Thèses

Rôle de l’anisotropie mécanique dans la fracturation induite par fluide : apports de la modélisation analogique

João Paulo Giro Cardoso - 26/06/2026

La fracturation induite par fluide est un processus qui se produit naturellement dans la croûte terrestre, par le biais des intrusions magmatiques et des veines minéralisées, et du fait des activités humaines, telles que la fracturation hydraulique (HF) appliquée aux réservoirs d’hydrocarbures non conventionnels, la stimulation géothermique et le stockage géologique du CO₂. Souvent, les modèles actuels traitent encore les roches comme des milieux homogènes et isotropes, en prédisant des fractures planaires simples. Cependant, les observations de terrain et les données de carottes révèlent des géométries de fracture complexes, avec des réseaux ramifiés et de multiples chemins possibles pour les fractures. Dans ce contexte, les modèles isotropes ne sont pas capables de quantifier comment l’anisotropie mécanique intrinsèque de la roche encaissante gouverne l’initiation, la propagation et la géométrie finale des fractures induites par fluide. En modélisation expérimentale, l’absence de matériaux analogues intrinsèquement anisotropes a été un facteur clé dans le maintien de cette lacune de connaissance. Cette thèse traite cette lacune en combinant un nouveau matériau analogue intrinsèquement anisotrope avec des expériences de fracturation hydraulique à l’échelle réduite et une analyse dimensionnelle. Dans une première partie, un matériau analogue granulaire cohésif composé de sable quartzeux, de mica muscovite et de gélatine a été développé afin de reproduire la réponse mécanique directionnelle des roches transversalement isotropes (RTIs). Au total, 1261 essais ont été réalisés pour caractériser mécaniquement ce matériau, incluant des essais de compression uniaxiale non confinée (UCS) et des essais de cisaillement direct à différentes orientations de chargement par rapport au litage. Les résultats ont validé que ce matériau reproduit avec succès la réponse caractéristique de résistance anisotrope et les modes de rupture des roches TIR naturelles, y compris les courbes de résistance en forme de U typiques de ces roches. En faisant varier la teneur en mica et la concentration en gélatine, il est possible d’ajuster à la fois la cohésion et le degré d’anisotropie, ce qui permet au matériau de mimer des lithologies allant de grès presque isotropes à des shales et schistes modérément anisotropes. Le caractère pratique, le faible coût, le temps de préparation relativement court et les propriétés ajustables de ce matériau en font un outil révolutionnaire pour la modélisation analogique des milieux géologiques anisotropes. Dans une seconde partie, 78 expériences analogiques de fracturation hydraulique ont été réalisées afin d’étudier comment l’anisotropie de cohésion, la profondeur d’injection, la vitesse d’injection et la cohésion globale contrôlent la géométrie des fractures. Les résultats montrent que l’anisotropie mécanique intrinsèque est un paramètre de premier ordre gouvernant la propagation des fractures et qu’elle influence fortement le développement d’une large gamme de géométries, depuis des dykes discordants et des cone sheets jusqu’à des sills concordants, en incluant des formes transitionnelles telles que les cups et les saucers. Les cups, les saucers et les sills ne constituent pas des catégories isolées, mais définissent un continuum de propagation associé au développement et à la croissance d’un inner sill initial. Les expériences montrent également que la géométrie des fractures résulte de l’influence combinée de l’anisotropie, des conditions d’injection et du confinement. À faible vitesse d’injection, les fractures disposent de plus de temps pour répondre à la faiblesse mécanique locale de la fabrique anisotrope, ce qui favorise une propagation parallèle au litage et le développement de géométries concordantes ou transitionnelles. À vitesse d’injection plus élevée, une force de pression plus importante à la pointe de la fracture favorise une propagation recoupante et des géométries plus discordantes, même dans des matériaux anisotropes. Une augmentation de la profondeur favorise également une propagation parallèle au litage dans des conditions anisotropes et cohésives. L’analyse des marqueurs externes indique en outre que la propagation des fractures s’est produite majoritairement par ouverture en mode I. Dans ce contexte, les steps et broken bridges se sont formés par propagation et connexion successives en traction plutôt que par déplacement en cisaillement. Ce résultat suggère que certaines géométries de fractures segmentées observées dans la nature peuvent refléter une propagation répétée en traction dans des milieux anisotropes, ce qui permet d’affiner l’interprétation mécanique des fractures naturelles remplies. Sur le plan conceptuel, les résultats soutiennent une interprétation fondée sur le cercle de Mohr, dans laquelle les milieux anisotropes sont caractérisés par deux conditions de rupture concurrentes : l’une correspondant à une propagation parallèle à la fabrique anisotrope, où la roche est plus faible, et l’autre à une propagation à travers la matrice rocheuse plus résistante. La transition observée entre propagation concordante et discordante reflète la compétition entre ces deux chemins mécaniques sous l’effet de différentes propriétés locales et conditions d’injection. Enfin, l’analyse dimensionnelle a permis d’identifier trois paramètres adimensionnels gouvernants, Π₁, Π₂ et Π₈, qui définissent un espace de phase tridimensionnel pour la géométrie des fractures dans les milieux anisotropes. Cela fournit le premier cadre d’échelle unifié et quantitatif permettant de prédire la géométrie des fractures induites par fluide dans des roches intrinsèquement anisotropes, en étendant les approches de mise à l’échelle précédemment développées pour les milieux isotropes. Dans l’ensemble, cette thèse établit les matériaux analogues intrinsèquement anisotropes comme des outils puissants pour l’étude de la fracturation induite par fluide et fournit un cadre expérimental et conceptuel plus large pour comprendre la propagation des fractures dans des milieux anisotropes géologiquement plus réalistes. Au-delà de la modélisation analogique elle-même, les résultats contribuent à une meilleure compréhension de la mise en place du magma dans une croûte anisotrope et fournissent une base physiquement fondée pour traiter les défis liés à la fracturation hydraulique dans les systèmes géothermiques, les réservoirs non conventionnels et les formations de stockage du CO₂.

