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

L'objectif de l'instrument hétérodyne MAMBO (Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer) est d'étudier et de cartographier l'atmosphère et la surface de la planète Mars, à partir d'observations radiométriques dans le domaine submillimétrique, couvrant la bande de fréquence 320-350 GHz. Prévu initialement pour être embarqué sur la mission Mars Premier Orbiter du CNES en 2007, la définition de l'instrument ainsi que les caractéristiques de la tête de réception hétérodyne sont présentées en première partie.<br />Le thème principal de la thèse concerne l'étude et la réalisation d'un mélangeur subharmonique à diodes Schottky planaires, constitutif de la tête de réception hétérodyne de l'instrument. Un modèle numérique du mélangeur a été conçu en couplant des simulations électromagnétiques tridimensionnelles et des simulations de circuits non-linéaires. Cette méthode de simulation a permis d'optimiser les structures guidantes et le circuit du mélangeur pour élargir au maximum la bande de fréquence instantanée, et réduire la puissance d'Oscillateur Local (OL) nécessaire au fonctionnement optimal de la paire de diodes. Les performances mesurées du prototype réalisé sont en accord étroit avec les résultats de simulations, avec une sensibilité à l'état-de-l'art dans une bande de fonctionnement entre 300 et 360 GHz, et une puissance d'OL comprise entre 2,5 mW et 4 mW.<br />La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude des propriétés diélectriques de plusieurs échantillons de minéraux, roches et sables dans le domaine millimétrique (jusqu'à 170 GHz), dans le cadre scientifique de la cartographie de la surface de Mars par l'instrument MAMBO. Des mesures de la permittivité de ces matériaux par analyse vectorielle, et des mesures radiométriques faites en collaboration avec l'IAP (Institut de Physique Appliquée) de Berne (Suisse) sont présentées. L'objectif est de mettre en avant les différences d'émissivité des roches carbonatées par rapport à des roches riches en silicates.<br />Ce travail de thèse est également préparatoire aux futurs instruments radiométriques embarqués, pour l'observation de la terre aux longueurs d'onde submillimétriques. Dans cette perspective, le développement de récepteurs hétérodynes intégrant dans une même mécanique plusieurs éléments de mélange et de multiplication en fréquence permettra des avancées technologiques dans le domaine de l'imagerie Terahertz.

Le complexe anorogénique annulaire du Messum, associé à la province basaltique de l'Etendeka (Namibie), montre la coexistence de roches sous- et sur-saturées en silice. Une étude pétrologique détaillée est nécessaire pour comprendre l'évolution minéralogique de ces deux ensembles de roches. Dans le premier, l'ensemble des observations a permis de proposer une route de cristallisation mettant en jeu des lignes péritectiques et expliquant le développement de la néphéline tardivement aux dépens des phases précoces (olivine, plagioclase, clinopyroxène alumineux) et la signification intermédiaire de la pargasite. Des minéraux significatifs non encore signalés sont décrits : spinelles dans les roches basiques, wohlérite et hiortdahlite dans les syénites les plus évoluées, ainsi que des pyrochlores considérés comme des indices potentiels de la présence de matériaux à affinités carbonatitique. Les syénites à quartz apparaissent comme un ensemble composite avec plusieurs venues différemment évoluées. Les paragenèses sont plus ou moins peralcalines, avec fayalite, hédenbergite acmitique, et développement tardif de riebéckite. La chevkinite, titano-silicate rare, y est décrit en quantité relativement abondante comme un minéral magmatique. Aucun lien minéralogique entre ces deux ensembles ne peut être établi ce qui rend peut crédible l'hypothèse du passage de l'un à l'autre par contamination crustale.

Ce mémoire comprend trois parties qui illustrent, à travers des exemples naturels, les principaux aspects mécaniques et cinématiques de la déformation des roches granitiques. Les deux premières parties traitent des mécanismes de déformation. L'une est consacrée aux granites syntectoniques, l'autre aux granites prétectoniques (socles anciens). Les principaux contrastes structuraux et microstructuraux existant entre ces deux types de contexte sont illustrés et interprétés en termes d'histoires thermiques différentes, rétrogrades ou progrades. Ceci conduit à préciser les relations entre la nature des mécanismes de déformation, le degré d'homogénéité du champ de déformation (échelle des instabilités mécaniques), et les conditions métamorphiques syntectoniques. La troisième partie est consacrée à l'analyse cinématique. Dans les roches granitiques, l'hétérogénéité de la déformation résulte de sa localisation dans des zones de glissement de toute échelle, de celle du grain (glissements intracristallins) à celle du massif (bandes et zones de cisaillement). On propose un modèle cinématique d'interprétation des champs de déformation hétérogène en termes de combinaisons de systèmes de glissement, en étendant cette notion à des structures variées (plans réticulaires, litages, failles, bandes et zones de cisaillement ductile). Selon ce modèle, la distribution des systèmes de glissement à une échelle donnée reflète la nature (aplatissement, déformation plane, constriction) et le degré de non coaxialité de la déformation globale à cette échelle. Il rend compte de l'essentiel des caractères des orientations préférentielles de réseau, telles que celles du quartz, èt des champs de failles ductiles tels que ceux affectant les roches granitiques. Appliqué à ces roches, il souligne leur intérêt en tant que marqueurs de la déformation crustale.

