Pressure solution creep is a fundamental deformation mechanism in the upper crust. Overburden pressure that acts upon layers of sediment leaves grains densely packed. Nonhydrostatic stress distributed over the contacts between grains brings an enhancement effect on surface dissolution. As surface retreat over the contacts and hence grain repacking squeeze out pore water in the voids, the layers of sediment are deformed to become denser and denser. This work aims to identify what process slows down pressure solution creep over time. For this purpose, a new mechanistic model of pressure solution creep is developed, derived from the reaction rate law for nonhydrostatic dissolution kinetics under the hypothesis of a closed system. The present mechanistic model shows that (1) the creep rate goes down as a combined consequence of stress transfer across expanding contacts and concentration build-up in the interlayer of absorbed water; and (2) solute migration process acts as the primary rate-limiting process of pressure solution creep in the long run. This work then focuses on hydraulic evolution of channelling flow through a single deformable fracture which is simultaneously subjected to pressure solution creep. The developed 1-D reactive transport model is allowed to capture the strong interaction between channelling flow and pressure solution creep under crustal conditions. This numerical investigation provides a justified interpretation for the unusual experimental observation that fracture permeability reduction does not necessarily cause concentration enrichment. Temperature elevation contributes to accelerating the progression of pressure solution creep.

The geomorphology at Adršpach-Teplice, Czech Republic is dominated by vertical-walled, fracture-controlled features including slot canyons, gorges and pillars. Surfaces of canyon walls in Adršpach are case-hardened and more resistant to erosion than the bulk of the sandstone, which appears to be fundamental to the formation and preservation of canyons. Core and whole rock samples from Adršpach-Teplice were analyzed in thin section, including SEM analysis with cathodo luminescence. XRF and XRD analyses indicated that silica case-hardened surfaces are chemically and mineralogically similar to the rock interior, while iron case-hardened surfaces have an increase in iron present at the surface as the mineral goethite. Permeability analysis indicates a decrease in porosity in case-hardened surfaces. The rock at Adršpach-Teplice is poorly cemented yet has the strength to maintain vertical faces because of a locked sand structure, which was formed by pressure solution. Fracture faces contain disaggregation and cataclastic bands that reduce porosity and increase strength. Case-hardening exists on fracture faces and other surfaces as either silica or iron. Silica case-hardening is ubiquitous in the area and consists of a slight increase in abundance of silica overgrowths and sometimes an increase in clay content. It can form on fresh surfaces in as little as five years, creating what is essentially a self-repairing material. Iron case-hardening is composed of goethite, is much less prevalent than silica case-hardening, and does not appear to be actively depositing. Lichens, fungi, and other biological material are present on case-hardened surfaces and may add to the strength of the material. The internal structure of the rock lends the strength to form and maintain the features seen at Adršpach-Teplice, while case-hardening helps to protect them from erosion.

Les processus physiques et chimiques activés pendant le cycle sismique déterminent l'évolution des propriétés mécaniques des failles, à court terme (pendant un séisme) comme à long terme (la récupération des propretés élastiques des roches de faille après un seisme). L'étude des roches de faille naturelles est un moyen pour identifier les processus actives pendant les diverses phases des cycle séismique. En cette thèse, échantillons prévenants de deux failles séismiques sont étudiés: la Faille de San Andreas (California, USA), une faille séismique active, et la faille de Gole Larghe (Alpes Méridionales, Italie), une faille séismique exhumée. La Faille de San Andreas a été forée jusqu'à 2.7km de profondeur. Les échantillons montrent une superposition de: pression-dissolution - hydrofracturation - pression dissolution. La succession des évents est compatible avec la formation de sacs de fluides dans zones de basse perméabilité dans la faille, ou la pression de fluides augmente à cause de le progressif compactage de le gouge de faille, jusqu'à la nucléation de une rupture. La faille de Gole Larghe est une faille exhumée, qui a préservé des pseudotachylytes (roches fondues par le chaleur de friction pendant une frottement séismique) formées à 9 - 11 km de profondeur il y a 30 millions d'années. Deux argumentes sont traités: (i) l'évolution des microstructures des cataclasites associées à les pseudotachylytes, pour identifier les processus qui peuvent porter à la formation de instabilités frictionnelles pendant les premières phases de croissance de une faille. (ii) L'origine des fluides en failles séismiques et pendant la fusion pour friction. La formation de un système de failles à cataclasites permit la percolation de un fluide aqueux de profondeur. La composition isotopique des pseudotachylytes (calculé sans la component de hydratation) est proche à celle des pseudotachylytes reproduites en expériences du laboratoire (sans fluides). La principale source de fluides pendant la fusion pour friction est donc la déshydratation des minéraux hydraté des roches autour de la faille.

