<p>This thesis uses results of systematic numerical models to argue that externally inactive salt structures, which are potential targets for radioactive waste disposal, might be internally active due to the presence of dense layers or blocks within a salt layer.</p><p>The three papers that support this thesis use the Gorleben salt diapir (NW Germany), which was targeted as a future final repository for high-grade radioactive waste, as a general guideline.</p><p>The first two papers present systematic studies of the parameters that control the development of a salt diapir and how it entrains a dense anhydrite layer. Results from these numerical models show that the entrainment of a dense anhydrite layer within a salt diapir depends on four parameters: sedimentation rate, viscosity of salt, perturbation width and the stratigraphic location of the dense layer. The combined effect of these four parameters, which has a direct impact on the rate of salt supply (volume/area of the salt that is supplied to the diapir with time), shape a diapir and the mode of entrainment. Salt diapirs down-built with sedimentary units of high viscosity can potentially grow with an embedded anhydrite layer and deplete their source layer (salt supply ceases). However, when salt supply decreases dramatically or ceases entirely, the entrained anhydrite layer/segments start to sink within the diapir. In inactive diapirs, sinking of the entrained anhydrite layer is inevitable and strongly depends on the rheology of the salt, which is in direct contact with the anhydrite layer. During the post-depositional stage, if the effective viscosity of salt falls below the threshold value of around 10¹⁸-10¹⁹ Pa s, the mobility of anhydrite blocks might influence any repository within the diapir. However, the internal deformation of the salt diapir by the descending blocks decreases with increase in effective viscosity of salt.</p><p>The results presented in this thesis suggest that it is highly likely that salt structures where dense and viscous layer/blocks are present undergo an internal deformation processes when these dense blocks start sinking within the diapir. Depending on size and orientation of these blocks, deformation pattern is significantly different within the diapir. Furthermore, model results applied to the Gorleben diapir show that the rate of descent of the entrained anhydrite blocks differs on different sides of the diapir. This suggests that if the anhydrite blocks descent within the Gorleben diapir, they initiate an asymmetric internal flow within it.</p>

This thesis uses results of systematic numerical models to argue that externally inactive salt structures, which are potential targets for radioactive waste disposal, might be internally active due to the presence of dense layers or blocks within a salt layer. The three papers that support this thesis use the Gorleben salt diapir (NW Germany), which was targeted as a future final repository for high-grade radioactive waste, as a general guideline. The first two papers present systematic studies of the parameters that control the development of a salt diapir and how it entrains a dense anhydrite layer. Results from these numerical models show that the entrainment of a dense anhydrite layer within a salt diapir depends on four parameters: sedimentation rate, viscosity of salt, perturbation width and the stratigraphic location of the dense layer. The combined effect of these four parameters, which has a direct impact on the rate of salt supply (volume/area of the salt that is supplied to the diapir with time), shape a diapir and the mode of entrainment. Salt diapirs down-built with sedimentary units of high viscosity can potentially grow with an embedded anhydrite layer and deplete their source layer (salt supply ceases). However, when salt supply decreases dramatically or ceases entirely, the entrained anhydrite layer/segments start to sink within the diapir. In inactive diapirs, sinking of the entrained anhydrite layer is inevitable and strongly depends on the rheology of the salt, which is in direct contact with the anhydrite layer. During the post-depositional stage, if the effective viscosity of salt falls below the threshold value of around 1018-1019 Pa s, the mobility of anhydrite blocks might influence any repository within the diapir. However, the internal deformation of the salt diapir by the descending blocks decreases with increase in effective viscosity of salt. The results presented in this thesis suggest that it is highly likely that salt structures where dense and viscous layer/blocks are present undergo an internal deformation processes when these dense blocks start sinking within the diapir. Depending on size and orientation of these blocks, deformation pattern is significantly different within the diapir. Furthermore, model results applied to the Gorleben diapir show that the rate of descent of the entrained anhydrite blocks differs on different sides of the diapir. This suggests that if the anhydrite blocks descent within the Gorleben diapir, they initiate an asymmetric internal flow within it.

