L'objectif de ce travail est de modéliser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés. Ceci concerne précisément l'amélioration et l'extension d'un modèle par éléments discrets appelé BRIG3D. Ce modèle assimile un massif rocheux fissuré à un assemblage de blocs rigides qui interagissent au niveau de leurs interfaces. La déformation de ces interfaces est reliée aux déplacements relatifs des blocs. Sous l'effet des sollicitations du massif, chaque bloc, en interaction avec d'autres, se déplace vers une position d'équilibre. Les améliorations concernent la reformulation mécanique de BRIG3D. De nouvelles descriptions concernant le mouvement d'un corps rigide, la position des interfaces et le champ des contraintes sont introduites. Ce travail de recherche concerne également l'introduction d'un modèle par éléments frontières décrivant un écoulement laminaire, permanent et plan aux interfaces des blocs. Le couplage de ces deux modèles à permis d'analyser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés soumis à diverses sollicitations. Une étude particulière a été consacrée à l'analyse du comportement d'une fondation de barrage.

Série du Dogger au Néocomien, molasse miocène et dépôts quaternaires. Zone plissée et chevauchante, affectée par des abaissements d'axe. Convergence du drainage karstique vers la zone structuralement la plus basse, transversale par rapport aux plis. Étude d'une retenue collinaire

Compréhension et quantification du phénomène de l'électrofiltration dans les roches, signaux précurseurs de la rupture, applications aux zones volcaniques et aux zones de subduction - Conversions sismo-électromagnétiques.<br /><br />Mes thèmes de recherche concernent donc principalement les effets électriques liés aux circulations d'eau dans les roches. Les signaux électriques induits par les circulations d'eau sont appelés effets d'électrofiltration ou électrocinétiques et sont dus à la présence d'ions dans l'eau pouvant créer un courant électrique. Ce courant électrique engendre lui-même un champ magnétique. Ces effets reflètent principalement l'interaction électrique entre la roche et l'eau (appelée double- ou triple-couche électrique). En présence d'eau, des réactions chimiques et physiques se produisent à l'interface entre la roche et l'eau, dont il résulte un excédent d'ions négatifs liés à la roche, et par suite, un excédent d'ions positifs sur une couche de faible épaisseur au voisinage de l'interface, le reste du fluide restant neutre [voir Fig. B1 de Guichet et al., GJI, 2006]. Lorsque le fluide est en mouvement, ces ions positifs sont entraînés et engendrent ainsi un courant électrique, dit courant électrique de convection. Ce courant est contre-balancé par un courant de conduction (loi d'Ohm), et il en résulte une différence de potentiel électrique, on parle de potentiel d'électrofiltration ou potentiel électrocinétique.<br />La différence de potentiel électrique ainsi générée est proportionnelle au gradient de pression d'eau, ce qui en fait une méthode de choix pour la détection des circulations d'eau en subsurface. Les mesures en laboratoire sont effectuées de l'échelle centimétrique à l'échelle métrique et sont nécessaires pour contraindre les modèles de calcul des champs électriques et magnétiques induits par les circulations de fluides dans la croûte. Il est à noter que sur le terrain, les Potentiels Spontanés (PS), c'est-à-dire les potentiels électriques mesurés passivement entre deux électrodes, dont les mesures se sont largement développées ces dix dernières années, peuvent être induits par une circulation d'eau (soumise à une force liée à un gradient de pression), mais aussi par un flux de chaleur (soumis à une force liée à un gradient de température), ou encore par un gradient de concentration chimique. Ceci peut se voir dans les relations des flux couplés [Onsager, 1931 ; Sill, 1983] où chaque flux Ji (flux électrique, flux hydrique, flux de chaleur, flux de matière) est lié aux forces Xj (gradient de potentiel électrique, de pression hydrique, de température, de concentration) à travers les coefficients de couplage Lij. Pour ma part, j'ai concentré mes recherches sur une meilleure quantification du champ électrique lié aux circulations d'eau dans les roches. Le coefficient de couplage électrocinétique ou d'électrofiltration, , peut-être mesuré en laboratoire. Il est à noter que le coefficient d'électrofiltration ne dépend pas en principe de propriétés telles que porosité ou perméabilité, ce qui amène le gradient de pression hydrique à jouer le premier rôle dans la génération des potentiels d'électrofiltration [pour plus de détails on peut consulter le paragraphe " Electrokinetic Phenomena " de Jouniaux and Pozzi, JGR, 1997, et l'appendice B de Guichet et al., GJI, 2006].<br />Cette thématique de recherche a donc un intérêt potentiel, et déjà en partie éprouvé, pour la détection à distance et la caractérisation des fluides dans le sous-sol. La communauté scientifique essaie de développer son potentiel en tant qu'outil d'imagerie, d'une part dans le domaine des ressources en eau : profondeur de nappe aquifère, suivi de transferts hydrauliques, caractérisation des flux contaminés, et d'autre part dans le domaine de la géophysique des réservoirs : détection d'hydrocarbones grâce aux conversions sismo-électromagnétiques.

