Sommaire: Du terrain au laboratoire, étude des propriétés élastiques du basalte

Resume
Abstract
Table des matieres
Introduction
1 Approche grande echelle du couplage uide – deformation en Islande
1.1 Contexte general de l’etude
1.1.1 Contexte geologique de l’Islande
1.1.2 Enjeux geothermiques.
1.1.3 Le probleme des uides supercritiques
1.2 Basalte et echelles d’etude : problematiques du transfert d’echelle
1.2.1 Generalites sur les roches basaltiques
1.2.2 Les dierentes echelles d’etude en contexte basaltique
1.2.3 Variabilite des proprietes hydrodynamiques selon l’echelle d’etude
1.3 Etude d’un paleosite de circulation hydrothermale
1.3.1 Presentation generale du fjord de Hvalfjordur
1.3.2 Site d’etude : caracterisation tectonique
1.3.3 Indices d’une circulation hydrothermale intense
1.3.4 Donnees de porosimetrie
1.3.5 Conclusions
1.4 Microsismicite en peninsule de Reykjanes : projets HYDRORIFT.
1.4.1 Fluides et sismicite
1.4.2 Etude sismologique HYDRORIFT I (2005)
1.4.3 Etude sismologique HYDRORIFT II (2009)
1.5 Inversion des donnees de tomographie sismique : densite de ssures et facteur de forme
1.5.1 Principe theorique
1.5.2 Processus d’inversion.
1.5.3 Resultats et interpretations
1.6 Bilan de l’approche grande echelle
2 Etude experimentale de la deformation du basalte
2.1 Generalites theoriques
2.1.1 Theories de l’elasticite et de la poroelasticite
2.1.2 Propagation des ondes elastiques
2.1.3 Limites a l’elasticite
2.1.4 Micromecanismes mis en jeu
2.2 La deformation du basalte au laboratoire : revue bibliographique.
2.2.1 Microstructure des basaltes etudies
2.2.2 Comportement mecanique
2.2.3 Donnees de permeabilite
2.2.4 Vitesses des ondes elastiques
2.2.5 Donnees acoustiques
2.2.6 Objectifs de la presente etude
2.3 Dispositif experimental et Microstructure du basalte de Reykjanes.
2.3.1 La presse triaxiale ST 100.
2.3.2 Mesures classiques de laboratoire
2.3.3 Dispositif d’ecoute des emissions acoustiques.
2.3.4 Interpretation des emissions acoustiques
2.3.5 Imagerie Post-Mortem.
2.3.6 Microstructure du basalte de Reykjanes.
2.3.7 Protocole choisi.
2.4 Deformation a bas connement : Essai IV
2.4.1 Donnees de deformation.
2.4.2 Vitesses des ondes elastiques
2.4.3 Donnees des emissions acoustiques
2.4.4 Caracterisation de l’echantillon deforme
2.5 Deformation a haut connement [1] : Essai V.
2.5.1 Donnees de deformation.
2.5.2 Vitesses des ondes elastiques.
2.5.3 Donnees des emissions acoustiques.
2.5.4 Caracterisation macroscopique de l’echantillon deforme
2.6 Deformation a haut connement [2] : Essai VII
2.6.1 Donnees de deformation
2.6.2 Vitesses des ondes elastiques.
2.6.3 Donnees acoustiques
2.6.4 Microstructure
2.7 Deformation par augmentation de pression de uide : Essai VI
2.7.1 Donnees de deformation
2.7.2 Donnees des vitesses elastiques.
2.7.3 Donnees des emissions acoustiques.
2.7.4 Etude par traitement d’images de la fracturation.
2.8 Bilan des modes de deformation du basalte de Reykjanes.
2.8.1 Comparaison de la radiation des emissions acoustiques
2.8.2 Modes de fracturation dans le basalte, eet de la porosite non-connectee
2.8.3 Enveloppe de rupture
2.8.4 Analogies avec l’echelle du terrain.
3 Dependance des proprietes elastiques du basalte avec la frequence de sollicitation : Approches theorique et experimentale
3.1 Generalites theoriques
3.1.1 De la roche a sa representation theorique, notion de modeles eectifs.
3.1.2 Echelles frequentielles en geophysique.
3.1.3 In uence du changement de frequence sur les proprietes des roches.
3.1.4 Mecanismes de dispersion en frequence.
3.2 Mise en place d’un modele theorique HF de milieu eectif.
3.2.1 Modelisation d’un milieu poreux.
3.2.2 Modelisation d’un milieu ssure.
3.2.3 Modelisation d’un milieu mixte, le CPEM (Cracks and Pores Eective Medium).
3.3 Predictions theoriques de l’eet ‘squirt-ow’ en utilisant le CPEM
3.3.1 Eet des pores – Eet des cracks.
3.3.2 Eet conjugue : resultats numeriques pour le CPEM
3.3.3 Comparaison avec l’etude de Endres and Knight [1997]
3.3.4 Extrapolation aux vitesses des ondes sismiques
3.3.5 De la dispersion au facteur de qualite
3.4 Etude experimentale [1] : Bibliographie, dispositif et microstructure.
3.4.1 Revue bibliographique.
3.4.2 Dispositif experimental.
3.4.3 Protocole experimental.
3.4.4 Rappels sur la microstructure du basalte de Reykjanes.
3.5 Etude experimentale [2] : Resultats et Interpretations.
3.5.1 Evolution de la porosite avec la pression eective.
3.5.2 Vitesse HF des ondes elastiques
3.5.3 Inversion des vitesses HF : modules HF et parametres des cracks.
3.5.4 Modules HF vs. modules BF
3.5.5 Modules BF draines – non draines.
3.6 Bilan de l’eet de frequence : Theorie vs. Experimental
3.6.1 Confrontation des donnees
3.6.2 Eet de frequence, eet de porosite connectee
3.6.3 Interets et critiques de l’approche theorique utilisee
Conclusion
Perspectives
Annexe A : Resultats du calage de l’inversion
Annexe B : Etude experimentale de la coulee de Oskjuhld
Annexe C : Publications
References