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L'objectif initial de cette thèse consistait à fournir un analogue de terrain de réservoirs pétroliers avec un modèle 3D des structures et de l'architecture des sédiments développés sur la bordure d'un basin étroit et confiné. La zone d'étude, située entre Bakio et Plenzia (Pays Basque, Espagne), appartient au fossé Basque, souvent interprété comme un basin en pull-apart. Nous avons focalisé ce travail sur le diapir de Bakio, sur les modalités de la montée du sel, sa chronologie et sur l'impact de la tectonique salifère sur sédimentation et la déformation des sédiments environnants. Un éventail sédimentaire composé de dépôts albiens, avec un amincissement vers le diapir montre la monté synsédimentaire du sel. Nous démontré l'existence d'une première phase de montée du sel réactive puis une seconde phase passive. La phase réactive est expliquée par l'extension régionale. Durand le stade passive, des séquences halokinetiques, qui résultent de variations entre la monté du sel et le taux de sédimentation, ont été formées. Nos données montre qu'une grande partie de la déformation est due à la rotation des flancs du diapir et non à un cisaillement significatif induit par la montée su sel. Nous avons aussi concentré ce travail sur les structures albiennes de notre zone d'étude. La comparaison avec l'ensemble du Bassin Basco Cantabrien montre deux stades d'activation des failles. De l'Aptien à l'Albien moyen, les nombreuses failles orientées NE-SO, largement distribuées,contrôlaient les plates formes urgoniennes et les fossés marneux associés. Quelques failles majeures héritées, orientées NO-SE contrôlaient aussi les dépocentres surtout dans la partie centrale du Basin Basco-Cantabrien. Ce premier stage est interprété comme le résultat d'un extension NO-SE. De l'Albien moyen à supérieur, la déformation était localisée essentiellement le long de la faille Guernika-Elgoibar, orientée NO-SE, qui contrôle un bassin asymétriques, étroit et allongé remplis par les Flyschs Noirs. Durant le second stage, les dépocentres du Flysch Noir sont interprétés comme des bassins en transtension et non en pull-apart, car une seule faille majeure contrôlait ces basins asymétriques. / The initial purpose of this thesis was to provide a field analogue for petroleum reservoirs with a 3D model of the main structures and of the architecture of deposits developed on the border of a narrow and confined basin. The study area, located between Bakio and Plenzia (Basque Country, Spain), belongs to the Basque Trough, commonly interpreted as a pull-apart basin. We focused on the Bakio diapir, which allows a discussion of the modalities of salt rising, its chronology and of the impacts of salt on the overburden deformation and on sedimentation. A well exposed wedge-shaped structure composed of Albian deposits, with thinning toward the diapir documents synsedimentary salt rising. We showed that the diapir rose firstly as a reactive diapir in response to regional extension and then as a passive diapir. During the passive stage, halokinetic sequences developed, induced by variations of the ratio between net salt rising and net sedimentation rate. All our data from the Bakio diapir show that an important part of deformation is related to diapir flank rotation and not to significant shear associated with salt rising. We also focused on the Albian structural geology in our study area. The comparison of the local Albian fault system with faults from the whole Basque-Cantabrian Basin emphasizes two stages of faults activity. From Aptian to Early-Middle Albian, widely distributed NE-SW striking faults controlled the development of the Urgonian platforms and associated marly troughs. Some major inherited NW-SE striking faults also controlled the localization of depocenters, especially in the central part of the Basque-Cantabrian Basin. The first stage is assumed to result of a NW-SE extension. From Middle to Late Albian, the deformation localized mainly along the Gernika-Elgoibar fault, striking NW-SE, and controlled the formation of a narrow and elongated asymmetric basin developed, filled by Black Flysch units. During this second stage, Black Flysch depocenter are interpreted to form in transtensional setting and cannot be interpreted as pull-apart basins, as only one major fault controlled asymmetric basins.

