Le manque et l’ambiguïté des observations géologiques ainsi que le choix des concepts utilisés pour leur interprétation ne permettent pas de représenter les structures géologiques avec certitude. Dans ces travaux de thèse, je m’intéresse à l’estimation des incertitudes associées à la représentation des structures faillées à partir de données éparses. Une première contribution de cette thèse est l’étude des incertitudes d’interprétation lors de l’association des observations pouvant appartenir à une même faille. Des règles numériques, traduisant les concepts et les connaissances utilisés pendant l’interprétation structurale (telles que les orientations et les dimensions des structures) assurent la reproductibilité de l’interprétation. Chaque scénario d’association est représenté par un métamodèle reposant sur la théorie des graphes. Je présente une méthode numérique d’interprétation multi-scénarios basée sur ce formalisme. Son utilisation montre que la dimension combinatoire du problème rend faible la probabilité de trouver la bonne association et que le choix des règles perturbent les associations obtenues. Une seconde contribution est l’intégration d’une distribution théorique du déplacement sur le plan de failles normales et isolées pour assurer la cohérence cinématique des modèles structuraux en trois dimensions. Je présente un opérateur cinématique pour déplacer numériquement les structures à proximité d’une faille non nécessairement plane. Le champ de déplacement est paramétré par deux profils décrivant l’évolution du rejet sur la surface de faille (TX et TZ), un profil d’atténuation dans la direction orthogonale à la surface de faille (TY) et une valeur de déplacement au centre de la faille (Dmax). Ces paramètres sont choisis à partir des observations structurales par optimisation numérique. L’utilisation de cet opérateur permet de valider des interprétations structurales et d’assurer la cohérence cinématique des modèles structuraux construits à partir de données éparses et/ou dans des contextes de déformation polyphasée. Les méthodologies présentées sont testées et discutées en utilisant deux jeux de données. Le premier est composé de neuf lignes sismiques 2D acquises au large du Maroc (marge d’Ifni) qui imagent un socle cristallin faillé. L’interprétation de ces données éparses est guidée par des connaissances dérivées de l’étude d’un affleurement proche. Cependant, l’association des observations appartenant à la même faille ainsi que la chronologie de la mise en place des structures restent fortement incertaines. Le second jeu de données utilisé est situé dans le bassin de Santos, au large du Brésil. Des failles normales y recoupent une série sédimentaire bien stratifiée. Elles sont imagées par un cube sismique de haute résolution. Des observations éparses synthétiques en sont extraites pour tester l’approche. La qualité des données sismiques 3D donne une bonne confiance dans le modèle de référence. Cela permet de tester les méthodes numériques et les règles géologiques développées dans cette thèse pour estimer les incertitudes structurales / The sparsity and the incompleteness of geological data sets lead geologists to use their prior knowledge while modeling the Earth. Uncertainties in the interpretation are an inherent part of geology. In this thesis, I focus on assessing uncertainties related to the modeling of faulted structures from sparse data. Structural uncertainties arise partly from the association of fault evidence explaining the same structure. This occurs especially while interpreting sparse data such as 2D seismic lines or limited outcrop observations. I propose a mathematical formalism to cast the problem of associating fault evidence into graph theory. Each possible scenario is represented by a graph. A combinatorial analysis shows that the number of scenarios is related to the Bell number and increases in a non-polynomial way. I formulate prior geological knowledge as numerical rules to reduce the number of scenarios and to make structural interpretation more objective. I present a stochastic numerical method to generate several interpretation scenarios. A sensitivity analysis, using synthetic data extracted from a reference model, shows that the choice of the interpretation rules strongly impacts the simulated associations. In a second contribution, I integrate a quantitative description of fault-related displacement while interpreting and building 3D subsurface models. I present a parametric fault operator that displaces structures closely surrounding a fault in accordance with a theoretical isolated normal fault model. The displacement field is described using the maximum displacement (Dmax), two profiles on the fault surface (TX and TZ), and a third profile representing the displacement attenuation in the normal direction to the fault surface. These parameters are determined by numerical optimization from the available structural observations. This kinematic fault operator ensures the kinematic consistency of structural models built from sparse data and/or in polyphasic deformation contexts. These two modeling methodologies are tested and discussed on two data sets. The first one contains nine seismic lines imaging a faulted and fractured basement in the Ifni Margin, offshore Morocco. The interpretation of these lines is guided by orientation measurements coming from a nearby onshore field analog. However, uncertainties remain on the association of observations and on the structure chronology. The second data set is located in the Santos Basin, offshore Brazil. A seismic cube exhibits normal faults within a layered sedimentary sequence. I build a reference structural model from this high quality seismic data. The kinematic and stochastic methodologies can be tested and discussed on synthetic sparse data extracted from this known reference model

