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Cette thèse est une étude du bassin d’avant-pays de l’Oural méridional au Kazakhstan (Mougodjar) à partir de données sédimentologiques (affleurements) et de sub-surface (profils sismiques, puits). Une étude sédimentologique des séries turbiditiques d’âge Carbonifère terminal-Permien inférieur a été menée dans le Mougodjar. L’étude des dépôts a permis de caractériser les environnements des dépôts turbiditiques et de mettre en évidence des séquences de long terme se succédant du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’analyse des faciès turbiditiques montre que les séquences de long terme sont contrôlées par les fluctuations du niveau marin global sous contrôle glacio-eustatique. L’orogenèse du Permien inférieur associée à la surrection de l’Oural a contrôlé le volume et la nature des apports sédimentaires alimentant le bassin d’avant-pays. Ceci se traduit par l’importance variable des conglomérats et brèches de démantèlement du matériel volcanique et des plate-formes carbonatées situées sur les marges du bassin et par des réorganisations locales des pentes sous-marines (changements de sens des paléo-courants). Les minéraux smectitiques dominent les assemblages argileux analysés dans les séries du Carbonifère terminal au Permien inférieur. L’illite, la kaolinite et la chlorite sont présentes en plus faibles proportions. Les assemblages argileux indiquent une relative pérennité des apports détritiques qui varient au cours du temps selon la distribution des faciès turbiditiques. Les fluctuations climatiques n’apparaissent pas contrôler la distribution des minéraux argileux qui semble plutôt associée (1) à l’érosion de stocks argileux variés en fonction des fluctuations eustatiques et/ou (2) à la redistribution du matériel détritique le long d’un transect proximal-distal sous l’effet de processus de tri granulométrique. La distribution de la matière organique principalement marine du Dévonien moyen au Carbonifère, montre que les paléoenvironnements étaient favorables à de fortes paléo-productivité de surface probablement associées à une dysoxie/anoxie de toute ou partie de la colonne d’eau, dans un contexte de bassin marin restreint. Les plus fortes valeurs de COT (20 %) mesurées dans la coupe de Kiya (Famennien) sont pourraient être associées à un des OAEs majeurs du Dévonien, l’évènement Hangenberg, mais la précision des données biostratigraphiques disponibles ne permet pas de l’assurer. Quoi qu’il en soit, les OAE qui se succèdent au Dévonien auraient pu favoriser l’accumulation et la préservation de la matière organique dans le Dévonien du Mougodjar, en plus des facteurs physiographiques (restriction du bassin vers le sud). Les fortes concentrations en carbone organique (COT 20%) des sédiments dévoniens montrent de bonnes roches mères potentielles. Les teneurs en carbone organique, surtout d’origine terrestre, des sédiments turbiditiques permiens sont plus faibles (COT pouvant cependant atteindre 4%) mais assez élevées dans certains niveaux stratigraphiques. Les faciès silto-sableux proximaux ont livré les plus fortes concentrations en COT. Ces turbidites permiennes ont des caractéristiques de réservoirs. Elles peuvent aussi se révéler de roches-mères gas-prone potentielles. L’interprétation des données de sub-surface nous a permis de préciser la structure du bassin d’avant-pays à l’échelle de l’Oural méridional. Il est constitué de plis et de chevauchements à vergence est qui résultent d’une évolution polyphasée. Les plis s’amortissent vers l’ouest et passent à la partie peu déformée du bassin puis à la plate-forme. A partir de ces données nous avons reconstruit des schémas d’évolution tectono-sédimentaire et des cartes paléogéographiques de la partie occidentale du Mougodjar. / This thesis is dedicated to the study of the foreland basin of southern Ural in Kazakhstan (Mougodjar). Sedimentological data have been collected from field investigations, and sub-surface data (seismic profiles, wells) have been studied. A sedimentological investigation of the turbidites, Carboniferous to Early Permian in age, has been performed. It allowed to characterize the environments of deposition of the turbidites and to evidence the long-term succession from uppermost Carboniferous to early Permian. The analysis of turbides indicates that the long-term sequences are controlled by global sea-level changes controlled by glacio-eustatism. The Early Permian orogeny, associated to the uplift of the Ural chain, controlled the quantity and quality of the sedimentary input sourcing the foreland basin. Important variations in the conglomeratic levels reflect (1) the erosion of material from the volcanic arc and carbonate platforms constituting the margins of the basin, and (2) local reorganizations of sub-marine slopes (changes in paleo-current directions). The smectitic minerals are the most frequent in the clay minerals assemblages reported in the uppermost Carboniferous to Early Permian