 Extrait du mémoire du terrain au laboratoire, étude des propriétés élastiques du basalte

CHAPITRE 1: Approche grande echelle du couplage  uide – deformation en Islande
Resume
Ce premier chapitre se penche sur les proprietes elastiques du basalte envisagees a l’echelle regionale.
Les differents cas naturels etudies sont situes en Islande, le volcanique localisee sur la ride medioAtlantique.
Nous verrons tout d’abord en quoi le contexte geologique tres particulier de cette le favorise l’etude in-situ des interactions entre basalte et uides. L’Islande presente en eet trois caracteristiques majeures : (1) il s’agit d’une zone de divergence de plaques oceaniques, induisant des contraintes principalement extensives, favorables a l’entree de uides meteoriques dans la croute (2) la concomitance de la dorsale avec une anomalie mantellique chaude permettant l’emergence de phenomenes hydrothermaux qui se produisent d’habitude au fond des oceans et (3) une homogeneite lithologique de la cro^ute islandaise, principalement de nature basaltique (au moins dans sa partie superieure).
Le premier cas naturel etudie est un ancien site de circulation hydrothermale situe a Hvalfjordur. Il s’agit d’un encaissant basaltique d’environ 2 Ma extrude par du materiel acide il y a 10 000 ans. En parallele de la mise en place de ces jus volcaniques tardifs, une circulation de uides aqueux probablement tres intense a eu lieu. Toutes les fractures visibles sur le site etant comblees par des phases de precipitation secondaires, ce site ne permet de caracteriser que l’etat nal de la circulation hydrothermale, apres erosion des couches de lave sus-jacentes.
Le lien entre uides et encaissant basaltique est etudie egalement du point de vue de la microsismicite.
On a pour cela choisi la Peninsule de Reykjanes qui constitue une zone particulierement active en Islande (zone d’extension et geothermie active). Deux suivis de la microsismicite de cinq mois ont ete realises, l’un en 2005 et l’autre en 2009. Nous ne nous sommes interesses qu’aux donnees issues de la campagne de 2005. En utilisant un modele de milieu effectif a double porosite, les donnees de tomographie obtenues par C. Dorbath (EOST) ont ete inversees et reinterpretees en terme de parametres de ssuration (densite et facteur de forme) de la croute islandaise a differentes profondeurs..