Ce travail est une contribution à l'analyse de la tenue mécanique de milieux hétérogènes soumis à des chargements variables et bornés. On propose une méthode numérique permettant d'étudier, par une approche directe essentiellement basée sur le théorème statique de Melan, l'adaptation de matériaux élastoplastiques parfaits à microstructure hétérogène, périodique et tridimensionnelle. L'objectif est de coupler la théorie de l'adaptation élastoplastique, permettant d'étudier le comportement de milieux soumis à des chargements variables, avec la théorie de l'homogénéisation périodique, permettant de prendre finement en compte l'influence du comportement microscopique de milieux hétérogènes sur leur comportement macroscopique. La méthode consiste à résoudre le problème d'adaptation sur une cellule de base 3D -considérée comme une microstructure représentative des hétérogénéités- et à exprimer les résultats, par l'intermédiaire de relations de moyenne, en termes de domaines admissibles de chargements extérieurs : les déformations et contraintes macroscopiques. Numériquement, ceci se traduit par le couplage entre un code éléments finis, permettant de prendre en compte l'aspect homogénéisation du problème en formulant rigoureusement les relations de périodicité et de moyenne, et un logiciel d'optimisation non linéaire sous contraintes, permettant d'expliciter le problème d'adaptation. La méthode est appliquée à des milieux 3D classiques ainsi qu'à des structures de type plaque mince périodique. Au terme de ce travail, on dispose d'un outil numérique général, en ce sens qu'il permet d'étudier comment éviter la rupture, par dissipation plastique illimitée, de milieux périodiquement hétérogènes, et ce, quelle que soit la cellule de base 3D considérée.

La zone de subduction des Tonga-Kermadec est le résultat d une évolution géodynamique complexe. L intéraction des mécanismes d ouverture du domaine arrière-arc, de la subduction de la ride oblique de Louisville, de la déchirure de la plaque Pacifique plongeante ou encore d une obliquité de convergence croissante du Nord au Sud de la zone, est à l origine de la segmentation morphotectonique actuelle du système. Une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique a permis d étudier l état de contrainte d un système convergent induit lors de la subduction d une plaque océanique le long d une marge courbe ou encore, lors de la subduction d un relief océanique. Pour cela, un code numérique en éléments finis thermo-mécanique en 3D (ADELI-3D) a été développé par R. Hassani, puis validé dans le cadre de cette thèse. Les résultats soulignent un effet significatif des variations latérales d un système convergent sur les déformations lithosphériques engendrées. (1) Dans le cas de marges à géométrie courbe, une convexité ou concavité vers l océan, induit respectivement un régime compressif ou extensif dans la plaque supérieure et ce, quel que soit le contraste de densité entre la lithosphère et l asthénosphère ou encore la valeur du coefficient de friction interplaque. (2) Les résultats des simulations numériques 3D et de l étude sismotectonique ont mis en évidence le rôle significatif de la subduction d une ride océanique sur l état de contrainte de la plaque supérieure. La subduction d une ride se traduit par la surrection de la marge et un régime compressif au front du relief en subduction. Nos simulations montrent que la distribution des contraintes au sein de la plaque chevauchante est contrôlée par l obliquité de la ride. Dans la plaque chevauchante du système Tonga-Kermadec, une segmentation tectonique et cinématique des zones d arc et d arrière-arc est mise en évidence à travers la résolution de l état de contraintes déduit des mécanismes au foyer. Un régime de contraintes similaire est obtenu dans nos modèles 3D et nous permet de confirmer le rôle significatif de la subduction de la ride de Louisville sur la structuration actuelle du bassin arrière-arc de Lau. (3) L étude de la distribution de la sismicité et des mécanismes au foyer de la plaque plongeante révèle une influence de cette ride sur le comportement profond de la plaque. Un saut de subduction, qui coïncide avec l arrivée de la ride de Louisville dans la fosse est mis en évidence au Nord de la ride de Peggy. Ce saut de subduction s est accompagné d un détachement de la partie profonde du panneau plongeant, souligné par une vaste lacune de sismicité sous le Bassin de Lau. Une étude fine de la distribution de la sismicité de la plaque supérieure a permis d identifier de nouvelles structures tectoniques dans le Nord du système Tonga, à savoir l axe Futuna-Niua Fo ou, interprété comme une ancienne frontière de plaques et l accident intra-arc de Niuatoputapu, impliqués dans la réorganisation globale du système.