Polar desert environments are limiting in plant available nutrients, mainly nitrogen (N) and phosphorus (P) that severely limit plant growth and establishment. Cryogenic activity regularly patterns the ground into a patchwork of frost boils – sorted circles that are associated with an increase in moisture, fertility and plant cover. Within some frost boils, the accumulation of ice-rich soil at the permafrost table can cause an upward flow of soil organic carbon (SOC) enriched permafrost material into the active layer. These diapiric intrusions are predicted to fuel microbial activity and enrich the horizon in N and P; however, the enrichment of the diapir horizon and accessibility by plants has yet to be studied. The aim of this research was to characterize the N distribution within diapir horizons located in frost boils and the effect of these intrusions on vascular plant N uptake in a polar desert ecosystem of the Canadian High Arctic. Natural abundance and enriched isotope 15N techniques were used to trace the flow of N through the soil-plant system. Surface and diapir horizons contained the highest total C and total N content within frost boils. Natural abundance δ15N analysis indicated that uptake by Salix arctica plants located on frost boils in the absence of a diapir horizon were sourcing N from the surface. However, when diapir nutrients became available, S. arctica plants began sourcing N from the diapir horizon and underlying low SOC sources in the soil, while reducing uptake from the surface. The altered foraging strategy of S. arctica in response to diapir horizon formation was further indicated by significant uptake of atom%15N nutrients that were injected directly into diapir horizons. These findings suggest diapir horizons are enriched in N and accessible by plants roots as an important nutrient source that is instrumental in their survival within frost boils of a polar desert ecosystem in the high arctic.

Un des objectifs de la restauration structurale, sujet de cette thèse, est de mettre en évidence les défauts d'interprétation ou les zones potentiellement fracturées. L'extension de cette technique en volume nécessite la définition a priori des propriétés des matériaux utilisés, notamment lorsque ces propriétés sont définies à une échelle fine. Une première partie, ce travail propose une méthode de mise à l'échelle des propriétés mécaniques utilisées pour les calculs de restauration en volume. La principale hypothèse repose sur la loi de comportement utilisée pour les matériaux définis à l'échelle grossière, supposés isotropiques transverses élastiques. Le calcul des propriétés équivalentes se fait par identification, après simulation par Éléments Finis. Cette technique a l'avantage d'assurer la conservation de l'énergie pour le même type de chargement. Dans une dernière partie, ce travail traite la gestion de la tectonique salifère lors de la restauration structurale. Les diapirs de sel présentent des topologies, des rhéologies, et des séquences de dépôt très caractéristiques. Ce mémoire présente une méthodologie de restauration multi-cartes, dont la prise en compte des relations inter-horizons est respectée dans les séquences halocinétiques. Une application de cette méthode est présentée sur le bassin de La Popa (Mexique) où les différentes interprétations réalisées au travers de leurs restaurations sont comparées

Un des objectifs de la restauration structurale, sujet de cette thèse, est de mettre en évidence les défauts d'interprétation ou les zones potentiellement fracturées. L'extension de cette technique en volume nécessite la définition a priori des propriétés des matériaux utilisés, notamment lorsque ces propriétés sont définies à une échelle fine. Une première partie, ce travail propose une méthode de mise à l'échelle des propriétés mécaniques utilisées pour les calculs de restauration en volume. La principale hypothèse repose sur la loi de comportement utilisée pour les matériaux définis à l'échelle grossière, supposés isotropiques transverses élastiques. Le calcul des propriétés équivalentes se fait par identification, après simulation par Éléments Finis. Cette technique a l'avantage d'assurer la conservation de l'énergie pour le même type de chargement. Dans une dernière partie, ce travail traite la gestion de la tectonique salifère lors de la restauration structurale. Les diapirs de sel présentent des topologies, des rhéologies, et des séquences de dépôt très caractéristiques. Ce mémoire présente une méthodologie de restauration multi-cartes, dont la prise en compte des relations inter-horizons est respectée dans les séquences halocinétiques. Une application de cette méthode est présentée sur le bassin de La Popa (Mexique) où les différentes interprétations réalisées au travers de leurs restaurations sont comparées / Structural restoration of geological