Ce projet de recherche répond à l'objectif d'améliorer notre connaissance des processus élémentaires contrôlant le comportement hydrologique post-rupture des glissements de terrain argileux, afin de pouvoir comprendre, reproduire et éventuellement prévoir leur comportement par des modèles hydromécaniques adaptés. Ce travail consiste à améliorer et développer des méthodes de traitement et d'interprétation de paramètres géophysiques en milieu argileux et hétérogène. Les objectifs principaux de ce travail sont : 1. D'améliorer des méthodes géophysiques et géodésiques de mesure de la déformation et de la géométrie interne des glissements. 2. De caractériser les relations possibles entre géométrie et structure interne du glissement. 3. De développer et améliorer des méthodes de détection et d'imagerie des circulations préférentielles de fluide dans un milieu fissuré et déformable. 4. De caractériser temporellement et spatialement les réponses hydrologiques du versant. Un algorithme d'inversion haute-résolution des temps de premières arrivées est développé. Il utilise les volumes de Fresnel pour rétropropager les résidus ainsi que l'hypothèse d'un signal source de bande-passante finie et permet de retrouver une image haute-résolution de la structure du glissement. L'atténuation sismique des ondes-P est également inversée pour retrouver la distribution des zones fissurées en surface. Des méthodes photogrammétriques sont utilisées pour caractériser et quantifier les déformations de surface. Une méthode alternative à la corrélation d'image est développée, fondée sur la détection et le suivi de cibles. Le lien entre les variations de régime de déformation le long du profil, et l'existence de fissures en surface est finalement discuté. Les informations précédentes sont ensuite intégrées dans un modèle géométrique par une méthode de fusion de données. Par la modélisation numérique, nous vérifions si l'état de contrainte calculé peut être en rapport avec la distribution de la fissuration en surface. Une méthode de correction de l'effet géométrique des fissures sur les résistivités apparentes est développée. Différents types d'artefacts d'inversion liés à la présence de fissure sont identifiés et la capacité de la méthode proposée à réduire ces artefacts est testée. Une méthodologie de sélection et de traitement des données ERT time-lapse acquises sur une période d'un an est développée. La réponse électrique courte (de quelques heures à quelques jours) aux évènements pluvieux naturels est ensuite analysée pour proposer des modèles conceptuels de réponse hydrologique à ces évènements pluvieux. / The objective of this research project is the improvement of our knowledge of the elementary processes controlling the post-rupture hydrological behavior of clayey landslides. It should allow understanding, reproducing and possibly forecasting their behaviors by the use of adapted hydro-mechanical models. This work consists in the improvement and the development of geophysical parameters processing and interpretation methodologies in clayey and heterogeneous medium. The main objectives of this work are : 1. The improvement of geophysical and geodesic methods to measure the internal geometry and structure of the landslide. 2. The characterization of possible relationships between landslide internal geometry and structure, presence of discontinuities, slope hydrology and deformations. 3. The development and improvement of methodology for the detection and imaging of preferential flows in a fissured and deformable medium. 4. The spatial and temporal characterization of the hydrological response of the slope. A high resolution inversion algorithm of the first seismic arrivals is developed. It uses the Fresnel volumes for the retropropagation of the residuals and the assumptions of a finite-bandwidth source signal. It permits to recover a high resolution image of the internal structure of the landslide. The seismic P-wave attenuation is also inverted to characterize surface fissured zones. Photogrammetric methods are used to characterize and quantify the surface deformations. A method alternative to image correlation is developed, based on the target detection and tracking. The link between changes in deformation regime along the profile and the existence of surface fissures is finally discussed. The previous data are integrated inside a geometric model trough data fusion. Using numerical modeling, we verify if the state of stress computed is related to the surface fissure density distribution. A methodology of correction of the geometrical effect of fissures on apparent resistivity is developed. Different types of inversion artefacts, linked to the presence of surface fissures, are identified. The ability of the proposed method to limit this artifact is tested. A methodology of selection and processing of the time-lapse ERT data is developed. The short electrical response (from several hours to several days) to natural rainfall events is analyzed and conceptual hydrological responses to these rainfall events are proposed.

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement. / The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling.

Pour progresser dans la compréhension des mécanismes liés aux instabilités des cavités souterraines à partir de la réponse microsismique associée, l'effondrement provoqué d'une cavité saline (~ 200 m en diamètre), créée par dissolution, a été instrumentée sur un site d’exploitation de SOLVAY à Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France). Pendant l’expérimentation un vaste ensemble des données a été enregistré (~ 50,000 fichiers d'événements) dont la majorité (80%) est constitué d’essaims microsismiques singuliers. Cette thèse présente une analyse et une interprétation détaillée de cette base de données microsismiques grâce à l’adaptation de méthodologies de traitement originales, dont les résultats améliorent notre compréhension sur la nature de la microsismicité liée aux processus de création et d’effondrement des cavités souterraines, ainsi que sur l’évaluation de l’aléa associé. Les résultats principaux obtenus sont les suivants : les événements microsismiques sont comparables à des petits séismes tectoniques ayant des magnitudes de moment variant entre -3 et 1. (ii) L’ensemble des événements microsismiques montre un mécanisme en cisaillement (double-couple) remarquablement stable et est associé à un régime en faille inverse d’orientation NO - SE, plongeant à environ 35°– 55°. Ce phénomène est probablement lié à la présence de fractures préexistantes sur le site. (iii) L'origine des essaims microsismiques est certainement due à l'incapacité du système à créer des fractures de grandes dimensions capables de libérer des contraintes très importantes. Cela est probablement lié aux propriétés mécaniques du toit de la cavité. (iv) Les périodes d’effondrements du toit de la cavité sont associées à une dynamique de forçage systématique et montrent une réponse microsismique particulière, qui peut-être décrite par des lois statistiques. Les travaux de recherche de cette thèse confirment également, que la surveillance microsismique peut être un outil puissant pour étudier les processus d’instabilité des cavités souterraines, même avec un nombre réduit de capteurs si des outils d’analyse adaptés sont utilisés / In order to improve our understanding of hazardous underground cavities and its microseismic response, the development and collapse of a ~ 200 m wide salt solution mining cavity was monitored at Cerville-Buissoncourt in the Lorraine basin in NE France. The majority of the obtained dataset (~80%) was constituted of numerous unusual microseismic swarming events (~50.000 event files). This thesis presents innovative methods able to treat this specific microseismic data set, whose results provide new and fundamental insights into the principal characteristics of caving and collapsing related microseismicity and hazard assessment of excavated underground formations. The principal results are as follows: (i) the individual microseismic events are comparable to small natural tectonic earthquakes with moment magnitudes Mw ranging from around -3 to 1. (ii) Source mechanisms for most microseismic events are remarkable stable and demonstrate a predominant thrust faulting (double-couple) regime with faults similarly oriented NW-SE, dipping 35°-55° , what might be related to the presence of systematically arranged pre-existing fractures. (iii) The origin of microseismic swarming is suggested in the incapacity to sustain larger strains and to release larger stresses, what seems to be related to the mechanical constitution of the rock strata overlying the cavity (i.e. low strength materials). (iv) Caving and collapsing periods at the cavity roof are associated with systematic, self- reinforcing dynamics and have a distinct microseismic response, clearly observable from statistical analysis, which can be precisely described by empirical laws. The performed analysis and interpretation of the microseismicity at Cerville-Buissoncourt has shown that microseismic monitoring is a useful tool to constrain the mechanical and dynamical characteristics of an evolving and collapsing hazardous underground cavity