Utilisation du rayonnement synchrotron pour l'imagerie dynamique de la rupture fragile dans les roches crustales

Dynamic synchrotron imaging of brittle failure in crustal rocks

• Auteur / Autrice : Neelima Kandula
• Direction : Jérôme Weiss, François Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 28/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universitetet i Oslo
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Knut Jørgen MÅLØY
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Bonamy, Marie Violay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Déformation

Phénomènes critiques (physique)

Mots clés libres

Rupture fragile

Phénomène critique

Localisation des déformations

Micro tomographie aux rayons X

Micro fractures

Brittle failure

Critical phenomenon

Strain localization

X-Ray micro tomography

Micro fractures

Résumé

Les déformations de la croûte terrestre se manifestent par divers phénomènes géologiques extrêmes, notamment les tremblements de terre, les éruptions volcaniques et les glissements de terrain. Lors de ces événements, des déformations s'accumulent le long des failles actives qui s'étendent sur des centaines de kilomètres. Dans les failles, le glissement peut se produire soit sous forme de fluage asismique soit par des glissements instables lors de tremblements de terre. Une activité sismique précédant les séismes est souvent, mais pas toujours, observée et appelée signal précurseur. Ces précurseurs sont détectés de quelques minutes à quelques mois avant le séisme principal. Cependant, les relations entre les précurseurs et la nucléation du séisme principal restent globalement inconnues. La majorité des grands tremblements de terre nucléent dans la croûte supérieure qui est essentiellement fragile. La localisation de la déformation s'étend aussi en profondeur dans les zones de cisaillement. Ces zones de cisaillement contrôlent la déformation le long des limites des plaques et la résistance de la lithosphère. Les systèmes de failles actives dans la croûte supérieure montrent des lois d'échelle (structure fractale) pour une gamme d'échelles allant de kilomètres à quelques centimètres, et qui s'étend jusqu'à la micro-fracturation dans les échantillons de laboratoire. Ainsi, la déformation fragile macroscopique dans la croûte est intimement liée aux mécanismes micro-échelle de déformation des roches. Identifier les mécanismes de rupture lors de la compression fragile à micro-échelle peut aider à mieux comprendre les phénomènes géologiques à plus grande échelle. Dans les roches crustales, la nucléation et la localisation de l'endommagement sont guidées par les hétérogénéités microscopiques telles que les grains, joints de grains et pores. En utilisant une nouvelle technique expérimentale de déformation triaxiale in situ couplée à la microtomographie dynamique par rayons X, l'évolution des microstructures de diverses roches avec des porosités variant entre 1% et 23% est explorée. Cette technique expérimentale permet d'imager et quantifier en temps réel l'endommagement accumulé à la fois par la propagation dynamique (sismique) et la propagation lente (asismique) des fissures. Les résultats permettent d'identifier les propriétés de rupture fragile dans des roches de porosités variables soumises à une déformation dans des conditions crustales. Dans une première étude, les précurseurs de la rupture cassante dans des roches à faible porosité sous compression sont explorés et des lois d'échelle sont mesurées. Les précurseurs correspondent à des microfractures et leur dynamique montre une évolution vers une rupture macroscopique. Cette évolution suit des lois de puissance, cohérentes avec les concepts décrivant la rupture fragile dans des solides hétérogènes comme un phénomène critique. Cependant, une déviation des lois d'échelle observée très proche de la rupture est liée à la localisation d'une faille et peut être proposée comme nouveau signal précurseur de rupture macroscopique. Par conséquent, la rupture finale peut être prédite dans une certaine mesure. Dans une seconde étude, les mécanismes de localisation des déformations à micro-échelle dans des roches réservoirs poreuses sont explorés. La corrélation numérique de volume est utilisée pour calculer les composants de la déformation. Les mécanismes de localisation contiennent des contributions des trois composantes de la déformation: dilatation, compaction et cisaillement. Les évolutions de porosité sont fortement liées aux mécanismes de localisation. La pression de confinement et la présence de fluide interstitiel sont des paramètres essentiels de contrôle de la localisation. Les fissures émanant des pores, la dilatation des espaces poreux, l'effondrement des pores et l'écrasement des grains constituent les mécanismes microstructuraux de localisation dans les roches réservoirs poreuses

Active deformation in the Earth's crust manifests as various geological extreme phenomena that include slow and fast earthquakes, volcanic eruptions and landslides. During these events, strain may be accumulated along localized faults that extend over hundreds of kilometers. In faults, slip may occur as slow aseismic creep or unstable sliding causing rapid earthquakes. In some cases, seismic activity called foreshocks, precedes the largest event or mainshock. Detection of foreshock activity may vary from minutes to days and months before the mainshock. However, the relationships between foreshocks and nucleation of mainshock remain unresolved. Majority of large earthquakes nucleate in the upper crust, which is essentially brittle. Strain localization also results in features that extend at depth below crustal faults and known as shear zones. Shear zones control deformation along plate boundaries and strength of the lithosphere and lack a constitutive description of mechanisms of their formation. Active fault systems in the upper crust show statistical self-similarity (fractal structure) for a range of scales from kilometer down to centimeter, which further extends down to micro fracturing in laboratory specimen. Thus, the macroscopic brittle deformations in crust are intimately related to the micro scale mechanisms of deformation in rocks. Unraveling the mechanisms of brittle compressive failure at micro scale can further assist in understanding the geological phenomena. In crustal rocks, nucleation and localization of damage is guided by the microscale heterogeneities, which correspond to grains and grain boundaries in non-porous rocks, and complex pore space in porous rocks. Using the novel experimental technique of in-situ triaxial deformation coupled with dynamic X-ray micro tomography, the evolution of microstructures of rock types with porosities varying from less than 1% to 23% are explored. The experimental technique allows for real time imaging and quantification of damage that accumulates through both dynamic crack propagation (seismic) and slow crack propagation (aseismic). Results allow identifying properties of brittle failure in rocks of varying porosities subjected to deformation under crustal conditions. In the first study, precursors to brittle compressive failure are explored in non-porous rocks. At microscale, precursory events correspond to microfractures originating from microscale heterogeneities. Dynamics of these precursors show an evolution towards macroscopic failure following power-laws. Using a progressive damage model developed to explain fracture in heterogeneous solids, brittle compressive failure in non-porous rock is argued to be a critical phenomenon. However, breaking of scaling observed very close to failure is linked to localization of a shear fault and can be proposed as a new precursory signal for macroscopic failure. Therefore, failure can be predicted to some extent. In the second study, micro-scale mechanisms of strain localization in reservoir rocks were explored. Digital volume correlation calculations were used to compute components of accumulated strain. Dominant strain localization mechanisms contain contributions from the three components of strain: dilation, compaction and shear. Porosity evolutions are strongly linked to the dominant mechanisms of strain localization. Confining pressure is a guiding parameter for defining dominant strain localization mechanisms. Presence of pore fluid facilitates strain localization much earlier to macroscopic failure. Pore emanating cracks, pore space dilation, pore collapse and grain crushing constitute the microstructural mechanisms of strain localization in porous reservoir rocks.