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Au delà du prisme critique de Coulomb par l’analyse séquentielle et contributions expérimentales
Baptiste Mary
To cite this version:
Baptiste Mary. Au delà du prisme critique de Coulomb par l’analyse séquentielle et contribu-
tions expérimentales. Sciences de la Terre. Université de Cergy Pontoise, 2012. Français. �NNT :
2012CERG0602�. �tel-00830432�
1 Résumé
Les chaînes d'avant pays et les prismes d'accrétion sont des accumulations sédimentaires décollées de la croûte sous-jacente, dans un contexte compressif. En raison de basses températures, la déformation y est frictionnelle et sismogène. Dans la première partie on étudie des échantillons de grès prélevés à proximité de la faille active de Chelungpu, front de déformation du prisme d'accrétion de Taiwan. On montre que l'orientation préféren- tielle des micro-fractures intra-granulaires existantes ne coïncide pas toujours avec l'ori- entation des nouvelles micro-fractures produites lors d'essais mécaniques, contredisant des résultats de travaux similaires.
La deuxième partie présente l'étude d'une modélisation numérique utilisant l'analyse limite séquentielle d'un prisme frictionnel homogène. On développe cette approche 2D comme une généralisation semi-analytique de la théorie du prisme critique pour suivre la déformation, en intégrant accrétion frontale, adoucissement frictionnel et érosion. Une étude paramétrique systématique révèle le comportement chaotique de la déformation, très sensible aux détails topographiques, mais aussi une organisation statistiquement prévisible des longueurs d'activation du décollement. On distingue par ailleurs une or- ganisation temporelle complexe contrôlée par l'adoucissement frictionnel et les quantités accrétées : par exemple une périodicité d'activation des grandes failles hors-séquence.
L'introduction d'une loi d'érosion simple produit un orilège de géométries proches de structures géologiques courantes vergence et épaisseur des écailles, duplexes, éventails imbriqués, exhumation. Enn, une application de la méthode à des expériences de dé- formation de sables montre la possibilité d'estimer les paramètres de friction in-situ, via des mesures de force.
Abstract
Chains foreland and accretionary prisms are sedimentary accumulations detached from the underlying crust in a compressive context. Due to low temperatures, deformation is frictional and seismogenic. In the rst part we studied sandstone samples collected near the active fault of Chelungpu, deformation front of the Taiwanese accretionary prism.
We show that the current preferred orientation of intra-granular microfractures does not always coincide with the orientation of new micro-fractures produced during mechanical testing, contradicting the results of similar work.
The second part presents the analysis of numerical modeling using sequential limit
analysis of frictional homogeneous prism. We develop this 2D approach as a semi-analytic
generalization of the critical prism theory to monitor deformation, including frontal accre-
tion, frictional softening and erosion. A systematic parametric study reveals the chaotic
behavior of the deformation very sensitive to topographic details but also a statis-
tically predictable organization of activation lengths of the décollement. We distinguish
also a complex temporal organization controlled by frictional softening and accreted
amounts : for example periodicity of activation of large out of sequence faults. The in-
troduction of a simple erosion law produced a plethora of common geological structures
vergence and thickness of thrusts, duplexes, imbricate fans, exhumation. Finally, an
application of the method to sand deformation experiments shows the possibility of es-
timating in-situ frictional parameters, through force measurements.
2 Quand faut y aller, faut y aller.
L'homme des bois
Remerciements
Je remercie spécialement : mes parents ♥,
Danielle Lacoeuilhe, pour mille petites choses,
le Centre de Calcul et Yann Costes, pour le support informatique ecace ( !) et Saeid Tavakoli, pour avoir eu la patience de partager mon bureau.
Pour leur aide : Lauent Louis,
Pauline Souloumiac, Christian David, Etienne Clabaut et Camille Robert.
Pour leur soutient et conseils : Ju from outer space,
Libellule et
L'ensemble des stagiaires, doctorants, post-doctorants et permanents du labo GEC (passés et présents).
Ainsi que :
Grand Scarabée et Pr Nomore pour les pijos et les cicatrices.
3
Sommaire
Introduction générale 6
Contexte et projet initial . . . . 6
Introduction à la partie I . . . . 7
Introduction à la partie II . . . . 7
I Étude expérimentale du comportement mécanique de grès anisotropes proches d'une faille majeure 12 1 Contexte et objectifs 13 1.1 Taiwan . . . 13
1.2 Chelungpu . . . 16
1.3 Les échantillons TCDP . . . 18
1.4 Objectifs . . . 19
2 Protocoles expérimentaux 20 2.1 Échantillonage . . . 20
2.2 Matériels et méthodes . . . 21
2.3 Imager les fracturations . . . 24
3 Résultats et conclusion 29 3.1 Anisotropie des formations de Chelungpu . . . 29
3.2 Inuence de la fabrique et de son anisotropie . . . 32
3.3 Conclusion sur les protocoles . . . 38
II Au delà du prisme critique de Coulomb par l'analyse limite séquentielle 40 4 Prérequis 41 4.1 Pente critique de Dahlen. . . . 41
4.2 Approche cinématique de l'analyse limite . . . 43
4.3 Mise en ÷uvre . . . 51
5 Résultats synthétiques 54 5.1 Dénition du prototype et des représentations graphiques . . . 54
5.2 Comparaison à la théorie du prisme critique . . . 58
5.3 Les enveloppes du G-gram . . . 64
4
SOMMAIRE 5 5.4 Manuscrit 1 . . . 67 5.5 Manuscrit 2 . . . 70 5.6 Manuscrit 3 . . . 71
6 Exemple d'application à une expérience physique 74
6.1 Matériel et protocole expérimental . . . 74 6.2 Résultats . . . 79
7 Conclusions et Perspectives 87
7.1 Bilan des résultats . . . 87 7.2 Aspects et paramètres non explorés . . . 89 7.3 Développements futurs . . . 94
Bibliographie 101
Annexes 103
A Manuscrit1
Chaos in frictional wedges revealed by convergence analysis 103 B Manuscrit 2
Temporal and spatial organisation of thrusting in frictional wedges :
the role of accretion and material softening 120
C Manuscrit 3
Numerical simulation of various tectonic styles in frictional orogenic
wedges using the kinematic limit analysis method (KSLAM) 140
D Annexe numérique 166
D.1 Pente critique avec adoucissement . . . 166
D.2 Machinerie graphique . . . 168
D.3 Animations et posters . . . 169
Introduction générale
Contexte et projet initial
Les objectifs initiaux de cette thèse prennent pour origine deux grands aspects du laboratoire Géosciences et Environnement de Cergy (GEC), à savoir l'étude de forages de failles actives et l'étude de la structure des chaînes de chevauchements et plissements.
