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Θεματικός πυρήνας της συγκεκριμένης εργασίας είναι η αναγνώριση και ερμηνεία των τασικών πεδίων που έδρασαν στην ευρύτερη περιοχή της νήσου Λήμνου-η οποία δεν εντάσσεται σε κάποια από τις γνωστές τεκτονοστρωματογραφικές ενότητες διότι δεν έχουμε εμφανίσεις των πετρωμάτων υποβάθρου- ,τα οποία οδήγησαν στην ενεργοποίηση ορισμένων ομάδων ρηγμάτων . Η αναγνώριση των τάσεων στηρίχθηκε τόσο σε παλαιότερες προσπάθειες συσχέτισης της γεωμετρίας των ρηγμάτων και της κινηματικής τους , με τις τάσεις που τα προκαλούν, όσο και σε συλλογή και επεξεργασία δεδομένων που συλλέχθηκαν στην ύπαιθρο μέσω του λογισμικού TECTONICSFP. / The core subject of this particular study is the recognition and structural interpretation of the stress regime of Lemnos island- which cannot be categorized in any of the tectonostratigraphic units, due to the fact that there are no rocks exposed on the island to help us determine a single unit that may fit-which led to fault activation. The recognition of the stress tensors was based not only in older tries of correlation between the geometry of the faults and their kinematics, but also in collecting geological data and processing them with the use of the software TECTONICSFP.

La restauration structurale a pour objectifs de déterminer la géométrie passée des roches et de valider les interprétations structurales. Les méthodes classiques sont basées sur des hypothèses géométriques et/ou cinématiques, et imposent un style de déformation. Les méthodes géomécaniques, en intégrant le comportement élastique des roches et les lois fondamentales de conservation mécanique, visent à résoudre les problèmes des méthodes classiques. Toutefois, il y a des incertitudes sur le choix des paramètres élastiques, et les contraintes de maillage rendent difficile l’utilisation de cette méthode comme un outil de validation des interprétations structurales. Le choix d’une méthode de restauration en particulier est rendu difficile par le fait qu’il y ait plusieurs approches de restauration géomécanique, en plus des nombreuses méthodes géométriques et cinématiques. Cette thèse présente en premier lieu une revue des différentes méthodes géomécaniques 3D visant à déplisser et annuler l’action des failles dans un modèle géologique. L’objectif de cette revue est de présenter les forces ainsi que les limites, théoriques et pratiques, de chaque méthode. Dans un second temps, à travers la restauration d’un modèle analogique (sandbox), nous présentons nos travaux sur le choix de conditions aux limites appropriées pour obtenir un modèle restauré cohérent. Ce modèle structural expérimental a été déformé en laboratoire et présente plusieurs analogies avec des structures extensives postérieures à une base salifère. Grâce à l’observation de l’évolution temporelle de la géométrie du modèle analogique sur une coupe, nous montrons qu’une condition aux limites correspondant à un raccourcissement latéral est nécessaire. Ce raccourcissement peut être estimé par la méthode de la surface transférée. De plus, nous définissons de nouvelles conditions aux limites de contacts de failles pour restaurer correctement le réseau de failles complexe du modèle analogique. Ces nouvelles conditions lient les bords internes des surfaces de failles et connectent les composantes connexes des failles coupées et déplacées par des failles plus récentes. Troisièmement, le test de différents paramètres élastiques indique que le module de Young, défini homogène au sein d’un modèle géologique, n’a quasiment pas d’effet sur le champ de déplacement. Toutefois, le coefficient de Poisson a un impact significatif sur la dilatation volumique. Dans un dernier temps, nous comparons la restauration géomécanique avec une méthode géométrique qui repose sur un modèle chronostratigraphique (GeoChron) qui fait une bijection de chaque point du sous-sol avec son équivalent dans l’espace de dépôt (Wheeler). Nous montrons que les deux approches de restauration fournissent des modèles restaurés du modèle analogique qui sont similaires géométriquement. La méthode géométrique a de nombreux avantages pour obtenir rapidement et avec précision le modèle restauré, mais elle manque de flexibilité sur le choix des contraintes de la déformation. La force de la méthode géomécanique est de pouvoir définir des conditions aux limites personnalisées et des comportements mécaniques spécifiques pour gérer les contextes mécaniquement complexes / Structural restoration aims to recover rock paleo-geometries and to validate structural interpretations. The classical methods are based on geometric/kinematic assumptions and impose a style of deformation. Geomechanical methods, by integrating rock elastic behavior and fundamental mechanical conservation laws, aim to solve issues of classical methods. However several studies show that the geomechanical restoration lacks physical consistency in particular because of the boundary conditions. There are uncertainties on the choice