L’accent mis actuellement par l’industrie pétrolière sur l’augmentation de l’efficacité des réservoirs, ainsi que sur l’intérêt grandissant pour l’exploitation d’autres sources d’énergie enfouies profondément sous terre a suscité un regain d’intérêt pour la mécanique de la fracturation des roches en général et la fracturation hydraulique en particulier. La fracturation hydraulique, appelée de manière informelle “fracturation”, est un processus qui consiste généralement à injecter de l’eau, sous haute pression dans une formation rocheuse via le puits. Ce processus vise à créer de nouvelles fractures dans la roche et à augmenter la taille, l’étendue et la connectivité des fractures existantes. Des avancées récentes dans la modélisation et la simulation de fractures hydrauliques ont eu lieu, au confluent de facteurs qui incluent une activité accrue, une tendance vers une complexité accrue et une compréhension approfondie du modèle mathématique sous-jacent et de ses défis intrinsèques. Cependant, certaines des caractéristiques très importantes de ce processus ont été négligées. Parmi les caractéristiques négligées, on peut citer l’incapacité de la grande majorité des modèles existants de s’attaquer à la fois à la propagation de fractures hydrauliques dans la roche intacte, à l’inititation de nouvelles fractures ainsi qu’à la réactivation des fractures existantes. Une autre caractéristique qui a été ignorée est sa dimension intrinsèque en trois dimensions, négligée par la plupart des modèles actuallement proposés. Parmi tous les différents types de méthodes numériques développées pour évaluer le mécanisme du phénomène de fracturation, très peu sont capables de représenter la totalité des mecanismes mis en jeu. Dans la présente thèse, l’initiation et la propagation de fissures induites par les fluides dans des roches isotropes transversales sont simulées à l’aide d’un modèle hydromécanique (HM) couplé basé la méthode XFEM (eXtended Finite Element Method) et un modèle de zones cohésives. Le HM-XFEM développé dans cette thèse est une extension des modèles précédemment développés dans l’équipe hydro-géomécanique multi échelle de GeoRessources. L’accent a été porté plus particulièrement sur la prise en compte de l’anisotropie du milieu et sur son influence sur le chemin de propagation. Ce dernier est défini à partir du le concept d’angle de bifurcation introduit auparavant dans la littérature. En complément des développements réalisés dans le modèle HM-XFEM, effort a été fait pour mieux comprendre l’initiation de la fissure en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) à l’aide du logiciel open source YADE Open DEM. La nature différente des deux méthodes, DEM étant une méthode discontinue et XFEM, une méthode continue, révèle les potentiels des deux méthodes et permet de comparer correctement la méthode qui convient le mieux au problème à résoudre, compte tenu des objectifs de la conception / Current emphasis in petroleom industry toward increasing the reservoirs efficiency, along with the interest in exploitation of other sources of energy buried deep underground created a renewed interest in rock fracture mechanics in general and hydraulic fracturing specifically. Hydraulic fracturing, informally referred to as “fracking,” is an oil and gas well development process that typically involves injecting water, under high pressure into a bedrock formation via the well. This process is intended to create new fractures in the rock as well as increase the size, extent, and connectivity of existing fractures. However some of the very important features of this process have been overlooked. Among these neglected features one can name of inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in fractured rocks-masses where a competing dipole mechanism exists between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another feature that has been ignored is its intrinsically three dimensionality which is neglected by most models. Among all different types of numerical methods that have been developed in order to assess the mechanism of fracturing phenomenon very few, if any, can handle the entire complexity of such process. In the present thesis, fluid-driven crack initiation and propagation in transverse isotropic rocks is simulated using a coupled model comprising of eXtended Finite Element Method (XFEM) and cohesive zone models. The HM XFEM developed in this thesis is an extension to previous models developed introduced in multiscale hydrogeomechanics team of GeoRessources. An emphasis is put on considering the anisotropic nature of the medium and on studying its influence on the propagation path. This latter is investigated by the concept of bifurcation angle previously introduced in literature. In complementary efforts was made to have a better understanding of crack initiation in transversely isotropic media, we also used the discrete element method (DEM) in order to gain insights into the mechanisms at stake. Both methods exhibit their advantages and disadvantages in modeling fracturing phenomenon. The different nature of two methods, DEM being a discontinuous and XFEM being a continuous method, reveals potentials of both methods and renders a good comparison of which method suits the problem in hand the best, considering the the objectives of the design