Concernant les forages de failles actives, le laboratoire GEC avait déjà supervisé deux thèses. Celle de Fabien Humbert porte sur la caractérisation de la déformation tec- tonique par une analyse rhéologique d'échantillons sédimentaires prélevés sur les prismes de Nankai et Taiwan. Les résultats portant sur Taiwan ont pour zone d'étude les for- mations entourant la faille majeure de Chelungpu, à l'origine d'un important séisme en 1999. Les échantillons analysés provenaient du projet international "Taiwan Chelungpu Drilling Project" (TCDP). Fabien Humbert montre que les formations plus éloignées de la faille active présentent un diérentiel de déformation, fonction du pourcentage de ma- trice (silt et grès). Dans les zones d'activité de la faille, il note la présence de structures dilatantes fortement perméables, présentant des traces de circulation de uides. La thèse de Yu-min Chou non encore soutenue reprend cette étude en précisant l'analyse sur les zones de gouges de la faille de Chelungpu. Une publication sur le même thème et fondement du sujet d'une partie de la présente thèse, est (partiellement) créditée du GEC [Louis et al., 2008]. Dans cette continuité, le but initial de cette thèse était d'é- tendre les mesures sur les échantillons extraits des forages TCDP à diérents aspects non encore explorés. Principalement, les propriétés mécaniques (modules élastiques, ré- sistance mécanique à la compression) et leur anisotropie, en relation avec les structures sédimentaires et tectoniques identiables. Étendre la zone d'étude à la faille ancienne de SanYi également traversée par le forage était également envisagé.
La méthodologie adoptée devait donc combiner mesures pétrophysiques / mécaniques et observations micro-structurales sur échantillons, mais incluait aussi une modélisation à grande échelle des structures tectoniques. L'utilisation d'un tel modèle avait pour but d'estimer le champ de contraintes local, en prenant en compte les failles et la topographie de la surface dans l'équilibre mécanique. Sur cet aspect modélisation du labo GEC, deux autres thèses avec la collaboration d'Yves Leroy de l'École Normale Supérieure de Paris en posaient les fondements. Grâce aux thèses de Nadaya Cubas et de Pauline Souloumiac, des méthodes sont développées donnant la possibilité de déterminer un champ de contrainte optimisé, à l'équilibre et respectant Coulomb. Avec cet outil, il était envisagé de relier les paramètres de friction à la localisation du glissement sur les failles anciennes et actuelles. Une extension de la méthode était envisagée pour prendre en compte la lithologie (alternance silts grès), et éventuellement le rôle de la pression uide.
6
SOMMAIRE 7 La première année de travail, sous la direction de Laurent Louis, fut exclusivement dédiée à l'aspect expérimental. Une présentation de poster au congrès GEEA 2010 à Aix-en-Provence en résumait le labeur. Après le départ de Laurent Louis, la continua- tion de ce travail fut très ralentie. Même si les résultats sont encore inaboutis, ce travail analytique et expérimental radicalement diérent de celui de la partie modélisation a contribué signicativement à ma formation doctorale. J'ai donc décidé d'en rendre compte ici, en en changeant la ligne directrice.
Le travail de modélisation, sous la direction de Bertrand Maillot et Yves M. Leroy, a débuté en débloquant un verrou technique rencontré à la n de la thèse de Nadaya Cubas. Les conséquences inattendues sur la richesse des résultats numériques ont occupé l'essentiel des deux dernières années et ont balayé le projet initial sur la comparaison entre le champs de contrainte et les anisotropies observées dans les échantillons. Les deux volets ainsi déconnectés, expérimental et théorique, sont présentés ci-après.
Introduction à la partie I
Ce volet de la thèse est la continuité directe de [Louis et al., 2008] : une analyse rhéologique poussée des formations sédimentaires silts et grès rencontrées autour de la faille de Chelungpu. La fabrique micro-structurale identiée dans les grès, con- stituée d'une micro-fracturation intra-granulaire, ainsi que son anisotropie, en sont le focus. Classiquement, les études existantes se dirigent dans le sens de la création d'une anisotropie par contraintes sous presse à partir d'échantillons isotropes. L'ambition, ici, est d'observer le changement d'une anisotropie préexistante naturelle acquise dans le voisinage d'une grande faille active lors d'une mise sous contrainte sous presse. Cette mise sous contrainte est appliquée selon les axes principaux d'anisotropie.
Après une présentation du contexte et des enjeux, puis des protocoles expérimentaux, la première partie s'articule sur la reproduction des résultats de [Louis et al., 2008] par des mesures classiques porosité, tests mécaniques à la rupture associés à l'enregistrement d'émissions acoustiques, temps de propagation d'ondes P puis d'en pousser l'explo- ration. En aval de tests mécaniques, l'apport de mes travaux consiste en l'amélioration d'un protocole d'imagerie et d'analyse de la fracturation et de la micro-fracturation créée.
Je tente ensuite une analyse comparative de ces deux types de fracturation. Je terminerai par la présentation des résultats et la discussion du protocole.
De cette analyse supercielle, on retiendra les deux points suivants. Premièrement, on observe qu'il y a création d'une nouvelle population de micro-fractures, dont l'orientation dans le plan normal à la contrainte principale dière parfois de la population initiale, issue du contexte géologique. Cette observation contredit le comportement généralement admis stipulant que l'orientation d'une telle nouvelle fabrique suit celle préexistante ( [Hadley, 1975] et [Scholz et Koczynski, 1979]). Ensuite l'orientation de la micro-fracturation ne dépend pas de la distance à la fracture. Elle serait donc acquise avant cette dernière.
Introduction à la partie II
On s'intéresse ici à la construction, d'un point de vue mécanique et numérique, des
chaînes d'avant pays et des prismes d'accrétion. Plus précisément on s'intéresse aux
SOMMAIRE 8 portions supercielles de lithosphère subissant une déformation qui ne soit pas aec- tée par des phénomènes thermiques. On estime généralement que pour une température inférieure à 150
◦C, on se trouve dans le domaine fragile de la plupart des matériaux géologiques. Un exemple de structure géologique regroupant ces critères est le prisme d'accrétion. L'île de Taïwan
1, ou encore le prisme de Nankaï en sont des exemples re- connus. Les limites de ces structures sont clairement dénies verticalement : un (ou des) plan de décollement sépare la partie frictionnelle, le plus souvent sédimentaire, d'un socle plus complexe. Ces plans de décollement sont des zones de faiblesse mécanique, qui peu- vent être l'interface entre deux plans stratigraphiques, ou encore un litage sédimentaire de résistance mécanique moindre (gypses, halite, etc...) La frontière latérale, séparant la zone frictionnelle des zones dites internes est quant à elle moins bien dénie, et la question mériterait à elle seule une étude dédiée. Il est cependant assez facile d'isoler cette partie frictionnelle du reste pour l'étudier comme un corps indépendant.
