Cette thèse s'attache à caractériser l'évolution dans le temps et l'espace des circulations de fluides le long des failles. Une approche multidisciplinaire et multi-échelle a été mise en place sur un exemple naturel dans la région du plateau du Colorado (Utah): du terrain à la modélisation et de la proche-surface au bassin. L'étude des minéralisations en proche surface et leur lien avec le transfert le long des failles a été effectuée sur des travertins récents. L'analyse isotopique et la datation U/Th des veines de travertins révèle des cycles de circulation de fluides enrichis en CO2 et de précipitation épisodiques de carbonates de calcium (travertin) correspondant à des cycles saisonniers ou climatiques (annuels et centennals) ainsi qu'à des cycles qui s'apparentent à des cycles sismiques de l'ordre du millier d'années. Ces données permettent de calibrer le volume de CO2 qui a fuit par la faille. Des zones de paléo-circulation, témoins de l'activité des failles sur le long-terme, sont observées sous forme de blanchiment chimique ("bleaching") des grès à l'affleurement, et ont été étudiées à l'échelle du bassin. Deux épisodes principaux de circulation de fluides le long des failles ont été distingués : une première circulation durant l'enfouissement maximum puis une seconde circulation le long des réservoirs et des failles, qui est reliée à des phénomènes tectoniques régionaux, compemporains de la remontée du Plateau du Colorado. La dernière circulation s'est découpée en plusieurs pulses avec des circulations de fluides de différente nature (tels que des saumures, des fluides riches en hydrocarbures ou en CO2) au cours du temps et le long des failles. / This work aims to characterise fluid flow along faults in time and space. Multi-disciplinary and multi-scale investigations of a natural analogue have been carried out in the Colorado Plateau area (Utak, USA), from fieldwork to numerical modeling. The study of Quaternary travertine calibrated the near-surface mineralization and their relationship with the faults. Stable Isotope measurements and U/Th datings of travertine veins revealed episodic cycles of CO2-fluid circulation and related calcium carbonate precipitation (travertine). These cycles may be linked with seasonal or climatic cycles (annual and centennial) and also with seismic cycles of millennial duration. Based on the obtained data, escaping CO2 volumes from the fault zone, with time have been calibrated. Chemical bleaching of the outcropping sandstones, linked with fluids paleo-circulation at depth, has been characterized at basin scale. Two main circulation events have been distinguished: a first circulation contemporaneous to maximum burial and a second along-reservoirs and faults circulation that could be linked with later regional tectonic events, contemporaneous of Colorado Plateau rusing. Pulses of different fluids (such as brines, fluids enriched in hydrocarbons or CO2) are linked in time and space with the last circulation.

Cette thèse s'attache à caractériser l'évolution dans le temps et l'espace des circulations de fluides le long des failles. Une approche multidisciplinaire et multi-échelle a été mise en place sur un exemple naturel dans la région du plateau du Colorado (Utah): du terrain à la modélisation et de la proche-surface au bassin. L'étude des minéralisations en proche surface et leur lien avec le transfert le long des failles a été effectuée sur des travertins récents. L'analyse isotopique et la datation U/Th des veines de travertins révèle des cycles de circulation de fluides enrichis en CO2 et de précipitation épisodiques de carbonates de calcium (travertin) correspondant à des cycles saisonniers ou climatiques (annuels et centennals) ainsi qu'à des cycles qui s'apparentent à des cycles sismiques de l'ordre du millier d'années. Ces données permettent de calibrer le volume de CO2 qui a fuit par la faille. Des zones de paléo-circulation, témoins de l'activité des failles sur le long-terme, sont observées sous forme de blanchiment chimique ("bleaching") des grès à l'affleurement, et ont été étudiées à l'échelle du bassin. Deux épisodes principaux de circulation de fluides le long des failles ont été distingués : une première circulation durant l'enfouissement maximum puis une seconde circulation le long des réservoirs et des failles, qui est reliée à des phénomènes tectoniques régionaux, compemporains de la remontée du Plateau du Colorado. La dernière circulation s'est découpée en plusieurs pulses avec des circulations de fluides de différente nature (tels que des saumures, des fluides riches en hydrocarbures ou en CO2) au cours du temps et le long des failles.