La frontière tectonique entre les plaques indienne et birmane est principalement décrochante avec une faible composante de raccourcissement. La plaque subduite, le bassin du Bengale, est parcourue par des hétérogénéités crustales majeures acquises lors de son processus de formation et de migration vers le Nord (rides de point chaud, failles transformantes...). La plaque supérieure, la microplaque birmane, délimitée à l'Est par la faille décrochante dextre de Sagaing, est dans la zone d'influence du flux crustal Est-Tibétain. <br />Le long d'une large coupe Terre-Mer depuis le bassin du Bengale jusqu'au Nord de la Birmanie, je me suis intéressé à la géométrie structurale et à la cinématique de la subduction hyper-oblique Indo-Birmane en insistant sur les effets d'éléments perturbateurs (flux et hétérogénéités crustaux). Par une approche pluridisciplinaire combinant des observations géologiques structurales de terrain, des données géophysiques marines et des mesures géodésiques, je présente un modèle d'évolution néogène de la subduction oblique en réponse à ces perturbations. Une étude de la sismicité et quelques mesures paléomagnétiques ont complété ce travail.<br /><br />La ride de 90°E, formée au sein de la croûte océanique du Bengale vers 100Ma, est entrée en collision avec la marge Birmane au Miocène supérieur. Elle a probablement bloqué la subduction dans sa partie méridionale de telle sorte que seule une déformation décrochante dextre le long de son flanc Est est exprimé structuralement. Au Nord de la ride, le prisme externe Indo-Birman est libre de se développer rapidement vers l'Ouest depuis 2Ma à la faveur d'une forte épaisseur de sédiments déposés sur la plaque plongeante (delta du Ganges-Brahmapoutre).<br />Ce prisme Indo-Birman, construit en convergence hyper-oblique, a enregistré un partitionnement de la déformation : les zones internes sont cisaillées sur une direction Nord-Sud et les zones externes sont raccourcies sur une direction Est-Ouest. <br />La faille de Sagaing est défléchie de plus de 100km vers l'Ouest dans sa partie Nord. Je propose un modèle dans lequel le flux crustal résultant de l'effondrement du Tibet, est responsable de cette inflexion. Ce modèle questionne le rôle de ce flux dans la construction du prisme partitionné. Appuyé sur l'ensemble des données géodésiques disponibles autour de la syntaxe Est Himalayenne, il établit un lien entre les déformations finis néogènes de la région.<br /><br />Les données de sismique réflexion ont apporté des contraintes fortes sur la partie marine de la section. Ainsi, la présence de la ride de 90°E et la nature océanique de la croûte du Bengale ont pu être fixées. En revanche, le flux crustal Est-Tibétain reste mal compris. Les données géodésiques permettent d'en approcher la cinématique mais il est nécessaire, pour en connaître la nature, d'y combiner des données géologiques de terrain, qui sont les seuls à permettre l'observation direct de la déformation crustale profonde aujourd'hui exhumée. Ces observations géologiques peuvent aussi apporter des éléments de réponses sur la stabilité du flux au cours du temps. Un travail de modélisation doit encore être mené pour confronter ces idées nouvelles aux propriétés physiques de la lithosphère continentale en cours de déformation.