Les travaux séminaux de [Suppe, 1983] ont posé les bases de l'analyse géométrique des styles de déformation rencontrés dans les structures fragiles : failles, plis de cintrage sur rampe, propagation de failles, etc... Pour comprendre l'origine de ces géométries et styles tectoniques, des approches analogiques sont largement utilisées, telles que les ex- périences en boites à sables de [Konstantinovskaia et Malavieille, 2005] et [Malavieille, 2010]. Une revue des expériences de boite à sable est donnée par [Graveleau et al., 2012]. L'objectif de ces expériences analogiques est la reproduction de structures de très grande échelle, impliquant des mouvements de grande amplitude des raccourcisse- ments dans le cas des structures en compression an de comprendre qualitativement les étapes cinématiques des géométries observées. Ces approches donnent des réponses qualitatives à certaines grandes questions, comme l'origine de l'exhumation de roches profondes. D'autres questions, telles que la prédiction de l'activité d'une faille, nécessi- tent clairement une approche quantitative. La modélisation numérique devient alors un outil ecace.
On distingue, parmi les approches numériques de modélisation de prisme d'accrétion, plusieurs méthodes. La méthode des éléments nis (MEF) est l'une des plus largement utilisées. Parmi les premières approches utilisant la MEF sur le problème de la déforma- tion fragile, on citera [Borja et Dreiss, 1989] ou [Leroy et Ortiz, 1989]. Plus récemment, on retient les travaux de [Panian et Wiltschko, 2004], [Stockmal et al., 2007] et [Ruh et al., 2012], ou ceux de [Strayer et al., 2001], utilisant la méthode assez proche de la MEF des diérences nies. La principale faiblesse des méthodes en éléments nis ou diérences nies est l'hypothèse de continuité du matériau. Comment faire apparaître une discon- tinuité, puis y accumuler un glissement conséquent ? Ensuite, des suppositions doivent être faites sur la valeurs de paramètres rhéologiques complexes élasticité, critère de plasticité, loi d'écoulement plastique. Ces paramètres sont habituellement mesurables uniquement en laboratoire, donc à des échelles de temps et d'espace bien inférieures à celles considérées par le modèle.
Une autre approche numérique est celle des éléments discrets. Des travaux comme ceux de [Hardy et al., 2009] ou [Cruz et al., 2010] donnent des résultats proches de la boite à sable dont est inspiré la méthode. Les éléments discrets semblent, pour certaines ques- tions, de meilleurs candidats, à condition de pouvoir utiliser des éléments susamment petits, ce qui pose des soucis d'ordre numérique. De plus, [Egholm et al., 2007] mon-
1. On trouvera en page16une coupe schématique de Taïwan
SOMMAIRE 10 une topographie plane. Aussi, le modèle stoppait dès lors que les discontinuités sélec- tionnées rencontraient en surface une topographie non plane, ce qui limitait fortement la quantité de raccourcissements applicables, et donc, la portée des prédictions numériques.
Le premier apport de cette thèse dans ce domaine fut la modication de la cinématique, permettant désormais des raccourcissements arbitraires avec une topographie arbitraire, pouvant donc être modiée en cours d'évolution par tout modèle d'érosion/sédimenta- tion. A ce stade, il devient nécessaire de faire une analyse de convergence numérique et de développer une visualisation des résultats : marqueurs passifs, animations, posters (analyse paramétrique), G-grams, pour permettre une exploration paramétrique visuelle exhaustive. Ce sont précisément les paradoxes de la convergence numérique et la diversité des résultats de l'exploitation paramétrique (à moins de dix paramètres, dont seulement quatre paramètres rhéologiques) qui expliquent la divergence de cette partie par rapport au projet initial. Trois manuscrits, en cours de soumission sont issus de cette analyse de convergence et d'explorations paramétriques. Au moment de l'écriture de ces lignes, le premier manuscrit est accepté avec corrections mineures.
Cette partie II s'étend du chapitre 4 au chapitre nal. Des prérequis théoriques sont présentés en chapitre 4, avec un rappel de la théorie du prisme critique, de ses lim- ites, et des extensions à cette théorie apportées par l'analyse limite. J'ai tenté de faire une présentation simpliée de la théorie de l'analyse limite telle que nous l'utilisons et d'aboutir à une description concrète de sa mise en ÷uvre.
Le chapitre 5 est dédié à l'analyse des résultats numériques. On dénit d'abord le pro- totype de prisme d'accrétion considéré et les modes de représentation graphique. Une comparaison à la théorie de Dahlen est ensuite conduite, en utilisant le critère simple de la pente topographique moyenne. La convergence vers la théorie du prisme critique est montrée, ainsi qu'une généralisation à des rampes de friction plus faible que le milieu environnant. L'eet de ce dernier point est clair numériquement, mais sans doute trop faible pour la précision des mesures de terrain ou de laboratoire. On présente ensuite une méthode de prédiction de la croissance du prisme en fonction du raccourcissement subi, basée sur une analyse géométrique. En section 5.4, l'analyse de convergence numérique dévoile le caractère chaotique des résultats et présente une réponse statistique au critère de convergence. On montre aussi la convergence vers un comportement continu de la dé- formation dans les conditions de [Dahlen, 1984], et à l'inverse, un comportement discret, introduisant une échelle de temps et une périodicité d'activation, lorsque l'on introduit un aaiblissement du matériaux au niveaux des failles. La section 5.5 étudie l'eet de l'accrétion d'une couche d'épaisseur constante sur cette mécanique. Une organisation interne de la déformation, faisant écho à l'activité à l'avant et à l'arrière du prisme est mise en évidence. Un temps caractéristique mettant en relation ces deux fronts de défor- mation, basé sur les quantités accrétées, est démontré. Enn, en section 5.6, un modèle d'érosion est couplé au modèle mécanique. Une étude paramétrique permet d'identier et d'expliquer les fondements de structures et styles tectoniques bien connus. Les section 5.4 à 5.6 sont chacune prolongées par les manuscrits, déjà mentionnés, en annexes A, B et C.
Le chapitre 6 présente les résultats préliminaires d'une application de ce modèle à des
expériences en boite à sable. On se propose ici de déterminer les valeurs de frictions
prises par le sable au niveau des discontinuités. Pour ce faire, on ajuste par essai-erreur
l'évolution de la valeur de la force prédite par le modèle à celle mesurée dans la boite,
au moyen de jauges installées sur le mur arrière mobile.
SOMMAIRE 11
Dans le chapitre nal, on discute de la portée de ces résultats, de leurs faiblesses, d'aspects
non ou peu explorés. En eet, certains paramètres, comme la pente du butoir arrière, ou
certains choix numériques, comme la non mémoire des anciennes failles, sont autant de
sujets à discussion. À la suite de quelques perspectives, le lecteur trouvera en annexes
les manuscrits décrits avant, puis la description d'une annexe numérique. Cette annexe
numérique inclue un ensemble de programmes et de scripts utilisés pour le calculs des
valeurs de pente critique issues de la théorie du prisme critique et de l'analyse limite,
et d'autres utilisés pour les réalisations graphiques. On trouvera aussi dans cette annexe
un ensemble d'animations et d'images très grand format ayant servit à l'exploration du
domaine de paramètres, ainsi que des abaques de valeurs de pentes critiques.
