoir observer les sequences g&@tiques et les empilements qui composent ces sequences de 3” ordre.

Du point de vue gkom&rique, I’alternance des deux types d’unit& usB1 et usB2 dans les s&ies du Kimmeridgien-Tithonien, ainsi que I/identification sur le terrain de gr& de shorefacedont la base est abrupte, noy& dans des argilites massives, conduit a interprbter chaque formation gr&euse de type cortPge de bas niveau (CBN)

Remerciements.

Nous remercions

C Ravenne

pour ses critiques

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346

C R Acad.

et al., relatif.

5. Conclusion

et remarques

constructives

Posamentier H.M et deposition II. Sequence Sea-/eve/ changes. An Mineral. Spec. Publ. 42,

lors de l’examen

de ce manuscrit.

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Note for AAPG-SEC

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