La connaissance du milieu fracturé tridimensionnel est basée sur l'observation directe ou indirecte d'extraits, en une ou deux dimensions. Les difficultés de visualisation en 3 dimensions et l'existence constante de nombreuses lacunes géométriques sont un handicap majeur pour la compréhension des lois de comportement complexes du milieu rocheux fracturé. Des modèles numériques dits "équivalents" répondent isolément à une problématique particulière du réseau de fractures (mécanique, hydraulique, thermique). Pourtant, un grand nombre de propriétés physiques du massif rocheux sont conditionnées par la géométrie et la topologie du système de fractures, qui reste une question d'ordre fondamental. C'est un aspect essentiel que nous traitons dans notre modèle OBSIFRAC (modèle objet pour la simulation de la fracturation). L'observation de sections naturelles justifie que l'on représente, dans un milieu soumis à la seule déformation cassante, les discontinuités par des surfaces planes, interconnectées, sans terminaisons libres, limitant des polyèdres convexes. Dés lors, le réseau de fractures peut être vu comme un assemblage de blocs. Cette hypothèse nous a permis de construire une base de données tridimensionnelles du réseau, décrivant de façon exhaustive les constituants géométriques de l'assemblage en question (fractures, blocs, faces, arêtes et noeuds). A partir d'un "germe" ponctuel, le processus de fragmentation affecte un ou plusieurs bloc(s) formé(ś) éventuellement de plusieurs polyèdres élémentaires. L'orientation et la position des plans de fractures peuvent ^etre définies de façon stochastique, statistique ou déterministe. Nous avons développé 4 moteurs de fragmentation, notés A, B, C, et D, qui diffèrent par le protocole de choix du germe d'une part, et par le choix du ou des blocs à diviser d'autre part. Nous présentons pour chaque scénario, une caractérisation descriptive, puis statistique.

Dans tous les types de matériaux (roches cristallines, sédimentaires, bétons, céramiques, ...), la présence de fractures (à toutes échelles) implique une perméabilité généralement élevée et des écoulements fluides orientés. Ces circulations de fluides dans les fractures impliquent des interactions fluide - roche (dissolution cristallisation) plus ou moins intenses en fonction de la nature, des conditions physico-chimiques, et des taux de renouvellement des fluides donc des perméabilités. Ces phénomènes d'altération, qui se traduisent principalement par le colmatage des fractures (altération filonienne) et fissures (plans d'inclusions fluides et veinules, altération pervasive) sont des indices très précieux quant à la description des modalités et intensités des migrations fluides dans les systèmes fossiles.<br />Une étude géométrique des réseaux de fractures aux échelles micro et macroscopique, basée sur la répartition spatiale des minéraux de remplissage des fractures, a été réalisée et appliquée à deux granites différents: le granite de Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin, France) et le granite du Brézouard (Vosges, France). A l'échelle macroscopique, une nouvelle méthodologie d'étude des données de forage (graphes binaires cumulés) est présentée dans le cas du granite de Soultz. Elle permet d'identifier la présence de trois associations minérales (quartz-illite, calcite-chlorite et hématite) dans des réseaux de fractures ayant une géométrie 3D et des caractéristiques hydrauliques spécifiques. Ces altérations impliquent des systèmes de fractures différents, des modes d'altération distincts et non synchrones. A l'échelle microscopique, la reconstitution des séquences d'ouverture - percolation - colmatage des fissures est délicate. Cependant, l'étude de leurs caractéristiques géométriques (orientations, rayons, densités volumiques) et de ce fait de leurs porosités, surfaces d'échanges et perméabilités, permet de visualiser leurs rôles distincts dans la propagation des fluides. Ces microstructures sont très nombreuses dans les granites et peuvent impliquer des perméabilités élevées mais variables dans le temps. Ceci a été confirmé par le biais d'une modélisation de l'évolution spatio-temporelle d'une perméabilité de fissures suite à des interactions fluide-roche.<br />Les modèles de perméabilité utilisés (géométriques ou statistiques) dans les deux précédentes approches restent très dépendants de la définition de l'ouverture caractéristique des drains. Une fracture réelle dans une masse rocheuse est caractérisée par des épontes qui ne sont ni parallèles ni forcément imbriquées. L'étude de ces fractures naturelles, à échelle macro et microscopique, complétée par une modélisation plus théorique de leur comportement hydro-mécanique, a permis de mettre en évidence l'influence des rugosités de surface sur la propagation des écoulements fluides et donc des altérations.<br />Ces fractures sont formées et percolées sous l'influence de régimes tectoniques qui contrôlent leur orientation. A Soultz-sous-Forêts, un important système de veines de quartz témoigne d'une phase d'extension majeure à l'Oligocène. Ces fractures ont été successivement percolées et colmatées par des fluides. La pression fluide caractéristique de ces séquences d'ouverture-colmatage des fractures peut être contrainte par une étude microthermométrique des inclusions fluides présentes dans les quartz secondaires qui colmatent les veines. La prise en compte de i) la répartition géométrique des pôles des filons, ii) de considérations empiriques des critères de rupture, et iii) des pressions fluides, a permis finalement de mettre au point une méthodologie de quantification des tenseurs de paléocontraintes à l'origine du développement des systèmes filoniens à Soultz.