La précision de tir d’une arme dépend de nombreux facteurs intervenant aux différentes étapes du parcours de la munition (balistique intérieure, intermédiaire et extérieure). Certains travaux ont démontré l’importance de l’influence de la phase de balistique intérieure, pendant laquelle la munition traverse le tube, sur les résultats à la cible. En effet, c’est cette phase qui détermine les conditions de sortie du tube de la munition et par conséquent son comportement au cours du vol. Les conditions d’entrée du projectile, la géométrie du tube et de l’arme, et les mouvements de ces derniers au cours du tir, sont autant de paramètres pouvant modifier l’interaction tube/projectile et ainsi entraîner un changement des vitesses angulaires et de translation de la munition au moment du largage. Cette étude a donc pour but de mettre en exergue les paramètres géométriques de l’arme et du tube qui influencent la justesse et la dispersion. Une analyse statistique a été réalisée à partir de la base de données des résultats de tir du 25 mm. Elle a permis de mettre en évidence l’influence de plusieurs paramètres dont la rectitude du tube. Par la suite, des essais ont été conduits en appareil de tir dans le but d’isoler la part de la géométrie du tube sur les écarts à la cible et ainsi de confirmer la contribution de la rectitude. Un modèle numérique tridimensionnel a été développé afin de faire varier ce paramètre et d’étudier son influence sur le comportement de la munition en phase de balistique intérieure. La représentativité du modèle a été vérifiée à l’aide d’accéléromètres embarqués dans la munition. Ces tirs ont nécessité le développement d’une solution innovante optoélectronique afin de transmettre les accélérations en temps réel. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de constater que les accélérations de la munition modélisée étaient représentatives. Le modèle permet maintenant de réaliser des études paramétriques et de déterminer les profils de tube les plus pénalisants pour la précision de tir. / Gun accuracy is influenced by several factors during the stages of the ammunition course (internal, intermediate and external ballistics). According to previous studies, internal ballistics are the major contributor to deviations from target. Indeed, this phase determines projectile exit conditions and, consequently, his behavior during the flight. The projectile entry conditions, the weapon and barrel geometry and their movements during firing, can modify the interaction tube / projectile and change ammunition angular rates and its transversal velocities. The purpose of this thesis is to determine the parameters related to barrel and gun geometry, which influence the bias and the dispersion. A statistical analysis was led thanks to the data base of the 25 mm firing results. It was found that some parameters, including barrel straightness, affect accuracy. Subsequently, tests were conducted with a firing appliance in order to isolate the barrel geometry influence on the deviations from the target and to confirm the straightness impact. A tridimensional numerical model was created in order to vary this parameter and to study its influence on the ammunition behavior during internal ballistics. The representativeness of the model was validated using accelerometers embedded in the ammunitions. The firing of these ammunitions has required the development of an optoelectronic system to transmit accelerations in real time. The comparison between experimental and numerical results has shown close amplitudes and similar shapes curves that proves the representativeness of the model. The model can be used now to lead parametric analysis and to determine the straightness shapes the most penalizing for gun accuracy.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd'hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d'homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l'architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d'aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d'endommagements : l'amorçage et propagation de fissures et l'usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d'un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd'hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d'inclusion équivalente proposée au sens d'Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l'effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L'un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l'interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu'un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d'appliquer la méthode d'inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d'un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd’hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d’homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l’architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d’aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d’endommagements : l’amorçage et propagation de fissures et l’usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d’un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd’hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d’inclusion équivalente proposée au sens d’Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l’effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L’un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l’interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu’un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d’appliquer la méthode d’inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d’un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès. / New baseline turbofan engines feature advanced blade technology made of 3D woven composites for a significant reduction in weight and an increase in energy and environmental performance. Woven structures generally have complex architectures wich require high level of mechanical model. Modeling textile and homogenization tools have been developed to provide precisely the geometry and physical properties of the woven architecture. However, it is important to predict the damage mode under contact zone which are subjected to fretting. Indeed, the blade roots of turbofan engines are damaged by fretting phenomenon. Fretting modes generate two kinds of damage : (i) the initiation and propagation cracks, (ii) wear on contact surfaces. Quantify these two kinds of damage requires a detailed contact analysis from a robust and fast contact solver. In order to reach this goal, a semi-analytical solver allows to solve heterogeneous elasto-plastic contact problems. Equivalent inclusion method in the sense of Eshelby allows to describe accurately the effect of inhomogeneities (cavities, inclusions, fibers or strands). Only one of contact bodies contains multiple heterogeneous of cuboïdal and ellipsoidal shapes, and their degenerated forms (oblate spheroid, prolate ellipsoid, sphere, cylinder, flat disk,...). This method is modified and improved in order to take into account the mutual influence between neighboring heterogeneous inclusions and decohesion at the interface heterogeneity/matrix. A first coupling with a finite element model of blade/disk contact allows to take into account the effects of structure. This method is analogous to a structural zoom when structural fine mesh is necessary within areas of high contact stress gradient subjected to fretting. A second coupling with the software WiseTex allows to describe the geometry of the actual weaving of the composite, the material properties of the fibers and the matrix. A fine segmentation of the numerical model allows to discretize reinforcements to multiple equivalent ellipsoidal heterogeneities and to apply the modified equivalent inclusion method. Three-dimensional simulation of frictional contact model are successfully completed from these data of a coating woven composite.