Première partie
Étude expérimentale du
comportement mécanique de grès anisotropes proches d'une faille
majeure
12
Chapitre 1
Contexte et objectifs
Sommaire
1.1 Taiwan . . . . 13
1.2 Chelungpu . . . . 16
1.3 Les échantillons TCDP . . . . 18
1.4 Objectifs . . . . 19 Avec pour objectif une meilleure compréhension des phénomènes sismiques, de nom- breux projets internationaux de forages au travers de failles actives ont vu le jour ces 10 dernières années. La sélection des sites s'est généralement basée sur une activité forte et récente. Le "Taiwan Chelungpu Driling Project" (TCDP) est l'un d'eux. Suite, en 1999, au séisme de magnitude 7.6 sur la faille de Chelungpu [Shin et Teng, 2001], deux forages ont été réalisés en 2000 au travers de la zone active. Parmi les études réalisées sur cette zone, beaucoup se sont focalisées sur la zone de gouge ( [Hirono et al., 2006a], [Hirono et al., 2006b] ou [Hamada et al., 2009]). Ceci est bien sûr pertinent pour étudier les phénomènes physico-chimiques liés au séisme. Cette étude vise une compréhension plus globale de la mécanique du système, ainsi, les échantillons étudiés ont été prélevés loin de la zone de failles au sein du massif.
1.1 Taiwan
La chaîne de montagne Taïwanaise est le résultat d'une collision oblique, initiée il y a 9 Ma, entre l'arc volcanique Luzon, sur la plaque Philippine et la marge continentale de la plaque Eurasie [Sibuet et Hsu, 2004] (g 1.1). L'âge de l'actuel Taiwan est estimé à 5 Ma. L'actuelle vitesse de convergence est de 8 cm par an, selon un axe N305
◦E [Seno et al., 1993]. L'une des caractéristiques de cet édice est la complexité du système de subduction. En eet, au sud, la plaque eurasienne est subduite formant la fosse Manilla, alors qu'au nord, l'inverse se produit, donnant naissance à la fosse Ryukyu (qui se pour- suit jusqu'au Japon). Ce renversement de subduction, ainsi que sa géométrie est encore sujette à discussion [Kao et al., 2000].
Cependant, abstraction faite de cette complexité, la chaine Taïwanaise est un cas parti- culièrement intéressant de prisme d'accrétion. En eet, du fait de la géométrie oblique de la collision, on peut observer du nord au sud l'évolution d'un prisme d'accrétion à travers le temps. On trouvera à l'extrême sud un prisme en formation, et à mesure que
13
CHAPITRE 1. CONTEXTE ET OBJECTIFS 14
Plaque océanique philippine Plaque
eurasienne
Arc de Luzon Fo
sse de
Ma nilla Fo
sse de
Ma nilla
Fosse de Ryukyu Fosse de Ryukyu
Arc de Ryuky u
Figure 1.1 Topographie de Taiwan et bathymétrie. Les lignes noires délimitent le front de déformation (dont Chelungpu fait partie). Les contours verts délimitent les arcs de Luzon et de Ryukyu. Les parties épaisses de ces contours signalent la suture entre la plaque Eurasie et Philippine. Le segment tireté marque la suture dans Taiwan, dans la vallée longitudinale. Bathymétrie et topographie GEBCO (30 sec).
l'on progresse vers le nord, une structure de plus en plus mature [Sibuet et Hsu, 2004].
Une description géologique succincte de Taïwan pourrait s'organiser autour de la suture des deux plaques tectoniques en collision. Cette suture est identiée dans la vallée lon- gitudinale, à l'est de l'île. Il s'agit, comme son nom l'indique, d'une vallée à géométrie longiligne, délimitée à l'ouest et à l'est par des massifs cristallins. On trouvera en gure 1.2 une carte géologique de Taiwan.
À l'est, on trouve des ensembles volcaniques, formant la chaîne côtière. Ces formations clastiques et cristallines sont issues de l'accrétion de l'arc de Luzon. Sur une image to- pographique et bathymétrique, on distingue très bien la continuité entre cette chaîne et l'actuel arc de Luzon. La gure 1.1 présente, en vert, le contour de l'arc de Luzon sur font topographique et bathymétrique. La partie du contour en trait épais, marque la suture entre les plaques philippines et eurasienne. Le segment en tireté signale la partie émergée de la suture, dans la vallée longitudinale.
À l'ouest, on trouve une succession de chaînes, selon le même axe nord-sud, formant le
prisme d'accrétion proprement dit, avec une diminution graduelle du degré de métamor-
phisme et de déformation en allant vers l'ouest. On trouve ainsi, d'est en ouest, la chaîne
centrale est, la chaîne centrale ouest, la chaîne d'Hsuehshan, les "western foothills", et
enn la plaine côtière. On pourra se reporter à la coupe schématique de Taïwan, présen-
tée en gure 1.3.
CHAPITRE 1. CONTEXTE ET OBJECTIFS 15
25
24
23
22
120 121 122
PC WF
CH
CCO
CCE
CC
VL Faille de
Chelungpu
Taipei
Pre-Miocène Miocène Pliocène Quaternaire Alluvions récents Tachia
Fenyuan Fenyuan
Taichung Wufeng
A B
FailledeSanyi Tachia chi
Tachia chi
Wu c hi
TCDP
Faille dikeeilnSuhg Ta-an chi Ta-an chi
Faille de
helunC
gpu
0 5 km5 km
FailledeShuangtung
Figure 1.2 Carte géologique schématique de Taiwan. PC : plaine côtière, WF : Western
foothills, CH : chaine d'Hsuheshan, CCW : chaine centrale ouest, CCE : chaine centrale
est, VL : vallée longitudinale, CC : chaine côtière. La ligne noire épaisse dessine la faille
de Chelungpu. L'étoile blanche marque la position de l'épicentre du séisme de 1999,
tandis que le disque blanc celle du lieu du forage TCDP. La ligne en pointillés marque le
tracé de la coupe présentée en gure 1.3. Le carré encadrant la partie nord de de la faille
de Chelungpu délimite la zone montrée en encart (en haut à gauche). Dans cet encart,
Le segment [A-B] délimite le tracé de la coupe présentée en gure 1.4. Cartes redessinées
d'après [Lee et al., 2002], [Chen et al., 2003] et [Yue et al., 2005].
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CHAPITRE 1. CONTEXTE ET OBJECTIFS 17 la faille de Chelungpu montre de nombreuse courbures sur son plan de glissement. Ces géométrie 3D sont largement documentées sur la portion responsable du séisme de Chichi marqué d'une étoile sur la gure 1.2 ( [Yang et al., 2007]).
