Approche par analyse limite des mécanismes de ruine en extension dans la croute supérieure frictionnelle en présence de surpressions de fluides

Extensional collapses in the overpressured frictional upper crust based on limit analysis

• Auteur / Autrice : Xiaoping Yuan
• Direction : Yves Guéguen, Bertrand Maillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 04/07/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géologie

Failles (géologie)

Mots clés libres

Surpression de fluide

Théorie du prisme critique

Calcul à la rupture

Extension tectonique

Modélisation analogique

Instabilité gravitaire

Fluid pressure

Critical Coulomb wedge theory

Limit analysis

Extensional tectonics

Analogue modeling

Gravity instability

Résumé

Dans ce manuscrit nous développons l'approche cinématique 2D du calcul à la rupture pour examinerles effondrements en extension (ou failles normales) de la croûte supérieure cassante qui résultent desurpressions de fluides. Les sujets d'intérêt liés à la déformation en extension sont (1) les roles de lapression des fluides, des processus de surface, et des propriétés des matériaux et des failles sur lastabilité des structures d'extension; (2) la formation de failles normales à faible pendage et de failleslistriques; (3) la distribution de la déformation au dessus d'un glissement à faible pendage; et (4)l'influence de l'adoucissement mécanique des failles et des processus de sédimentation sur cettedistribution.Cette approche mécanique est vérifiée par la théorie du prisme critique de Coulomb, et la généralise pour étudier la topographie complexe de la péninsule de Mejillones dans le Nord du Chili. Cetteapproche est aussi appliquée à l'instabilité gravitaire dans le delta du Niger en reliant les structurescompressives en bas de pente aux structure extensives en amont par un détachement profond. Nousprédisons des surpressions de fluides beaucoup plus élevée que celles obtenues par application duprisme de Coulomb. Enfin, cette méthodologie est appliquée à l'étude de la forme de failles normalesreliant un détachement profond à la surface. Dans le cas du delta du Niger, nous montrons que lesfailles à faible pendage et les failles listriques impliquent que la profondeur de rétention des fluides estfaible. La version séquentielle de l'analyse limite ouvre de nouvelles voies pour suivre l'évolutionstructurale dans le temps du jeu sur les failles normales. Les simulations montrent en particulier qu'unefaille normale tourne vers des pendage plus faibles au fur et à mesure de la dénudation du mur, formantune région qui passe du mur au toit de la faille active en rotation. La prédiction de cette région estillustrée par des expériences analogiques et des exemples de terrain.

This manuscript develops a 2D kinematic approach of Limit Analysis to examine the extensionalfailures in the brittle, upper crust resulting from fluid overpressures and normal faulting. There aremany interesting topics related to the extensional deformation such as (1) the roles of fluid pressure,topographic process, material and fault properties on the stability of extensional structures; (2) theformation of low-angle and listric normal fault; (3) the deformation pattern due to slip on a low-anglefault; and (4) the influence of fault softening and sedimentation processes on this deformation pattern.This mechanical approach applied to wedge prototypes is validated by the critical Coulomb wedge(CCW) theory, and it generalizes the CCW theory to investigate the complex topography on theMejillones peninsula, Northern Chile. Additionally, this approach is also applied to investigate gravityinstability of Niger Delta by linking down-slope compressional to up-slope extensional failures througha deep detachment. We predict much higher fluid overpressures than that of the CCW theory. Finally,this Limit Analysis methodology is applied to investigate the shape of normal fault linking a lowdetachment to the surface. The application to Niger Delta implies that the formation of very low-angleand strongly listric faults results from a shallow fluid-retention depth. The sequential version of LimitAnalysis opens new ways to envision the structural evolution through time resulting from normalfaulting. The simulations show that the normal fault rotates during extension, forming a region of Footto-Hanging Wall (FHW) where the material in the footwall is sheared upon entering the hanging wall.The creation of the FHW region is illustrated by sandbox experiments and field examples.