Géomécanique

Nous travaillons sur la déformation et la rupture des géomatériaux, de l’échelle du laboratoire à l’échelle du réservoir, des aquifères ou des bassins sédimentaires. Expérimentalement, nous étudions la mécanique des roches volcaniques, des argilites, des grès et des carbonates, particulièrement les modes de rupture ou d’endommagement, et de localisation de la déformation. Nous travaillons également à la determination des champs de contrainte à l'échelle du terrain. Ceci se fait notamment par quantification des modes de déformation lors d’essais mécaniques, par la mesure de vitesses de propagation et atténuation d’ondes sismiques, par mesures de la microsismicité et des émissions acoustiques, ou par mesures de contraintes in-situ.

5.a Propriétés de transport

On s’intéresse aux propriétés physiques des roches (mécaniques, électriques, électromagnétiques, transport hydraulique ou gazeux, i.e. la perméabilité et ses aspects multi-échelles ou sa dépendance à la nature du fluide, transport de chaleur), et à leurs couplages. En particulier nous quantifions l'effet de la désaturation partielle d'une argilite sur ses propriétés de transport sous contrainte, en vue de mieux appréhender la réponse de ce type de matériau lors de réalisation d'ouvrages ou d'excavations (site de Bure). On s’intéresse aussi à l’influence des microfissures générées par endommagement mécanique ou thermique, sur ces propriétés. On a ainsi montré que la microstructure contrôle différement la perméabilité ou les vitesses acoustiques.

Théoriquement, on s’intéresse à la complexité des morphologies d'interface telles que bandes de compactions, stylolites ou fractures, et à leur organisation en réseau (lois d'échelle, distribution de tailles), pour en déduire des propriétés d’échelle pour permettre d’extrapoler à l’échelle du terrain les mesures de laboratoire, en particulier pour leurs propriétés de transport hydraulique et thermique. On s'intéresse également aux processus physiques à l'origine de ces structures, ceci couple physique, chimie, hétérogénéités de petite échelle.

Nous participons au projet IODP-Nantroseize, par une approche expérimentale en laboratoire, dont les questions principales sont: Est-il possible d'initier un décollement et de maintenir un état de découplage sans injection de fluide? Peut-on avoir, sans variations cycliques de la pression effective, coexistence de mécanismes dilatants et compactants dans une zone de faille? Quelles en sont les conséquences sur l'évolution de la perméabilité des zones de faille? Nous avons montré que la perméabilité d'échantillons du prisme de Nankai dépend de la pression effective, et ce comportement devra être interprété en termes de microstructures par comparaison avec les mesures en forage et en log stratigraphique.

5.b Fractures et failles

Dans les expériences de fracturation, les processus à grande échelle subissent aussi l'influence à petite échelle de la température et de la variabilité des propriétés matérielles. La variabilité des propriétés matérielles contrôle les mécanismes d'avalanche et leur distribution de taille (loi Gutenberg-Richter), tandis que la température amène l'existence d'un fluage pour les modes de déformation grande échelle. Une partie de ces travaux est prévue en collaborations avec l'université de Lyon, d'Oslo, de Jérusalem, Caltech, Texas &AM.

On s’intéresse également aux implications en termes de risque sismique, via la modélisation de mécanique des zones de failles et ou de déformations d’édifices volcaniques. L’étude de fluage dans les roches volcaniques et les implications pour l’aléa volcanique se font en collaboration avec des équipes londoniennes, italiennes et allemandes. Dans les approches numériques de mécanique des failles, on s’intéresse à l'influence sur la rupture de variations de propriétés physiques à
l'interface d'une faille. En collaboration avec l'université de Munich on étudie les rotations
liées aux ondes sismiques -- mesures et contraintes apportées sur l'inversion cinématique de la rupture. Enfin on étudie  l’influence mécanique du fluide potentiellement présent dans les failles, et des processus thermiquement activés. On cherche à évaluer les conséquences de ces processus sur l’aléa sismique.

5.c Mécanique des roches

A. Nous étudions d'une part les processus à cinétique lente, dus aux échanges de matière, couplant chimie et mécanique : notamment, l’influence de l’eau et/ou du CO2 sur la compaction des calcaires poreux par dissolution et reprécipitation, la génèse des contraintes associées aux phénomènes de pression-solution ou de dissolutions. Ces phénomènes sont notamment étudiés dans des projets FORPRO et en lien avec l’ANDRA, ainsi que dans des projets collaboratifs avec des équipes brésiliennes, israéliennes, écossaises et norvégiennes.

Des modèles permettant de reconstituer les paléocontraintes de formation à partir de la morphologie des stylolites sont développés. L’interaction entre stylolites et fissuration, le développement de stylolites en réseaux, et les conséquences pour le transport fluide sont également étudiées. On cherche à évaluer quand des stylolites peuvent être neutres du point de vue du transport dans les carbonates, agir comme barrières dans des roches réservoirs, ou agir comme drains longitudinaux.

B. D'autre part nous étudions les phénomènes physiques à cinétique rapide, mettant en jeu des échanges de quantité de mouvement : lubrification des failles par la présence de fluides, hydrofracturation et aérofracturation, à savoir l’influence des surpressions de fluides qui peuvent amener à la rupture d’un matériau. Ceci est étudié en forage, sur le terrain, ou de manière analogique dans des expériences transparentes avec déformations de milieux granulaires (analogues peu cohésifs de roches poreuses, et milieux naturels sédimentaires).

Nous travaillons sur la compaction des roches (collaboration avec l’université de Stony Brook). Une large gamme de modes de rupture est observée dans les formations sédimentaires. Il est important de comprendre la mécanique de la rupture, la localisation de la déformation et l’évolution de la perméabilité, en relation avec divers contextes séismotectoniques ou géotechniques, comme la caractérisation et la prédiction de la compaction des réservoirs, la stabilité des forages et la sismicité induite. Après avoir accumulé une grande quantité de données sur les grès, nous étudierons ces phénomènes plus particulièrement dans des carbonates couvrant une très large gamme de porosité. Nos données mécaniques obtenues sur un large intervalle de pressions permettront notamment de comprendre les relations dynamiques entre les variations de porosités associées aux changements de contraintes, l’endommagement, les enveloppes de rupture et le développement d’une rupture localisée ou non. Dans ce type d’étude, il est fondamental d’intégrer des mesures permettant de décrire les mécanismes de déformation à l’échelle microscopique et de les lier aux observations macroscopiques. Divers techniques seront utilisées, notamment la microtomographie rayons X et les mesures acoustiques.

L’influence des fluides sur les modes de fracturation et les avalanches est explorée en collaboration avec les trois autres équipes de l’IPGS, et le thème transverse « failles et déformation ». Elles sont également abordées dans des collaborations (plusieurs PICS et co-tutelles de thèses) notamment avec la Norvège, Israel, Londres, les USA et le Brésil.


Expérimentalement, notre équipe s'appuie sur une plate-forme expérimentale permettant caractérisation et suivi couvrant ces thématiques: voir les équipements disponibles.