Academic literature on the topic 'Réactivation des failles'

La déformation intraplaque équatoriale entre l'Inde et l'Australie est une exception au concept classique de plaques rigides. A l'aide du GPS en champ lointain et du style de déformation des séismes, nous dérivons les champs de déformation et de vitesse instantanés. Nous montrons que l'Australie joue un rôle moteur dans l'initiation de la déformation intraplaque. Une réinterprétation des profils sismiques acquis dans la région permet de dater l'initiation de la déformation à 9Ma. La cinématique instantanée est en accord avec un continuum de déformation depuis cette date. Une anomalie de flux de chaleur est observée au cœur de la zone. Nous montrons par modélisation thermique que la serpentinisation exothermique du manteau océanique hydraté grâce aux failles est la source la plus plausible de l'anomalie thermique. Il ne s'agit alors pas d'une cause mais d'une conséquence de la déformation, ce qui signifie qu'il faut chercher ailleurs les raisons de la localisation équatoriale des failles. La réactivation inverse des failles normales de la fabrique océanique est largement observée dans la zone et pourrait expliquer la localisation. Cependant, seule une sélection de ces failles est aujourd'hui toujours active. Ce phénomène est reproduit grâce à un modèle aux éléments finis dans lequel on applique un adoucissement rhéologique sensible à la déformation, suivi d'un adoucissement sensible au taux de déformation. Des réactivations à plus court terme ont eu lieu après les séismes de subduction d'Aceh et de Nias. Nous montrons que ceux-ci exercent un contrôle sur le style de déformation du bassin de Wharton en favorisant le décrochement au détriment des failles inverses
The intraplate deformation between India and Australia is a notable exception to the classical rigid plate assumption. Using GPS positioning and principal axes from earthquakes focal mechanisms, we derive the instantaneous deformation and velocity fields. We show that Australia drives the initiation of deformation. Seismic profiles acquired in the region allow the datation of the onset of deformation around 9 Ma. The instantaneous kinematics is in good agreement with a continuum of deformation since that time. A large heat flow anomaly is observed in the equatorial Central Indian Basin at the heart of the deformed area. Thermal models show that the exothermic serpentinization of the oceanic mantle peridotites is the most probable source of the thermal anomaly. Hydration of the ocenaic mantle through faults is however a consequence of deformation and not a cause, which does not explain the localization of faults. Reactivation of normal faults from the oceanic fabric seems ubiquitous in the area and it could be a suitable localization mechanism. However, only a selection of faults are still active today. This selective abandonment is reproduced using a 2D finite element model of lithosphere shortening where strain weakening is followed by strain-rate weakening when faults are mature enough. At shorter time-scales, significant reactivation of transform faults happened in the Wharton Basin after the Aceh and Nias subduction earthquakes. We show that these earthquakes trigger preferentially strik-slip faults and inhibit reverse faults

Les failles dans la croûte supérieure sont des zones de déformation localisées capables de conduire des fluides sur de longues distances. L'estimation de la perméabilité des zones de failles et de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale dans nombreux domaines de recherche et applications industrielles. Dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans les applications d'exploration et de production, l'intégrité de l'étanchéité des failles doit être évaluée pour la détection des pièges à hydrocarbures. Il existe déjà des approches permettant d'estimer la capacité de scellement latéral d'une faille à partir de la teneur en argile des couches (par exemple le Shale Gouge Ratio). Pourtant, les conditions dans lesquelles la faille se comporte comme un conduit le long de sa structure ne sont pas encore suffisamment contraintes. Dans ce contexte, la géomécanique peut apporter un éclairage complémentaire sur les paramétres qui contrôlent le comportement hydrodynamique de la faille. Ces paramètres comprennent le champ de contraintes, la pression du fluide, l'orientation des structures de la zone de faille et les propriétés des matériaux. Des expériences d'injection à une échelle décamétrique ont été réalisées dans une zone de faille située dans le site expérimental de Tournemire, dans le sud de la France, au cours desquelles la pression et le débit du fluide, la déformation du massif, la sismicité ont été suivis. Sur la base des observations issues de ces expériences, une étude numérique a été réalisée pour explorer l'évolution de la perméabilité etétablir le lien avec la réponse hydromécanique de la faille ainsi que la sismicité induite. Les comportements des failles secondaires, les fractures de la zone endommagée ainsi que la roche encaissante ont été modélisés numériquement en utilisant la méthode des éléments discrets. La modélisation des essais expérimentaux et l'analyse des modèles génériques utilisés pour les études paramétriques ont mis en évidence le rôle majeur des conditions de contrainte in situ. L'effet combiné de la contrainte et de l'orientation des structures de la faille détermine en premier lieu la nature de la réactivation selon le concept de l'état de contrainte critique de la faille décrit dans la littérature. Pour des conditions de contrainte et des éléments structuraux donnés, il a été démontré que selon le niveau de pression du fluide, la faille