Etude des propriétés physiques et mécaniques des argilites : de la déformation en laboratoire aux failles naturelles

Physical and mechanical study of shales properties : from laboratory deformation to natural faults

• Auteur / Autrice : Audrey Bonnelye
• Direction : Christian David, Alexandre Schubnel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers - Cergy
• Date : Soutenance le 12/05/2016
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géosciences et Environnement (Cergy-Pontoise ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Guéguen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian David, Florian Amann, Pierre Henry, Sandrine Vidal gilbert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Sulem, Patrick N. J. Rasolofosaon

Mots clés

Mots clés libres

Anisotropie

Mécanique des roches

Physique des roches

Argilites

Anisotropy

Rock mechanics

Rock physics

Clay

Résumé

Les argilites, sont définies comme étant des roches comportant une large fraction de minéraux argileux. Leurs propriétés physiques et mécaniques présentent un intérêt pour l’étude du comportement hydro-mécanique des failles dans la partie supérieure de la croûte mais aussi pour la compréhension des roches couvertures de réservoirs d’hydrocarbures ou pour l’expertise de la pérennité du stockage de déchets radioactifs.Cette thèse propose deux approches afin de comprendre l’organisation de la déformation dans ce type de matériau, une première purement mécanique sur des échantillons intacts et la seconde s’intéressant aux propriétés physiques de matériaux déformés. Pour cela, nous avons étudié les argilites de Tournemire (Tunnel expérimental de l'IRSN, Aveyron, France).La première partie consiste en une série d’essais triaxiaux. Nous avons déterminé les enveloppes de rupture de trois groupes d’échantillons carottés avec des orientations différentes par rapport au litage (0°, 45°, et 90°). Pour chaque orientation, sept expériences ont été réalisées à différentes pressions de confinement (2.5, 5, 10, 20, 40, 80, 160 MPa). L’influence de la vitesse de déformation a été établie en comparant des expériences réalisées avec des vitesses de déformation différentes (10-7 s-1 et 10-5 s-1). Pendant les expériences, les vitesses d’ondes P et S ont été enregistrées selon différents angles par rapport au litage afin de quantifier l’évolution de l’anisotropie des propriétés élastiques.Cette partie permet de mettre en évidence l’importance de l’orientation du litage par rapport à la contrainte principale sur la résistance mécanique de nos échantillons. De plus, un modèle micromécanique basé sur le « wing crack » permet d’expliquer l’anisotropie mécanique de nos argilites par l’anisotropie de la ténacité KIC.Par ailleurs, on constate que l’évolution de l’anisotropie des propriétés élastiques dépend elle aussi de l’orientation considérée. Lors de la compression, l’orientation 90° présente d’importantes variations pouvant aller jusqu’à une inversion de l’anisotropie, alors que les vitesses n’évoluent que très peu pour l’orientation 0°. Ces variations ont été quantifiées par les paramètres de Thomsen. L’étude des vitesses élastiques et celle des microstructures, permettent de mettre en évidence l’importance des processus plastiques comme la réorientation des minéraux au cours de la déformation.La seconde partie consiste en une étude pétrophysique (vitesses des ondes P, ASM, densité, saturation, porosité) d’échantillons provenant d’un forage traversant une zone de faille. Le but est de quantifier la variation de ces propriétés à l’approche du cœur de faille.Un protocole d’échantillonnage et de mesure a été mis en place. Le protocole comporte une première série de mesures directement sur le terrain afin de s’affranchir des problématiques liées à la préservation des échantillons (notamment pour les mesures de porosité/densité/saturation). Par la suite, des échantillons ont été prélevés pour réaliser des mesures à la fois dans le cadre de cette thèse (vitesses des ondes P et ASM) mais aussi dans d’autres laboratoires (étude de la composition minéralogique, CT-scan).A partir des observations, on caractérise :• Une zone saine caractérisée par des échantillons ne présentant pas ou très peu de fracturation• Une zone endommagée qui présente un grand nombre de fractures calcifiées• Une zone de cœur caractérisée par une déstructuration totale (pas de bedding apparent) et des variations de couleur.Notre étude met en évidence une signature physique propre à chaque zone de cette faille avec notamment une diminution de l’anisotropie des échantillons en zone endommagée fortement marquée. De plus, des mécanismes de rotation de la stratigraphie similaires à ceux observés à l’échelle des microstructures lors de la déformation expérimentale ont été observés.

Shales or clays are defined as rock having a large proportion of clay minerals. Their physical and mechanical properties are of interest for the study of the hydro-mechanical behavior of faults in the uppermost crust but also for the understanding of the cap rocks of hydrocarbon reservoirs or for the expertise of the durability of radioactive waste storage.This thesis proposes two complementary approaches to understand the organization of the deformation in this type of material, a first purely mechanical on undisturbed samples and the second focusing on the physical properties of deformed materials. During this thesis, we studied Tournemire shales (IRSN tunnel, Aveyron, France).The first part consists in triaxial tests. We determined the failure envelopes of three sets of core samples with different orientations with respect to bedding (0 °, 45 ° and 90 °). For each orientation, seven experiments were performed at different confining pressures (2.5, 5, 10, 20, 40, 80, 160 MPa). The influence of the strain rate was determined by comparing experiments with different strain rates extending over two orders of magnitude (between 〖10〗^(-7) s^(-1) and 〖10〗^(-5) s^(-1)). During the experiments, the P and S wave velocities were recorded from different angles with respect to the bedding to quantify the evolution of the anisotropy of the elastic properties according to the imposed stress.This section allows to highlight the importance of the orientation of bedding relatively to the principal stress applied on our samples. It is noted for example that the weakest orientation is 45 ° and 90 ° the strongest orientation. In addition, a micromechanical model based on the ''wing crack'' theory helps to explain the mechanical anisotropy of our argillites by the anisotropy of the fracture toughness K_Ic.Moreover, it is found that changes in the anisotropy of the elastic properties also depends on the bedding orientation. During compression, the 90 ° orientation has significant variations up to a reversal of the anisotropy, whereas the elastic wave velocities show little changes for 0 ° orientation. These variations were quantified by Thomsen parameters. The study of elastic velocities and of microstructures of our samples highlight the importance of the plastic processes such as reorientation of minerals during deformation.The second part consists of a petrophysical study (P wave velocities, ASM, density, saturation, porosity) of samples from a borehole drilled through a fault zone. The goal here is to quantify the variation of these properties as we approach the fault core.A protocol of sampling and measurement was established to realize a complete study of drillings. The protocol includes a first serie of measures directly in the field in order to overcome the problems linked to the preservation of samples (especially for porosity measurements / density / saturation). Subsequently, samples were taken for measurements both in the context of this thesis (P wave velocities and ASM), but also in other laboratories (study of the mineralogical composition, CT-scan).Three fault zones were identified from field observations:• An intact zone characterized by samples with no or very little fracturing• A damaged zone that includes a large number of calcified fractures• A fault core zone characterized by a complete breakdown (no apparent bedding) and color variations.Although these areas were determined on observation criteria, our study demonstrates an own physical signature for each zone of this fault with an important decrease in the anisotropy of the samples from fault core. In addition, bedding rotation with similar mechanisms to those observed at the microstructural scale during the experimental deformation was observed.