models is undertaken to evaluate the geometrical and geological coherency of an interpretation. It can be used to determine deformation rates in different tectonic regimes. In addition, this technique has been used to evaluate high strain zones, and thus, potential fractured zones. Structural restoration attempts to reverse the effects of deformation history to an assumed initial pre-deformation state. Volumetric restoration techniques generally employ entirely continuum mechanic methods. The continuum mechanic model behaviors are dependent on the definition of the materials for which it is imposed reversibility by using elasticity behavior laws. This property is chosen based upon the predominant rock type in the fault block, generally at small scales. To overcome this issue, a methodology to upscale elastic isotropic materials has been implemented by treating upscaled materials as elastic transversely isotropic materials. This insures energy conservation for the same types of loading. Another focus of this work has been the management of salt tectonics in restoration procedures. A multi-surfaces restoration methodology has been developped based on the conservation of apparent thicknesses between stratigraphic layers and an iso-parametric restoration. This technique avoids the dependence of the volumetric restoration on a material model, while properly treating the restoration of unconformities and halokinetic sequences that characterize the flanks of salt structures. This technique has been tested on a field data set over a salt-withdrawal basin in the La Popa Basin (northeastern Mexico)

This thesis focuses on calculation of finite and progressive deformation in different tectonic scales using 2D numerical models with application to natural cases. Essentially, two major tectonic areas have been covered: a) salt tectonics and b) upper mantle deformation due to interaction between the lithosphere and asthenosphere. The focus in salt tectonics lies on deformation within down-built diapirs consisting of a source layer feeding a vertical stem. Three deformation regimes have been identified within the salt: (I) a squeezing channel flow underneath the overburden, (II) a corner flow underneath the stem, and (III) a pure channel flow within the stem. The results of the model show that the deformation pattern within the stem of a diapir (e.g. symmetric or asymmetric) can reveal information on different rates of salt supplies from the source layer (e.g. observed in Klodowa-diapir, Poland). Composite rock salt rheology results in strong localization and amplification of the strain along the salt layer boundaries in comparison to Newtonian rock salt. Flow and fold structures of passive marker lines are directly correlated to natural folds within a salt diapir. In case of the upper mantle, focus lies on deformation and resulting lattice preferred orientation (LPO) underneath an oceanic plate. Sensitivity of deformation and seismic anisotropy on rheology, grain size (d), temperature (T), and kinematics (v) has been investigated. The results of the model show that the mechanical lithosphere-asthenosphere boundary is strongly controlled by T and less so by v or d. A higher strain concentration within the asthenosphere (e.g. for smaller potential mantle temperatures, higher plate velocities, or smaller d) indicates a weaker coupling between the plate and the underlying mantle, which becomes stronger with the age of the plate. A Poiseuille flow within the asthenosphere, significantly affects the deformation and LPO in the upper mantle. The results of the model show, that deformation in the upper mantle at a certain distance away from the ridge depends on the absolute velocity in the asthenosphere. However, only in cases of a driving upper mantle base does the seismic anisotropy and delay times reach values within the range of natural data.

Au cours de ce travail, nous avons étudié, dans les chaînes subalpines méridionales françaises, la structure de quelques diapirs de matériel triasique et de leur encaissant, afin d'interpréter l'histoire et le mécanisme de leur mise en place. Le phénomène diapirique n'a pas fait l'objet, jusqu'à présent,(1975) d'une étude systématique. Les quelques descriptions utilisables sont toujours celles de structures locales . Il est difficile d'en dégager d'autres principes généraux que ceux qui figurent dans les traités classiques de géologie . Sous le terme de diapir, nous désignons, ici, toute masse de Trias plus ou moins riche en évaporites qui s'élève vers la surface et peut venir à l'affleurement, soit dans le coeur d'un anticlinal plus ou moins disloqué, soit à la faveur d'un carrefour de failles, soit même dans un plan de faille travaillant à la distension. Dans le premier cas, on parlera de pli-diapir, dans les autres de diapir tout court. De toute façon, la disposition est très différente de celle des "dômes de sel" que l'on observe dans les grands bassins sédimentaires tranquilles contenant des couches de sel. Dans le cas présent, la mécanique de la mise en place de ces masses diapir pose un problème encore imparfaitement résolu, car elle peut se faire suivant deux façons qu'il n'est pas facile de distinguer. 