offre trois gammes différentes de perméabilité : i) perméabilité équivalente à la perméabilité de la formation, ii) 2 à 4 ordres de grandeur plus élevés et iii) plus de 4 ordres de grandeur plus élevés. Alors que pour les deux cas extrêmes, la faille est caractérisée comme étant hydromécaniquement active ou inactive, le second cas est principalement contrôlé par des mécanismes de chenalisation du fluide favorisés par des hétérogénéités aussi bien à l'échelle d'une seule fracture ou qu'à l'échelle du réseau de fractures. Les changements dans les propriétés hydrauliques sont dans certains cas détectés par la sismicité induite lors de l'injection en supposant que la sismicité est l'effet direct de la propagation du fluide, de l'augmentation de la pression du fluide et de la chute de la contrainte effective. Néanmoins, les mécanismes à l'origine de la sismicité induite par injection sont encore peu connus. A partir des résultats expérimentaux du site de Tournemire, le rôle de la diffusivité hydraulique des structures de la faille a été exploré sur la sismicité observée dans le cadre d'une analyse hydro-mécanique. Les résultats indiquent que la microsismicité induite était probablement liée à des perturbations de contrainte résultantes d'une déformation asismique importante plutôt que de la propagation de fluides à travers des structures hydrauliquement connectées
Faults in the Earth crust are localized zones of deformation which can drive fluids over long distances. Estimating the permeability of fault zones and their hydro-mechanical properties is crucial in a wide range of fields of research and industrial applications. In the petroleum industry, and more specifically in exploration and production applications, the seal integrity of faults in low permeability formations (e.g. shale) needs to be evaluated for the detection of hydrocarbon traps. There already exist approaches able to sufficiently estimate the "side-sealing" capacity of a fault based on the clay or shale content of the layers (e.g. Shale Gouge Ratio). Nevertheless, the conditions under which the fault acts as a drain along its structure are still not properly constrained. In this context, the response of the fault is directly controlled by a number of factors that can be better approached from a geomechanics point of view. These factors include the stress field, the fluid pressure, the orientation of the fault-related structures and the material properties. Meso-scale field injection experiments were carried out inside a fault zone located in the Tournemire massif at the South of France during which the fluid pressure, the deformation, the seismicity and the flow rate were monitored. Based on the Tournemire experiments and field observations, a numerical study was performed exploring the evolution of the permeability and how it is related to the fault hydro-mechanical reactivation and potentially to the induced seismicity. Fault-related structures such as subsidiary faults or fractures that were targeted during the experiments together with the surrounding intact rock, were modeled using the Discrete Element method. Modeling of the experimental tests and the analysis of generic models used to perform parametric studies highlighted the primary role of the in-situ stress conditions. The combined effect of stress and orientation of the fault structures determine in the first place the nature of the reactivation according to the critically stressed fault concept reported in the literature. For given stress conditions and structural features, it was shown that depending on the fluid pressure level, the fault offers three different ranges of permeability: i) permeability that is equivalent to the formation's permeability, ii) 2 to 4 orders of magnitude higher and iii) more than 4 orders of magnitude higher. While for the two extreme cases the fault is characterized as hydro-mechanically inactive or active, the second case is mostly controlled by fluid channeling mechanisms promoted by heterogeneities at the scale of a single fracture or at the scale of the fracture network. Changes in the hydraulic properties are in some cases detected by the seismicity triggered during the injection under the assumption that the seismicity is the direct effect of fluid propagation, fluid pressure increase and effective stress drop.However, the mechanisms behind the injection induced seismicity are still poorly understood. Using experimental results from the Tournemire site, the role of the hydraulic diffusivity of the fault-related structures was explored on the recorded seismicity in the framework of a hydro-mechanical analysis. The results suggest that the induced microseismicity was possibly related to stress perturbations caused by a significant aseismic deformation rather than fluid propagation through hydraulically connected structures