Etude des propriétés élastiques du basalte
1.1Contexte general de l’etude
1.1.1Contexte geologique de l’Islande
L’Islande est une partie emergee de la dorsale nord-Atlantique situee dans l’ocean Atlantique entre les paralleles 63° et 67°N et les meridiens 13° et 25°W, a la limite des plaques Amerique du Nord et Eurasie (gure1.1). Classiquement l’emergence de l’Islande est expliquee par la presence d’un panache mantellique remontant depuis la partie inferieure du manteau. Cependant certaines donnees de geophysique et de geochimie vont a l’encontre de cette hypothese. Tout d’abord il n’existe pas de reelles preuves sismologiques de l’existence d’un tel panache. En eet les images de tomographie grande echelle montrent une zone d’anomalie chaude sous l’Islande localisee dans tout le manteau superieur mais sans ancrage dans le manteau inferieur [Ritsema et al.,1999]. Par ailleurs l’etude geochimique des basaltes islandais revele une forte heterogeneite de distribution spatiale [Klein and Langmuir,1987]. Enn la quantite de produits issus de fusion partielle est deux a trois fois plus importante en Islande qu’ailleurs en meme contexte tectonique [McKenzie and Bickle,1988].

Etude des propriétés élastiques du basalte
D’apres certains auteurs [Foulger et al.,2005], l’Islande et les provinces volcaniques du nord de l’Atlantique proviendraient de l’ancienne suture Caledonienne formee il y a environ 400 Ma lors de la fermeture de l’Ocean Iapetus (convergence des blocs Laurentia, Avalonia et Baltica). La suture caledonienne serait en fait la trace d’une ancienne zone de subduction donc potentiellement riche en eclogites (formes de haute pression du basalte). Il existe en eet de nombreuses preuves geochimiques de la fusion d’une ancienne cro^ute caledonienne dans les basaltes islandais [Breddam,2002]. De plus des travaux experimentaux ont montre que le retard a la fusion et a la cristallisation de l’eclogite (80 { 90 C) etait beaucoup plus faible que celui de la peridotite (autour de 400 C) qui est le composant majoritaire du manteau [Yoder and Tilley,1962,Ito and Kennedy,1974]. Ceci pourrait expliquer les quantites importantes de laves relevees en Islande.
L’association d’une zone de dorsale avec une anomalie mantellique chaude fait de l’Islande un laboratoire naturel ideal pour etudier les interactions entre roches basaltiques, uides et chaleur. La deformation globalement extensive dans les zones actives orent des conditions optimales pour faire de la croute basaltique islandaise une croute permeable dans laquelle des uides peuvent s’inltrer et circuler.

Etude des propriétés élastiques du basalte
1.1.2Enjeux geothermiques
L’Islande est mondialement connue pour ses ressources energetiques issues de l’exploitation de champs geothermaux. En eet, le sous-sol islandais est riche en uides chauds, la chaleur etant directement liee au contexte geologique de dorsale emergee. Des champs geothermaux existent tout le long de la ride oceanique (cf. gure1.2) et de nombreuses centrales electriques y ont ete implantees. Les champs dits de haute temperature (HT) [Arnorsson,1995b] sont localisees dans la zone volcanique active depuis le sudouest jusqu’au nord-est de l’Islande. Les champs de basse temperature [Arnorsson,1995a] sont davantage localises dans les zones peripheriques, ou le gradient de chaleur est plus faible [Flovenz and Saemundsson, 1993].

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