Le premier but de cette thèse est d’étudier les séquences de chevauchements dans les prismes d’accrétion et les chaînes plissées grâce au calcul à la rupture. La méthode, issue du génie civil, est adaptée ici à la géologie structurale dans l’objectif de détecter les modes de rupture au cours du plissement. Cubas et al. (2008) ont appliqué l’approche externe, de façon analytique, sur des séquences de chevauchements, prédisant ainsi la position des failles, l’évolution de la séquence et la borne supérieure à la force tectonique. L’approche complémentaire, l’approche interne, donne les distributions de contraintes à chaque pas de raccourcissement ainsi que la borne inférieure à la force tectonique. Ce problème d’optimisation est basé sur la discrétisation de la structure, dont les inconnues sont les contraintes nodales. La validation de cette méthode sur un bloc rectangulaire pouvant glisser sur un niveau de décollement (Hafner, 1951) permet d’identifier deux modes de rupture : activation totale du décollement sans rupture dans le matériau ou pas d’activation du décollement avec rupture dans le matériau. L’application sur un pli de rampe met en évidence les systèmes de failles conjuguées classiques : rampe - rétro-chevauchement, et les zones en extension au sommet de la couche qui étaient encore peu connues. Une modélisation par éléments finis de l’initiation d’un pli de rampe donne les mêmes contraintes que celles obtenues par optimisation, pour un coût de temps calcul plus important. Le deuxième objectif de cette thèse est d’étudier les mécanismes de ruine en 3D dans les prismes d’accrétion. La méthode proposée est basée sur l’approche externe numérique, le champ de vitesse virtuel étant construit sur la discrétisation de la structure. Une validation en 2D montre que ce schéma numérique permet de retrouver la criticalité du prisme au sens de Dalhen (1984). En 3D, la pente topographique d’un prisme triangulaire est choisi pour varier latéralement, d’un côté sous-critique et de l’autre super-critique. La déformation est localisée du côté sous-critique et diffuse du côté super-critique. L’influence de la friction sur le mur de poussée et sur les murs latéraux du prisme est également étudiée. Suivant la valeur de l’angle de friction sur le mur de poussée, il existe deux modes distincts de rupture : une rampe ou un système rampe - rétro-chevauchement. L’angle de friction sur le mur latéral du prisme entraˆine une déformation verticale sur 1.5 fois l’épaisseur du prisme. Le troisième but de cette thèse est d’étudier les effets 3D en boite de sable, en faisant varier la géométrie de la boite et celle du prisme. Une boite étroite et une épaisseur de sable importante implique une déformation contrôlée entièrement par les frottements sur les vitres latérales. L’évolution de cette déformation est observable sur l’enregistrement des forces de chaque côté de la boite. La géométrie de la boite et du système de compression influe de façon qualitative sur la position du mode de ruine dans la boite pour une même géométrie de prisme. / The first objective of this thesis is to study sequences of thrusting in accretionary wedges and in fold-and-thrust belts by application of limit analysis. The method, inherited from civil engineering, is adapted here for structural geology problems with the objective to determine the dominant failure mode responsible for folding. Cubas et al. (2008) applied the external approach, analytically, to sequences of thrusting, predicting the position and the life span of a give thrust, and of course the least upper bound on the tectonic force. The complementary approach, the internal approach, provides the stress distribution at each step of the shortening of the structure as well as the best lower bound on the tectonic force. This optimization problems relies on a spatial discretization of the domain and the basic unknowns are the nodal stresses. The validation of the method is conducted with a rectangular block sliding over the décollement (Hafner, 1951) and provides two modes of failure : a complete activation of the décollement with no bulk failure or no activation of this décollement and bulk failure. The application to the fault-bend fold reveals the classical conjugate set of ramps and back thrusts and the regions of extension within the hanging wall, which were not recognized so far. A finite-element modeling of the initiation of the slip over the ramp provides the same distribution as the one obtained by optimization although for a larger computer time. The second objective of this thesis is to study the 3D geometry of the failure modes in accretionary wedges. The proposed method is numerical and based on the external approach, the virtual velocity field being interpolated over the discretized domain. The 2D validation consists in capturing the stability transition defined by Dahlen (1984). The 3D wedge geometry includes a lateral variation in the topographic slope such that the right and left cross section are sub-critical and super-critical.The deformation is localized in the sub-critical region and more diffuse as one moves towards the super-critical regions. The influence of the back wall and of the d´ecollement friction is also studied. Two modes of failure could be selected depending on the friction angle on the back wall : a single ramp or a system ramp and back thrust. The friction on the lateral walls implies a vertical stretching of the bulk material over a width which is 1.5 times the wedge thickness. The third objective of this thesis is to study 3D effects in analogue experiments done in the laboratory by varying the geometry of the experimental set up and of the wedge. A narrow set up and a thick wedge at its toe implies a deformation which is controlled by the lateral wall friction. The evolution of the deformation is also analysed by monitoring the forces at the two ends to the experimental set up. The geometry of the set up and of the compressive device influences qualitatively the position of the failure mode within the wedge for the same wedge geometry.