Le bassin de Levant, localisé à l’extrémité la plus orientale de la Méditerranée, se situe à jonction de trois plaques tectoniques majeures (Afrique, Arabie, Eurasie ainsi que la microplaque Anatolienne). Il est bordé à l’Est par la faille du Levant (frontière Arabie/Afrique), qui représente un système transformant de 1000 km de long, reliant le rift dans la Mer Rouge au sud avec la zone de convergence le long du Taurus au nord (frontière Arabie/Eurasie). Son extrémité nord est marquée par la frontière convergente Afrique/Anatolie soulignée par l’arc de Chypre. Le bassin Levantin a enregistré l’interaction entre ces différentes plaques au cours du Cénozoïque et sa bordure Est a été en particulier déformée par la mise en place de la faille du Levant. Cette limite de plaque majeure est marquée au Liban par un relais compressif qui a été actif depuis la fin du Miocène. Jusque récemment, l’absence de données sismiques dans la partie centrale du bassin levantin (offshore Liban) a constitué un handicap important dans la caractérisation de ce basin. Dans ce secteur, la géométrie, cinématique, l’âge des structures tectoniques ne sont pas connus. Plusieurs questions en découlent. Quel est impact de la frontière transformante du Levant sur la structure du bassin? Le bassin a-t-il enregistré d’autres déformations au cours du Cénozoïque ? Quel est l’effet de la structuration ancienne et profonde de la marge sur la déformation actuelle ? Ce travail s’est appuyé sur l’interprétation des données sismiques 2D et 3D de haute qualité dont deux cubes 3D de 4290 m3 et sept lignes 2D de 830 km de long. Cette étude a permis d’identifier les structures tectoniques affectant le secteur offshore Libanais et de caractériser leurs origines. Plusieurs familles de failles tout au long de la marge Est du bassin ont été identifiées et témoigne d’une histoire tectonique méso-cénozoïque longue et complexe. Les structures reconnues sont tout d’abord (1) des failles chevauchantes NNE-SSW actives depuis le début du Tertiaire jusqu’à la fin Miocène, (2) des anticlinaux NNE-SSW formés durant le Miocène supérieur et se localisant sur des structures préexistantes et (3) des failles décrochantes dextres, héritées des structures mésozoïques et réactivées durant le Miocène supérieur. Seules les failles décrochantes dextres montrent des preuves d’une activité actuelle, liée à la transpression au long de la faille du Levant. Ces structures constituent le prolongement vers l’ouest de la frontière de plaque du Levant sous un régime transpressif et une compression NW-SE. Nous mettons en évidence que cette frontière de plaque montre une évolution au cours du Néogène avec une forte décroissance de la composante de raccourcissement à partir du Pliocène. La mise en évidence de jeux plus anciens témoigne d’une structuration profonde E-W de la marge, vraisemblablement héritée des tectoniques mésozoïques. L’impact de cette structuration a été évalué à travers une modélisation analogique. Les résultats démontrent le rôle considérable de cet héritage sur l’évolution du relais compressif de la faille du Levant au Liban, entre autre en localisant la déformation le long de couloirs E-W et en segmentant les structures transpressives NNE-SSW. Ces résultats nous conduisent à interpréter les structures E-W comme majeures et traduisant la prolongation vers l’ouest du bassin mésozoïque des Palmyrides. Nous mettons ici en évidence le rôle majeure d’une marge sur la structure d’une frontière de plaques transformante. Le développement de failles antithétiques (failles dextres dans une frontière transformante senestre), connus dans d’autres frontières de ce type, est ici clairement associé à une anisotropie profonde forçant la localisation de la déformation
The Levant Basin is located at the easternmost Mediterranean at the intersection of three major tectonic plates (Africa, Arabia, Eurasia and the smaller Anatolian microplate). The Levant Fracture System (Arabia-Africa plate boundary) borders the basin to its east and represents a 1000 km long left-lateral transform system linking rifting in the Red Sea with plate convergence along the Taurus Mountains (Arabia-Eurasia plate boundary). The Levant Basin is bordered to the north by the Cyprus Arc (Africa-Eurasia plate boundary). The interaction between these tectonic plates had important consequences on the evolution of the Levant Basin whereby its eastern boundary has been affected by deformation along the Levant Fracture System. This major plate boundary is associated with a restraining bend in Lebanon and has been active since the Late Miocene. Until recent days, the absence of seismic data in the central Levant Basin was an obstacle against characterizing the tectonic setting of the basin. In this area, the geometry, kinematics and the age of the tectonic structures are poorly understood. A focal question thus remains on how the Levant Basin was affected by this adjacent plate boundary. Therefore, what is the impact of the deformation along the Levant Fracture System since the Late Miocene on this basin and how can we assess it? Has the latter been affected by other tectonic regimes prior to the onset of transpression? If so, how would the existing structures influence the style of modern deformation? In this study, high quality 2D and 3D seismic reflection data (with two 4290 m3 3D seismic cubes and seven 830 km long 2D seismic lines) were interpreted allowing identification and timing of the structures in the Levant Basin offshore Lebanon. Several fault families, mapped along the margin, are remnants of a lasting and complex tectonic history since Mesozoic times. These include NNE-SSW striking thrust faults active during the early Tertiary and inactive since the Pliocene; NNE-SSW striking anticlines folded during the Late Miocene and overlying pre-existing structuresd; and ENE-WSW striking dextral strike-slip faults inherited from Mesozoic times and reactivated during the Late Miocene. Only the dextral strike-slip faults show evidence of current activity and are interpreted to be linked to transpression along the Levant Fracture System. They constitute the westward extension of the plate boundary, formed under a transpressif regime and a NW-SE compression. We have showed how this plate boundary has evolved through the Neogene with a decrease in the shortening component during the Pliocene.The identification of pre-existing structures along the eastern Levant margin shed the light on the deep structuration affecting this area, inherited from Mesozoic tectonic events. The impact of these structures was tested through analogue modeling. Results indicated a considerable impact of pre-existing structures on the development of the restraining bend, localizing deformation at the onset of transpression and responsible of segmenting the restraining bend along an ENE direction. These ENE-WSW faults are thus major and are most likely associated with the deformation affecting the Palmyra basin since the Mesozoic, which is thus extending westward to Lebanon. This study has shown the important role of a margin on a strike-slip plate boundary. Namely, the development of antithetic faults (local dextral strike-slip faults in a regional sinistral strike-slip plate boundary) known in other similar plate boundaries is associated with a deep crustal anisotropy localizing the subsequent deformation

