Analyse pétrophysique et anisotropie des roches détritiques dans des systèmes en compression et sous influence de failles actives : Exemple des prismes de Taiwan et du prisme de Nankai (Japon)L'objectif de cette thèse est l'étude de la déformation enregistrée par des roches d'origine détritique dans des domaines sujets au raccourcissement tectonique sub-horizontal (Layer Parallel Shortening) et à des failles actives. Cette étude est basée sur la caractérisation de diverses propriétés physiques et de leur anisotropie à l'échelle de l'échantillon dans le but de décrire à plus grande échelle la structure d'un prisme d'accrétion. Deux prismes ont ainsi été échantillonnés, le premier est le prisme inactif de Taiwan dans le cadre du projet TCDP et le second considéré comme actif celui de Nankai dans le cadre du projet NanTroSeiZE. La microstructure d'une roche sédimentaire, y compris en l'absence de déformation tectonique, présente toujours une ou plusieurs caractéristique(s) anisotrope(s) liée(s) à la forme, à l'orientation préférentielle ou à l'arrangement de ses éléments constitutifs. De nombreux travaux ont porté sur les conséquences de ces anisotropies sur les propriétés physiques, d'abord dans un but prédictif, puis selon une démarche inverse visant à caractériser, à l'aide de modèles, microstructures et histoire tectonique associée. Dans cette thèse la confrontation des résultats obtenus pour différentes propriétés physiques (principalement vitesses des ondes acoustiques, susceptibilité magnétique et aimantation rémanente) met en évidence des réponses sélectives liées à un fort contrôle de la lithologie.Au niveau de prisme de Taiwan, deux résultats majeurs ont été obtenus. D'une part, la comparaison des anisotropies magnétiques et acoustiques a permis de montrer une évolution différentielle de la déformation entre les roches riches en matrice (siltite) par et celles plus riches en grain sableux (grès). D'autre part, les résultats combinés de l'anisotropie des ondes P, l'étude microstructurale et la minéralogie magnétique, montrent un comportement particulier des échantillons situé dans le mur de la faille FZB1136, considérée comme responsables du séisme de Chi-Chi en 1999. Un réseau de structures dilatantes fortement perméable à permis la circulation de fluides, de néo-cristallisation de calcite et de néoformation de minéraux magnétique. Sur le prisme de Nankai, une estimation de la quantification de la déformation enregistrée par les échantillons du prisme est modélisée en utilisant le modèle de March et les paramètres de susceptibilité magnétique. Les différents travaux réalisés dans cette thèse mettent en évidence un couplage direct de certaines propriétés physiques mesurées avec certains effets de déformation, chaque propriété caractérisant un point précis de la fabrique enregistré dans les roches.Mots-clefs : Anisotropie, susceptibilité magnétique, vitesses d'ondes ultrasoniques, déformation, fabrique, microstructures, faille inverse, TCDP, NanTroSeiZE. / Petrophysics of sedimentary rocks in compressive regime near active faults: examples of the Taiwan and Nankai accretionary prismsThe objective of this PhD is to study the deformation recorded by detrital rocks in areas subject to sub-horizontal tectonic shortening (Layer Parallel Shortening) and active faults. This study is based on the characterization of various physical properties and their anisotropy at sample scale in order to describe larger-scale structure of an accretionary prism. Two prisms have been sampled, the first is the inactive in Taiwan prism (TCDP project) and the second active the Nankai prism (NanTroSeiZE project).Sedimentary rocks microstructures, regardless of the degree to which they were loaded tectonically, always present some anisotropic characteristic emerging from a preferential shape, orientation or distribution of its constituents. Numerous studies have focused on the effect of such anisotropies on physical properties, first for prediction purposes, then to conversely get diffuse strain insight through the use of various effective medium models. In this thesis, the comparison between results obtained in discrete samples for various physical properties (essentially acoustic wave velocities, magnetic susceptibility and remanent magnetization) reveals selective responses due to a strong lithologic control.In TCDP, two significant results are reported. On the one hand, comparison of magnetic and acoustic anisotropy showed a differential evolution of deformation between the matrix-rich rocks (siltstones) and those with coarser granular fraction (sandstone). On the other hand, the combined results of the anisotropy of P waves velocity, microstructural analysis and magnetic mineralogy, show a peculiar behavior of the samples located in the wall of the fault FZB1136, considered to be responsible of the Chi-Chi earthquake in 1999. A network of highly permeable dilatant structures allowed the circulation of fluids, neo-crystallization of calcite and neoformation of magnetic minerals. On the Nankai prism, an estimate of quantifying the deformation recorded by the samples of the prism is modeled using a simple March-type model and the parameters of magnetic susceptibility. The various work in this thesis show a direct coupling of physical properties measured with some aspect of deformation, each property characterizing a specific point of the fabric recorded in rocks.Keywords : Anisotropy, magnetic susceptibility, ultrasonic wave velocity, strain, fabric, microstructures, thrust fault, TCDP, NanTroSeiZE.