of the elastic properties, and the meshing constraints limit this method to be used as a validation tool of structural interpretations. The choice of a specific restoration method is difficult because there are many geomechanical restoration approaches, in addition to the numerous geometric/kinematic methods. Firstly, this thesis presents a review of the various 3D geomechanical methods to unfold and unfault a 3D geological model. The objective is to present their, theoretical and practical, strengths and limits. Secondly, through the restoration of a structural sandbox model, we worked on the choice of adequate boundary conditions to get a proper restored model. This structural sandbox model was deformed in laboratory and presents several analogies with supra-salt extensional structures. Thanks to the observation of the analog model geometry through time on a cross section, we show that a lateral shortening boundary condition is necessary. We show that this shortening can be estimated by the area-depth method. Moreover we define new fault contact conditions to handle complex fault networks. These novel conditions tie internal fault borders and join parts of offset faults. Thirdly, the test of several elastic parameters shows that Young’s modulus, homogeneous within a geological model, has almost no effect on the restoration displacement field. However, Poisson’s ratio has a significant impact on the volume dilatation. Finally, we compare the mechanics-based restoration method with a geometric-based method relying on a chronostratigraphic model (GeoChron) mapping any point of the subsurface to its image in depositional (Wheeler) space. We show that both methods provide a geometrically similar restored state for the analog model. The geometric method has numerous advantages to quickly and accurately get a restored model, but it lacks flexibility on the choice of the deformation constraints. The geomechanical restoration method force is to define custom boundary conditions and specific mechanical behaviors to handle complex contexts

Dans cette thèse nous quantifions les interactions entre phénomènes tectoniques et magmatiques au niveau d'un rift proche de la rupture continentale: celui du Dabbahu / Manda Hararo en Afar (Ethiopie), qui a été le siège d'un épisode de rifting majeur en 2005. Nous apportons ici des contraintes temporelles sur ces interactions à l'échelle du millier à la dizaine de millier d'années, afin de mieux comprendre l'évolution des processus responsables de l'acquisition de la topographie. Pour cela nous avons produits des âges d'expositions de surfaces de coulées de laves et d'escarpement de failles par la technique des isotopes cosmogéniques. Ces datations ont été combinées à des travaux de cartographie et de géochimie (éléments majeurs et traces). Nous montrons que nord du segment est sous l'influence de la présence d'un volcan terminal qui impacte le développent de la topographie. Le milieu du segment permet d'évaluer l'impact des variations spatiales et temporelles de la localisation des réservoirs sur la topographie. Le long du segment, il apparaît que la topographie se développe quand les réservoirs magmatiques locaux ont une activité modérée à faible, alors que la topographie est inhibée lors des phases de magmatisme intense. Nos observations ont permis de monter que l'épisode de rifting de 2005 n'est pas représentatif de l'évolution globale de la morphologie du rift, et que ce type d'intrusion ne représente sans doute qu'un dixième des injections totales. Enfin, l'accrétion magmatique est soutenue à l'axe par différents réservoirs magmatiques qui semblent se relayer dans le temps, et dont la position peut varier de 15 kilomètres de part et d'autre de l'axe / In this thesis we quantify the interactions between tectonic and magmatic processes in the active Dabbahu rift segment, which experienced in 2005 a major rifting event. Here, we provide accurate constraints at this time scale by producing cosmogenic exposure ages of lavas surfaces and faults scarps, in order to decipher the morphological evolution of a rift depression, and to identify the processes that are responsible for the topography acquisition. The study is based on samples taken on two separate areas of the rift. The field areas were systematically mapped, and all lavas were chemically analysed in major and trace elements. The first studied focused the northern portion of the rift segment, where the lavas of the segment terminating volcano meets the neo-volcanic zone. This area allowed the influence of the presence of such volcanic edifice to be assessed. The second studied area is located at the middle of the segment, and covers the rift western margin up to the rift axis. The topography in this area is sensitive to the evolution in space and time of the location of the different axial magma reservoirs. Our results show that along the rift segment, topography develops during phases of low magmatic activity, and is inhibited during phases of lower magmatic activity. The 2005 appears to be an unusual event that represents about a tenth of the total intrusions necessary to build the depression. The maintaining of magmatic accretion at the axis seems to be the result of a relay between different magma reservoirs. The position of these reservoirs can vary between 0 and 15 km from both sides of the rift axis