La carte géologique n'est plus enseignée en collèges et lycées, mais le reste en premier cycle universitaire en géographie et en sciences de la Vie et de la Terre. Elle fait toujours l'objet de questions aux concours du Capes et de l'agrégation. Révélatrice des connaissances et théories géologiques de son époque, elle est inséparable de l'histoire de la géologie. Cette thèse fait le point sur l'enseignement de la carte géologique dans le secondaire et pose des repères pour de futures recherches en didactique de la géologie.<br /> La première partie de ce travail présente : une étude descriptive des cartes géologiques françaises depuis le début du XIXe siècle (le savoir savant de référence), une présentation des textes officiels retraçant l'introduction puis l'évolution d'un enseignement de la géologie (le savoir à enseigner), une analyse de l'enseignement de la carte géologique proposé à travers un corpus de 150 manuels scolaires (le savoir enseigné) et enfin, un examen de la place de la carte géologique dans les concours de recrutements (le savoir attendu des enseignants) depuis le début du siècle.<br /> La deuxième partie, après une analyse des dimensions spatiale, temporelle et interprétative de la carte et le constat à travers une enquête auprès d'élèves de classes de première scientifique de la non prise en compte de la part interprétative de la carte, propose un ensemble de suggestions pour un meilleur usage didactique de la carte géologique.<br /> Les cartes géologiques françaises ont été présentées dans l'enseignement secondaire dès le milieu du XIXe siècle à la faveur d'un enseignement spécial destiné à des carrières techniques dans l'industrie ou l'agriculture. Le souci économique et pratique de ces premières cartes rejoignait les objectifs de cet enseignement. Jusqu'en 1959, l'enseignement généralisé à tout le secondaire reste limité à un commentaire des différents terrains de la carte géologique de la France. Après cette date, apparaissent quelques exercices : de lectures ponctuelles de la carte, de comparaison entre la géologie et la végétation ou la géomorphologie, de reconstitution de l'histoire géologique, de construction de cartes simplifiées, de construction de coupes. L'introduction d'un enseignement de la tectonique des plaques au début des années 80 marque la disparition des travaux effectués sur la carte.<br /> La carte traduit de manière codée l'état des connaissances géologiques de son époque. Elle est un objet complexe par le codage des différentes roches et terrains dans les trois dimensions de l'espace et dans le temps. Cette complexité est un obstacle majeur à son apprentissage. Ces dimensions étant indissociables d'un enseignement construit de la géologie, un apprentissage de leur décodage cartographique est incontournable. Il passe nécessairement par un travail sur la représentation spatiale de la disposition des terrains. Il doit permettre d'introduire une réflexion sur la construction scientifique d'un savoir, au delà de la géologie. Des exercices sont proposés pour développer une représentation opérationnelle de l'espace géologique dans un esprit épistémologique.

Sur Terre, les régions périglaciaires ayant un pergélisol riche en glace peuvent enregistrer les changements climatiques globaux. Ce pergélisol contenant 50-80 % de glace en volume s'est formé lors des grandes périodes glaciaires du Pléistocène. Par la suite, ce pergélisol riche en glace a subi une dégradation intense lors de réchauffements climatiques globaux au début de la période interglaciaire de l'Holocène.La planète Mars comporte un pergélisol à l'échelle planétaire dont la formation serait associée à des changements climatiques globaux provoqués par des variations chaotiques de son orbite durant les derniers millions d'années. La région d'Utopia Planitia située dans les moyennes latitudes nord de Mars présente différents modelés de surface (" scalloped depressions ", polygones, cavités à la jonction des polygones) interprétés comme s'étant formés à partir d'un pergélisol contenant potentiellement une grande quantité de glace. De la même manière que sur Terre, ce pergélisol a pu enregistrer les derniers changements climatiques globaux survenus sur Mars.Cette thèse propose d'étudier comparativement l'impact des changements climatiques sur le paysage des régions périglaciaires sur Terre et sur Mars. Dans ce but, nous avons conduit des études sur le terrain des processus et des modelés périglaciaires en Yakoutie Centrale (Sibérie) et dans le delta du Mackenzie (Canada) associées à une étude géomorphologique à haute résolution des modelés d'Utopia Planitia.Notre étude montre que l'ensemble des modelés d'Utopia Planitia est similaire en morphologie, taille et association spatiale à celui de la Yakoutie Centrale et du delta du Mackenzie (lacs thermokarstiques, polygones, mares à la jonction des polygones) indiquant que la région présenterait un pergélisol riche en glace. Le pergélisol serait composé de sédiments stratifiés et dont l'âge de formation minimale est estimé entre ~ 5 et 100 Ma. Le pergélisol contiendrait un volume de glace important (≥ 50 % en volume) sur une épaisseur de ~ 70 m.De part ses caractéristiques, ce pergélisol aurait une origine syngénétique : sa formation serait le résultat d'une accumulation importante de sédiments au sein du bassin d'Utopia Planitia sous des conditions froides permettant le gel in-situ des sédiments. Les sédiments peuvent avoir été déposés par des vallées de débâcles provenant d'Elysium Mons et/ou par une activité éolienne importante. Par ailleurs, la formation synchrone d'une calotte de glace régionale près d'Utopia Planitia lors de périodes de moyenne obliquité (~ 35°) de Mars pourrait avoir induit un dépôt éolien préférentiel dans Utopia Planitia.Par la suite, le pergélisol riche en glace aurait subi une dégradation régionale importante entre ~ 5 et 10 Ma. Ce thermokarst aurait été déclenché par une insolation accrue lors de périodes de haute obliquité (~ 45°) de Mars. L'augmentation des températures aurait provoqué une déstabilisation thermique du pergélisol entraînant une sublimation de la glace, modifiant profondément le paysage de la région.Ainsi, les variations importantes de l'obliquité de Mars ont généré des changements climatiques globaux qui ont permis la formation et la dégradation du pergélisol riche en glace d'Utopia Planitia entre ~ 5 et 10 Ma.