Chelungpu est une rampe de chevauchement, dont le plan de glissement suit un décolle-
500
600
700
800
900
1000 1100
1200
1300
1400
1500 1600
#1
#2
#2
#3
#5#6 Cholan Fm
Chinshui Fm
Kueichulin Fm FZA 1111 FZA 1153 FZA 1221 FZA 1241
FZA 1525
Depth (m)
a) b)
Cholan Fm
Kueichulin Fm
Kueichulin et plus ancien Cholan Fm
Tungkeng Fm
Toukoshan Fm TCDP
Chinshui Fm Kueichulin Fm San
yi Chel
ungpu
Shuan gtung
A B
Niveau marin 1 2 3 4 (km)
0 5 km
#4
#4
Figure 1.4 Coupe simpliée de la faille de Chelungpu (a) et log schématique du forage TCDP (b). Les 5 échantillons (#n) étudiés sont indiqués à leur profondeur de prélèvement. Les marqueurs FZA signalent les zones de faille identiées, FZA. FZA1111 est identié comme le plan de glissement du séisme de 1999. Redessinés d'après [Louis et al., 2008].
ment à la base d'une formation silto-gréseuse. Le pendage de la faille, d'environ 30deg, est ainsi parallèle à la stratication sur-jacente, d'azimuth 105
oN (gure 1.4.a).
La stratigraphie au dessus de Chelungpu est principalement constituée de trois unités [Yeh et al., 2007] comme illustré en gure 1.4.b. Directement au dessus de la faille, la formation de Kueichulin, d'âge Miocène inférieur à Pliocène, est formée de grès massifs, recoupés de ns dépôts de silts et d'argiles. On trouve ensuite la formation de Chinshui, majoritairement silteuse et d'âge Pliocène. De nes strates de grès ns ou d'argiles sont observables, ainsi que des alternances de nes couches de grès/silts. Enn, la formation de Cholan, d'âge Pliocène inférieur à Pléistocène supérieur est formée d'alternances de grès-silts-argiles, avec une prédominance pour des massifs de grès sur la partie supérieure.
Des bioturbations plus ou moins importantes sont à noter.
La zone nord de Chelungpu est particulièrement complexe et mal dénie géographique-
ment. En eet, Elle marque la transition entre Chelungpu et Sanyi, dont le rôle tec-
tonique est équivalent. La faille de Sanyi prend naissance depuis un autre décollement,
CHAPITRE 1. CONTEXTE ET OBJECTIFS 18 plus profond que celui de Chelungpu. Ceci est une conséquence de variations lithologiques latérales nord-sud. Aussi, la transition de Chelungpu vers Sanyi, plus profonde, est mar- quée par des courbures et ramications des deux failles lorsqu'elles se rencontrent.
Un séisme de magnitude 7,6 sur l'échelle de Richter, dont l'épicentre a été localisé au niveau de la ville de Chichi, a lieu le 21 septembre 1999. Des escarpements de parfois plus de 8 m on été relevés, sur une distance de 100 km [Angelier et al., 2001]. La majorité de ces déformations ont été interprétés comme issues de mouvements sur la faille de Chelungpu. Avec une vitesse de raccourcissement estimée à 2-4 cm par an sur l'ensemble du front de déformation Taïwanais, sur une période d'activité de 3 à 5 Ma, on estime donc à plus de 100 km le raccourcissement accommodé par la faille de Chelungpu et ses équivalents [Angelier et al., 2001].
1.3 Les échantillons TCDP
Le "Taiwan Chelungpu Drilling Project" (TCDP) est un projet international de for- age au travers de la faille de Chelungpu. Le projet initié suite au séisme de 1999, a pour objectif la compréhension des fondamentaux physique d'un séisme. Deux forages, A et B, ont été eectués sur la portion Nord de la faille, dans la localité de Takeng, à proxim- ité de la ville de Taichung. Les échantillons étudiés dans cette contribution proviennent intégralement du forage A. Ce forage, eectué en avril 2000, traverse sur 2 km les trois formations de Cholan, Chinshui et Kueichulin, et s'achève sur, à nouveau, la formation de Cholan (g 1.4.b).
La table 1.1 présente les caractéristiques des échantillons étudiés. Leurs localisations en Échantillons profondeur (m) lithologie densité (kg.m
−3) porosité (%)
#1 (B146) 729 grès 2120 ± 21 19.6 ± 0.7
#2 (B237) 902 silts 2573 ± 3 -
#3 (B246) 918 grès 2174 ± 14 -
#4 (B295) 1011 grès - 17.0 ± 0.1
#5 (B528) 1440 silts 2610 ± 3 -
#6 (B535) 1453 grès 2256 ± 29 -
Table 1.1 Table de référence présentant les échantillons étudiés dans cette contribu- tion, ainsi que quelques unes de leurs caractéristiques rhéologiques.
profondeur et dans les divers formations sont présentées également en gure 1.4.b. Un focus particulier sera porté sur les grès. Leur composition pétrographique est majoritaire- ment siliceuse, avec des fragments organiques. Des feldspaths, fragments de quartzite et quelques minéraux argileux au sein de la matrice ont été observés dans la littérature. La nomenclature Bxxx correspond au numéro (xxx) du tronçon de carotte de forage dont provient l'échantillon. Le numéro du tronçon est croissant depuis la surface vers le bas.
Dans ce qui suivra on renommera les échantillons par leur ordre croissant de profondeur.
La méthode de mesure des valeurs de densités et de porosités indiquées est expliquée
dans le chapitre suivant.
CHAPITRE 1. CONTEXTE ET OBJECTIFS 19
1.4 Objectifs
L'objectif de ces travaux expérimentaux était initialement de mettre en relation un
champ de contrainte avec l'ensemble des observables / mesurables rhéologiques et mé-
caniques. La rhéologie des formation de Chelungpu ayant déjà été largement étudiée au
sein même du laboratoire d'accueil, le GEC, l'analyse expérimentale consistait à éten-
dre l'étude sur les propriétés mécaniques, et spéciquement d'analyser l'inuence de
l'anisotropie présente sur les comportements mécaniques. C'est sur ce dernier point que
la présente étude s'est nalement concentrée. Les comportements mécaniques ont été
évalués selon les axes principaux d'anisotropie. On a échantillonné selon chacun de ces
axes, puis soumis à une compression triaxiale ces échantillons. Une analyse comparative
de l'orientation de la fabrique de micro-cracks fracture intra-grain et de l'orientation
de la fracture obtenue sous presse est ensuite eectuée. Une comparaison à des mesures
d'anisotropie élastique est aussi initiée. L'étude ne dépassera pas ce stade préliminaire,
pour les raisons expliquées dans l'introduction générale. On se contentera donc dans ce
qui suit, de présenter et de discuter les résultats obtenus.
