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Fractures, failles, fluides

Mécanismes de déformation et rôle des fluides

Le rôle des fluides sera étudié tant du point de vue de son implication dans la genèse et
le développement des systèmes fracturés et faillés, que pour son importance dans le
fonctionnement des réservoirs fracturés. L’action des fluides peut être purement physique
(rôle des variations de la pression de fluide dans la rupture), mais aussi très souvent chimique
(transferts de matière). Si ces processus sont pris en compte dans tous les projets de ce thème,
certains sont plus spécifiquement orientés vers l’étude du rôle des fluides, selon 3 approches
différentes et complémentaires couvrant les phénomènes à toutes les échelles.
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i) Etude de cas naturels


Dans les bassins sédimentaires et tout particulièrement dans les bassins d’avant-chaîne,
l’activité tectonique joue un rôle prépondérant dans l’enfouissement et la circulation des
fluides, ayant ainsi des conséquences sur l’évolution diagénétique des sédiments. Notre objectif est d’aborder l’étude des paramètres physiques de la déformation en l’incluant dans le cadre général de l’évolution diagénétique du bassin. L’étude préliminaire des grès d’Annot (Alpes externes françaises) a permis de coupler l’analyse pétrologique et des traces de fission de l’apatite afin de reconstituer une partie de l’histoire thermique du bassin et de la mettre en relation avec l’épaisseur des nappes et la position de leur front (DEA de François Souquière, 2005, P. Labaume, A. Chauvet, M. Jolivet). Nous souhaitons poursuivre ces recherches, d’une part, en l’étendant à l’ensemble du bassin des grès d’Annot, d’autre part en mettant en oeuvre d’autres méthodes pour préciser les conditions PT de la déformation et l’histoire des fluides :

  • thermochronologie de plus haute température (traces de fission sur zircons et méthode Ar/Ar sur feldspaths),
  • inclusions fluides,
  • analyses chimiques des éléments et isotopes sur les ciments,
  • minéralogie des argiles,
  • maturation de la matière organique.

Des mesures de déformation finie (méthode de Fry) auront pour but de préciser l’existence éventuelle d’orientation préférentielle de forme des éléments pouvant être liée à l’intervention de la tectonique, de la diagenèse ou des deux. Les résultats attendus concernent la reconstitution de l’histoire géodynamique du front de chaîne, l’évolution des mécanismes de la déformation, du système de circulation de fluides et des propriétés réservoirs au cours de l’enfouissement puis de l’exhumation. Nous approchons actuellement l’IFP et Total pour la mise en place d’une collaboration sur ce projet.
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ii) Approche expérimentale

Par des expériences de déformation expérimentale sur roches tendres (grès, argiles silteuses), on se propose d’étudier la déformation diffuse et localisée dans son aspect phénoménologique, de l’échelle du cm à l’échelle du micron. Les objectifs sont de fournir les paramètres pertinents pour modéliser les processus de la déformation dès l’échelle du grain et de comprendre le comportement sous contrainte des roches tendres à caractère granulaire. La mise en relation entre les microstructures et les caractéristiques du champ de contrainte inducteur, en présence de fluides, sera également réalisée en vue d’une meilleure compréhension des déformations tectoniques naturelles.

Les travaux actuellement en cours concernent une marne silteuse et une argilite avec pour objectif de comprendre la localisation de la déformation en relation avec l’évolution de la perméabilité. L’étude expérimentale est actuellement réalisée par l’équipe 3S UMR 5521 INPG Grenoble dans le cadre du GDR Forpro dans une cellule transparente aux rayons X sous le synchrotron de Grenoble. La tomographie rayons X haute résolution permet, de manière non destructive, d’étudier la naissance et l’évolution des bandes de cisaillement fragiles et ductiles lors d’un chargement déviatorique, et ainsi d’étudier la localisation de la déformation. A plus ou moins long terme, ces travaux seront menés en parallèle avec ceux de P. Gouze qui utilise le même processus de caractérisation fine de la déformation dans un autre environnement expérimental (thème 14).

Une étude microscopique fine (MEB) est réalisée avant et après l’expérience afin de cerner les phénomènes relatifs à la déformation expérimentale dans les matériaux (S. Raynaud). L’analyse texturale, minéralogique et surtout la caractérisation et l’évolution de la porosité au cours des expériences sont les principaux paramètres pris en compte.

iii) Modélisation mécanique des interactions fluide/fracture


- L’objectif des simulations numériques est d’analyser l’effet du fluide dans
l’initiation et la propagation des fractures dans des situations géologiques simples pour lesquelles on dispose de données de terrain. La comparaison entre les résultats des modèles et les observations permettra de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la genèse et le développement des réseaux de fractures.

- La modélisation sera abordée à travers un modèle numérique discret
(dynamique des contacts) qui permet de calculer l’interaction mécanique d’un ensemble de particules en contact (A. Taboada). Nous avons adapté cette méthode à l’étude des roches, en intégrant les paramètres de friction, cohésion et déformation à l’échelle des contacts. Le comportement macroscopique des milieux est régi par des lois de type Mohr-Coulomb. La rhéologie des matériaux peut être modifiée au cours du temps pour simuler des processus géologiques tels que la cimentation des sédiments. L’inclusion de la phase fluide dans le modèle est effectuée en couplant un modèle d’écoulement au modèle discret qui décrit le squelette solide. L’effet du fluide sur les particules est introduit en imposant des forces extérieures qui simulent l’action de la pression de pore (Darcy), des effets d’entraînement visqueux et des forces inertielles (pour les processus dynamiques).

- Nous disposons d’un logiciel pour simuler des problèmes géologiques en 2D, tenant compte de la structure géologique (multicouches, faille, plis), des conditions de bord (extension, raccourcissement, faille de socle, etc.), et des hétérogénéités mécaniques (diaclases, stratification, réseaux de fractures). L’inclusion de la phase liquide dans le modèle a été effectuée avec succès pour des solutions analytiques du champ de pression lié à un écoulement stationnaire dans des conditions simples. Nous développons actuellement une approche plus générale pour calculer un écoulement non stationnaire dans un milieu hétérogène, en considérant les propriétés de perméabilité du milieu.
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    • Membres du laboratoire : Alain Chauvet, Pierre Labaume, Marc Jolivet, Suzanne Raynaud, Alfredo Taboada
    • Collaborateurs extérieurs : Pierre Bésuelle, Jacques Desrues et Cino Viggiani (Laboratoire 3S - INPG Grenoble)