Bandes de déformation localisée dans les sables faiblement cimentés : l'exemple de Bédoin (Sud de la France)

par Ilaria Soriano

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Le président du jury était Euripides Papamichos.

Le jury était composé de Pierre Bésuelle, Kamaljit Singh.

Les rapporteurs étaient Euripides Papamichos, François Renard.


  • Résumé

    Une tentative de comprendre le rôle des hétérogénéités dans la formation de bandes de déformation dans les sables faiblement cimentés a été réalisée. Les structures de dépôt et les suivant processus de déformation localisé ont été considérés comme hétérogénéités. Il était observé que les hétérogénéités dans les sables artificiellement déposés induisaient une déformation localisée à travers eux, mais ce comportement n'a pas été analysé dans les sables naturellement deposés à cause de la complexité de les extraire sans modifier leur structure.L'étude a été réalisée en utilisant des sables faiblement cimentés de Bédoin (sud de la France), dont les affleurements sont recoupés par des bandes de déformation. De petits morceaux de sable cimenté non perturbé et de bandes de déformation ont été utilisés pour préparer des polished thin sections, tandis que de gros blocs de matériau ont été collectés avec un échantillonneur de terrain innovant pour extraire des échantillons intacts pour des tests mécaniques.L’analyse d’images au microscope électronique a révélé syntaxial quartz overgrowths à l'intérieur et à l'extérieur des bandes de déformation. L'observation du quartz et de l'illitization de la kaolinite dans le dépôt de Bédoin a permis d'étendre la profondeur maximale estimée pour les affleurements de Bédoin à 2 - 3 km.Les essais mécaniques réalisés avec la tomographie informatisée à rayon-X ont révélé que les couches de dépôt développaient un faible degré de cisaillement (0,5 - 1 MPa de pression de confinement). Cependant, la déformation localisée était davantage affectée par d'autres types d'hétérogénéité: d'une part, une région de porosité accrue provoquait la formation d'une bande de cisaillement à travers le pore; d'autre part, un pore allongé entouré d'une épaisse couche de ciment argileux a déplacé la déformation localisée loin du pore. De même, une bande de dilatation préexistante n'attirait pas de déformation localisée mais il réactivait partiellement, montrant une dilatation avec cisaillement.Des essais sur des sables cimentés et non cimentés artificiellement ont été réalisés dans les mêmes conditions que celles appliquées aux sables naturels. Les échantillons cimentés étaient composés du même sable de Bédoin cimenté avec deux teneurs en argile (15% et 20%) fabriqués avec une procédure de cémentation innovant et sans reproduire les hétérogénéités observées dans le matériau naturel. Les échantillons naturels développaient des bandes plus précoces, moins nombreuses et plus pointues que les bandes collées artificiellement, qui développaient des réseaux plus larges de bandes de cisaillement dans les échantillons. La différence de comportement mécanique est attribuée aux hétérogénéités, car aucune d’entre elles s’est effondrée sous compression. Dans les échantillons préparés artificiellement, la teneur en ciment était proportionnelle à la résistance de l'échantillon, mais celle-ci était toujours inférieure à la résistance naturelle des échantillons.La tomographie a rayon-X a été réalisée aussi sur des échantillons de bandes de déformation afin de calculer porosité et perméabilité par traitement d’image. La porosité a indiqué une réduction d'une valeur de 30% dans les sables non perturbés à des valeurs inférieures à 10% dans les bandes de déformation. La porosité dans le noyau de la bande de dilatation était similaire à celle des sables non perturbés, mais ses contours avaient une demi-valeur (environ 15%). Il a été rapporté une réduction de la perméabilité de 3 à 4 ordres de grandeur dans les bandes, alors que la bande de dilatation était d'un ordre de grandeur inférieure, par rapport au sable non perturbé.Il a été démontré que le rôle des hétérogénéités n’avait pas toujours une influence sur la déformation localisée dans les sables cimentés de Bédoin. En l'absence d'hétérogénéités, une localisation moins intense et plus distribuée serait favorisée, par exemple, sous la forme d'un réseau de bandes.

  • Titre traduit

    Bands of localised deformation in weakly cemented sands : the example of Bédoin (southern France)


  • Résumé

    An attempt to study the role of heterogeneities in the occurrence of deformation bands in weakly cemented sands was performed. Depositional structures and later deformation processes were considered as heterogeneities. In artificially cemented samples, they were observed to induce localised deformation across them, but this behaviour was not analysed in natural sands due to the complexity of extracting them from the field without altering their structure.The investigation was performed by using weakly clay-cemented sands from Bédoin (Southern France), whose outcrops are cross-cut by deformation bands. Small chunks of undisturbed cemented sand and of deformation bands were used to prepare polished thin sections, whereas large blocks of material were collected with an innovative field sampler and carried to the laboratory to extract intact samples for mechanical testing.From image analysis with Scanning Electron Microscopy of the thin sections, syntaxial quartz overgrowths were found everywhere, in increasing quantity from undisturbed and dilation band, to single-strand, multi-strand, and finally cluster. The observation of quartz overgrowths and of kaolinite illitization, inside and outside deformation bands, has led to extend the maximum burial depth estimated for the Bédoin outcrops to 2 – 3 km.From the mechanical tests performed with syn-deformation X-ray Computed Tomography, it emerged that depositional layers developed a low degree of shear (at about 0.5 – 1 MPa of confining pressure). However, localised deformation was more affected by other types of heterogeneities: on one hand, a region of enhanced porosity triggered the formation of a shear band across the enhanced pore; on the other hand, an elongated pore surrounded by thick clay cement layer moved the localised deformation far from the pore, instead of triggering it close by. Similarly, a pre-existing dilation band did not attract further localised deformation, but it only partially reactivated showing further dilation with shear.In parallel with tests on natural material, tests on artificially cemented and uncemented sands were performed under the same conditions applied to the natural ones. The cemented samples were composed of the same Bédoin sand cemented with two different clay contents (15% and 20%) fabricated with an innovative cementation procedure and without replicating the heterogeneities observed in the natural material. Natural samples showed earlier, fewer, and sharper bands than the artificially cemented ones, which developed broader networks of shear bands in the samples. The difference in mechanical behaviour is attributed to the heterogeneities, which revealed high mechanical resistance since none of them – region of enhanced porosity, elongated pore, pre-existing dilation band - collapsed under compression. In artificially prepared samples, the cement content was proportional to the sample resistance, but this was reported always lower than the natural samples resistance.X-ray Computed Tomography was also performed on some deformation band samples, in order to calculate porosity and permeability through image processing. Porosity reported a reduction from an average of 30% in undisturbed sands to values lower than 10% in single-strand bands and closer to zero in multi-strand bands. Porosity in the dilation band core was similar to that of undisturbed sands, but it reported contours with half value (about 15%). Permeability was reported to reduce of 3 – 4 orders of magnitude from undisturbed sands to single- and multi-strand bands, whereas the dilation band was one order of magnitude lower than the undisturbed sand.The role of heterogeneities was demonstrated to be not always influent on the localised deformation in the cemented sands of Bédoin. In the absence of heterogeneities, less intense and a more distributed strain localisation would be promoted, e.g., in the form of network of bands.


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