ANR - Modélisation Thermo-Hydro-Mécanique du comportement d'une faille valve en utilisant une approche DEM

Mots clés

méthode des éléments discrets, couplage hydro-mécanique, mécanique des failles, modélisation, milieu poreux, changement d'échelle

Détail de l'offre

Les zones de failles ont des structures internes complexes en relation avec les roches hôtes, les événements tectoniques et l'histoire géologique. Une description classique qui capture les principales caractéristiques des zones de faille distingue le cœur de la faille (c'est-à-dire les roches cataclistiques non cohésives telles que la brèche et la gouge de faille) et la zone endommagée (roches fracturées contenant des failles secondaires, fractures,...). En raison de leur structure, les failles jouent un rôle clé pour les écoulements souterrains, soit en termes de barrière hydraulique, soit en termes de chenalisation des écoulements. Les observations sur le terrain suggèrent que certaines failles peuvent aussi agir comme des valves en relation avec des événements tectoniques, favorisant des fluctuations cycliques de la pression des fluides de valeurs supralithostatiques à hydrostatiques. La réactivation d'une faille, résultant du couplage entre le glissement de la faille et la surpression des fluides, favorise l'écoulement le long de la faille, ce qui, à son tour, entraîne une baisse de la pression des fluides. Un tel comportement de faille-valve pourrait jouer un rôle clé dans les dépôts géothermiques et la formation de gisements de minerais hydrothermaux, quels que soient le métal et l'âge considérés (Marz et al., 2019).
L'évolution complexe de la perméabilité et du comportement mécanique des failles pendant et après leur réactivation nécessite une meilleure description des processus physiques en jeu. L'état actuel de la modélisation de la réactivation des failles propose de décrire macroscopiquement ces mécanismes d'affaiblissement et de renforcement à l'aide de lois phénoménologiques telles que la loi de frottement « rate and state », largement utilisée. Cependant, si ces formulations se sont avérées efficaces pour reproduire certains comportements de failles observés (par exemple Cappa et Rutqvist, 2011), elles sont basées sur des paramètres déterminés empiriquement et une partie de la physique reste mal décrite (par exemple, les effets de la température, la localisation des déformations, l'évolution de la perméabilité associée aux effets de cicatrisation et de scellement).
Dans cette thèse de doctorat, nous proposons de relier la réponse macroscopique de la zone de gouge et d'endommagement d'une faille aux phénomènes micromécaniques à l'œuvre lors de sa réactivation dans la lignée des travaux initiés par Nguyen et al. (2021) et Zhang et al. (2021). Pour ce faire, nous utiliserons un modèle à éléments discrets (DEM) couplé à un schéma de volume fini à l'échelle du pore (PFV) mis en œuvre dans le logiciel YADE DEM (e.g., Mostafa et al., 2023). Dans un premier temps, nous simulerons les comportements stables et transitoires d'une gouge granulaire cisaillée sous l'effet de chargement mécanique et hydraulique, en nous concentrant plus particulièrement sur l'évolution de la perméabilité au cours du cycle sismique simulé à travers la dynamique de « stick-slip » de la gouge modélisée puis une étude similaire sera menée pour la zone endommagée.
Dans un deuxième temps, nous poursuivrons l'objectif du changement d'échelle, et de relier les propriétés effectives des failles aux propriétés micromécaniques des milieux simulés (la gouge et la zone endommagée), en tirant profit des simulations numériques directes. En effet, des modèles constitutifs assez simples sont classiquement mis en œuvre pour travailler à l'échelle du bassin alors que les lois de comportement jouent un rôle clé dans la réponse HM des failles aux processus de valve. Enfin, ces propriétés THM seront assignées à un modèle de fracture simplifié à l'aide du logiciel commercial 3DEC basé sur les éléments discrets à des fins de validation. Des lois de comportement avancées seront étudiées dans 3DEC, dérivées de la mise à l'échelle et comparées aux simulations DEM à l'échelle du pore.