Cartographie automatique et analyses morpho-statistiques des bedforms sous-glaciaires pour les reconstructions paléoglaciologiques

Sofyane HESNI - 06/05/2026

Les bedforms sous-glaciaires, formés par l’interaction entre la glace, l’eau de fonte et les sédiments à la base des glaciers, constituent des archives morpho-sédimentaires des dynamiques passées des calottes glaciaires. Leur cartographie permet de reconstituer les flux glaciaires et les systèmes de drainage sous- glaciaires. Cependant, cette tâche reste complexe et chronophage avec les méthodes traditionnelles manuelles. Ce travail propose un protocole automatique fondé sur le calcul du Volumetric Obscurance pour cartographier ces formes sur de très grandes emprises spatiales et en extraire les paramètres morphométriques. Appliqué à deux zones d’études, ce protocole a permis de constituer des bases de données de 9 600 bedforms en Islande et de près de 840 000 bedforms au Canada dans des régions autrefois recouvertes de calottes de glace. L’analyse statistique et la spatialisation des paramètres morphométriques révèlent dans les deux cas des domaines distincts traduisant la diversité des processus sous-glaciaires : déformation du lit sédimentaire sous l’écoulement glaciaire d’une part, transfert sédimentaire le long des routes de drainage de l’eau de fonte d’autre part. L’association de ces résultats aboutit à des reconstructions paléoglaciologiques à une résolution inédite, illustrant le potentiel des approches de cartographie automatique couplées à l’analyse morphométrique spatialisée pour reconstituer la dynamique des paléo-calottes à l’échelle continentale.

Mesure de l’état de rotation de Vénus et du champ de gravité variable de Mars à l’aide de la détermination précise de l’orbite des sondes spatiales

Maëva Lévesque - 18/12/2025

L’exploration spatiale repose sur diverses méthodes, dont l’utilisation du lien radio entre la Terre et les satellites artificiels en orbite autour des corps célestes du Système Solaire. Cette technique permet d’ obtenir des informations précieuses sur la structure interne et la dynamique des ces objets. La méthode utilisée ici est appelée la détermination précise d’orbite, qui consiste à ajuster, par la méthode des moindres carrés, la différence entre les données Doppler observées par les stations au sol et celles simulées à partir d’un modèle des forces contrôlant l’orbite du satellite. L’ ajustement est réalisé à l’aide du logiciel GINS, développé par le CNES. Cette étude se concentre sur deux planètes proches de la Terre: Vénus et Mars. Pour Vénus, l’analyse porte sur la mesure de sa rotation, encore mal contrainte à ce jour, en utilisant pour la première fois l’ensemble des données de suivi de navigation de la mission Venus Express. Une période de rotation de 243, 0206 jours a été déterminée avec une erreur de 1,44 minutes, permettant d’améliorer l’erreur de 7 minutes obtenue avec des données précédentes et des méthodes différentes.
Concernant Mars, nous avons mis en évidence des variations temporelles du coefficient C30 du champ de gravité, liées à la sublimation et à la condensation saisonnières des calottes glaciaires.
Ces résultats démontrent la pertinence de cette méthode, tout en soulignant certaines limitations à prendre en compte pour les futures missions spatiales.

Implication des couplages intérieur-atmosphère sur la dynamique rotationnelle de Vénus

Yann Musseau - 27/11/2025

La rotation rétrograde de Vénus est la plus lente de toutes les planètes du système solaire. Il est communément admis que cet état résulte de l’équilibre entre les couples de forces créés par les marées solides et atmosphériques. L‘objectif de cette thèse est d’exploiter ce lien afin d‘extraire des informations sur l’intérieur de la planète et sa rotation. Premièrement, le couple de forces de marée thermique est estimé à partir de simulations de dynamique atmosphérique. En calculant la réponse viscoélastique de l‘intérieur aux marées gravitationnelles et à la charge atmosphérique, la viscosité actuelle du manteau inférieur de Vénus, permettant d’expliquer une rotation à l‘équilibre, est estimé entre 2×10²⁰ et 6×10²¹ Pa.s. Deuxièmement, l’évolution passée de la rotation de Vénus est simulée en considérant des variations simples de la viscosité et de la température. Ces travaux montrent qu‘en l’absence de processus de dissipation supplémentaires, le frottement visqueux ne permet pas de ralentir la rotation de Vénus jusqu‘à son état actuel à partir d’une période de rotation initiale inférieure à 24h. Enfin, le couplage des marées thermiques avec la topographie et la vitesse de rotation est étudié à travers une série de simulations de dynamique atmosphérique. Les résultats indiquent que les variations du couple de marée sont principalement contrôlées par les variations à grande échelle de la topographie. La dépendance des marées thermiques à la vitesse de rotation présente un comportement général similaire à celui observé dans des études précédentes, mais diffère en valeurs en raison de l’utilisation d’un modèle plus récent et de la prise en compte de la topographie.

Caractérisation des trajectoires écologiques d’une zone humide anthropisée en aide à la gestion du Parc naturel régional de Brière

Thomas Lafitte - 24/11/2025