Mud generation from stratified sediments in a context of mud volcanism : the role of gas

This manuscript assesses the role of gas in the mud generation processes by focusing on a dense and multidisciplinary dataset of the active Absheron mud volcano (AMV), South Caspian Basin. The study is divided in three main parts: definition of the mud source; analysis of the hydro-mechanical behavior of compacted sediments after gas exsolution; numerical modeling of the AMV formation.First, I identified the source of the AMV as being the Anhydritic Surakhany Fm. (ASF): seismic geomorphology evidences a depletion zone below the AMV and samples from surface mudflows indicate a Pliocene age and the same mineralogy as the ASF. The ASF is composed of interstratified anhydritic beds and low-density overpressured and undercompacted clay-rich layers. The mud source seems located in an interval presenting intrinsic favorable properties to remobilization and at the convergence of overpressure build-up and gas accumulation.I then tested the impact of gas exsolution on the hydro-mechanical properties of compacted sediments through a novel consolidation apparatus. Results show that sediments are damaged by gas exsolution and do not recover completely after reloading. Gas exsolution leading to a degree of gas saturation higher than 38% generates a critical behavior interpreted as the result of mud generation.I finally integrated multidisciplinary data and results in simple numerical models to confront the hypothesis on the AMV formation with the geological conditions. A 2D diffusion model confirms that the association of lateral pressure transmission and vertical gas migration along faults leads to mud generation. Fluid mechanics equations show that mud is then able to rise up to the seafloor by density-inversion. Accounting for fracture propagation and dynamic viscosity may improve and accelerate the mud remobilization process. I tested several working hypotheses through this modeling and went from a purely conceptual formation model for the AMV to a semi-quantitative one.This study identified key parameters for mud volcano formation that are believed to be common to most of these structures and allowed developing a modeling approach that may be adapted and improved to describe mud volcanoes formation in other geological contexts.Ce manuscrit étudie le rôle du gaz dans les processus de génération de boue en se concentrant sur un jeu de donnée riche et pluridisciplinaire du volcan de boue actif d’Absheron (VBA) dans le Bassin sud caspien. L’étude est divisée en trois parties principales : la définition de la source de la boue ; l’analyse du comportement hydromécanique des sédiments compactes après exsolution de gaz ; la modélisation numérique de la formation du VBA.J’ai d’abord identifie la Formation du Surakhany Anhydritique (ASF) comme la source du VBA : les données sismiques montrent une géométrie de zone de déplétion et la boue émise présente une minéralogie et un Age (Pliocène) compatibles avec ceux de l’ASF. L’ASF se compose d’une interstratification de bancs évaporitiques et de sédiments argileux à faible densité, en surpression et sous compactes. La source de la boue semble localisée au niveau d’un intervalle présentant des propriétés intrinsèques favorables à la remobilisation et à la convergence d’une accumulation de surpression et de gaz.J’ai ensuite teste l’impact de l’exsolution de gaz sur les propriétés hydrodynamiques des sédiments compactes grâce à un nouveau système de consolidation. Les résultats montrent que les sédiments sont endommagés par l’exsolution et qu’ils ne retrouvent pas complètement leurs propriétés initiales après la recompaction. Si l’exsolution de gaz mène à un degré de saturation en gaz supérieur à 38%, j’ai observé un comportement critique que j’interprète comme le résultat de la génération de boue.Enfin, j’ai intégré tous ces résultats dans des modèles numériques simples afin de confronter les hypothèses sur la formation du VBA aux conditions géologiques. Un modèle de diffusion 2D confirme que l’association d’une transmission latérale de pression et d’une migration verticale de gaz le long des failles mènent à la génération de boue. Des équations de mécanique des fluides montrent que la boue peut alors remonter jusqu’au fond marin par inversion de densité, mais la propagation de fractures et la prise en compte d’une viscosité dynamique pourraient participer et accélérer le processus de remobilisation. Mon travail de modélisation a permis de tester plusieurs hypothèses et dépasser d’un modèle de formation du VBA purement conceptuel a un modèle semi-quantitatif.Cette étude identifie les paramètres clés contrôlant la formation d’un volcan de boue, qui seraient communs à la plupart de ces structures. Une méthode de modélisation a été développée et elle peut être adaptée et améliorée afin de simuler la formation de volcans de boue dans des contextes géologiques différents