Ce travail concerne l'utilisation de la technique de Fracturation Hydraulique (FH) pour exploiter l'énergie géothermique des réservoirs profonds de roches sèches chaudes (HDR). La fracturation hydraulique est réalisée par injection de fluides géothermiques dans des réservoirs partiellement fracturés de faible perméabilité. Les fluides à haute pression sont destinés à faire évoluer les fissures et leur connectivité. Les valeurs de débit/pression auxquelles les fluides géothermiques doivent être pompés, ainsi que le calendrier de pompage pour initier la fracturation hydraulique, dépendent principalement des conditions géostatiques existantes (contraintes géostatiques, pression fluide et température initiales de l'HDR) ainsi que des propriétés des fissures de l'HDR (longueur, épaisseur, densité et distribution directionnelle initiales moyennes de fissures). Tous ces éléments, en sus de leurs effets sur la stabilité des forages, sont analysés dans cette recherche. Des modèles de fracturation, qui sont capables de suivre l'évolution des fissures dans toutes les orientations spatiales possibles, sont utilisés pour obtenir le tenseur anisotrope de perméabilité. Ces modèles sont intégrés dans un code domestique d'éléments finis qui est développé pour résoudre des problèmes aux limites thermo-poroélastiques. Pour supprimer/diminuer les oscillations qui accompagnent les solutions paraboliques et/ou hyperboliques lors de la convection forcée, plusieurs techniques de stabilisation ont dû être implémentées. / The application of the Hydraulic Fracturing (HF) technology to exploit geothermal energy from Hot Dry Rocks (HDR) reservoirs is addressed. HF is achieved by extensively pumping geothermal fluids to already existing fractured HDR reservoirs of low permeability. High fluid pressures are expected to drive cracks to evolve and connect. The newly created burgeoning hydraulic conduits should supposedly enhance the permeability of the existing HDR reservoirs. The flow rate/pressure values at which geothermal fluids should be pumped, as well as the pumping schedule to initiate HF, depend primarily on the existing geostatic conditions (geostatic stresses, initial HDR pressure and temperature) as well as on HDR fracture properties (initial mean fracture length, mean fracture aperture, density and orientational distribution of fractures). While these components, in addition to their effects on borehole stability, are scrutinized in this research, focus is on the evolution during circulation processes of the fracture properties. A fracturing model that is capable of tracking fracture evolution in all possible spatial orientations is used to obtain the time course of the anisotropic permeability tensor. This evolving property is integrated into a domestic finite element code which is developed to solve thermo–poroelastic BVPs: emphasis is laid on the efficiency of the doublet flow technique where a fluid gains thermal energy by circulating through the HDR reservoir from the injection well to the production well. The spurious oscillations in the hyperbolic solutions of the approximated finite element approach that are commensal with the phenomenon of forced heat convection are healed/mitigated through several stabilization approaches.