Le premier but de cette thèse est d'étudier les séquences de chevauchements dans les prismes d'accrétion et les chaînes plissées grâce au calcul à la rupture. La méthode, issue du génie civil, est adaptée ici à la géologie structurale dans l'objectif de détecter les modes de rupture au cours du plissement. Cubas et al. (2008) ont appliqué l'approche externe, de façon analytique, sur des séquences de chevauchements, prédisant ainsi la position des failles, l'évolution de la séquence et la borne supérieure à la force tectonique. L'approche complémentaire, l'approche interne, donne les distributions de contraintes à chaque pas de raccourcissement ainsi que la borne inférieure à la force tectonique. Ce problème d'optimisation est basé sur la discrétisation de la structure, dont les inconnues sont les contraintes nodales. La validation de cette méthode sur un bloc rectangulaire pouvant glisser sur un niveau de décollement (Hafner, 1951) permet d'identifier deux modes de rupture : activation totale du décollement sans rupture dans le matériau ou pas d'activation du décollement avec rupture dans le matériau. L'application sur un pli de rampe met en évidence les systèmes de failles conjuguées classiques : rampe - rétro-chevauchement, et les zones en extension au sommet de la couche qui étaient encore peu connues. Une modélisation par éléments finis de l'initiation d'un pli de rampe donne les mêmes contraintes que celles obtenues par optimisation, pour un coût de temps calcul plus important. Le deuxième objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes de ruine en 3D dans les prismes d'accrétion. La méthode proposée est basée sur l'approche externe numérique, le champ de vitesse virtuel étant construit sur la discrétisation de la structure. Une validation en 2D montre que ce schéma numérique permet de retrouver la criticalité du prisme au sens de Dalhen (1984). En 3D, la pente topographique d'un prisme triangulaire est choisi pour varier latéralement, d'un côté sous-critique et de l'autre super-critique. La déformation est localisée du côté sous-critique et diffuse du côté super-critique. L'influence de la friction sur le mur de poussée et sur les murs latéraux du prisme est également étudiée. Suivant la valeur de l'angle de friction sur le mur de poussée, il existe deux modes distincts de rupture : une rampe ou un système rampe - rétro-chevauchement. L'angle de friction sur le mur latéral du prisme entraˆine une déformation verticale sur 1.5 fois l'épaisseur du prisme. Le troisième but de cette thèse est d'étudier les effets 3D en boite de sable, en faisant varier la géométrie de la boite et celle du prisme. Une boite étroite et une épaisseur de sable importante implique une déformation contrôlée entièrement par les frottements sur les vitres latérales. L'évolution de cette déformation est observable sur l'enregistrement des forces de chaque côté de la boite. La géométrie de la boite et du système de compression influe de façon qualitative sur la position du mode de ruine dans la boite pour une même géométrie de prisme.

Il est maintenant avéré que la plupart des grands corps magmatiques sont construits par amalgamation d’intrusions plus petites. Ces incréments sont pour la plupart des sills, qui sont considérés comme les briques élémentaires des corps magmatiques plus grands. Malgré de nombreuses études, certains aspects de la mise en place des plutons sont encore mal compris : aucun modèle ne contraint leur taille et on ne sait toujours pas comment l’encaissant se déforme lors de leur mise en place incrémentale. La taille des réservoirs magmatiques, construits par injections répétées de magma, dépend de la taille des sills qui le constituent, et notamment de l’extension latérale de ces sills. Cette extension latérale pourrait être contrôlée par la solidification du magma lors de la mise en place du sill. Des expériences analogiques de laboratoire ont donc été réalisées afin de quantifier les effets de la solidification sur 1) la formation des sills et 2) la dynamique de propagation, la géométrie et la taille des sills. De l’huile végétale chaude, analogue du magma se solidifiant lors de sa propagation, est injectée dans un solide de gélatine plus froid, analogue des roches encaissantes. Le premier set d’expérience montre qu’avec l’augmentation des effets de la solidification, différents types d’intrusions sont observés (dykes traversant l’interface, sills et dykes stoppés à l’interface). Contrairement à des expériences où le refroidissement ne peut pas affecter la formation des sills, la présence d’une interface a priori mécaniquement favorable n’est donc pas suffisante pour former un sill ; les effets de la solidification restreignent la formation des sills. Le second set d’expérience montre deux comportements extrêmes pour la dynamique de propagation et la géométrie des sills. Quand les effets de la solidification sont faibles, la propagation du sill est continue et leur surface est lisse et régulière. A l’inverse, quand les effets sont forts, la propagation est discontinue et la géométrie des sills est complexe (e.g. lobes et surfaces cordées). De plus, des effets de la solidification plus importants entraînent des surfaces de sills plus faibles : en restreignant l’extension latérale des