Du terrain au laboratoire, étude des propriétés élastiques du basalte
Institution:
Le MansDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Nearly 60 % of the Earth surface is composed by basaltic rocks which form the upper part of the oceanic crust. These PhD works focus on the elastic properties of basalt at several spatialscales : field scale, sample scale and porosity microstructure scale. With its active hydrothermalism Iceland appears as the ideal natural laboratory to study the interactions existing between basalts, fluids and fracturing at a large scale. We tried to approach the properties of the Icelandic crust beneath the Reykjanes Peninsula by inverting seismic data. We refer to a mechanical framework and develop an effective medium model for estimating velocities in porous media including both pores and cracks. It makes it possible to derive the distribution of crack density from accurate tomography data. Outside the active hydrothermal areas, crack density is shown to decrease with depth. However, locally beneath the southwestern part of the Kleifarvatn lake, crack density increases with depth. This can be consistent with the presence of a deep reservoir with supercritical uids under pressure, which would trigger off hydrofracturing processes. At sample scale, we investigated modes of deformation of a Reykjanes basalt by triaxial tests. At low confining pressure, an axial loading induces failure in basalt according to an inclined shear plane. On the contrary, for higher confining pressures (more than 75 MPa), the deformation is localized in subhorizontal bands. Focal mechanisms of the acoustic emissions reveal the coexistence of two types of event in these bands : compaction and shear events. Moreover, microstructure has been studied through SEM. Pore collapse processes associated to grain sliding and shear cracks have also been revealed on pictures. It is the first time that such a mode of deformation is experimentally observed on basaltic rocks which have a lower porosity than sedimentary rocks on which compaction bands are usually observed (some sandstones or carbonates for instance). Finally we studied elastic properties of basalt at microscopic scale by investigating the dispersion of elastic moduli with the strain frequency. It is known that velocities of elastic waves generated at high frequency (HF) are usually higher than velocities of waves generated at lower frequency (LF). A part of their energy is lost by wave-induced fluid flows at different scale. In this study we focus on the squirt-flow effect which corresponds to a fluid flow between porosity inclusions. First, we developed a theoretical approach to calculate frequency dispersion of bulk (K) and shear (G) moduli as a function of the porosity microstructure. We shown that the dispersion was maximal when the effective medium was composed by both spherical pores and spheroidal cracks. Moreover, the flatter the cracks, the higher the dispersion. Second, we developed a new experimental set-up to investigate the K dispersion during a hydrostatic loading. We shown that as long as cracks are open in the basalt, a frequency dispersion in K occurs. We interpreted this observation as a squirt-flow between cracks and pores. Experimental results fit very well with theoretical predictions.
Abstract FR:
Les roches basaltiques constituent près de 60 % de la surface terrestre formant en particulier la couche supérieure de la croûte océanique. Afin de mieux appréhender la capacité de rétention en fluides des basaltes, une meilleure connaissance de leurs propriétés mécaniques et élastiques est indispensable. L'originalité de ce travail de thèse réside dans l'étude de certaines de ces propriétés à differentes échelles. L'approche grande échelle porte sur l'étude des propriétés de la croûte islandaise sous la péninsule de Reykjanes. A partir des données de tomographie acquises en 2005 et en utilisant un modèle de milieu effectif adéquat, nous avons réinterprété les données de vitesses des ondes sismiques en terme de variations des paramètres de fissuration et de l'état du fluide avec la profondeur. Globalement, les résultats d'inversion montrent une diminution de la densité de fissures et du facteur de forme avec la profondeur dans la région étudiée. A l'inverse, au niveau des zones d'anomalies localisées en tomographie, la densité de fissures tend à augmenter avec la profondeur. L'existence d'un ou plusieurs réservoir(s) de fluide supercritique sous pression pourrait être à l'origine de ce constat. A l'échelle de l'échantillon, nous avons étudié les modes de déformation d'un basalte de Reykjanes en presse triaxiale. A des pressions effectives faibles, le basalte soumis à un chargement axial se casse selon un plan de cisaillement oblique. Pour des pressions effectives plus importantes (supérieures à 75 MPa), le même type de chargement entraîne une localisation de la déformation sous forme de bandes subhorizontales. Une étude fine des émissions acoustiques émises au cours du chargement associée à celle de la microstructure des échantillons déformés a permis de montrer que ces bandes étaient le siège de processus associant cisaillement et compaction. C'est la première fois qu'un tel mode de déformation est observé expérimentalement sur des roches basaltiques à porosité faible (8 %). Enfin, nous nous sommes intéressés aux propriétés élastiques du basalte à l'échelle microscopique en étudiant la dispersion des modules élastiques avec la fréquence. Il est généralement connu que les vitesses des ondes élastiques émises à basse fréquence (BF) sont plus faibles que celles des ondes émises à haute fréquence (HF). Une partie de leur énergie est dissipée par des mécanismes d'écoulement de fluide à differentes échelles. Nous nous sommes intéressés au mécanisme dispersif du squirt-flow (écoulement local entre inclusions). Nous avons pour cela utilisé une approche couplant théorie et expérimentation. A l'aide d'un modèle de milieu effectif et des équations de Biot-Gassmann, les dispersions théoriques des modules d'incompressibilité K et de cisaillement G ont été calculées en fonction de la microstructure de porosité. On a montré que la dispersion était maximale quand le milieu était composé de pores sphériques (facteur de forme 1) et de fissures aplaties (facteur de forme 5. 10-3). Un nouveau protocole expérimental en presse triaxiale a été développé au cours de cette thèse permettant d'acquérir des données de dispersion de K avec la fréquence. Les résultats expérimentaux sont venus confirmer les prédictions théoriques. Un effet de squirt-flow a ainsi été mis en évidence dans le basalte tant que les fissures sont ouvertes.