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Fiche détaillée Thèses
Université du Maine (23/09/2010), Laurent Geoffroy (Dir.)
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Du terrain au laboratoire, étude des propriétés élastiques du basalte
Mathilde Adelinet1, 2

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. Au cours de ce travail nous avons choisi d'étudier ces propriétés à trois échelles spatiales distinctes. L'approche grande échelle porte sur la caractérisation du lien entre basalte, fluides et fracturation en Islande. Cette île, née de l'accrétion océanique et d'une anomalie mantellique chaude, constitue, avec son hydrothermalisme intense, un laboratoire naturel idéal. Une étude géologique d'un ancien site de circulation de fluides chauds dans un encaissant basaltique a été réalisée permettant de mettre en évidence certaines caractéristiques intéressantes :modification des paramètres hydrodynamiques à proximité des zones de circulation, altération hydrothermale puissante et figures de fracturation hydraulique. Par ailleurs, l'approche grande échelle s'appuie sur l'étude de la microsismicité actuelle au niveau de la péninsule de Reykjanes, zone particulièrement active de l'île. A partir des données de tomographie acquises en 2005 et en utilisant un modèle de milieu effectif adéquat, nous avons réinterprété les anomalies de vitesse en terme de paramètres de fissuration de la croûte islandaise à cet endroit. Les résultats d'inversion montrent une diminution de la densité de fissure avec la profondeur excepté au niveau d'une zone localisée interprétée comme un réservoir de fluide supercritique. Les propriétés élastiques du basalte ont également été étudiées à l'échelle de l'échantillon grâce à des expériences en presse triaxiale. Le dispositif utilisé est celui de la presse ST100 du laboratoire de géologie de l'ENS spécialement conçue pour l'écoute des émissions acoustiques (EA) qui sont les analogues expérimentaux des séismes. Trois séries d'expériences avec augmentation de la contrainte axiale ont été menées sur un basalte de Reykjanes : (1) à bas confinement, 5 MPa de pression effective, (2) à haut confinement, 75 et 95 MPa de pression effective et (3) à haut confinement avec augmentation de la pression de pore. Les mesures de déformation, la localisation des EA, leur mécanisme et l'imagerie scanner des échantillons déformés ont montré différents modes de déformation du basalte. Pour les séries (1) et (3) la rupture se localise macroscopiquement par un plan de cisaillement oblique. Dans le cas (2) la déformation se localise dans la partie centrale de l'échantillon sous forme de bandes associant compaction (collapse de pores sphériques) et cisaillement (glissement inter-grains). Enfin, nous nous sommes intéressés aux propriétés élastiques du basalte à l'échelle microscopique en étudiant la dispersion des modules élastiques avec la fréquence. En effet, il est généralement connu que dans un milieu saturé en fluide, les modules basse fréquence (BF) sont plus faibles que les modules haute fréquence (HF), une partie de l'énergie des ondes élastiques se retrouvant dissipée par des mécanismes d'écoulement de fluides à différentes échelles. au cours de ce travail, nous n'avons considéré que le 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 est maximale quand le milieu est composé de pores sphériques et de fissures aplaties (facteur de forme < 5.10-3). Un nouveau protocole expérimental en presse 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 restent ouvertes.
1 :  LPGN, Université du Maine
2 :  ENS Paris - Ecole Normale Supérieure de Paris
basalte – propriétés élastiques – géomécanique – géophysique – effet de fréquence – squirt-flow – islande

From field to laboratory, study of the elastic properties of basalt
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 spatial scales : 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 first begin by the study of a paleosite of hydrothermal fluid flow which took place in a basaltic pile. Some evidence of hydrofracturing are identified. We also investigate the porosity of the different materials associated to the hot fluid flow. The second part of the field study is based on microseismicity surveys on the Reykjanes Peninsula which is an active area in Iceland. The most important results is those deduced from inverting the tomography data obtained by C. Dorbath in 2005. By applying an effective medium theory to seismic velocities we have attempted to estimate the crack density and aspect ratio of the Icelandic crust at this place. We have show that areas characterized by a strong P-waves velocities anomaly were characterized by high crack density and low aspect ratio at 6 km depth. We have also investigated the effect of the fluid compressibility on the crack parameters with depth. The sample scale is investigated through two studies. The first one is the investigation of three different modes of deformation in an Icelandic basalt by using laboratory seismological tools (elastic waves and acoustic emissions) and scan imaging. first of all we show that at low effective pressure (5 MPa) an axial loading induces a shear failure in the basalt with a classical angle of about 45°. On the contrary at higher effective pressures (75 MPa and more) an increasing of the axial stress induces a localization of the deformation in the centre part of the sample. Focal mechanisms of the acoustic emissions reveal an important part of compression events (mode I rupture) suggesting pore collapse mechanisms. Such compaction structures are usually obtained for porous rocks (20-25 %). And yet the investigated basalt has an intact total porosity of about 10 %. Then the size of the equant porosity and its ratio with grain size can be involved for explaining the pore collapses. Finally the third triaxial experiment is an induced fluid pressure failure from a high confining pressure state (80 MPa). A large shear plane failure is formed due to pore pressure increasing the local porosity of about 1 %. The second sample scale study is based on the porosity scale in order to investigate the frequency effect on elastic moduli. To obtain experimental data we performed hydrostatic experiments on an Icelandic basalt specimen under both dry and saturated conditions. This basalt is characterized by a bimodal porosity, i.e., cracks and equant pores. The elastic properties -bulk moduli in our case- were investigated under high pressure through two experimental methods : (1) a classical one using ultrasonic P- and S-waves velocities (frequency 106 Hz), (2) and a new one, using oscillation tests (frequency 102 Hz). In dry condition, experimental data show no significant difference between high (HF) and low (LF) frequency bulk moduli. However, in saturated conditions, two effects are highlighted : a physico-chemical effect emphasized by a difference between drained and dry moduli, and a squirt-flow effect evidenced by a difference between HF and LF undrained moduli. The experimental approach was completed by a theoretical study. The HF moduli are derived from a new effective medium model with an isotropic distribution of pores and cracks with idealized geometry, respectively spheres and ellipsoids. LF moduli are obtained by taking HF dry moduli from the model and substituting into Gassmann's equations. In the case of a porosity only supported by equant pores, the calculated dispersion in elastic moduli is equal to zero. In the case of a crack porosity, no bulk dispersion is predicted but a shear dispersion appears. Finally in the general case of a mixed porosity (pores and cracks), dispersion in bulk and in shear is predicted. Our results show that the maximum dispersion is predicted for a mixture of spheroidal pores and cracks with a very small aspect ratio (<10-3). Our theoretical predictions are compared to experimental data and a good agreement is observed. We also used our theoretical model to predict elastic waves velocities and Vp/Vs ratio dispersion. We show that the P-waves dispersion can reach almost 20 % and the Vp/Vs dispersion a maximum value of 9 % for a crack porosity of about 2 %. Since laboratory data are ultrasonic measurements and field data are obtained at much lower frequencies, these results are useful for geophysicists to interpret seismic data in terms of fluid and rock interactions.
basalt – elastic properties – geomechanics – geophysics – frequency effect – squirt-flow – iceland

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