Les simulations numériques des fissures fragiles par les modèles d’endommagement à gradient deviennent main- tenant très répandues. Les résultats théoriques et numériques montrent que dans le cadre de l’existence d’une pre-fissure la propagation suit le critère de Griffith. Alors que pour le problème à une dimension la nucléation de la fissure se fait à la contrainte critique, cette dernière propriété dimensionne le paramètre de longueur interne.Dans ce travail, on s’attarde sur le phénomène de nucléation de fissures pour les géométries communément rencontrées et qui ne présentent pas de solutions analytiques. On montre que pour une entaille en U- et V- l’initiation de la fissure varie continument entre la solution prédite par la contrainte critique et celle par la ténacité du matériau. Une série de vérifications et de validations sur diffèrent matériaux est réalisée pour les deux géométries considérées. On s’intéresse ensuite à un défaut elliptique dans un domaine infini ou très élancé pour illustrer la capacité du modèle à prendre en compte les effets d’échelles des matériaux et des structures.Dans un deuxième temps, ce modèle est étendu à la fracturation hydraulique. Une première phase de vérification du modèle est effectuée en stimulant une pré-fissure seule par l’injection d’une quantité donnée de fluide. Ensuite on étudie la simulation d’un réseau parallèle de fissures. Les résultats obtenus montrent qu’il a qu’une seule fissure qui se propage et que ce type de configuration minimise mieux l’énergie la propagation d’un réseau de fractures. Le dernier exemple se concentre sur la stabilité des fissures dans le cadre d’une expérience d’éclatement à pression imposée pour l’industrie pétrolière. Cette expérience d’éclatement de la roche est réalisée en laboratoire afin de simuler les conditions de confinement retrouvées lors des forages.La dernière partie de ce travail se concentre sur la rupture ductile en couplant le modèle à champ de phase avec les modèles de plasticité parfaite. Grâce à l’approche variationnelle du problème on décrit l’implantation numérique retenue pour le calcul parallèle. Les simulations réalisées montrent que pour une géométrie légèrement entaillée la phénoménologie des fissures ductiles comme par exemple la nucléation et la propagation sont en concordances avec ceux reportées dans la littérature. / Phase-field models, sometimes referred to as gradient damage, are widely used methods for the numerical simulation of crack propagation in brittle materials. Theoretical results and numerical evidences show that they can predict the propagation of a pre-existing crack according to Griffith’s criterion. For a one- dimensional problem, it has been shown that they can predict nucleation upon a critical stress, provided that the regularization parameter is identified with the material’s internal characteristic length.In this work, we draw on numerical simulations to study crack nucleation in commonly encountered geometries for which closed-form solutions are not available. We use U- and V-notches to show that the nucleation load varies smoothly from the one predicted by a strength criterion to the one of a toughness criterion when the strength of the stress concentration or singularity varies. We present validation and verification of numerical simulations for both types of geometries. We consider the problem of an elliptic cavity in an infinite or elongated domain to show that variational phase field models properly account for structural and material size effects.In a second movement, this model is extended to hydraulic fracturing. We present a validation of the model by simulating a single fracture in a large domain subject to a control amount of fluid. Then we study an infinite network of pressurized parallel cracks. Results show that the stimulation of a single fracture is the best energy minimizer compared to multi-fracking case. The last example focuses on fracturing stability regimes using linear elastic fracture mechanics for pressure driven fractures in an experimental geometry used in petroleum industry which replicates a situation encountered downhole with a borehole called burst experiment.The last part of this work focuses on ductile fracture by coupling phase-field models with perfect plasticity. Based on the variational structure of the problem we give a numerical implementation of the coupled model for parallel computing. Simulation results of a mild notch specimens are in agreement with the phenomenology of ductile fracture such that nucleation and propagation commonly reported in the literature.

Série du Dogger au Néocomien, molasse miocène et dépôts quaternaires. Zone plissée et chevauchante, affectée par des abaissements d'axe. Convergence du drainage karstique vers la zone structuralement la plus basse, transversale par rapport aux plis. Étude d'une retenue collinaire