La modélisation expérimentale permettant une observation facile en 3 dimensions apparaît comme étant l'outil idéal pouvant arder à la compréhension de la genèse, du fonctionnement et de la géométrie des zones décrochantes sur le terrain. L'application à la modélisation expérimentale de la tomographie aux Rayons X a permis de mettre en évidence que dans une couverture sédimentaire purement fragile les failles s'initialisent sur la faille de socle et se propagent vers le sommet. A l'opposé, en présence d'un niveau ductile, les failles s'initialisent à la surface de la pile sédimentaire et se propagent vers la base. Dans une étude sur le décrochement oblique, différentes co nfigurations i) de faille de socle (normale, verticale ou inverse), ii) de déplacement imposé sur le plan de faille et iii) composition rhéologique (couverture purement fragile ou fragileductile) ont été tèstées. Une étude sur la réactivation en contexte décrochant a ég alement été envisagée. Dans un premier stade de déformation, un champ de failles est créé au dessus d'une faille de socle inverse, verticale ou normale, pour différentes rhéologies. Puis ces champs de failles sont déformés en contexte purement décrochant. Les failles sont communément réactivées en profondeur. En surface, la réactivation est moins évidente, mais les structures antérieures controlent la localisation et la géométrie des décrochements. L'analyse des zones décrochantes compressives est ensuite abordée. Le travail de modélisation met en évidence la séparation des déplacemen familles de failles dans des systèmes fragile-ductiles. Une étude de terra été réalisée en Colombie, mettant en évidence le jeu décrochant et décrochevauchant d'une faille active (la faille de Bucaramanga). Enfin la formation et le fonctionnement simultanés de plis et de failles au dessùs d'un décrochement de socle sont envisagés, à la fois sur des exemples naturels dans le domaine Sud-Caraïbes, et par une approche expérimentale.

Cette thèse est dédiée à l’étude de la réactivation de faille par injection de fluide, à l’aide d’un modèle hydro-mécanique de faille rate and state. Bien que les principaux mécanismes à l’origine de la réactivation de faille soient bien connus, différents aspects ne sont pas encore complètement explorés. Dans la première partie de cette thèse, on étudie le rôle du protocole d’injection (pression maximale et taux de pression d’injection), ainsi que le rôle des paramètres de frottement sur le taux de sismicité et la distribution de magnitude, pour des failles2-D hétérogènes. On souligne d’abord une corrélation temporelle entre le taux de sismicité et le taux de pression de pore gouvernant la faille. On montre ensuite une dépendance du taux de sismicité ainsi que de la distribution des magnitudes sur les paramètres d’injection. Une compensation entre ces deux existe pour de grandes valeurs du taux de pression d’injection. Ce comportement ne peut pas être abordé par le taux de sismicité proposé par Dietrich (1994). En outre, on montre que les failles ayant un comportement de frottement plus stable présente un taux de sismicité et un moment sismique plus faibles. Dans la dernière partie de cette étude, la variation de la diffusivité hydraulique au cours de l’injection de fluide avec l’accumulation du déplacement et la réduction de la contrainte normale effective sur la faille est abordée. On utilise des expériences d’injection (échelle du laboratoire) sur un échantillon d’andésite, où la pression de pore est mesurée à deux endroits sur la faille. En appliquant des méthodes d’inversion, on estime le meilleur modèle de diffusivité et les incertitudes associés, pouvant expliquer les données expérimentales. Avec ces résultats, on peut étendre notre modèle hydro-mécanique, afin de pouvoir calculer la pression de pore, la diffusivité hydraulique et le déplacement accumulé sur la faille
This PhD thesis is dedicated to the study of injection induced fault reactivation using a coupled hydro-mechanical rate and state modelof a fault. Even though the principal mechanisms behind induced fault reactivation are well known, different aspects are not yet fully explored, nor understood. In the first part of this thesis, we explore successively the role of the injection protocol (in particular, injection maximum pressure and injection pressure rate), and the fault frictional parameters on the rate of induced events and their magnitude content, for different heterogeneous 2-D fault configurations. We first point out a temporal correlation between the seismicity rate and the pore pressure rate governing the fault. We then show a dependence of the rate and magnitude content of the seismic events on the injection parameters, as well as the existence of an important trade-off between them, which could not be addressed using the Dietrich(1994)’s seismicity rate model. Concerning the frictional parameters, we show that for the faults tested in this study, the ones having a more stable frictional behavior exhibit a lower induced seismicity rate and seismic moment released. In the last part of this study, the variation of the hydraulic diffusivity during fluid injection with shear slip and effective stress reduction is addressed. For this, we use laboratory injection experiments on an Andesite rock sample, during which the pore pressure was measured at two locations along the fault plane. In an inversion framework, we estimate the best model and the associated uncertainties of an effective diffusivity history that could explain the experimental data. Using this information, we could extend our hydro-mechanical model, which would allow the computation of pore pressure, diffusivity and slip changes along the experimental fault