Nous présentons dans ce mémoire l'influence que peuvent avoir les écoulements de fluide au sein de la matrice rocheuse fracturée, laquelle est sujette aux variations locales ou régionales de l'état de contrainte in situ. Du fait de l'augmentation de la pression de pore, la longueur et l'ouverture de la (les) fracture(s) peuvent subir des variations significatives et conduire à la formation de chemins préférentiels pour l'écoulement du fluide dans le milieu géologique. Les modèles théorique et numérique évoqués ici sont des modèles de comportement hydro-mécanique pour le milieu poreux saturé en présence d'une seule phase fluide. La méthode des éléments finis étendue (XFEM) est utilisée afin de modéliser la dynamique des fractures ainsi que les écoulements de fluide dans la matrice rocheuse fracturée, sans être tributaire de la dépendance au maillage. Ainsi, nous considérons: (i) qu'il existe une pression fluide induite par l'écoulement au sein de la fracture, (ii) que la dynamique de la fracture est gérée grâce à un modèle de zone cohésive en supposant un chemin de propagation prédéfini, et (iii) que des échanges entre la fracture et la matrice poreuse peuvent se produire. Ce dernier aspect sera pris en compte en introduisant, dans la formulation du problème couplé, un champ de multiplicateur de Lagrange. Ce champ résulte de la dualisation de la condition d'égalité entre la pression de pore et de la pression de fluide au niveau des parois de la fracture. Afin de respecter les contraintes liées à XFEM, nous avons choisi d'introduire dans la formulation une loi cohésive non-régularisée de type Talon-Curnier. Ce type de loi est capable de gérer la propagation et/ou la refermeture de la fracture. Le modèle HM-XFEM a été validé à partir des solutions analytiques du modèle 2D de fracture KGD, et ce, pour différents régimes de propagation. Nous avons ensuite appliqué le modèle HM-XFEM au cas d'un réseau de fractures non connectées entre elles et évoluant sur des chemins de propagation prédéfinis, afin d'analyser comment les fractures d'un réseau peuvent influer les unes sur les autres lorsqu'elles sont soumises à un écoulement. En particulier, une étude paramétrique a été menée afin de montrer l'influence que peuvent avoir la viscosité, le débit d'injection et l'écartement entre les fractures sur leur propagation. Une attention particulière sera porté à l'évolution du stress-shadowing effect (i.e. modification de l'état de contrainte due à l'effet d'interaction entre les fractures). / In the present work, we address the issue of groundwater flow in the fractured porous media submitted to local or regional stress-state variations. Due to the increasing pore fluid pressure, the length and aperture distribution of the fractures are modified resulting in the formation of preferential flow channels within the geological formation. The numerical approach proposed is a fully coupled hydro-poro-mechanical model in saturated conditions involving single-phase flow both in fractures and in the porous matrix. The extended finite element method (XFEM) is employed for modeling fracture dynamics and flow calculation for fracture which do not lie on the mesh but cross through the elements. In this study: (i) we consider the pressure build up generated by fluid flow inside and through the fracture, (ii) the fracture dynamics by using a cohesive zone model (CZM) on pre-existing propagation path and (iii) fluid exchanges may occur in between fractures and porous medium. The last specification of the HM-XFEM model is taken into account through the introduction of a Lagrange multiplier field along the fracture path. These fields are the result of the dualised condition of pressure continuity between the pore pressure and the fluid pressure inside the fracture. As a function of the Lagrange multiplier value, both permeable and impervious fractures can be considered. The cohesive law employed is a non-regularized-type cohesive law to ensure propagation and eventually closure of the fracture. Validation of the model has been conducted by means of the well-known KGD fracture model when different propagation regimes are considered. We applied the HM-XFEM model to the case of multi-stage fracture network stimulated by the injection of incompressible fluid at constant rate. Fractures are not connected to each other and evolve on pre-existing propagation paths. We aim at appreciating the influence of the fluid viscosity, the injection rate and spacing between each fracture, on the fracture propagation. A peculiar attention is paid to the stress-shadowing effect (i.e. interaction between fractures).