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Posté par Michel le Vendredi 30/12/2011 à 00:00
Les fractures courantes de l'écorce terrestre modélisées
Depuis plus d’un siècle l’interprétation mécanique de la formation des fractures naturelles préoccupe les géologues tant du point de vue académique (comment l’écorce terrestre se déforme-t-elle en cassant ?) qu’industriel (réserves de fluides, gîtes minéraux). Les résultats de recherches interdisciplinaires menées depuis une dizaine d’années dans le cadre du consortium Geo-FracNet et d’une collaboration avec les sociétés Shell et Total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...) sous la direction de A Chemenda, physicien-géomécanicien de Géoazur (CNRS-Univ Nice Sophia Antipolis) et de Jean-Pierre Petit, géologue de Géosciences Montpellier (CNRS-Univ Montpellier 2), remettent en cause les interprétations généralement admises des fractures les plus abondantes de l’écorce superficielle, les diaclases (ou joints tectoniques).

Elles s’organisent en réseaux géométriques parfois très spectaculaires. La synthèse d’analyses de terrain détaillées et de travaux expérimentaux récents suggère que ces diaclases ne seraient que l’expression d’une dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a...) localisée. Ceci a des conséquences sur la genèse des réservoirs fracturés et plus généralement, sur la compréhension des mécanismes de rupture des géomatériaux. Ces travaux ont fait l’objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de plusieurs publications dans des revues spécialisées dont Tectonophysics (nov 2011).


Réseau de diaclases dans un banc de grés
(Eaglehawk Neck, Tasmania).

Pourquoi étudier les fractures de l'écorce terrestre ?

L'écorce terrestre superficielle est affectée par des systèmes de fractures de toutes tailles qui font l'objet d'une quantité croissante de travaux auxquels participent en commun chercheurs du monde (Le mot monde peut désigner :) académique et de l'industrie. La motivation (La motivation est, dans un organisme vivant, la composante ou le processus qui règle son engagement dans une action ou expérience. Elle en...) en est la raréfaction des ressources naturelles qui pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) les industriels à étudier le détail de la répartition des fluides économiques dans les réservoirs, tels l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...), le pétrole. Une partie très importante de ces fluides se trouvent dans des fractures affectant les réservoirs. Le transfère des fluides (pendant leur production, par exemple) est également largement contrôlé par les fractures. Pour appréhender ces objets en profondeur les spécialistes se heurtent à plusieurs difficultés. Les méthodes de la sismique pétrolière ne permettent que de voir les grandes structures de taille décamétrique (le plus souvent des failles) tandis que les observations en forage ne montrent que des détails ponctuels. La prédiction des conditions de formation, de la géométrie et des propriétés des fractures en profondeur devient donc cruciale.

L'apport d'une nouvelle approche expérimentale


Réseaux de diaclases (en coupe) et morphologie de leurs surfaces dans la nature et le modèle physique
(Jorand et al., sous presse).



Image au microscope électronique à balayage des bandes de dilatances formées
(a) dans la nature pendant un processus géologique (diaclases embryonnaires) et (b) dans un modèle physique
(Chemenda et al., 2011a,b).

Après plus d'une centaine d'années de recherches consacrées à ces fractures, leur origine reste toujours mal comprise d'où la difficulté de leur prédiction. Ce sont pourtant les structures naturelles cassantes les plus simples, puisqu'elles résultent d'une séparation non cisaillante de la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de minéraux, comportant parfois des...) en deux parties. Il était généralement admis dans le cadre de la mécanique de la rupture que des tractions étaient nécessaires pour former les diaclases en déchirant la roche. Les résultats obtenus par A Chemenda et J.P. Petit et leurs collègues dans le cadre de Geo-FracNet remettent en cause cette interprétationUn point (Graphie) décisif de cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) a été la mise au point d'un matériau granulaire, analogue de roche par ses propriétés (friction interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon...), cohésion et dilatance), plus homogène mais beaucoup moins résistant et rigide que les roches. Ces propriétés font que les échantillons expérimentaux représentent un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de roche significatif analogue à ce que le géologue observe à l'affleurement.Une première série d'expériences a consisté à soumettre des éprouvettes cylindriques à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) isotrope (axiale et latérale identique) qui se rapproche des conditions géologiques profondes, puis à relâcher la pression seulement selon l'axe du cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une...), en lui laissant la possibilité de s'allonger selon cette direction. On constate alors que la décroissance de la compression axiale suffit à faire apparaître des discontinuités, autrement dit le matériau se rompt sans qu'il soit nécessaire d'exercer une traction.Des essais en extension sur échantillons parallélépipédiques (dits poly-axiaux) ont permis de reconstituer pour la première fois, sans aucun effort en traction, des familles de joints/discontinuités parallèles (Fig 2c). Dans tous les types d'essais, après ouverture, ces discontinuités montrent les mêmes «structures plumeuses», caractéristiques des joints naturels (Figs. 2b,d). Ces figures reflètent certainement les processus physiques intimes conduisant à la rupture du matériau.L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) au microscope électronique à balayage, montre qu'à une échelle très fine et avant leur séparation, ces discontinuités apparaissent comme des bandes de porosité plus forte que dans le reste du matériau, c'est-à-dire comme des bandes de dilatance qui se propagent donc sans ouverture.

Vers une meilleure compréhension des processus de rupture

Ces résultats, et d'autres obtenus sur plus de 300 essais, montrent que la rupture des géomatériaux implique un comportement complexe, instable et non intuitif, depuis l'échelle d'une petite fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).) jusqu'à celle de la déstabilisation/rupture gravitaire d'un versant (En géomorphologie, un versant est une surface topographique inclinée, située entre des points hauts (pics, crêtes, rebord de plateau,...) ou de l'activité sismique d'une faille. Ils ouvrent les nouvelles pistes pour des développements théoriques et numériques en cours, mais aussi pour des travaux expérimentaux et géologiques. Les résultats montre que les joints peuvent se former à des profondeurs et avec des densités bien plus grandes qu'on ne le pensait. On peut maintenant envisager des modèles prédictifs de fracturation prenant en compte l'histoire tectonique (La tectonique (du grec « τ?κτων » ou « tekt?n » signifiant batisseur, charpentier) est l'étude des...) des roches réservoirs qui subissent couramment des déformations en compression et en extension.

Ceci à fait l'objet de discussions lors de deux workshops internationaux réunissant des chercheurs académiques et industriels (EOS, 2011).

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Source: CNRS-INSU
 
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