Les phyllosilicates hydratés tels que les argiles sont à ce jour mal contraints thermodynamiquement. Leur domaine de stabilité, en particulier vis-à-vis de la température, est mal connu ; il est même inexistant pour certains auteurs, pour qui les argiles sont métastables. Nous utilisons un protocole expérimental dans lequel une succession d'équilibres locaux entre un fluide et des minéraux en précipitation se met en place le long d'un gradient thermique (Goffé et al., 1987). Nous obtenons ainsi une succession de minéraux néoformés à l'équilibre avec le fluide et la température, desquels nous déduisons les champs de stabilité thermique des différents assemblages minéralogiques. Les expériences ont été menées dans des systèmes chimiques simples : Mg-Al-Si-H2O (MASH), K-Al-Si-H2O (KASH), et K-Mg-Al-Si-H2O (KMASH). Les séquences de cristallisation observées le long du gradient thermique sont les mêmes lorsque les capsules contenant le matériel de départ sont interverties par rapport au gradient thermique. Cette « réversibilité » des expériences montre que les séquences de cristallisation sont bien l'expression d'un équilibre local. On observe, avec l'augmentation de température (de 200 à 350°C), les successions suivantes : smectite dioctaédrique → smectite trioctaédrique ; kaolinite → donbassite → chlorite trioctaédrique ; smectite → illite → muscovite ; ou encore kaolinite → illite + smectite → donbassite ; successions minéralogiques communément observées dans les systèmes hydrothermaux. Ces séquences expérimentales permettent de développer un modèle thermodynamique des phyllosilicates hydratés qui tient compte de l'évolution de leur état d'hydratation en fonction de la température. Ce modèle permet de mettre en évidence les champs de stabilité des argiles entre 200 et 300°C. Le dynamisme chimique et minéralogique mis en évidence dans ces systèmes expérimentaux est utilisé pour rendre compte des dissolutions/précipitations pouvant avoir lieu entre le fluide chaud et les épontes de granite dans le site de géothermie (Roche Chaude Fracturée) de Soultz-sous-Forêts, dont la pérennité dépend des éventuels changements de morphologie du réseau poreux lié à la fracturation. On constate expérimentalement que les feldspaths et les smectites forment l'ensemble du volume des silicates qui risquent le plus de précipiter, en plus des carbonates déjà décrits dans des études antécédentes et dont nous nous sommes affranchis dans cette étude.

Après une dernière phase de forage et de stimulation hydraulique, le site expérimental de Soultz-sous-Forêts comporte désormais trois puits connectés à un réservoir géothermique profond (5 km). A l'avenir, du fait de la mise en place d'une unité de production électrique, seule la modélisation numérique renseignera sur l'état du réservoir. Une compréhension poussée des propriétés géométriques de ce dernier est donc incontournable. C'est ce que propose ce travail, notamment en étudiant la prise en compte de la zone endommagée dans les modèles de faille.<br />Au cours de cette étude, les propriétés physiques de la zone endommagée (porosité, perméabilité, surface spécifique, conductivité thermique) ont été mesurées à différentes échelles et sur des échantillons présentant des structures et des faciès d'altération variés. La combinaison de ces mesures, et leur intégration dans différents modèles numériques, a notamment permis de mettre en évidence l'impact de la zone endommagée sur les transferts de chaleur et de matière, ainsi qu'une évolution particulière de la géométrie du réseau poreux avec l'altération.