Les déformations de la marge orientale Nord du Golfe d'Aden sont tout d'abord étudiées dans cette thèse à partir de données acquises lors d'une mission de terrain et d'une campagne en Mer (Encens Sheba). Les données de terrain montrent que les failles sont fortement segmentées et leurs orientations très dispersées (de N60°E à N120°E pour les failles majeures). Afin de comprendre ces caractéristiques, des modèles analogiques ont été réalisés pour mieux cerner les mécanismes intervenant dans la création de ces réseaux de failles: l'influence de niveaux ductiles, la réactivation de failles héritées et les conditions aux limites responsables de l'extension. L'influence des niveaux visqueux sur la croissance des réseaux de failles normales est étudiée à partir de modèles analogiques et numériques. La présence des niveaux visqueux ainsi que leur résistance contrôlent la géométrie des failles majeures. Une faible résistance du niveau visqueux induit des grandes failles plus espacées, limitant des blocs peu déformés. Les seules petites failles qui s'initient sont alors localisées à proximité des grandes failles et ont des directions très dispersées. Pour rendre compte de la géométrie du réseau de failles du Golfe d'Aden, il est nécessaire de prendre en compte l'obliquité de la direction d'extension sur le rift et les réseaux de failles héritées. Des modèles analogiques de réactivation oblique ont été réalisés. Ils rendent bien compte des géométries observées dans le Golfe d'Aden, comme dans d'autres rifts tels que le Golfe de Suez, le rift du Lac Tanganyika ou le Viking Graben. Ces phénomènes de réactivation ont lieu sur les bords du rift où une direction d'extension tardive (N160°E) est enregistrée sur le terrain. Afin de mieux définir les conditions aux limites conduisant à la formation des réseaux de failles observés à terre et en mer, il est nécessaire de comprendre les mécanismes responsables de la formation du Golfe d'Aden. Pour ce faire, des modèles analogiques du système lithosphère-manteau supérieur explorent le rôle de la subduction de la Téthys au Nord. La collision de l'Afrique-Arabie intervient de manière précoce au Nord-Ouest tandis que la subduction est encore active à l'Est. Dans les modèles, ce phénomène provoque les déformations intraplaques dans le Nord-Est de l'Afrique, dont la géométrie, en présence d'une faiblesse représentant le point chaud des Afars, est très similaire à celle des rifts Afro-Arabes. Dans cette configuration, une zone d'extension oblique (similaire au Golfe d'Aden) est générée, sans faiblesse lithosphérique préexistante ni propagation du rifting. Ce résultat implique un modèle particulier de rifting oblique qui peut expliquer la présence de l'extension N160°E, tardive sur les bords du rift, perpendiculaire au rift qui se localise suivant la direction du golfe actuel.

Ce travail s'intéresse à l'étude du comportement en conditions statiques des failles dans la croûte supérieure continentale et plus particulièrement à l'effet des surpressions de fluides sur la réactivation des failles et le déclenchement des séismes. Pour ce faire, une analyse associant sismologie, géologie structurale, pétrophysique, géochimie et modélisation hydromécanique a été menée dans la région de l'Ubaye (Alpes du sud) où a eu lieu, en 2003-2004, un essaim sismique en relation avec des failles régionales affleurant plus au sud dans le massif cristallin de l'Argentera. Les mécanismes au foyer de 74 événements de cet essaim sismique ont été déterminés. À partir de ces mécanismes et d'autres données sismologiques ainsi que de modèles mécaniques basés sur la théorie de Mohr-Coulomb, cette étude a permis de confirmer que l'activité sismique de l'essaim était liée à la présence de surpressions de fluides et d'expliquer l'évolution spatio-temporelle des surpressions. Un modèle hydromécanique est proposé afin de concilier les évolutions spatio-temporelles de la sismicité et des surpressions de fluides. L'étude d'un affleurement d'une faille régionale de l'Argentera combinant analyse structurale, mesures pétrophysiques et modélisation hydromécanique a ensuite permis de préciser le comportement hydromécanique des failles aux profondeurs hypocentrales et plus particulièrement leur capacité à être compactées et à développer des surpressions de fluides. Finalement, l'initiation des séismes à la base de la zone sismogénique est explorée à partir d'analyses géochimiques et mécaniques menées sur de veines à paragénèse quartz-chlorite formées à la base de la zone sismogène. Ces résultats sont comparés avec ceux déduits de l'analyse de l'essaim sismique de l'Ubaye. Ce travail a permis d'étudier le comportement sismomécanique des failles et les interactions entre failles, fluides et séismes à travers la zone sismogène. Il met l'accent sur l'importance de coupler les approches sismologiques, hydrauliques et mécaniques dans l'étude des failles actives
