La compréhension des mécanismes de compaction des roches et des sédiments est importante dans différents domaine des géosciences en particulier pour caractériser la compaction dans les bassins sédimentaires ou le colmatage dans les failles actives. Les objectifs de cette thèse sont d'une part de séparer et de quantifier le rôle respectif de la compaction mécanique et chimique dans les sédiments carbonatés. D'autre part d'obtenir une meilleure compréhension des procédés aboutissant au fluage des roches sédimentaires carbonatées. La perte de porosité par compaction mécanique a été étudiée en réalisant des essais triaxiaux K0 sur des échantillons provenant de plateformes carbonatées. Onze échantillons cimentés par de la calcite faiblement magnésienne et cinq échantillons dolomitisés provenant du Marion Plateau au large de la côte nord-est Australienne (ODP (ocean drilling program) Leg194) ont été compactés de manière uniaxiale à des contraintes effectives allant jusqu'à 70 MPa. La cimentation à faible profondeur à laquelle ces échantillons ont été soumis a créé une structure cimentée stable ayant un fort degré de sur–consolidation et une faible compressibilité. La plupart des échantillons testés étaient tellement cimentés à 30–400 mètres que la perte de porosité à des profondeurs atteignant 4–5 km doit être principalement liée à des procédés chimiques et non à des procédés mécaniques. Pour étudier ces processus chimiques deux autres types d'expériences ont été réalisées. La dissolution sous contrainte est le principal mécanisme responsable du fluage des roches sédimentaires pendant leur enfouissement. Par conséquent la vitesse de déformation de la calcite par dissolution sous contrainte à l'échelle d'un contact a été étudiée. Les résultats obtenus permettent l'identification de l'importance respective de la dissolution sous contrainte résultant de l'application de la contrainte normale et celle de la dissolution au niveau des surfaces 'libres' résultant de l'accumulation de l'énergie élastique ou plastique. Deux mécanismes différents se produisent lors de la dissolution sous contrainte de cristaux de calcite à l'échelle du grain. Dans un premier cas, la diffusion du solide en solution se produit dans le fluide présent à l'interface rugueuse entre la calcite et le poinçon. Dans un deuxième cas, la diffusion se produit le long de fractures qui se propagent du contact vers la partie du cristal soumise à des contraintes plus faibles. Les vitesses de déformation sont plus élevées dans les expériences pour lesquelles la propagation de fractures se produit. De manière générale la vitesse de déformation n'apparait pas comme étant dépendante de la contrainte, mais plutôt de la propagation ou non de fractures. Finalement, les procédés mécaniques et chimiques actifs pendant la compaction ont été étudiés sur des agrégats de cristaux de calcite ou de sables bioclastique. Les expériences montrent que la compaction des sables carbonatés doit être modélisée en prenant en compte à la fois la compaction mécanique et chimique. Dans toutes les expériences la nature du fluide saturant, l'organisation initiale des grains et la taille des grains sont des paramètres important contrôlant la déformation finale ainsi que la vitesse de déformation à une contrainte donnée. La déformation des échantillons saturés avec des fluides non réactifs, e.g. air ou décane, est moins importante qu'avec des fluides réactifs, puisque dans ce cas la compaction est seulement mécanique. Pendant la phase de chargement, la compaction chimique se produit par dissolution sous contrainte, dont la vitesse est augmentée par la présence de petites fractures au niveau des contacts intergranulaires. Cette interprétation est confirmée par l'observation des échantillons en lame-minces. Les vitesses ultrasoniques se propageant dans les agrégats saturés avec des fluides réactifs ont été mesurées et il a pu être montré que la dissolution et le transport de matière affectant la géométrie des contacts au niveau des grains, ainsi que la fracturation des grains sont probablement les raison de cette diminution de vitesse. En conclusion, la perte de porosité dans les sédiments carbonatés est principalement due à la compaction chimique et très peu à la compaction mécanique. Les procédés chimique de la compaction sont d'une part la dissolution sous contrainte, et d'autre part la dissolution sous contrainte assistée par la propagation sous–critique de fissures. La prédominance de l'un ou l'autre de ces procédés est liée à la nature du fluide présent dans l'espace poreux ainsi qu'à la nature des grains.

L'importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l'industrie du bâtiment, dont l'origine n'est pas encore établie. Afin d'en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L'évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d'appui de la pointe de l'AFM ainsi que des additifs utilisés. L'étude de l'influence de la force d'appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (_ 15 nN) on observe un mécanisme d'usure de la surface, tandis qu'à faibles forces (_ 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L'évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte.

L'injection de CO2 dans des réservoirs géologiques va induire des instabilités chimiques et mécaniques. L'étude de l'évolution des instabilités repose sur des expériences de déformation d'échantillons de roches naturelles sous contrainte, en présence de fluides avec et sans CO2 dissous.<br />Les cellules triaxiales utilisées pour les expériences permettent de contrôler et de mesurer indépendamment les contraintes, la température, la composition et la pression du fluide injecté. Les déformations verticales ont été mesurées sur plusieurs mois, avec une résolution sur le taux de déformation de 10-12 s-1. En parallèle, les fluides étaient analysés afin de quantifier les interactions fluide-roche.<br />Pour les calcaires, l'écoulement de fluides avec CO2 accélère la déformation de 1,7 à 5 fois ; par contre, la déformation du grès ne s'est pas accrue. L'accélération de la déformation des calcaires est expliquée par l'acidification du fluide injecté qui augmente la solubilité et les cinétiques de réaction. Inversement, la faible déformation du grès est expliquée par la faible influence du CO2 sur le quartz. Des observations par rayons X ont montré l'importance de la composition et de la structure de la roche sur l'évolution de la porosité. Des simulations mécaniques élastiques montrent que l'hétérogénéité de la dissolution peut induire des concentrations de contrainte dans la roche.<br />L'évolution des propriétés rhéologiques de certaines roches réservoir est expliquée par des mécanismes de déformation par dissolution sous contrainte, prenant place, en parallèle, dans les pores de la roche, et au niveau des contacts entre les grains.

L’importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l’industrie du bâtiment, dont l’origine n’est pas encore établie. Afin d’en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L’évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d’appui de la pointe de l’AFM ainsi que des additifs utilisés. L’étude de l’influence de la force d’appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (> 15 nN) on observe un mécanisme d’usure de la surface, tandis qu’à faibles forces (< 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L’évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte. / The huge enhancement of the creep of plasterboard by humid environments is an old problem in the building industry, but its origin remains unknown. To understand this mechanism a three scales study (macro : mechanical behavior, micro : dissolution kinetics, nano : atomic observation) has been done. There is a strong correlation between wet plaster creep and gypsum dissolution kinetics. The concordance between this correlation and the law of deformation by pressure solution, well-known in geology, permits to propose pressure solution as one of the mechanisms responsible of wet plaster creep. The topological evolution of the cleaved surface of a gypsum single crystal during its dissolution in a flowing under-saturated aqueous solution has been observed with an atomic force microscope. The kinetics of step migration strongly depends on the saturation state of the solution, the force applied by the tip on the surface, as well as the used additives. The study of the influence of the force applied by the tip on the step velocity evidence two different dissolution enhancement regimes. At high forces (> 15 nN) a corrosive wear behavior is observed, while at low forces (< 10 nN) pressure solution is the observed mechanism. The step velocity evolution with the force obeys the known kinetic law of pressure solution.