Chapitre 2
Protocoles expérimentaux
Sommaire
2.1 Échantillonage . . . . 20 2.2 Matériels et méthodes . . . . 21 2.2.1 Mesure de porosité . . . 21 2.2.2 Mesure de densité . . . 22 2.2.3 Mesure des temps de propagation d'onde P . . . 22 2.2.4 Tests sous presse triaxiale . . . 24 2.3 Imager les fracturations . . . . 24 2.3.1 Prise d'images . . . 24 2.3.2 Échantillonner la micro-fracturation . . . 26 2.3.3 Orientation préférentielle de la fracturation . . . 26 2.3.4 Analyse des orientations . . . 27 On présente dans ce chapitre les protocoles et choix expérimentaux utilisés pour obtenir les résultats présentés dans le chapitre suivant. Après une description de la méthode d'échantillonnage, puis des diérentes méthodes de mesures de propriétés pétro- physiques, on décrit le procédé qui a permis d'imager et de quantier la fracturation ainsi que la micro-fracturation.
2.1 Échantillonage
Les échantillons étudiés sont issus de carottes du puits A du TCDP. La continu- ité de l'ensemble des carottes du puits A est de 97%, apparemment totale de ∼500 à 1600 m ( [Song et al., 2007]). Les carottes sont stockées dans la NTU (National Taiwan University) à Taipei, par tronçons dans des caisses en bois, sous plastique non hermé- tique. Chaque tronçon, mesure ∼ 1 m pour 82 mm de diamètre. Les échantillons ont été sélectionnés selon des critères de position (relativement éloignés des zones de frac- ture), de profondeur et d'intégrité. Le paramètre d'intégrité sous-entend une portion de carotte intègre susamment grande pour permettre l'échantillonnage tel que décrit après. An d'estimer cette intégrité, des images en rayon X de l'ensemble des tronçons ont été fournies par l'université de Taipei, permettant un examen visuel préliminaire. Un examen visuel sur place à permis de sélectionner les meilleurs candidats. Les morceaux choisis ont été détachés de leurs tronçons respectifs à la scie, enveloppés sous plastique
20
∼
◦
φ
m
secm
sat
!!
"
#
CHAPITRE 2. PROTOCOLES EXPÉRIMENTAUX 22 l'eau ( m
imm). On l'obtient alors avec la relation
φ = m
sat− m
secm
sat− m
imm. (2.1)
2.2.2 Mesure de densité
La densité ou masse volumique a été estimée en divisant le volume d'un plug par sa masse. Le volume est calculé à partir des cotes du cylindre, longueur et diamètre, mesurées à l'aide d'un pied à coulisse numérique de précision 0,01 mm. La masse est mesurée à l'aide d'une balance numérique de précision 0,001 g.
2.2.3 Mesure des temps de propagation d'onde P Temps de propagation en conditions ambiantes
On mesure les temps de propagation d'ondes P acoustiques de haute fréquence (1MHz). L'équipement utilisé se compose d'un pulseur-récepteur 100-900V Panamet- rics 5058 PR et d'une paire de capteurs ultrasoniques pour ondes P. Le signal est relayé par un amplicateur numérique vers un ordinateur. Un dispositif automatique permet la mesure systématique du temps de propagation sur 360
◦selon l'axe de l'échantillon cylin- drique (g 2.2.a). Pour ce faire, l'échantillon est tourné progressivement par un moteur électrique, tandis que les capteurs acoustiques sont tour à tour mis en contact ou éloignés durant la rotation par un système de pistons pneumatiques. Le temps de propagation de l'onde P à travers le diamètre de l'échantillon est mesuré par l'ordinateur, en comparant les traces de l'impulsion envoyée et du signal reçu (traces V
1et V
2sur la gure 2.2.b).
L'arrivée de l'onde P est pointée selon la méthode AIC (Akaike Information Criterion) décrite et mise en ÷uvre pour la mesure d'anisotropie élastique par [Sarout et al., 2009].
Le temps mesuré comprend le temps de propagation à travers les capteurs et membranes (∆t
c) en plus de celui de l'échantillon (∆t
e). Il convient donc de retrancher ce délai, mesuré indépendamment, capteurs joints.
Les axes de temps de propagation minimum et maximum sont déduits d'une courbe théorique s'ajustant au mieux aux valeurs mesurées. Cette courbe théorique est calculée comme suit. On suppose que l'anisotropie mesurée autour de l'échantillon peut être décrite par un tenseur D tel que
D =
a 0 0 b
, (2.2)
avec a et b, les valeurs maximale et minimale de temps de propagation respectivement.
Soit n, un vecteur unitaire, d'orientation quelconque θ dans un repère orienté selon les axes de propagations a et b . On obtient l'expression de l'anisotropie dans une direction n, en eectuant le produit scalaire
D · n =
a 0 0 b
·
cos θ sin θ
=
a cos θ b sin θ
= x
y
(2.3) ou x et y sont les coordonnées d'un vecteur décrivant l'anisotropie. Ce vecteur a pour norme le temps de propagation et pour orientation celle de la mesure. On en déduit l'expression du temps de propagation autour de l'échantillon en coordonnées polaires
r(θ) = p
x
2+ y
2= p
a
2cos
2θ + b
2sin
2θ. (2.4)
CHAPITRE 2. PROTOCOLES EXPÉRIMENTAUX 23
Moteur
Δt
cΔt
eV
1V
2b) a)
Pistson
Capteur acoustique
Axe de rotation Système pneumatique
Amplificateur
Figure 2.2 Photographie du dispositif d'acquisition de l'anisotropie élastiques (a).
Illustration du pointage de l'arrivée de l'onde P (b).
Si l'on souhaite décrire cette anisotropie dans un repère quelconque, il convient d'intro- duire θ
a, l'angle entre l'axe a et l'axe des ordonnées du nouveau repère. Si l'on introduit θ
a, l'orientation du grand axe a dans le même repère quelconque, on écrit alors
r(θ) = q
a
2cos
2(θ − θ
a) + b
2sin
2(θ − θ
a). (2.5) Les valeurs de a et b sont déduites des valeurs mesurées. Plus exactement, on utilise la moyenne des deux plus grandes et celle des deux plus petites valeurs mesurées pour estimer a et b, respectivement. Cette dernière opération a pour but de corriger une valeur min ou max aberrante. On optimise alors θ
apour obtenir la meilleur courbe r(θ) s'ajus- tant aux données. L'orientation de l'axe b est bien sur à 90
◦de celle de a .