A new method for the determination of finely-gridded reservoir simulation pressures has been developed. It is estimated to be as much as hundreds to thousands of times faster than other methods for very large reservoir simulation grids. The method extends the work of Weber et al. Weber demonstrated accuracies for the pressure solution normally requiring millions of cells using traditional finite-difference equations with only hundreds of cells. This was accomplished through the use of finite-difference equations that incorporate the physics of the flow. Although these coarse-grid solutions achieve accuracies normally requiring orders of magnitude more resolution, their coarse resolution does not resolve local pressure variations resulting from fine-grid permeability variations. Many oil reservoir simulation models require fine grids to adequately represent the reservoir properties. Weber's coarse grids are of little value. This study takes advantage of the accurate coarse-grid solutions of Weber, by nesting them in the requisite fine grids to achieve much faster solutions of the large systems. Application of the nested-grid method involved calculating an accurate solution on a coarse grid, nesting the coarse-grid solution as fixed points into a finer grid and solving. Best results were obtained when an optimal number of coarse-grid pressure points were nested into the fine grid and when an optimal number of nested-grid systems were used.

La transition d’un comportement séismique/instable à un comportement aséismique/stable est observée dans la partie en aval des zones sismogéniques (12-15 km de profondeur). Cette transition est supposée être contrôlée par l’activation de la plasticité de basse température du quartz à ~350°C. À cause de la grande profondeur à laquelle cette transition a lieu, le seul moyen pour étudier les processus physiques qui agissent en ces contestés, est l’étude des anciens prismes d’accrétion exhumés actuellement dans des chaines de montagnes. Le mélange tectonique de Hyuga et l’unité de Morotsuka appartiennent au prisme fossile de Shimanto et sont des unités metasédimentaires déformées à des températures peu inférieures ou égales à la limite fragile/ductile (~250 et ~340°C respectivement). Les résultats des observations de microstructures en microscopie optique et en microscopie électronique à balayage (diffraction des électrons rétrodiffusés) confirment que 1) la pression dissolution et une intense microfracturation sont les mécanismes de déformation principaux du quartz dans le mélange de Hyuga et localement l’activation de la plasticité du quartz est aussi observée; 2) dans l’unité de Morotsuka la recristallisation dynamique du quartz est pleinement active. Ces considérations indiquent que la température n’est pas le seul paramètre qui control l’activation de la plasticité du quartz, et laisse supposer la participation de l’effet adoucissant de l’eau. Avec le but de mieux comprendre le rôle de l’eau sur la rhéologie quartz, des expériences en Presse Griggs ont été menées, le matériel du départ étant de porphyroclasts de quartz (immergés dans une matrice sec) à la fois très riches en eau (provenant du mélange tectonique de Hyuga) et secs (quartz du Brésil). Ces expériences montrent l’effet très adoucissant de l’eau, qui à parité de conditions de déformation, favorise la migration de joint des grains dans le quartz de Hyuga tandis que le quartz du Brésil reste indéformé à exceptions de ses bordures extérieures. L’eau « en excès » est expulsée dans la matrice pour le quartz de Hyuga et stockée dans des bandes de cisaillement C’; l’eau incorporée par le quartz de Brésil n’est pas suffisantes pour favoriser la recristallisation dynamique. / The trasition from instable seismic to stable aseismic behaviour is observed in at the lower limit of the seismogenic zones in subduction zones (12-15 km). This transition is supposed to be controlled by the onset of quartz low grade plasticity at about 350°C. Due to inaccessibility of these geodynamic contests, the only way to study the physical processes acting at these depth are exhumed accretionary prisms exposed in mountain chains. The Hyuga tectonic mélange and the Foliated Morotsuka are metasedimentary units constituting the Shimanto accretionary prism (Japan). They were deformed at temperatures of ~250°C and ~340°C respectively, so slightly lower or equal to the temperature transition. Results by optical microscopy and EBSD reveal that 1) quartz deformation mechanisms active in Hyuga Tectonic Mélange are pressure solution and microfracturation accompanied by local quartz low grade plasticity; 2) dynamic recrystallization is totally active in quartz of the Foliated Morotsuka. These considerations allow to consider the role of water in triggering quartz plasticity especially in such water-rich contest as subduction zones. With the aim to better understand the role played by water on quartz rheology, we deformed high hydrated (from Hyuga unit) and dry (classic Brazil) quartz porphyroclasts within a quartz matrix, with the Griggs apparatus. These experiments show the weakening water effect on quartz strength. At the same deformation conditions, the high hydrated Hyuga quartz show recrystallization by grain boundary migration while the dry Brazil porphyroclasts are mostly undeformed, at exception of the outer recrystallized rims. The exceeding water expulsed from Hyuga quartz is stored in C’ shear bands in the matrix; water absorbed by dry Brazil porphyroclasts is not enough to promote dynamic recrystallization.

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