Applicabilité des équations de Stokes pour la gestion des grandes déformations en restauration de modèles géologiques

Using Stokes flow equations for the geomechanical restoration of geological structural models

• Auteur / Autrice : Melchior Schuh-Senlis
• Direction : Guillaume Caumon, Paul Cupillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 23/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Susanne Janita Henriët Buiter
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Caumon, Paul Cupillard, Laetitia Le Pourhiet, John H. Shaw, Fanny Clémentine Garel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laetitia Le Pourhiet, John H. Shaw

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Géophysique

Bassins sédimentaires

Problèmes aux limites

Inversion (géophysique)

Géochronologie

Simulation, Méthodes de

Pétrologie structurale

Modèles en géologie

Mots clés libres

Modèle structural

Restauration structurale

Restauration géomécanique

Conditions aux limites

Bassin sédimentaire

Structural model

Structural restoration

Geomechanical restoration

Boundary conditions

Sedimentary basins

Résumé

Afin d'étudier les roches du sous-sol, il est nécessaire de comprendre les déformations qu'elles ont subi depuis leur création. Les données disponibles n'étant souvent pas suffisantes pour déterminer de manière exacte ces déformations, les géologues font un certain nombre d'hypothèses par rapport à leurs connaissances et à des cas analogues. Celles-ci, en s'ajoutant aux données, permettent la création de modèles structuraux, somme des données et connaissances sur une zone. La restauration structurale a été développée pour essayer de faire remonter le temps à ces modèles géologiques. L'objectif est double: tout d'abord vérifier si le modèle structural permet la restauration vers un état géologique raisonnable, et donc limiter les incertitudes sur celui-ci. Ensuite, étudier la rétro-déformation des roches peut permettre d'en apprendre plus sur leur histoire (ainsi que vérifier les hypothèses faites sur celle-ci). Dans les contextes de bassins sédimentaires faillés, les méthodes de restauration utilisent des notions mécaniques pour calculer la déformation des roches, mais les conditions permettant d'appliquer un mouvement en temps inverse aux modèles étudiés sont encore principalement géométriques. Dans les contextes de bassins évaporitiques, une méthode de restauration a été développée en utilisant les équations de fluides visqueux, mais néglige le comportement des failles et les mouvements de la topographie. La principale contribution de cette thèse est l'ajout de conditions plus physiques à la restauration de bassins sédimentaires faillés, et d'une méthode numérique pour l'appliquer. Cette méthode de restauration s'appuie sur des simulations mécaniques du sous-sol afin de calculer la rétro-déformation. Dans ces simulations, les roches sont considérées comme des fluides ayant une très grande viscosité, et la rétro-déformation s'appuie sur une advection du modèle en temps négatif. Les failles, elles, sont considérées comme des zones de cisaillement où les roches ont une viscosité plus faible. Cette méthode de restauration offre des résultats concluants sur des modèles simplifiés du sous-sol. La seconde contribution de cette thèse est une évaluation de l'influence des différents paramètres de simulation sur le modèle restauré. Cette évaluation s'appuie sur la restauration d'un modèle analogique de laboratoire. Dans un premier temps, l'influence des conditions aux limites est étudiée, afin de déterminer les conditions les plus naturelles possibles permettant une restauration du modèle. Dans un second temps, l'influence des paramètres mécaniques à l'intérieur du modèle est étudiée, afin de déterminer les paramètres effectifs les plus proches de ceux des roches. Ces contributions ouvrent une nouvelle perspective sur la manière d'introduire des conditions plus physiques dans la restauration mécanique du sous-sol.

In order to study the subsurface, one must first understand its deformation through time. As the available data coverage is not sufficient to determine these deformations precisely, geologists make hypotheses to link them depending on their knowledge. This allows them to create structural models, which can be seen as the sum of all the data and knowledge on a specific area. Structural restoration was developped to try and make a model go back in time. The advantages are dual: first, it allows the validation of the structural model by checking if the restored model has a reasonable geometry. Second, the history and retro-deformation of the rock layers can be studied from the path they take during the restoration process (which also allows checking the hypotheses that were made on the history of the area). In the context of faulted and folded sedimentary basins, mechanics have been incorporated in the restoration process to compute the deformation of the rock layers inside the models, but the time reversal is still driven mainly by geometric conditions. In the context of basins incorporating salt tectonics, creeping flow restoration was developped by considering the rocks as highly viscous fluids, but neglects faults and non-flat topography. The main contribution of this thesis is to provide an approach to add more physical conditions to the restoration of faulted sedimentary basins. This approach relies on mechanical simulations of the subsurface. The rock layers are treated as highly viscous fluids, and the restoration is driven by a negative time-step advection. The faults are considered as shear zones with an effective viscosity lower than the surrounding sediments. This methods allowed the restoration of several simplified models of the subsurface. The second contribution of this thesis is an assessment of the choice of the parameters for the restoration simulations. This assessment is based on the restoration of a laboratory analogue model. The boundary conditions are first studied, to determine how to provide an adequate choice of conditions that still allow the restoration of the model. The material properties and their influence are then looked upon, to determine the effective parameters that are closest to those of the rocks inside the model. These contributions offer a new perspective on how to add more physical conditions to the geomechanical restoration of structural models of the subsurface