sequences. Illite, Kaolinite, and chlorite are less frequently observed. This assemblage of clay minerals shows a permanence of detrital sources filling the basin. This pattern is thought to reflect a sorting effect of the clay particles along a proximal-distal transect, either than a direct paleoclimatic control. The distribution of the organic matter, mainly marine from the Middle Devonian to the Carboniferous indicates that the paleoenvironments were looked favourable to high surface paleoproductivities associated to a dysoxy/anoxy of all, or part, of the water column in the context of a restricted marine basin. The highest values of COT (20 %) found in the Kiya section (Fammenian) may be associated to a major Devonian OAE, the Hangenberg event. However, the accuracy of available biostratigraphic data does not allow to ensure such correlation. Indeed, OAE events may have favoured the accumulation and preservation of the organic matter in the Mougodjar, in addition to physiographical effects (e.g., the relative closure of the basin toward the south). The high concentration in organic carbon (COT 20%) of the Devonian sediments shows good potential source rocks. The content in organic matter, mainly from terrestrial origin, of the Permian turbidites are lower (COT reaching up to 4%), but quite high in some stratigraphic levels. The proximal silty-sandy deposits display the higher COT values. These Permian turbidites may be good reservoirs. They could also be potential gas-prone source rocks. The study of the sub-surface data allowed us to determine the structure of the foreland basin at the scale of southern Ural. It is constituted of folds and west-vergent thrusts resulting from a polyphased tectonic evolution. The folds gradually disappear toward the west passing westward either to the stable Russian platform in the north or to the eastern Pre-Caspian basin to the south. We have reconstructed the tectono-sedimentary evolution of the western Mougodjar through paleogeographic maps. Five key periods have been selected between the Devonian to early Permian period. Our reconstructions evidence two main orogenic events: (1) a first collision between the European continent and the Magnitogorsk volcanic arc in Middle Devonian, and (2) the major uralian orogeny during the Late Carboniferous to Early Permian times resulting from the collision of the European continent with the Kazakh and Siberian plates. This event originated the foreland basin, which is almost completely fulfilled by a thick detrital sequence. In Kungurian, the foreland basin is almost completely isolated and a thick evaporitic sequence deposited.

L’étude du comportement des roches nécessite de comprendre leur réponse sous diverses sollicitations. L’étude énergétique de l’endommagement des roches est indispensable pour prédire les phénomènes dynamiques. Ces phénomènes sont dus au développement de fissures dans les roches soumises à des fortes contraintes initiales et induites. La fissuration est une forme de dissipation d’énergie qui permet de rétablir l'équilibre du milieu. L’objectif de la thèse est de modéliser la fissuration dans les milieux rocheux dans la perspective d’étudier le comportement des ouvrages souterrains à grande profondeur. Le développement des modèles capables de représenter la fissuration, la coalescence des fissures et leur interaction avec des fractures préexistantes est indispensable. De la littérature, il ressort deux principales approches théoriques et numériques de modélisation de la fissuration : continue et discrète. Une synthèse critique de ces approches nous a conduit à retenir l’approche discrète et plus particulièrement le code Yade dans le cadre de cette thèse. Ce code permet de simuler explicitement la fissuration avec ou sans fractures pré-existantes. Des développements ont été effectués afin de tenir compte des différentes formes d’énergie intervenant dans le comportement des roches soumises à des sollicitations. En particulier une corrélation entre l’énergie de fissuration numérique et l’activité microsismique observée sur des échantillons en laboratoire en compression. Les différentes composantes énergétiques explicitées puis implémentées dans Yade sont : le travail externe, l’énergie potentielle, l'énergie élastique, l’énergie de frottement, l’énergie de fissuration, l'énergie cinétique et l’énergie dissipée en amortissement. La validation de l’approche énergétique a été réalisée grâce à la simulation des essais de laboratoire. L’évolution des différentes composantes énergétiques a permis de vérifier que le bilan des énergies est correctement évalué. Le bilan énergétique a également été vérifié à échelle de structures en simulant l’excavation souterraine d’un Mine-by Experiment (URL Manitoba). L’extension de la zone endommagée induite par l’excavation prédite numériquement a été comparée à celle observée in-situ autour du Mine-by Experiment. Il a été constaté que l’endommagement prédit est similaire à celui observé dans les directions des contraintes