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill. / L'étude de l'émission intégrée et résolue en temps de quatre configurations d'hétérostructures quantiques de type points-dans-un-fil d'InGaN/GaN nous a permis de déterminer la nature de la localisation et du mécanisme de recombinaison des porteurs de charge dans ces nanofils. Des mesures de comptage de photon unique correlés en temps (TCSPC) étendues sur une plage temporelle allant de 210 à 26000ns ont permis d'observer un comportement fortement non exponentiel de l'émission que nous avons déterminé être une loi de puissance. Nous avons trouvé que le temps de vie de l'émission diminue rapidement avec l'énergie d'émission. Par contre, l'observation d'un effet de la puissance d'excitation sur le temps de vie semble indiquer qu'à une énergie d'émission ne soit pas associée une seule dynamique d'émission à long temps. En utilisant une densité d'excitation laser de seulement quelques dizaines de watt par cm au carré, nous avons pu démontrer, en régime non perturbatif, que le profil des spectres d'émission intégrés en temps ainsi que la dynamique de l'évolution temporelle de l'émission étaient tout à fait compatibles avec une recombinaison radiative centrée sur une distribution de nano-agrégats riches en indium naturellement formés lors de la croissance des nanofils par MBE assistée par plasma. Cette conclusion est supportée par notre incapacité à observer l'effet Stark à confinement quantique, le succès d'un modèle de séparation de charges parfaitement compatible avec l'image des nano-agrégats d'indium et, finalement, par l'observation d'une émission principalement isotrope en polarisation. / We have performed time-integrated and time-resolved photoluminescence measurements on four different configurations of InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures in order to further our understanding of the localization and radiative recombination mechanism involved in the process of emission. Time correlated single photon counting (TCSPC) measurements from 100 ns to 26000 ns have allowed us to observe a strong non-exponential decay which follows a power law on long time scale. The characteristic exponent of this power law is strongly correlated with the emission energy, causing the life-time of the emission to fall rapidly with increasing of its energies. The observation that the excitation power has an effect on the life-time shows that other factors such as the growth conditions must be involved in the coupling between life-time and energy. Using a low power density of a few tens of watts per cm squared, we have shown, in a non perturbative regime, that the shape of the time-integrated spectra and the dynamics of the time-resolved decay curves were consistent with a radiative recombination process centered on In-rich nanocluster. These nanoclusters naturally occur in the embedded InGaN inclusions during the growth by plasma-assisted MBE. This conclusion is supported by the absence of Quantum confined Stark effect. The success of a charge separation model is perfectly consistent with the emission centered on In-rich nanocluster and the observation of a quasiperfect isotropic emission.