This work adresses the behavior of faults in the upper continental crust under static conditions and moreparticularly the effect of fluid overpressures on fault reactivation and earthquake triggering. In order toreach this goal, an analysis combining seismology, structural geology, petrophysics, geochemistry andhydromechanical modeling has been carried out in the Ubaye region (southern French-Italian Alps) wherea seismic swarm related to regional faults exposed in the Argentera basement massif (located furthersouth) occurred in 2003-2004. Focal mechanisms of 74 events from this seismic swarm have beendetermined. Based on these mechanisms and other seismological data and on mechanical modeling basedon the Mohr-Coulomb theory, this study allows to confirm that the seismic activity of the swarm waslinked to the presence of overpressurized fluids and to explain the spatio-temporal evolution ofoverpressures. A hydromechanical model is proposed in order to account for the spatio-temporalevolutions of both seismicity and pore fluid overpressures. The study of an exposure of an Argenteraregional fault combining a structural analysis, petrophysical measurements and a hydromechanicalmodeling has allowed to decipher the hydromechanical behavior of faults at hypocentral depths, and moreparticularly to determine the ability of faults to be compacted and to develop fluid overpressures. Lastly,the initiation of earthquakes at or near the base of the seismogenic zone is explored through geochemicaland mechanical analyses of quartz-chlorite veins formed at the base of the seismogenic zone. Theseresults are then compared with those deduced from the analysis of the Ubaye seismic swarm. This workallows to study the seismo-mechanical behavior of faults and the interactions between faults, fluids andearthquakes across the seismogenic zone. It emphasizes the importance of associating seismological,hydraulic et mechanical analyses in the study of active faults

Cette étude documente la succession de phases de rift qui se sont formées le long d'une marge continentale dont l'évolution géologique a été particulièrement longue. Ce type d'évolution géologique est bien admise dans la littérature mais reste encore peu comprise en terme de processus géologiques. Ici, il est spécifiquement étudié comment ce type de rifts peut évoluer au cours du temps et il est tout particulièrement mis en évidence les processus de réactivation de failles et la formation des éléments géologiques associés dans l'évolution des bassins en extension. Cette étude résume les résultats principaux de deux projets de recherche menés sur(1) le Bassin de Porcupine (offshore irlandais) qui s'est formé pendant la propagation du système de rift nord-atlantique et (2) la région de la Mer de Corail (Papouasie Nouvelle Guinée) dont l'évolution en contexte de supra-subduction est liée à l'affrontement des plaques Pacifique et Australie. Ces deux projets de recherche discutent spécifiquement de l'enregistrement sédimentaire et de l'évolution des failles à partir de données sismiques corrélées à des données de puits, de magnétisme ou de gravimétrie.Les deux bassins ont évolué en bordure d'orogènes depuis le Paléozoïque supérieur. Il est démontré que l'extension s'est initiée au long de structures anciennes qui ont été réactivées lors de l'étalement orogénique mis en évidence par la migration de dépocentres. L'extension s'est ensuite développée de façon discontinue au cours de divers épisodes extensifs pulsés. Les premiers épisodes montrent en général des bassins étroits, plus ou moins discrets et qui sont remplis de dépôts continentaux qui passent progressivement à des environnements marins. L'extension est d'abord diffuse puis localisée le long de failles bordières qui accommodent l'ensemble de l'extension et le boudinage de la croûte. Au fur et à mesure que l'extension progresse, l'influence structurale de la croûte continentale diminue et la déformation évolue vers l'océan avant le stade ultime de déchirure continentale de façon très localisée. Le rifting se termine en général dès que les conditions aux limites changent, résultant en la production de bassins océaniques en propagateur qui sont transversaux aux bassins néoformés. Dans les marges classiques de type atlantique (p.ex. Bassin de Porcupine), ceci est lié à la propagation de croûte océanique dans des bassins plus ou moins perpendiculaires tels que le Golfe deGascogne dont l'ouverture stoppe la déformation extensive. Dans les zones en supra-subduction (par ex. Mer de Corail), la fin de l'extension est plutôt liée à un changement dans la dynamique de subduction qui peut contrôler l'ensemble de la propagation de l'océanisation.Ainsi, il apparait que l'extension migre progressivement depuis une zone initiale en réactivant d'anciennes structures orogéniques quelles que soit les conditions géodynamiques initiales. Ici, il est proposé qu'une phase de déformation souligne un mégacycle extensif durant lequel des grabens individuels, des bassins riftés ou des systèmes de rifts se forment successivement et surimposent les uns aux autres. Chaque mégacycle peut se définir sédimentologiquement et tectoniquement. La surimposition montre en général une déformation qui évolue progressivement vers l'océan par la réactivation spécifique de structures pré-existantes.L'initiation de l'extension et le passage d'un mégacycle à un autre est en général lié par un changement des conditions aux limites