initiales mineure et majeure. Par ailleurs la formulation énergétique permet d’étudier numériquement les processus de fissuration des roches. Wassermann (2006) a réalisé des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur des échantillons de minerai de fer lorrain. Nous avons modélisé ces essais. La comparaison qualitative des événements acoustiques et des énergies de fissuration issues respectivement des essais et des simulations numériques a montré des tendances similaires. Par contre, la comparaison d’un point de vue quantitatif a montré que le nombre des événements acoustiques numériques est plus important que celui déterminé expérimentalement. L’énergie dissipée par fissuration numérique est également plus importante que celle obtenue sur les essais. Cette différence est expliquée par le fait que les capteurs du dispositif expérimental ne détectent pas tous les événements acoustiques. Les résultats obtenus pourront permettre de mieux comprendre les cinétiques des phénomènes dynamiques dans les ouvrages souterrains profonds. Une autre application a consisté à modéliser un pilier de mine de fer de Joeuf (Lorraine). Le modèle numérique montre deux modes de fissuration dans le pilier : (a) écaillage en peau de pilier, (b) deux bandes de rupture s’initiant du mur et toit du pilier pour se propager vers le cœur du pilier. Ce travail offre de bonnes perspectives pour mieux comprendre la propagation de la fissuration à plus grande échelle mais aussi de progresser dans la recherche de corrélation entre la géomécanique et la géophysique / The study of rock mass behavior requires the understanding of their response under various loadings. The study of rock damage from an energetic point of view is essential in order to predict dynamic phenomena. These phenomena are due to the development of cracks in rocks subjected to strong initial and induced stresses. Fracturing is a form of energy dissipation that restores the balance of the involved medium. The aim of the thesis is to model rock cracks and study the behavior of underground structures at great depths. The development of models able to simulate the fracturing, the coalescence of cracks and their interaction with pre-existing fractures is essential. In the literature, there are two main theoretical and numerical approaches for crack modeling: continuous and discrete. A detailed analysis of these approaches has led us to choose the discrete approach and more particularly the code Yade. This code enables to simulate explicitly cracks propagation with or without pre-existing fractures. Developments have been made to evaluate the different forms of energy involved in rock behavior. In particular, a correlation between the cracks energy determined numerically and the microseismic activity observed in laboratory samples has been performed. The various energy components developed and then implemented in Yade are: external work, potential energy, elastic energy, friction energy, cracks energy, kinetic energy and damping energy. Validation of the energy approach was carried out by simulating laboratory tests. The evolution of the various energy components permits to verify that the energy balance is correctly evaluated. The energy balance was also verified at a structure scale by simulating the underground excavation of a Mine-by Experiment (URL Manitoba). The extension of the damaged zone induced by excavation and predicted by numerical simulations was compared with that observed in-situ around the Mine-by Experiment. It has been found that the predicted and the observed damage are similar in the directions of initial minor and major initial stresses. In addition, the energy formulation enables to study numerically the fracturing process of rocks. Wassermann (2006) performed uniaxial and triaxial compression tests on samples of iron ore from Lorraine. We have modeled these tests. The qualitative comparison of acoustic events and cracks energies determined from tests and numerical simulations showed similar trends. On the other hand, the quantitative comparison showed that the number of numerical acoustic events is greater than the number of experimental acoustic events. Also, the energy dissipated by cracks determined numerically is greater than the energy measured in the tests. This difference is explained by sensors accuracy of the experimental device, which are not able to detect all the generated acoustic events. The results obtained will allow us to better understand the dynamic phenomena in the deep underground structures. Another application consisted in modeling an iron ore pillar of Joeuf (Lorraine). The numerical model shows two modes of cracking in the pillar: (a) flaking of pillar wall, (b) two breaking bands initiating from the wall and the roof of the pillar to propagate towards his core. This provides good perspectives for better understanding cracks propagation at a larger scale, also to progress in the understanding of the correlation between geomechanics and geophysics