Le besoin de prédire le comportement mécanique des structures industrielles en béton armé et d’évaluer leur niveau d’endommagement en conditions extrêmes sous l’action de chargements dynamiques violents nécessite de faire appel à la simulation numérique utilisant des modèles de matériaux fiables et robustes. Dans cette thèse, le modèle d’endommagement anisotrope induit utilisant une variable tensorielle d’ordre 2 est étendu aux cas de chargements peu confinés à l’aide d’un nouveau critère modulaire formulé en contraintes. Grâce au mécanisme de visco-endommagement, le modèle traite toute la gamme de vitesses de sollicitation envisagée pour des structures en béton armé. Le comportement cyclique avec refermeture des fissures est pris en compte et l’endommagement peut atteindre 1 exactement dans une ou plusieurs directions grâce à une nouvelle gestion de la rupture. Le calcul d’un tirant a montré que cette procédure est indispensable pour plastifier l’acier et éviter un endommagement généralisé du béton. Lors du volet expérimental de la thèse, des essais de caractérisation du béton et des essais d’arrachement ont été réalisés en coopération avec le Département Génie Civil de l’ENS Cachan, suivis des essais d’impact sur poutres sur la tour de chute Orion au laboratoire DYN du CEA à Saclay. Avec une prise en compte pragmatique de l'interface acier-béton, la comparaison des calculs et des essais a montré qu'il était nécessaire de disposer d’un modèle de liaison acier-béton pour éviter un endommagement trop important du béton au voisinage des armatures, de réduire les temps de calcul, d’améliorer la méthode de régularisation et de prendre en compte les déformations permanentes. / The need to predict the mechanical behavior of reinforced concrete industrial structures and assess their level of damage in extreme conditions under the action of dynamic loads requires the use of numerical simulations and develop reliable and robust material models. In this thesis, the model of induced anisotropic damage using a tensor variable of order 2 is extended to the case of low-level confined loads using a new modular criterion written with stresses. Through the mechanism of visco-damage, the model treats the entire solicitation rate range considered for reinforced concrete structures. The cyclic behavior with reclosing of cracks is taken into account and the damage can reach 1 exactly in one or more directions due to a new rupture management. The calculation of a tie-beam showed that this procedure is necessary to plasticize steel and prevent widespread damage concrete. During the experimental part of the thesis, characterization tests for concrete and pullout tests were conducted in cooperation with the Civil Engineering Department at ENS Cachan, followed by impact tests on beams on the Orion drop tower of DYN CEA Saclay laboratory. With a pragmatic consideration of steel-concrete interface, the comparison of calculations and tests showed that it was necessary to have a model of steel-concrete connection to avoid excessive concrete damage in the vicinity of reinforcements, as well as to reduce computing time, improve the regularization method, and take into account permanent deformations.

>Les maladies cardiovasculaires sont la première cause de mortalité dans le monde et font actuellement l’objet de nombreuses recherches. Dans le cas d’études des artères, un des objectifs est d’améliorer la compréhension des mécanismes biologiques impliqués dans des maladies comme l’hypertension, l’athérosclérose ou l’anévrisme. Les études mécaniques qui ont été menées s’appuient essentiellement sur des approches expérimentales in vitro, ce qui en limite leur intérêt et application dans le diagnostic clinique. Dans ce travail, un modèle théorique de comportement mécanique 3D de l’artère carotide prenant en compte le caractère hyperélastique, anisotrope, actif, précontraint et dynamique de la structure est proposé. Les mesures expérimentales sont obtenues in vivo sur des carotides communes de rats d’une part, et humaines de manière non invasive, d’autre part. Le problème mécanique aux limites est résolu semi-analytiquement sur un cycle cardiaque, considérant le tissu environnant. Les valeurs optimales des paramètres du modèle, en particulier de ceux décrivant les caractéristiques mécaniques de microconstituants pariétaux (élastine, collagène, muscle lisse), sont évaluées par régression non linéaire. Le modèle proposé permet (i) de reproduire les évolutions de pression luminale mesurées in vivo et (ii) de donner une évaluation des distributions de contraintes pariétales cohérentes avec la physiologie artérielle. Une corrélation entre l’âge des patients et les paramètres décrivant les contraintes résiduelles et les fibres de collagène, montre l’intérêt du modèle théorique