sills, le refroidissement du magma et la solidification sont susceptibles d’impacter directement la taille des plutons construits par amalgamation de sills. Les grandes déformations induites par la mise en place incrémentale des plutons sont encore mal comprises. Les modèles actuels négligent généralement les rhéologies cassantes et plastiques observées sur le terrain. Dans un premier temps, une mission de terrain dans les Henry Mountains (Utah, USA) a été réalisée afin de mieux comprendre les déformations entourant trois intrusions de tailles différentes : le Maiden Creek Sill, le Trachyte Mesa Laccolith et le Black Mesa Bysmalith. L’intensité de la déformation, la réduction de porosité et l’augmentation de microstructures liées à une forte déformation sont positivement corrélées. L’intensité de ces paramètres augmente à l’approche du contact encaissant / intrusion, et est plus marquée pour les contacts latéraux que pour les contacts supérieurs et inférieurs. Plus la taille de l’intrusion est importante, plus l’encaissant situé sur les côtés est déformé sur une grande distance. En revanche, la déformation observée au sommet du bysmalite est peu étendue, ce qui est dû à la présence d’une faille ayant permis une translation de l’encaissant plutôt que sa déformation importante. Dans un deuxième temps, des expériences analogiques de laboratoire multi-injections ont été effectuées pour essayer de mieux caractériser ces déformations. Ces expériences permettent d’observer la création d’un corps principal constitué de plusieurs sills empilés les uns sur les autres, par sur ou sous-accrétion. L’extension latérale de ce corps principal est fortement contrainte par la taille du premier sill mis en place. (...) / It is now accepted that the majority of large magma bodies is constructed by amalgamation of smaller magmatic intrusions. These increments are mostly sills and are thought as building blocks for larger magma bodies. Despite numerous studies, some aspects of their emplacement are still misunderstood: no model exists to constrain the size of plutons and we still do not know how the host rock is deformed during their incremental emplacement. The size of magma reservoirs, constructed by repeating magma pulses, depends on the size of the sills that built them, especially the lateral extend of these sills. This lateral extend could be controlled by solidification during sill emplacement. Analogue experiments have thus been carried out to quantify the effects of magma solidification on 1) sill formation and 2) sill propagation dynamics, geometry and size. Hot liquid vegetable oil, the magma analogue that solidifies during its propagation, is injected in a layered colder gelatine solid, the host rock analogue. A first set of experiments shows that as solidification effects increase, several types of intrusions are observed (dykes passing through the interface, sills, and dykes stopping at the interface). Contrary to isothermal experiments, where cooling cannot affect sill formation, the presence of an interface that would be a priori mechanically favorable is not a sufficient condition for sill formation; solidification effects restrict sill formation. A second set of experiments shows two extreme behaviours for sill propagation dynamics and geometry. When solidification effects are small, the propagation is continuous and sills have a regular and smooth surface. Conversely, when solidification effects are important, sill propagation is discontinuous and their geometry is complex (e.g. lobes and ropy structures). Moreover, higher solidification effects induce smaller sill surfaces; in restricting the lateral extent of sills, magma cooling and solidification are likely to impact directly the size of plutons constructed by amalgamated sills. The large deformations induced by incremental pluton emplacement are still misundurstood. Current models usually neglect brittle and plastic rheology, which are observed in the field. Firstly, a field study has been realized in the Henry Mountains (Utah, USA), in order to better understand the deformations around three intrusions of increasing size: the Maiden Creek Sill, the Trachyte Mesa Laccolith and the Black Mesa Bysmalith. The intensity of the deformation, the porosity reduction and the augmentation of microstructures related to large deformation are positively correlated. The intensity of these parameters increases as one gets closer to the host rock / intrusion contact, and is more important for lateral contacts than upper ones. Larger intrusions induce lateral deformation of the host rock over larger distances. However, the deformation at the top of the bysmalith is localized because of a fault allowing the translation of the host rock instead of an intense deformation. Secondarily, analogue laboratory experiments involving multiple injections have been carried out in order to better understand these deformations. The creation of a main body, made of multiple stacked sills emplaced by under or over-acretion can be observed. The lateral extent of this main body is highly dependant on the size of the first sill emplaced. However, the experimental dificulties and the mechanical properties of the gelatine as a crustal analogue limit the usefulness of these experiments.