This study documents the succession of rifting phases that evolve along continental margins of longstanding history. This type of evolution, well admitted in the literature, remains poorly understood in terms of geological processes. Herein, the way rifts evolve through is specifically studied to highlight the fault reactivation processes and the formation of associated geological elements during the evolution of extensional basins. This study summarises some principal results of two research projects focussing on (1) the Porcupine Basin (offshore Ireland) that formed from the North-Atlantic rift propagation and (2) the Coral Sea region (Papua New Guinea) which the evolution within a supra-subduction context links to the convergence of the Pacific and Australian lithospheric plates. These two research projects specifically discuss the sedimentary record and the faulting evolution from seismic data correlated to wells, magnetism and gravimetry.Both basins evolved from the Late Palaeozoic on sides of orogens since the Late Palaeozoic. It is demonstrated that extension initiated along old structures that were reactivated during a general orogenic collapse evidenced by migration of depocentres. Then, extension discontinuously developed during several rifting events that are usually internally pulsed. The first rift events are usually very narrow and discreet, and evolve in a continental domain. Deformation progressively passes to localized normal faulting implying that major bounding faults progressively accommodate the extension. As long as extension progresses, the influence of continental structures tend to decrease and the deformation evolves oceanward prior continental tear. Extension generally stops once boundary conditions change, resulting in oceanic crust that may propagate transversally (oceanic propagators).Along classical Atlantic-type margins (e.g. Porcupine Basin), this links to the propagation of the oceanic crust but internal crosscutting oceanic basins (e.g. Bay of Biscay) stop the deformation prior to seafloor spreading that form the overall oceanic crust.In supra-subduction zones (e.g. Coral Sea), it is rather related to a change in the dynamics of the subduction which may control the overall direction of the spreading propagation.Thus, extension migrates progressively away from the initial deformation core by reactivating pre-existing structures, whatever geodynamic conditions are but with a general decrease in the influence of old continental fabrics. Herein, it is proposed herein that a deformation phase expresses as an extensional megacycle during which graben, basins or rift settings develop successively and overprint the ones another. Each extensional megacycle may be defined sedimentologically and tectonically. Their overlap generally shows an oceanward migration which reactivates specific pre-existing structures. The initiation of extension and the evolution from a megacycle another is generally linked associated to a variation of the boundary conditions

Le but de ce travail est de comprendre les relations entre la déformation et la diagenèse dans les carbonates. Pour cela, l’échelle du m au dam est adéquate car elle permet de séparer les effets matriciels, des fractures et des failles. Celle-ci est sous la résolution de la sismique, donc peu de données géophysiques et diagénétiques spatiale et quantitatives sont disponibles, le plus souvent limitées aux données 1D de puit.Nous avons choisi 4 affleurements présentant des hétérogénéités et des intensités de déformation et de diagenèse diverses. Un protocole multi-échelle et multidisciplinaire a été développé, comprenant de la géophysique à l’échelle du cm au dam, de la diagenèse structurale et de la géochimie sur les ciments de fracture. Nous montrons un fort effet d’échelle entre les Vp en laboratoire et à l’affleurement dû à des hétérogénéités sédimentaire, d’enfouissement et structurale, qui conduisent à différents motifs géostatistiques.Les fractures ont l’effet le plus fort sur les Vp, modulé par leur cimentation, et qui peut entièrement effacer la signature initiale du faciès. La réactivation des fractures induit une anisotropie directionnelle de 10% due à des changements dans le remplissage des fractures, caractérisés par de multiples phases de cimentation, broyage et dissolution.Dans les zones de faille, l’anisotropie sismique est amplifiée, conduisant à un fort affaiblissement de la roche au cisaillement et à une diminution de Vp autour de la faille. Les données géochimiques tracent plusieurs flux de fluides diagénétiques et soulignent les fortes interactions entre l’évolution de la perméabilité, la diagenèse structurale et la signature géophysique des carbonates
The aim of this work was to understand the relationships between deformations and diagenesis in carbonates. The relevant scale to study it may be the m to dkm scale which allows individualizing fracture, fault and matrix effects. This scale is under the seismic resolution, so few quantitative diagenetic and geophysical spatial data are available, mainly constrained to 1D borehole.Therefore, we selected 4 dkm scale outcrops displaying various heterogeneities and intensities of deformation and diagenesis. We developed a multidisciplinary/multiscale protocol including geophysics from cm to dkm scale along with structural diagenesis study and geochemical measurements on fractures cements. We found a strong scale effect between laboratory and outcrop Vp due to sedimentary, burial and structural heterogeneities that lead to different geostatistical patterns. Fractures have the strongest effect on Vp, being modulated by their cementation and can erase the initial facies acoustic signature. The fracture reactivation induce a 10% Vp directional anisotropy due to microscale changes in the fractures infillings characterized by multiple cementation, crushing and dissolution phases. In fault-zones the seismic anisotropy magnitude is amplified, leading to a strong directional rock shear weakening and a Vp decrease around the fault, caused by higher discontinuities aperture and brecciation. Geochemical data indicate that the Vp signature evolution is linked to different diagenetic fluids flow origins occurring during each deformation phase. This underlines the strong interplay between permeability evolution, structural diagenesis and geophysical signature in carbonates