et l’originalité de cette approche qui pourra donc être utilisée dans l’étude de pathologies artérielles. / Cardiovascular diseases are the number one cause of death globally and they are currently the subject of many researches. In studies of arteries, one of the aims is to improve understanding in biological mechanisms involved in diseases such as hypertension, atherosclerosis or aneurysm. The mechanical studies that were carried out predominantly rely on in vitro experimental testing, which limit their interest and application in clinical diagnosis. In this work, a theoretical modelling of the 3D carotid artery mechanical behaviour is proposed by assuming a hyperelastic, anisotropic, active, pre-stretched and dynamic wall structure. The experimental measurements were obtained in vivo from rat and human common carotid arteries, with non invasive recordings in the human case. The mechanical boundary value problem is solved semi-analytically over a cardiac cycle by also assuming the surrounding perivascular tissue. The best-fit values of the model parameters are estimated by nonlinear least-squares method, in particular those describing the mechanical characteristics of wall microconstituents (elastin, collagen, smooth muscle). The proposed modelling is able (i) to reconstruct the in vivo dynamic measured intraluminal pressures and (ii) to compute the wall stress fields which seem to be consistent with the arterial physiology. A correlation between patient age and the parameters related to residual stresses and collagen fibres shows the relevance of the theoretical modelling and the originality of the approach which, thereby, would be able to be used in studies of arterial pathological cases.

Avec la performance thermique croissante des bâtiments, les codes de simulation utilisés en conception requièrent des données de plus en plus précises sur les matériaux de construction. De plus, l’utilisation de matériaux biosourcés qui sont hygroscopiques (leur teneur en eau s’équilibre avec l’air humide ambiant) est en pleine expansion. Leur conductivité thermique et leur diffusivité massique doivent ainsi être caractérisées précisément. Un facteur essentiel affectant ces propriétés est la microstructure des matériaux. Ce travail de thèse propose de prédire les propriétés macroscopiques d’épicéa et de panneaux de fibres de bois (matériaux hétérogènes et anisotropes) à partir de leur morphologie réelle 3D. Celle-ci est obtenue par micro-tomographie synchrotron aux rayons X, outil très performant pour caractériser la structure interne d’un matériau de façon non destructive. Un traitement d’images permet de segmenter les phases solide et gazeuse. La méthode numérique choisie pour modéliser la diffusion de chaleur et de masse est la méthode Lattice Boltzmann car elle est simple à implémenter et à paralléliser et qu’elle peut facilement traiter des morphologies complexes. Les conductivités thermiques et diffusivités massiques équivalentes sont calculées dans trois directions orthogonales pour chaque matériau. Les résultats mettent en évidence l’influence de la structure interne et la forte anisotropie des matériaux étudiés (rapport 2 entre les directions tangentielle et longitudinale du bois en thermique et 30 en massique). La conductivité thermique transversale du panneau léger est de 0,04 W m−1 K−1. / As thermal performance of buildings is increasing, the simulation codes used during design require more accurate construction material data. Moreover, the use of bio-based materials which are hygroscopic (their moisture content balances with the ambient moist air) is booming. Their thermal conductivity and mass diffusivity must therefore be accurately characterized. A key factor affecting these properties is the microstructure of the materials. This work is dedicated to the prediction of macroscopic properties of spruce and fibreboards (heterogeneous and anisotropic materials) from their real 3D morphology. This is obtained by synchrotron X-ray microtomography, a powerful and nondestructive technique to characterize the internal structure of materials. Image processing allows the segmentation of the solid and gaseous phases. To model heat and mass diffusion, we choose the Lattice Boltzmann method because of its simple numerical development, suitability for parallel computing and easy processing of complex morphologies. The equivalent thermal conductivity and mass diffusivity are calculated in three orthogonal directions for each material. The results highlight the influence of the internal structure and the strong anisotropy of the materials studied (ratio of 2 between tangential and longitudinal directions of wood for heat diffusion and of 30 for mass diffusion). The transverse thermal conductivity of the lightweight board is about 0,04 W m−1 K−1.