Ce travail repose sur l'approche géologique et métallogénique du massif des Grandes Rousses.

Différentes applications de l'élasticité linéaire en géologie structurale sont présentées dans cette thèse à travers le développement de trois types de codes numériques. Le premier utilise la modélisation directe pour étudier les déplacements et champs de contraintes autour de zones faillées complexes. On montre que l'ajout de contraintes inégalitaires, telles que la friction de Coulomb, permet d'expliquer l'angle d'initiation des dominos dans les relais extensifs. L'ajout de matériaux hétérogènes et d'optimisations, telles la parallélisation sur processeurs multi-coeurs ainsi que la réduction de complexité des modèles, permettent l'étude de modèles beaucoup plus complexes. Le second type de code numérique utilise la modélisation inverse, aussi appelée estimation de paramètres. L'inversion linéaire de déplacements sur les failles ainsi que la détermination de paléo-contraintes utilisant une approche géomécanique sont développées. Le dernier type de code numérique concerne la restauration de structures complexes plissées et faillées. Il est notamment montré qu'une telle méthode permet de vérifier l'équilibre de coupes géologiques, ainsi que de retrouver la chronologie des failles. Finalement, nous montrons que ce même code permet de lisser des horizons 3D faillés, plissés et bruités en utilisant la géomécanique.

L'objectif de ce travail est de réaliser une nouvelle plateforme d'interprétation sismique 3D semi-automatique basée sur la connaissance géologique employée aujourd'hui par les experts du domaine. A l'heure actuelle, la majeure partie des solutions sont basées sur les traitements d'image et l'utilisation de quantités d'attributs sismiques. Elles fournissent un résultat interprétable par un expert qui réalise alors une correspondance informelle entre la nouvelle image obtenue et des objets géologiques. Nous désirons explorer une nouvelle méthodologie mettant en avant la formalisation de la connaissance utilisée dans l'interprétation sismique comme la vision cognitive le permet et le conseille. Ainsi, nous caractérisons le résultat des traitements d'images opérés sur le bloc sismique grâce à des concepts et à relations visuelles provenant d'une ontologie dédiée. Ces caractéristiques nous permettent alors de formaliser l'interprétation d'objets géologiques à partir de ces instances et ainsi de proposer de manière automatique des solutions d'interprétation d'un bloc sismique, que l'expert pourra choisir de valider. Dans ce travail, nous avons à coeur de nous concentrer sur l'identification de deux premiers objets géologiques à identifier dans une image sismique : les horizons et les failles. Une ontologie de ce domaine d'étude est proposée afin de servir de base pour la création de la plateforme.