Le bassin de Jaca (Pyrénées espagnoles) est un exemple classique de bassins d’avant pays, où les grandes lignes du remplissage sédimentaire, ainsi que la chronologie des failles ont été très étudiées. Il reste toutefois à mieux comprendre la paléo-hydrologie et l’histoire thermique du bassin, de manière à proposer un modèle de circulation des fluides pendant sa mise en place et sa déformation (Paléocène-Oligocène). Pour ce faire, ce travail propose d’analyser la répartition de la fracturation, d’étudier les conditions de formation des veines syn-tectoniques et de caractériser la maturité de la matière organique sur l’ensemble du paléobassin d’avant-pays de Jaca, des zones internes vers les zones externes.L’analyse pétrographique, géochimique et microthermométrique des veines montre que la grande majorité des fluides minéralisateurs sont à l’équilibre isotopique et thermique avec l’encaissant. Dans le détail, nous avons identifié 2 événements principaux de formation de veines dans la zone interne du bassin (Sierras Interiores), que nous proposons d’associer au fonctionnement des failles majeures dans le socle. Nous suggérons que les fluides circulent le long des niveaux de décollements et sont expulsés sur de courtes distances (< 10 km), au travers des réseaux de fractures, vers le bassin d’avant-pays. Le reste du bassin enregistre principalement des fluides locaux, parfois associés à l’infiltration d’eau météorique. L’analyse des températures d’enfouissement (50°C à 250°C), qui inclut des données de Δ47, montre une organisation N-S relativement homogène depuis les Sierras Interiores (fenêtre à gaz) jusqu’aux Sierras Exteriores (immature), avec des anomalies longitudinales marquées. Les modélisations thermiques 1D sur 9 puits virtuels suggèrent que les températures maximales vers les Sierras Interiores peuvent résulter d’un enfouissement sédimentaire, dont une grande partie est érodée actuellement. Nous proposons que ces parties érodées correspondent à des dépôts tardi-orogéniques conglomératiques déposés à proximité de la zone axiale. Les données suggèrent une répartition non homogène de ces dépôts selon un axe E-W, impliquant des transferts sédimentaires plus complexes qu’habituellement discutés. Au vu de nos résultats et des précédentes études, le modèle paléohydrologique et thermique du bassin de Jaca, et à plus grande échelle, de la chaîne plissée sud-pyrénéenne, est compartimenté à la fois dans l’espace et dans le temps, en lien avec à la propagation latérale et frontale de la déformation, qui contrôle l’ouverture du système. Le modèle paléohydrologique et thermique de la chaîne plissée sud-pyrénéenne constitue donc un potentiel analogue aux chaînes plissées dont le raccourcissement résulte d’une convergence oblique. / The Jaca basin (Spanish Pyrenees) is a classical example of a foreland basin, where the sedimentary filling and the calendar of thrust activation have been extensively studied. It remains to understand the paleohydrology and the thermal history of the basin, so as to provide a fluid flow model related to its formation and deformation (Paleoecene-Oligocene). To do this, this work proposes to analyze the distribution of fracturing, to study the conditions of formation of syn-tectonic veins and to characterize the maturity of organic matter throughout the Jaca foreland basin, from hinterland to external areas.Petrographical, geochemical and microthermometric analysis of veins show that the vast majority of mineralizing fluids are at the isotopic and thermal equilibrium with the host-rock. In detail, we identified two main events of vein precipitation in the inner part of the basin (Sierras Interiores), probably related to major basement thrust activations. We suggest that fluids flow along decollement levels and are expelled over short distances (<10 km), through fracture networks towards the foreland basin. The other part of the basin mainly record local fluids, sometimes associated with the infiltration of meteoric water. Analysis of burial temperatures (50 °C to 250 °C), which includes Δ47 data, shows a relatively homogeneous N-S organization from the Sierras Interiores (gas window) to Sierras Exteriores (immature), with strong longitudinal anomalies. Thermal 1D modelling of 9 virtual wells suggest that the maximum temperatures of Sierras Interiores result from sedimentary accumulation, whose a large amount is now eroded. We propose that this eroded thickness corresponds to late-orogenic conglomeratic deposits near the axial zone. The data suggest an inhomogeneous distribution of the deposits along an E-W axis, involving more complex sedimentary transfers than usually discussed. Given our results and previous studies, the paleohydrological and thermal model of the Jaca basin, and on a larger scale, of the South Pyrenean fold and thrust belt, is compartmentalized both in space and in time, in response to the propagation of and oblique deformational front, which controls the opening of the system. The paleohydrological and thermal model of the South Pyrenean fold and thrust belt is therefore a potential analogue to fold and thrust belt including shortening due to an oblique convergence.

La géophysique, au sens de la physique d'objets et processus géologiques, est une formidable source de problèmes complexes, au sens de la physique de la matière complexe. Par exemple, des problèmes essentiels ont trait à la mécanique des failles, les avalanches, chargées de fluides ou non, de matière en grain ou plus pâteuse, les phases dynamiques de la sédimentation et les instabilités pendant celle-ci, la fracturation, sèche ou déclenchée par le transport des fluides parcourant les pores de la roche ou du sol, la liquéfaction durant les tremblements de terre, les écoulements d'une ou plusieurs phases fluides non miscibles dans des roches poreuses de géométrie irrégulière, la morphogénèse durant l'évolution des roches sédimentaires où évoluent composition chimique et équilibre mécanique entre les composants des roches, l'évolution dynamique de colloïdes aux interactions variables, les échanges de chaleur dans des écoulements chenalisés, l'évolution de la température et son effet sur la mécanique du système en évolution... . Ces systèmes présentent des interactions qui relèvent de la physique et la mécanique classique, mais avec la présence d'un désordre dans la structure, ou des non-linéarités dans les interactions fondamentales, qui peuvent générer à grande échelle un comportement complexe : notamment, ils peuvent fonctionner sur des échelles de temps et d'espace très étendus, avec coexistence de phases rapides et de phases extrêmement lente, ou avec des déformations diffuses alternant avec des fonctionnements où la déformation est très localisée. L'aspect polyphasique ou polydisperse de ces systèmes peut générer une telle complexité, sans que celle-ci reflète nécessairement la multiplicité des échelles déjà présentes dans la composition du système : dans des systèmes au fonctionnement critique, ou au voisinage de transitions de phases dites du second ordre, de nombreux systèmes dynamiques sont connus pour faire émerger, à partir de désordre présent à petite échelle et d'interaction simples, des organisations à grande échelle du processus en jeu. On aborde dans ce mémoire des modèles analytiques, numériques et des expériences ayant trait à la mécanique de tels systèmes naturels : écoulements mono- ou multiphasiques en milieux poreux ou fracturés, déformables ou non, fractures, avalanches, fonctionnement mécanique des failles, déformation lente des roches avec couplage entre chimie et mécanique.