Le travail porte sur une meilleure connaissance du comportement " global " du massif fracturé, à travers la prise en compte raisonnée des données de fracturation permettant une modélisation réaliste du massif étudié. En s'appuyant sur les dispositifs expérimentaux du laboratoire de Toulouse, une réflexion sur les paramètres à prendre en compte dans la modélisation géométrique et mécanique est menée. Trois axes majeurs sont développés en parallèle : 1. la description du massif par la prise en compte raisonnée des données de terrain : Une bonne description du massif s'appuie à la fois sur l'analyse des moyens d'investigation dont nous disposons (informations obtenues en regard du coût). Différents travaux ont été menés pour comparer des discontinuités visibles par diagraphie et mesurées directement sur carottes de forage, ou bien les familles de discontinuités retrouvées par levé systématique sur paroi, diagraphie et levé global par " expert ". Un travail d'analyse statistique sur la répartition dans l'espace a été réalisé conjointement avec l'université de Bordeaux (GHYMAC). Il a conduit à des études de cas précises. Enfin, sur l'extrapolation des mesures en vu de la modélisation du massif, un travail a été ébauché mais mérite d'être approfondi dans le futur. 2. la caractérisation en laboratoire : essais sur la matrice et les discontinuités La caractérisation de l'endommagement de la matrice rocheuse est étudié par méthode ultrasonique (travail exploratoire au cours des cycles de gel/dégel, d'essais uniaxiaux et triaxiaux ; décrit dans des rapports d'opération de recherche mais non publiés) et par émission acoustique (en collaboration. L'analyse du comportement des discontinuités rocheuses s'est fortement développée. Différents axes sont proposés, autour des liens entre la morphologie de la discontinuité et le comportement mécanique d'une part, et sur des chemins de chargement expérimentaux particuliers, d'autre part. 3. le comportement des ouvrages. Pour pouvoir anticiper les modifications du massif dues à la création d'un ouvrage, des modélisations sont nécessaires ainsi qu'une rétro-analyse après réalisation de l'ouvrage. J'ai choisi de développer mon travail sous l'angle de la prise en compte raisonnée des données de fracturation afin de conduire à une modélisation géométrique à privilégier. Cette approche a été menée en se basant sur des cas concrets, tel le creusement du tunnel de St Béat, les fondations du viaduc sur le Viaur ou la création des grands déblais autour d'Ax-les-Thermes. La rétro-analyse par mesure sur site est essentielle pour comparer les prévisions à la réalité. L'existence de sites d'études instrumentés, dont le LRPC de Toulouse s'occupe est donc particulièrement intéressante.

La thèse se présente comme un bilan de plus de 25 ans de fréquentation de la craie, dans divers domaines, principalement dans le domaine pétrolier. La phénoménologie du comportement de ce matériau atypique craie est présentée dans ses divers contextes, dans une optique pluridisciplinaire. Le mémoire comprend quatre parties principales : -la première partie concerne la craie en elle-même: sa constitution, sa répartition stratigraphique et géographique, sa structure, ses propriétés physiques et pétrophysiques générales; -la deuxième partie pose les problèmes des réservoirs pétroliers de Mer du Nord; -la troisième partie, la plus volumineuse, aborde le comportement mécanique de la craie comme roche réservoir; -la quatrième partie expose certains développements en cours et considère les perspectives de développements futurs.