La Belgique et les régions voisines sont situées loin des limites des plaques tectoniques, pourtant, l'activité sismique y démontre l'existence de phénomènes géodynamiques récents. Le séisme historique le plus important (magnitude 6 ¼) au nord des Alpes s'est produit le 18 septembre 1692 dans le nord de l'Ardenne et a été fortement destructeur dans la région de Verviers, provoquant des dégâts légers jusqu'à Londres. L'étude de l'activité sismique en Ardenne et l'identification de failles actives en lien avec la tectonique active régionale est donc primordiale pour la caractérisation du cadre séismotectonique et donc de l'évaluation de l'aléa sismique de la région. L'activité sismique depuis 1985, date de l'installation du réseau sismique moderne en Belgique, a été étudiée en matière de localisation relative des séismes et de caractérisation de leur distribution spatiale en relation avec les mécanismes au foyer. Cette étude a été effectuée après adaptation, comparaison et évaluation de la qualité des différents algorithmes de relocalisation disponibles. Une structuration de l'Ardenne a été mise en évidence en étudiant la relation entre la distribution géographique et la profondeur d'occurrence des séismes. Différents alignements des foyers sismiques et le lien avec une structure plane ont été déterminés, par exemple dans la région de Charleroi, sous les Hautes-Fagnes ou dans la région de Manderfeld. La corrélation entre les structures de la croûte sous l'Ardenne mises en évidence par les grandes études géophysiques dans les années 70-80 et la distribution géographique des séismes illustrent le rôle important joué par la Zone Faillée de Hockai, qui limite l'Ardenne en terme de propriétés rhéologiques déduites de la profondeur des foyers sismiques. Nous montrons aussi la faiblesse de l'hypothèse affirmant que la Faille du Midi accommode la déformation actuelle dans nos régions. De même, la corrélation entre les anomalies magnétiques et gravimétriques de la croûte sous l'Ardenne a été étudiée qualitativement. Les causes et conséquences du soulèvement Cénozoïque ont été critiquées objectivement. Cette première partie permet de dessiner un cadre séismotectonique bien défini en Ardenne. L'identification de failles actives sur le terrain en Ardenne est compliquée par le faible taux de déformation qu'elle subi. Les grands tremblements de terre sont peu fréquents et leur trace éventuelle à la surface est rapidement effacée par l'érosion et l'altération. La Zone Faillée de Hockai (ZFH), siège supposé du séisme de 1692, a été étudiée par des méthodes de prospections géophysiques le long d'un profil de 6 km sur la Crête de la Vecquée. Différentes structures ont pu être mises en évidence, certaines en lien avec la stratigraphie et d'autres avec des structures faillées orientées dans une direction similaire à celles connues pour la ZFH. Ce premier profil d'envergure donne des arguments importants pour la recherche de failles actives en lien avec la ZFH au niveau de la Crête de la Vecquée et leur lien potentiel avec la séquence de séismes de 1989-1990.

La mine de Copper Cliff exploite des lentilles de chalcopyrite contenues dans une zone de laminage recoupant la zone anorthositique du complexe du lac Doré. Ce gisement est situé à environ quatre kilométres au N du pluton trondhjémitique de Chibougamau intrusif dans le complexe du lac Doré. L'ensemble de ces roches est archéen . Le minerai contient du ciuvre , des traces d'or et d'argent et de zinc. Seul l'or est récupéré. L'étude géologique a permis de reconnaitre l'existence de zones concentriques d'altération hydrothermale probablement congénéres de la minéralisation. En conclusion , un modéle métallogénique est proposé.

I.e projet d'aménagement du cours supé rieur de l' Atbara a pour objectif la mise en valeur des terres de la région d'Es Showak, au confluent des rivières Atbara et Setit, afin d'assurer le développement économique de cette région du Centre-Est du Soudan. En effet, la construction d'un ouvrage hydraulique important en amont du confluent permet, en bénéficiant de conditions topographiques favorables, l'irrigation des terres fertiles (Cotton-soil) à l'aval d'Es Showak et les nouveaux périmètres ainsi créés s'étendront jusqu'aux périmètres déjà existants de Khas hm El Girba . L'ouvrage hydraulique prévu est constitué par deux barrages (Rumela sur l'Atba a, Burdana sur la Setit) (1) reliés par une digue centrale. L'objet de ma mission sur le terrain (Octobre 73 - Juin 74) concernait la cartographie de ces sites de barrage, la recherche de matériaux de construction et la surveillance des travaux de reconnaissance. Par ailleurs, cette région n'avait jamais fait l'objet d'une étude détaillée. C'est pourquoi, une fois les levés géologiques nécessaires au projet (sites, zones d'emprunt) terminés, et tout en continuant à superviser l'évolution des investigations, j'ai entrepris d'étudier la géologie de ce secteur . Cependant, avant d'entrer dans le détail de la géologie régionale et de celle du projet, abordées dans la deuxième partie de ce mémoire,il m' a semblé nécessaire de rappeler très succinctement, dans la première partie les grands traits géographiques et géologiques du Soudan?