L'étude de la variabilité spatio-temporelle des flux sédimentaires sous l'influence des forçages naturels et des activités de chalutage a été entreprise à l'échelle du plateau continental du Golfe de Gascogne, en associant des données in situ et une modélisation numérique 3D déterministe. Deux campagnes en mer spécifiques ont été menées pour quantifier les impacts physiques induits par un chalut professionnel au niveau de la Grande-Vasière, en termes de remise en suspension (panache turbide), et de perturbation de la structure et de la nature du sédiment superficiel. Ces données ont permis d'estimer à 0.13 kg.m-2 le taux d'érosion moyen. Leur croisement avec des données d'effort de pêche a conduit à une cartographie mensuelle du flux d'érosion par chalutage. D'autre part, un modèle hydro-sédimentaire 3D réaliste a été mis en place et calibré à partir de mesures au point fixe. Une attention particulière a été accordée au paramétrage de l'érosion naturelle sous l'influence combinée des vagues et des courants. Une nouvelle formulation de la loi d'érosion adaptée aux mélanges de sable fin et de vase classiquement rencontrés sur les plateaux continentaux a été proposée et a permis d'optimiser significativement la réponse du modèle en termes de turbidité. Deux simulations de 5 ans ont été réalisées en incluant ou non l'influence du chalutage de fond, dans le but de quantifier et comparer les contributions relatives des forçages naturels et anthropique sur les flux verticaux (érosion) et horizontaux (transport solide) de sédiments. La variabilité temporelle des flux est décrite en une succession de régimes caractéristiques répondant à divers forçages (e.g. marée, vent, vagues, chalutage), et les flux résiduels saisonniers et annuels sont commentés : sans tenir compte des apports fluviaux, le flux de matériel vaseux a été estimé à 1.6 Mt/an sortant par le nord (au droit de La Pointe du Raz) et à 0.62 Mt/an vers le talus continental (au niveau de l'isobathe 180 m). / The spatio-temporal variability of sediment fluxes under the influence of natural forcings and trawling activities was assessed at the scale of the Bay of Biscay shelf, from in situ data and a 3D process-based numerical modelling. Two sea trials were carried out to quantify physical impacts induced by a professional trawling gear over an intensively trawled area of the shelf, the "Grande-Vasière", in terms of resuspension (turbid plume) and alteration of the surficial sediment nature and structure. These data enabled to estimate an average trawling-induced erosion rate of 0.13 kg.m-2. Their combination with fishing effort data led to monthly spatial distributions of trawling-induced erosion fluxes.Besides, a 3D realistic hydro-sedimentary model has been set up and calibrated from measurements acquired at a mooring station. The calibration task mainly consisted in assessing the natural erosion law setting under the influence of waves and currents. A new formulation of the erosion law has been proposed to describe the erosion of any mixture of mud and fine sand (sediment facies classically encountered on continental shelves) and led to a noteworthy improvement of the model response in terms of turbidity. Two 5-year simulations were performed accounting for natural forcings only or both natural and anthropogenic forcings in order to quantify and compare their respective contributions to sediment fluxes (vertical and horizontal sediment dynamics). The temporal variability of sediment fluxes is described in a succession of typical regimes occurring in response to various conditions of forcings (e.g. tide, wind, wave, trawling), and residual fluxes are assessed at seasonal and annual scales: without accounting for riverine sediment inputs, the mud flux is estimated to 1.6 Mt/yr outflowing northward (at the latitude of the Pointe du Raz) and to 0.62 Mt/yr toward the continental slope (through the 180 m isobath).