1) La montée du diapir se fait au moment d'une phase de compression, un peu comme de la pâte dentifrice qui sortirait d'un tube quand on le presse. Il est probable que c'est le cas quand on a à faire à un véritable pli-diapir, c'est-à-dire lorsque la masse triasique affleure au coeur d'un anticlinal. 2) La montée de la masse triasique se fait au moment d'une phase de distension, quand les failles peuvent s'ouvrir, la montée étant due alors à la faible densité des évaporites et à la pression lithostatique des terrains encaissants. La difficulté de démontrer ce dernier mode de mise en place est que de telles masses ont été souvent comprimées dans des phases de resserrement tardives. Nous verrons, dans la conclusion de ce travail, si l'on peut conclure dans un sens ou dans l'autre à propos des divers exemples étudiés . Ont été étudiés ceux de Suzette (Vaucluse), de Propiac-Condorcet (Drôme), du Laus (Hautes-Alpes) et de Gévaudan (Alpes-de-Haute-Provence). Nous nous sommes limités aux cas où le contexte géologique permet grâce à la présence de terrains tertiaires, une certaine analyse du processus de mise en place. Certains diapirs, comme ceux de la région de Laragne, que nous avons cependant visités ne seront pas décrits faute des éléments nécessaires à leur étude chronologique. Les masses triasiques extravasées sont partout faites d'un mélange de gypse et de cargneules, d'argile, de dolomies et d'un matériau calcaire concrétionné que nous appelerons, au moins provisoirement, de la "croûte calcaire". La mise en place de cet ensemble s'est faite en général en plusieurs stades au cours du Tertiaire. Tous ces diapirs différent des dômes de sel classiques évoqués précédemment - Tout d'abord, par leurs dimensions qui sont beaucoup plus petites (par endroit guère plus d'une dizaine de mètres de largeur) ; par leur forme aussi, en général très irrégulière, parfois réduite à une simple lame. - D'autre part, par le fait que leur mise en place est liée à la tectonique alpine et se fait à la faveur de phases de compressions, ou, inversement, dans des plans de failles plus ou moins ouverts à certaines époques. A Suzette, à Propiac-Condorcet, à Gévaudan, ces failles d'extension appartiennent au cortège d'un décrochement ou représentent le plan de décrochement lui-même; et le Trias remonte de la base de la couverture sédimentaire subalpine . Au Laus, au contraire, le Trias évaporitique originel jalonne un grand plan de chevauchement qu'il lubrifie, le chevauchement de Remollon). Cest donc déjà un Trias extravasé. La remontée du diapir lui-même est due à un bombement anticlinal tardif, associé à un système de failles de distension lié au bombement du dôme de Remollon. Dans tous les cas, le matériel triasique est profondément disloqué et il est impossible, non seulement d'en établir la série stratigraphique, mais aussi d'y reconnaître une architecture cohérente. 1975

L'ophiolite d'Oman permet d'étudier un morceau de lithosphère océanique formé à une dorsale rapide et échoué sur le continent. La structure générale permet de reconnaître la présence de plusieurs diapirs dont certains alimentaient la dorsale d'origine, partiellement obductée avec l'ophiolite. Le diapir de Maqsad est l'exemple type d'un diapir à l'axe. Les linéations verticales couvrent 100 km2 et tournent à l'horizontale au sein d'une zone de transition riche en magma, épaisse de 500 m, juste sous le Moho. Un flux forcé et radial est issu du diapir. Un calcul prédit que ce flux divergent devient passif à 10 km du diapir, comme le suggèrent nos données de terrain. Le diapir de Nakhl a des caractères similaires, tandis que le diapir de Mansah, éloigné de l'axe de la paleodorsale, est bordé par des zones de cisaillement et des injections de diabase qui attestent qu'il poinçonnait une lithosphère refroidie. Dans une seconde partie, les traces de magma dans les péridotites sont étudiées par analyse d'image sur des lames minces. On montre que les poches de liquide ont un allongement préférentiellement parallèle à la linéation et proportionnel à la force de la fabrique cristallographique de l'olivine. Ces données sont utilisées pour calculer les propriétés sismiques des échantillons. Nos résultats suggèrent que la quantité de liquide au Moho de la dorsale Est Pacifique peut être sous estimée à cause de l'anisotropie des roches. Enfin, une modélisation sismique d'un diapir, à partir de nos données structurales et des vitesses sismiques calculées permet de comparer les données d'Oman et de l'EPR.