L'influence de la présence de liquide sur les propriétés sismiques des systèmes partiellement fondus, ici les chambres magmatiques des dorsales océaniques et les panaches mantelliques, est mal contrainte. Cette étude apporte de nouvelles observations sismologiques sur l'anisotropie sismique sous la Polynésie française et les Galápagos. Les mesures du déphasage des ondes SKS et l'analyse de la polarisation des ondes P en Polynésie française montrent la participation de deux contributions: asthénosphérique et lithosphérique. La présence de liquide dans le manteau supérieur sous l'archipel des Galápagos pourrait se traduire par une absence d'anisotropie au centre de l'archipel. Les mesures d'atténuation des ondes ScS multiples confirment l'existence d'une zone plus atténuée au niveau de la Polynésie française que dans le reste du Pacifique sud. En outre, des mesures d'atténuation ont été réalisées dans des gabbronorites partiellement fondues aux fréquences sismiques, entre 500 et 1200°C. Au-dessus de la température de fusion, l'atténuation augmente significativement avec une dépendance plus forte à la fréquence. Il est montré que le mécanisme d'atténuation associé à l'écoulement localisé de liquide pourrait se superposer à un mécanisme d'atténuation associé à une diffusion au niveau des joints de grains. D'autre part, de nouvelles mesures expérimentales de la viscosité de deux silicates basaltiques et d'un silicate andésitique ont été effectuées. Des lois expérimentales de fluage décrivant les variations de viscosité dans une large gamme de températures sont proposées, ainsi que les paramètres thermodynamiques des échantillons analysés.

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

Ce travail de thèse traite de la relation entre les propriétés thermiques effectives de matériaux fibreux à base de bois d'une part et leur microstructure d'autre part. La technique de prise de moyenne est utilisée, dans le cadre général du non-équilibre thermique local, pour écrire les équations de transfert macroscopique de matériaux pouvant présenter une anisotropie locale de conductivité thermique (liée ici aux propriétés intrinsèques des fibres de bois) et exprimer le tenseur de conductivité thermique effective. Le modèle est renseigné par l'analyse quantitative d'images 3D de matériaux réels acquises par microtomographie X. Des outils issus de la morphologie mathématique sont mis en oeuvre pour caractériser finement la microstructure du réseau fibreux et en quantifier l'anisotropie locale et globale. Un volume élémentaire représentatif (VER) qui satisfait aux contraintes de la méthode de prise de moyenne peut être défini grâce à ces informations. Une méthode de segmentation basée sur un algorithme de squelettisation par amincissement homotopique est également développée afin d'identifier chaque fibre individuellement, ce qui permet d'accéder à de nombreux paramètres comme la longueur, la tortuosité ou encore le nombre de contacts. Le modèle thermique macroscopique développé ainsi que son implémentation numérique sont d'abord validés par une comparaison avec les prédictions théoriques dans des cas simples puis les valeurs des tenseurs de conductivité thermique effective, obtenus à partir des images de différents matériaux, sont finalement confrontés aux résultats expérimentaux.

Une étude de l'induction d'une anisotropie magnétique d'origine magnétostatique dans une couche mince magnétique (Ni81Fe19) à topologie modulée a été effectuée grâce aux observations réalisées à l'aide de mesures de magnéto-transport (AMR). La modulation à l'échelle nanométrique est obtenue avec une nouvelle approche basée sur la lithographie électronique. La présence d'une anisotropie uniaxiale orientée parallèlement à la modulation a été mise en évidence. Ce denier a permis la définition de deux axes orthogonaux d'anisotropie dans un même substrat et l'exploration de la faisabilité d'un capteur de champ magnétique bidimensionnel. Une géométrie de capteur à Effet Hall Planaire est proposée.<br />Le développement et la fabrication d'un dispositif permettant l'étude de la propagation d'une paroi de domaines dans une piste submicronique effectué sur une vanne de spin ont été accomplis. Dans ces dispositifs, la position de la paroi est déterminée par la mesure de la magnétorésistance géante (GMR). L'étude systématique des champs d'injection et de dépiégeage a montré l'existence une asymétrie de la propagation de la paroi entre les transitions P -> AP et AP -> P. Il a été montré, grâce à une série de simulations micro magnétiques, que cette asymétrie résulte de l'influence du champ dipolaire créé par la couche fixe sur les configurations adoptées par la paroi dans la couche libre. Des mesures de relaxation de temps ont permis d'obtenir la probabilité cumulée de dépiégeage de la paroi à partir de la constriction. Une variété de comportements a été ainsi mise en évidence.