Après avoir établi un inventaire des karsts ou des phénomènes assimilés à ceux-ci en roches non carbonatées silicatées (grès, quartzites, granites, gneiss et schistes), la solubilité de la silice, de laluminium et du fer est abordée. Cette première partie du travail reprend différentes études montrant 1) que les éléments chimiques précités peuvent se retrouver dans des domaines de solubilité identiques notamment en présence dacides organiques ou inorganiques ; 2) que ces acides augmentent de façon considérable la solubilité des éléments ; 3) que ces acides peuvent être générés par des bactéries en milieu anaérobie ; 4) que ces bactéries peuvent être abondantes à grande profondeur dans les roches et dans des milieux anaérobies Lhypothèse dune dissolution généralisée de roches silicatées non carbonatées est envisagée au regard des modèles de karstification classiquement proposés en roches peu solubles. Deux zones d'étude, une au Niger occidental et l'autre Cameroun méridional, sont abordées. Des grottes et formes connexes sont étudiées dans des grès, des métagabbros, des granites, des gneiss et des micaschistes. Les travaux de terrain sont complétés par des analyses en laboratoire de concrétions et enduits (microscopie optique, microscopie électronique à balayage, diffractométrie des rayons X et mapping compositionnel élémentaire). Le rôle probable des bactéries dans la mise en place des karsts est abordé. Le travail s'achève par une synthèse sur la problématique de la karstification en roches non carbonatées silicatées et sur les conditions de son développement. Les conclusions principales de ce travail sont : 1) que l'érosion chimique prédomine dans la genèse des différentes formes souterraines étudiées dans les roches non carbonatées, l'érosion mécanique devenant prédominante quand les systèmes se dénoient (évolution similaire aux karsts des calcaires) ; 2) qu'il peut exister une karstification initiale à grande profondeur, indépendamment des conditions de surface, peut être en relation avec la faune bactérienne découverte ces dernières décennies ; 3) qu'il est opportun denvisager certaines lithologies généralement réputées peu solubles et leur potentialité en eau sous langle de la karstification. Les nombreux karsts trouvés au Niger occidental et oriental influencent incontestablement lévolution géomorphologique des paysages tant dans le développement des réseaux hydrographiques que dans la dissection des plateaux. Les lithologies gréseuses, très répandues dans tout le Sahel, ont une structuration similaire à celle de la région de Niamey. Une grande partie du Sahel peut donc être considérée comme potentiellement karstifiée.

Trois gisements miniers alpins ont été prospectés : les amas de pyrrhotite de St Leger ( Maurienne) , le filon à sidérite -blende de Noguillan (Maurienne) et le filon à galène-blende-calcopyrite des rognioux (Beaufortain) -

La susceptibilité des roches faiblement magnétiques a une origine complexe : aux grains ferromagnétiques se rajoutent des contributions dla-, para-, et antlferromagnétiques. Celles-ci ont été mises en évidence grâce à de nouvelles techniques de mesures magnétiques en champ fort et température variable. Les propriétés liées aux phyllosilicates et carbonates ferromagnétiques, à la pyrrhotite et à la goethite ont été particulièrement étudiées. La susceptibilité magnétique ainsi analysée permet de suivre l'évolution pétrologique des roches, en particulier en fonction du métamorphisme et de l'altération. L'anisotropie de susceptibilité magnétique doit être interprétée en fonction de la nature et de l'orientation préférentielle des grains magnétiques. En prenant en compte les mécanismes de la déformation on a accès ainsi à certaines données structurales difficilement appréhendées par les méthodes classiques du fait de la sensibilité et la rapidité des mesures magnétiques ; il s'agit en particulier des linéatlons d'étirement en zones peu déformées. Les éléments d'une modélisation quantitative de la relation entre déformation et anisotropie magnétique sont discutés. Les études de cas ont porté sur des roches sédimentaires non métamorphiques à mésozonales, principalement alpines, sur différents granites et sur des péridotites.

La série du Mont Ventoux, datée du Cretace inferieur, montre l'installation progressive de faciès urgoniens. La paléogeographie est controlée par des mouvements de blocs basculés profonds. Ce système est determiné par des failles normales dont la présence guide la structuration cénozoique. Lors des compressions pyrénéennes et alpines, la deformation de ce cadre donne naissance aux grandes failles en coulissement ainsi qu'aux chevauchements qui correspondent ainsi à des failles-pli. La reconstitution du profil paléogéographique permet de comparer et de quantifier les phénomènes sédimentaires. Les rythmes hémipélagiques sont mis en correspondance avec les alternances pélagiques tandis que leur spécificité s'identifie par les paramètres de composition de la matière organique. Toutes ces études s'appuient sur la cartographie de détail de cette région, réalisée dans le cadre de la carte géologique de la France au 1/50000, feuille Vaison-la-Romaine