Les variations de pression de fluide lors d’une injection hydraulique dans une faille affectent la stabilité de la faille. Ainsi, elles peuvent engendrer du glissement sismique et asismique sur la faille. Cependant, les relations entre la pression de fluide, le glissement asismique et la sismicité sont encore mal comprises. Dans cette thèse, j’ai exploré, avec des modélisations 3D sismo-hydro-mécaniques, les mécanismes régissant la déformation sismique et asismique d’une faille perméable gouvernée par une loi de friction « slip-weakening » lors d’une injection ponctuelle. L’objectif principal de ce travail est de mieux comprendre comment une faille répond à une injection de fluide, et aussi d’identifier les propriétés des failles qui contrôlent les comportements sismiques et asismiques observés dans des expériences in-situ et lors de manipulations de fluides en profondeur dans des réservoirs géologiques. Le modèle permet de tester différents états de contraintes sur la faille, et aussi de tester l’influence de différents paramètres hydromécaniques (perméabilité initiale, angle de dilatance) et frictionnels (chute de friction, distance caractéristique de glissement) sur la réponse hydromécanique de la faille. Un glissement asismique de forme elliptique, croissant au cours de l’injection, est observé dans les différentes simulations. Les contraintes cisaillantes s’accumulent au bord de ce patch asismique, ce qui induit des événements sismiques. Dans cette série de simulations, la sismicité suit le front de glissement asismique plutôt que le front de diffusion de pression. La déformation relâchée au cours d’une simulation est majoritairement asismique, avec un moment sismique inférieur à 5% du moment total, conformément aux observations sismologiques acquises lors d’expérience in situ (Guglielmi et al., 2015a; De Barros et al., 2018). Les résultats des modèles montrent aussi que le moment sismique augmente principalement avec une augmentation de la proximité initiale des contraintes à la rupture de la faille et avec la chute de friction, mais aussi, d’une moindre manière, avec une diminution de la perméabilité et de la distance caractéristique de glissement. Modifier la valeur de ces quatre paramètres ne permet pas de reproduire les relations classiques du moment et du volume de fluide injecté (McGarr & Barbour, 2018 ; Galis et al., 2017). Les variations de la b-value avec ces quatre paramètres suivent une relation semi-logarithmique avec la partition sismique du moment. De plus, l’état de contrainte avant l’injection ainsi que la durée de l’injection influent sur la magnitude maximale observée après l’arrêt de l’injection. Ces résultats montrent des caractéristiques observées lors d’expériences d’injection in-situ dans des réservoirs à échelle décamétrique et kilométrique. Ainsi, ces résultats peuvent contribuer à mieux comprendre et anticiper le risque sismique lors d’une injection de fluide en profondeur
Fluid pressure changes into subsurface rocks affect fault stability, and can induce both earthquakes and aseismic deformation. Nonetheless, the interplay between fluid pressure, earthquakes and aseismic fault slip is unclear. Here, I investigate, with 3D seismo-hydro-mechanical modeling, the mechanisms behind seismic and aseismic deformation occurring on a single permeable fault governed by a slip-weakening friction law during fluid injection. The main objective is to understand how the fault responds to a fluid injection, and to identify what fault properties influence the seismic and aseismic behaviors that are observed in experiments and during large-scale fluid manipulations. Our model allows to test different fault pre-stress conditions as well as hydromechanical (initial permeability, dilation angle) and frictional (friction drop, critical slip distance) fault parameters. The simulations mainly result in the expansion of an aseismic region around the injection. Pronounced shear stresses are concentrated at the edge of this expanding zone, where seismicity is triggered due to this stress perturbation. We find that the seismicity follows the aseismic slip front rather than the fluid pressure diffusion front. The moment released during an injection simulation is mostly aseismic, with less than 5% of seismic deformation, consistent with observations in in-situ experiments (Guglielmi et al., 2015a; De Barros et al., 2018). The seismic moment increases mostly with an increase of the pre-stress and of the friction drop. It also increases in a smaller way with a decrease of the initial permeability and of the characteristic slip distance. Modifying these four fault parameters do not lead to an usual moment-injected fluid volume relationship (McGarr & Barbour, 2018; Galis et al., 2017). The b-value, which varies with these four parameters, shows a semi-logarithmic relationship with the seismic moment partition. Moreover, the pre-stress as well as the injection duration act on the maximum magnitude reached after injection stops. These results exhibit features observed in field injection experiments at the decametric scale and fluid manipulations at the reservoir scale. Therefore, these modeling studies can help understand and mitigate the seismic risk due to fluid injection in the subsurface