Temps de propagation sous presse
On décrit maintenant le montage d'un protocole expérimental ayant pour but de
mesurer les temps de propagation lors de tests mécaniques triaxiaux. On propose pour
cela de xer six capteurs acoustiques en céramiques piézoélectriques PZT (Plomb-Zirconium-
Titanate) selon les axes principaux d'anisotropie identiés selon le protocole précédent,
σ
1σ
2σ
3˙ ε
˙
ε = 1.10
−5 −1
μ
× × × × ×
l θ l = 1/sin(θ)
×
Chapitre 3
Résultats et conclusion
Sommaire
3.1 Anisotropie des formations de Chelungpu . . . . 29 3.1.1 Fabrique microstructurale . . . 29 3.1.2 Anisotropie mécanique . . . 30 3.2 Inuence de la fabrique et de son anisotropie . . . . 32 3.2.1 Position relative à la fracture . . . 32 3.2.2 Micro-structure : relation avec la fracturation ? . . . 34 3.2.3 Anisotropie élastique et fracturation . . . 37 3.3 Conclusion sur les protocoles . . . . 38
3.1 Anisotropie des formations de Chelungpu
On propose ici de décrire l'état de l'anisotropie micro-structurelle et mécanique des formations de Chelungpu. Les résultats concernant la micro-fracturation reproduisent ceux de [Louis et al., 2008], les informations mécaniques sont nouvelles.
3.1.1 Fabrique microstructurale
L'orientation préférentielle de la micro-fracturation est présentée à l'aide d'histo- grammes polaires (gure 3.1). Les résultats pour deux échantillons #3 et #6, prélevés à 918 m et 1453 m respectivement. Tous deux sont des grès la micro-fracturation n'étant observable que sur ce faciès. On observe l'existence d'une orientation préférentielle assez claire, pour les deux profondeurs et selon les deux axes. Dans tous les cas, cette orienta- tion est selon la normale à l'axe de la stratication. L'axe de la stratication est la ligne d'intersection de celle-ci avec le plan d'observation (voir gure 3.2). Malgré quelques vari- ations, l'anisotropie d'orientation est très similaire quelque soit la profondeur pour l'axe Z. Au contraire, on observe une nette augmentation avec la profondeur de l'anisotropie selon l'axe X.
La gure 3.2 est une représentation en 3D de ces anisotropies en guise de bilan. Les données de l'axe Y, non étudiées ici, sont issues de [Louis et al., 2008] qui identie une légère anisotropie parallèle à l'axe de stratication. De façon générale, l'orientation de l'anisotropie se fait selon un plan vertical de direction parallèle à l'orientation de la con- trainte tectonique (représenté par une èche noire sur la gure 3.2). L'alignement des
29
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 30
500 100150 200250 300350
Nombre de cracks
−30°
0° 30°
60°
90°
120°
180° 150°
−150°
−120°
a) Haut
N15
Bas
#3−X
500 100150 200250
300350 −30°
0° 30°
60°
90°
120°
180° 150°
−150°
−120°
b) N
E
S
#3−Z
500 100150 200250 300350
Nombre de cracks
−30°
0° 30°
60°
90°
120°
180° 150°
−150°
−120°
c) Haut
N15
Bas
#6−X
500 100150 200250
300350 −30°
0° 30°
60°
90°
120°
180° 150°
−150°
−120°
d) N
E
S
#6−Z
Figure 3.1 Histogramme polaire de l'orientation des micro-cracks. En haut l'échan- tillon #3, prélevé à une profondeur de ∼918 m, selon l'axe X (a) et l'axe Z (b). En bas l'échantillon #6, prélevé à une profondeur de ∼1453 m, selon l'axe X (c) et l'axe Z (d). Malgré la variation du nombre de cracks identiés, une orientation préférentielle est observable selon les deux axes, très similaire d'une profondeur à l'autre.
cracks dans le plan Z parallèlement à la contrainte tectonique σ
1concorde avec la vision proposée par [Tapponnier et Brace, 1976] et [Kranz, 1979]. L'alignement des cracks dans le plan X avec l'axe vertical indique un diérentiel de contrainte dans le plan vertical. Il existe donc une contrainte secondaire σ
2> σ
3imposée par le poids des formations, croissante avec la profondeur. On peut noter que [Louis et al., 2008] montre que la fabrique de micro-cracks est porteuse de l'anisotropie élastique, cette dernière étant mesurable via les temps de propagations d'ondes P.
3.1.2 Anisotropie mécanique
On présente en gure 3.3 les courbes de déformation axiale en fonction de la con-
trainte diérentielle obtenues lors des tests mécaniques sur les échantillons #3 et #6,
présentés avant, ainsi que #2 et #5. Les échantillons #3 et #6 sont des grès, tandis que
les échantillons #2 et #5 sont des silts. La profondeur de prélèvement est d'environ 910
XX
Y Y
Z Z Z
Z
Y
X
YY
Z Z
N15
30°
∼
oCHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 32
0 10 20 30 40 50
Contrainte différ entielle (MPa)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Déformation axiale (%)
d) #6
XZ 0
20 40 60 80 100 120
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2
Déformation axiale (%)
c) #5
XZ
Contrainte différ entielle (MPa)
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6
b) #3
XZ
a) #2
XZ
0.4 0.8 1.2 1.6
0.0
0 10 20 30 40 60 50 100
80 60 40 20
0
Figure 3.3 Déformation axiale en fonction de la contrainte diérentielle, pour des échantillons prélevés à ∼910 m en haut, et ∼1450 m en bas. Les échantillons #2 et #5 à gauche sont des silts, tandis que les échantillons #3 et #6 sont des grès.
3.2 Inuence de la fabrique et de son anisotropie sur le com- portement mécanique
Dans cette section, on présente les résultats obtenus après avoir soumis les échantil- lons à un test mécanique sous presse. On compare ces résultats à ceux décrits dans la section précédente, servant de référence. On se concentre sur l'orientation moyenne de la micro-fracturation, ainsi que celle de la fracture.
3.2.1 Position relative à la fracture
On se propose de relever les propriétés de la micro-fracturation en fonction de la
distance à la fracturation. Une première observation concerne la densité de cracks. Cette
densité est mesurée en normalisant le nombre de cracks identiés par la surface des grains
visibles. La gure 3.4 présente l'évolution de la densité avec la distance à la fracture, pour
les échantillons #3 et #6. Trois plugs par axe ont été réalisés, comme expliqué plus haut
dans les protocoles. L'échantillon de moindre profondeur, #3, présente une tendance à
l'augmentation en s'approchant de la fracture de la densité de cracks, par rapport à
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 33
0 50 100 150 200
Densité de cracks
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a) #3
1X 2X 3X
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
b) #3
1Z 2Z 3Z
0 50 100 150 200
Densité de cracks
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Distance depuis la fracture (mm)
c) #6
1X 2X 3X
0 50 100 150 200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Distance depuis la fracture (mm)
d) #6
1Z 2Z
Figure 3.4 Densité de la micro-fracturation en fonction de la distance à la fracturation.