La mise en contact d'une roche argileuse avec une solution aqueuse entraîne l'apparition d'un gonflement qui joue un rôle important dans le comportement des ouvrages creus ́es dans ce type de terrain. Cette déformation est marquée par un caractère tridimensionnel et anisotrope et fait intervenir plusieurs mécanismes comme l'adsorption, l'osmose ou la capillarité. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés au gonflement et ont souvent ́été controversés en raison de la complexité des phénomènes impliqués. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de ces recherches et vise à contribuer à la compréhension du gonflement des roches argileuses lorsqu'elles sont confinées et soumises à une solution hydratante. L'essentiel des travaux réalisés dans cette thèse a concerné l'argilite de Lorraine et l'argilite de Tournemire. Pour caractériser le gonflement et identifier les principaux paramètres qui le gouvernent, il était nécessaire d'aborder le problème en premier lieu avec une approche expérimentale. De nombreux dispositifs ont alors été mis au point afin de réaliser des essais dans différentes conditions de gonflement. Afin de faciliter l'interprétation des essais et par la suite la modélisation des comportements observés, la démarche expérimentale adoptée a consisté à étudier le gonflement à partir d'une analyse mécanique suivie d'une analyse chimique. Dans la partie mécanique, le gonflement a été étudié en imposant à l'échantillon des sollicitations mécaniques et en maintenant invariante la solution d'hydratation durant les essais. Les principaux points examinés étaient, d'une part, l'effet des conditions aux limites latérales sur le gonflement axial (déplacement nul ou contrainte constante), et d'autre part, l'influence de la contrainte axiale et son historique de déchargement sur le gonflement radial. L'anisotropie du gonflement a été étudiée en effectuant, pour différentes orientations de l'échantillon, des essais de gonflement libre, de gonflement empêché et de gonflement uniaxial. Cet ́éventail d'essais mécaniques a permis d'étudier le gonflement tridimensionnel anisotrope en passant du gonflement maximal au gonflement nul et de choisir le type d'essai le plus approprié à utiliser dans la suite de la recherche. L'analyse précise effectuée pour expliquer les mécanismes qui sont à l'origine du gonflement a montré que le comportement est surtout régi par des phénomènes électrochimiques qui s'opèrent entre les ions de la solution et les feuillets argileux. Ce résultat important nous a conduit à développer plus en détail dans la partie chimique le rôle de la solution aqueuse. Dans cette partie, le gonflement a été dans ce cas étudié en imposant à un échantillon des sollicitations chimiques tout en maintenant constante la contrainte axiale appliquée durant les essais. Les sels monovalents et le sel divalent utilisés à différentes concentrations sont le chlorure de sodium (NaCl), le chlorure de potassium (KCl) et le chlorure de calcium (CaCl2). L'objectif recherché était d'analyser les effets de l'historique du chemin chimique avec des concentrations décroissantes ou des concentrations cycliques et de mettre en évidence, sur le gonflement axial, le rôle de la normalité de la solution, de chaque type de sel, de l'anisotropie et de la contrainte appliquée. <br />Les résultats expérimentaux obtenus ont permis le développement d'un modèle rhéologique qui prend en considération le temps, l'anisotropie, le chargement appliqué et le chimisme de la solution d'hydratation. Ce modèle a été intégré dans un code numérique et des applications sur des cas simples ont été réalisées pour montrer sa validité.