L’hydrodynamique et la probabilité de minéralisation (R²AI) autour des intrusions magmatiques ont été étudiées par modélisation numérique couplant transfert de chaleur et circulation de fluide. L’objectif principal de ce travail est de tester la nature du lien génétique entre l’intrusion et le processus de minéralisation. La première série de résultats s’appuie sur une comparaison avec des exemples naturels de gisements bien connus : i) L’hydrodynamique et la localisation des zones probables de minéralisation sont fortement dépendantes de la profondeur de mise en place du pluton. Au-dessus de 4.5km de profondeur de mise en place, le seuil de perméabilité de 10-16 m² est atteint et les cellules convectives peuvent créer des zones de décharge additionnelles où des minéralisations peuvent avoir lieu ; ii) Pour toutes les profondeurs d’emplacement, la zone en dessous du pluton n'est pas favorable à la précipitation minérale ; iii) Les apophyses focalisent les fluides convectifs et les zones de minéralisation autour d’elles ; iv) La phase de refroidissement n'est pas la phase majeure de convection. La zone advective principale et celle de haute favorabilité peuvent se produire avant et pendant la phase la plus chaude d’emplacement, avant que le magma ne cristallise complètement; v) Les détachements sont capables de fortement modifier et de re-localiser les flux convectifs déclenchés par une intrusion syn-tectonique; vi) Les conditions physiques favorables à la minéraliser sont produites pendant une durée courte autour de la phase la plus chaude de l'intrusion. Même si les arguments chimiques sont absents, la circulation de fluide (induite par la mise en place de magma) joue un rôle principal dans la genèse des gisements d'or associés aux intrusions. De plus, la formation de ce type de gisement est favorisée par l'occurrence d'une auréole thermique fracturée autour de l'intrusion. La seconde série de résultats concerne l’étude du cas naturel de la minéralisation W-Au de Tighza (Jebel Aouam) au Maroc Central. Une campagne d’acquisition de données gravimétriques, l’inversion données et l’utilisation de logiciel 3D, ont permis d’obtenir la géométrie 3D complexe du pluton de Tighza. Les résultats sont les suivants : i) la zone probable de la minéralisation apparaît au début de la mise en place du magma dans la zone perméable (veine W1) et s'étend pour remplir W1 et couvrir la région autour du pluton pendant la phase la plus chaude de mise en place; ii) lors du refroidissement, la zone probable est réduite et limitée à la zone perméable (W1) pendant 0,6 Ma; iii) L’application de la température de fermeture isotopique de la muscovite et de la biotite avec la distribution du R²AI montre que les âges de refroidissement entre la minéralisation au niveau de la veine W1 et l'intrusion ne sont pas séparés de plus de 0,10 Ma. Ceci est confirmé par la datation absolue de la minéralisation de Tighza et permet de discuter la fiabilité des âges obtenus pour la minéralisation dans la veine W1. / Coupled hydro-thermal numerical modeling has been used to simulate the hydrothermal fluid flow regime and the mineralization probability (R²AI) around plutons. The main objective behind this work is to test the nature of the genetic link between mineralization and intrusions. The first series of results comes from comparison with well-constrained mineral deposits: i) Fluid circulation and mineralization patterns are strongly dependent of the emplacement depth of the pluton. Deep seated plutons emplaced below 10 km do not induce an advective heat dissipation. For emplacement depth less than 4.5 km, the permeability threshold of 10-16 m2 is reached and second order convection cells may create additional discharge zones where mineralization are expected; ii) For all emplacement depths, the pluton floor zone is not favorable for mineral deposition; iii) The apexes strongly modified the fluid flow patterns by focusing convective fluids and mineralization zones around them; iv) The cooling phase is not the main phase of convection for large pluton often associated with long-lived magma emplacement. Major advective heat dissipation and mineral deposition zone may also occur sometime before and during the hottest phase of emplacement; v) Extensional detachments faults are able to delocalize and strongly modify classical fluid flow patterns induced by coeval intrusion; vi) Favorable physical conditions for mineral deposition are encountered around middle crust pluton, during a short time span bracketing the hottest phase of intrusion. We conclude that, even if chemical arguments are absent, fluid circulation induced by granite emplacement plays a key role in the genesis of granite-related Au deposits. Moreover, formation of this type of deposit is promoted and controlled by the occurrence of a fractured thermal aureole around the intrusion. The second series of results deals with the W-Au granite related Tighza deposits (Jebel Aouam, Morocco). Based on gravimetric data, inversion, and 3D modeling software, we were able to construct the most probable complex geometry of the Tighza pluton. The 3D geometries of the pluton and major fractures (W1 vein) were injected in the hydro-thermal modeling procedure. The results are: i) the probable zone of mineralization appears at the beginning of magma emplacement within the permeable zone (W1 vein) and extends to fill up W1 and covers the area around pluton at the hottest phase; ii) During the cooling phase, the story was reversed; the probable zone was reduced and restricted in the permeable zone (W1) during 0.6 Myr of cooling; iii) Application of isotopic closure temperature of muscovite and biotite coupled with R²AI distribution shows that the cooling ages between mineralization in W1 veins and the intrusion are not separated by more than 0.10 Myr. This is confirmed by the absolute dating obtained for Tighza Au mineralization and allows discussing the significance of older ages obtained for the mineralization in W1 veins.

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).