Axes X et Z de l'échantillon #3 respectivement en (a) et (b). Axes X et Z de l'échantillon
#6 respectivement en (c) et (d). La ligne grise horizontale est la valeur de la densité pour les échantillons témoins.
la valeur de référence. Cette tendance est plus nette selon l'axe Z. On conrme ainsi l'existence d'une nouvelle fabrique de cracks induite par le test mécanique. On note également une inexion de la densité dans le voisinage directe de la fracture. Ce dernier point s'explique par une diminution du nombre de cracks identiables induite par le mouvement sur la fracture. En eet, lors de ce cisaillement, les morceaux des grains frac- turés peuvent se séparer, eaçant à l'image nale la présence des cracks. L'échantillon
#6 ne montre pas ou peu de variation avec la distance. De plus, la densité moyenne ne présente pas de diérence avec celle de la référence, ou présente même une valeur inférieur (g 3.4). Ceci peut s'expliquer par la présence de nombreux éléments carbonés, qui ne présentent pas de micro-fracture, diminuant ainsi la valeur de la densité de cracks.
La gure 3.5 présente l'évolution de l'orientation moyenne de la micro-fracturation en fonction de la distance à la fracture. Comme précédemment, l'orientation moyenne des cracks est estimée via un histogramme polaire. Les valeurs présentées sont celles mesurées sur l'échantillon #6, selon l'axe Z. On constate que l'orientation préférentielle des cracks très similaire à celle de la référence est très stable d'un histogramme à l'autre.
Conclusion partielle : malgré la contradiction de l'échantillon #6, la densité de
cracks semble montrer une évolution avec la distance à la fracture. À l'inverse, l'orien-
tation des cracks ne semble pas inuencée par la fracture. L'orientation de la nouvelle
fabrique de cracks, quelque soit sont rapport avec l'ancienne fabrique ou avec la fracture,
semble acquise avant l'apparition de la fracture, car elle est homogène sur l'ensemble de
l'échantillon.
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 34
0 20 40
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
a) N 0−1 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b) N 1−2 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c) N
E
2−3 mm
0 20 40
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d) 3−4 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e) 4−5 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
f)
E
5−6 mm
0 20 40
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
g)
S
6−7 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
h)
S
7−8 mm
0 20
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
i)
E
S
8−9 mm
Figure 3.5 Histogrammes de l'orientation de la micro-fracturation pour diérentes distances à la fracturation. Données issues de l'échantillon #6 dans l'axe Z.
3.2.2 Micro-structure : relation avec la fracturation ?
On présente maintenant une comparaison de l'orientation des cracks avec celle de la fracture. Les gures 3.6 et 3.7 présentent respectivement les résultats pour l'échantillon
#3 et #6. Dans les deux gures, on présente l'histogramme d'orientation des cracks (ex- emple : a1) au dessus de celui de l'orientation des segments de la fracture (exemple : a2).
Selon l'axe X, on observe que la fabrique est peu modiée par rapport à la référence pour l'échantillon #3 (g 3.6.a1 3.6.c1). Seul le cas b) présente une altération de la fabrique : l'anisotropie semble avoir disparue, noyée dans ce qui pourrait être une nouvelle fabrique à 90
ode l'ancienne. L'échantillon #6 montre le même résultat : l'anisotropie de référence est conservé, sauf pour la cas 3.7.c1, qui présente une anisotropie à 45
◦de la référence.
Selon l'axe Z, les orientations semblent encore plus brouillées. Dans le cas de l'échantil- lon #3, aucun des trois essais ne montre la conservation de l'orientation de référence.
L'échantillon #6 présente un cas similaire à la référence (3.7.d1), l'autre présentant une
orientation presque à 90
◦.
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 35
0 100 200 300
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
a1) Haut #3−1X
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b1) Haut #3−2X
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c1) Haut
N15
#3−3X
0 2 4 6
Segments
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
a2)
Bas
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b2)
Bas
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c2)
N15
Bas
0 100 200 300
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d1) N #3−1Z
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e1) N #3−2Z
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
f1) N
E
#3−3Z
0 2 4 6
Segments
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d2)
S
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e2)
S
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
f2)
E
S
Figure 3.6 Orientation moyenne de la micro-fracturation après test triaxial pour
l'échantillon #3. Pour chaque cas (a, b, c, d, e et f), on présente au dessus l'histogramme
d'orientation des cracks, en dessous l'histogramme d'orientation des segments de la frac-
ture.
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 36
0 100 200 300
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
a1) Haut #6−1X
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b1) Haut #6−2X
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c1) Haut
N15
#6−3X
0 2 4 6
Segments
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
a2)
Bas
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b2)
Bas
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c2)
N15
Bas
0 100 200 300
Nb. de cracks
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d1) N #6−1Z
0 100 200
300 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e1) N #6−2Z
0 2 4 6
Segments
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d2)
S
0 2 4
6 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e2)
S
Figure 3.7 Orientation moyenne de la micro-fracturation après test triaxial pour
l'échantillon #6. Pour chaque cas (a, b, c, d et e), on présente au dessus l'histogramme
d'orientation des cracks, en dessous l'histogramme d'orientation des segments de la frac-
ture.
CHAPITRE 3. RÉSULTATS ET CONCLUSION 37 L'examen de l'orientation de la fracture n'apporte pas une meilleure compréhension. Par- fois parallèle à la fabrique de cracks (g 3.6.a2, 3.6.c2, 3.7.b2 et 3.7.e2), parfois parallèle à l'axe de la stratication (g 3.6.b2, 3.6.d2, 3.6.e2, 3.6.f2, 3.7.a2, 3.7.d2), l'orientation de la fracture semble se partager entre ces deux hétérogénéités. Toutefois, aucune tendance claire ne semble se dessiner quant à la dominance de l'une ou de l'autre .
Conclusion partielle : étant donné l'apparente reproductibilité de l'anisotropie de référence, on peut la supposer able et s'en servir eectivement de référence pour l'ensem- ble des échantillons. Il semblerait alors que la nouvelle fabrique de cracks, créée lors des tests triaxiaux, ne sois parfois pas conforme à cette référence. Le rapport de cette fab- rique, et de l'ancienne, avec la fracture issue des test sous presse n'est pas clair. Aucune tendance n'est dessinée par le jeux de données, apparemment trop faible. Un jeux de données de taille plus importante semble nécessaire pour identier, de façon statistique, une tendance. La possibilité que les références ne soient pas valable pour tout les échan- tillons présentés reste aussi envisageable. Les variations d'orientation observées seraient alors issues de propriétés locales, comme l'eet d'inclusions de graphite nombreuses , de gures de courants parfois observées , etc...
3.2.3 Anisotropie élastique et fracturation
0 10 20 30 40
Temps ( µ s)
0° 45° 90°135°
180°
−135°
a) Haut #1−X
0 10 20 30
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
b) Haut #1−Z
0 10 20 30
40 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
c) Haut
N15
#4−Z
0 5 10 15
Segments
0°
45°
90°
135°
180°
−135°
d)
Bas
0 5 10
15 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
e)
Bas
0 5 10
15 0°
45°
90°
135°
180°
−135°
