Architecture et croissance des failles dans les alternances argilo-calcaires. Exemples dans les alternances du Bassin du Sud-Est (France) et modélisation numérique

Vincent Roche a soutenu sa thèse le 28 octobre 2011 à Paris.

Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un programme de recherche de l’IRSN relatif au stockage géologique de déchets de moyenne et de haute activité et à vie longue, qui vise à comprendre et modéliser les phénomènes importants pour la sûreté d’une installation de stockage géologique. Un tel stockage est actuellement envisagé en Meuse/Haute-Marne dans la formation argileuse du Callovo-Oxfordien encadrée par des formations calcaires. Dans ce système, d’épaisseur plurihectométrique, des eventuelles failles affectant la couche hôte pourraient créer des drains susceptibles d’amoindrir sa capacité de confinement.

Cette étude vise à caractériser l’architecture et la croissance des failles normales dans des alternances argilo-calcaires. Des analyses structurales et des profils de déplacement ont été réalisés sur des failles normales affectant différentes alternances du Bassin du Sud-Est (France) et des propriétés pétrophysiques ont été quantifiées pour chaque lithologie. Les failles étudiées -de simples plans ou des zones de failles- sont fortement influencées par la lithologie. L’analyse de ces caractéristiques complétée par des modélisations numériques a permis d’évaluer les processus responsables de la nucléation, de la restriction et de la croissance des failles.

Des failles étudiées ont nucléé dans les couches calcaires sans relation apparente avec la réactivation de joints préexistants, mais d’après notre analyse numérique, en raison du contraste de module d’Young entre argiles et calcaires, du faible contraste de résistance à la rupture et de l’épaisseur plus importante des argiles. D’autres types de systèmes ont été simulés pour définir les gammes de paramètres qui contrôlent la nucléation dans une unité ou l’autre. Après leur nucléation, les failles se propagent au sein d’une couche homogène avec un gradient de déplacement constant jusqu'à ce qu’un restricteur arrête leur propagation verticale.

Les restricteurs observés sont des interfaces sédimentaires ou des failles subparallèles à la stratification, formées en contexte tabulaire durant la phase extensive ayant initié les failles normales. La restriction provoque des perturbations des gradients de déplacement indépendantes de la lithologie et de la relation linéaire entre le déplacement (Dmax) et les dimensions (R) des failles. Durant l’accumulation de la déformation, le gradient de déplacement reste constant et relativement faible au centre de la faille et augmente aux extrémités jusqu'à une valeur seuil entraînant la propagation de la faille à travers le restricteur. La restriction des failles par des interfaces lithologiques dépend des contrastes de module d’Young et de résistance à la rupture entre les couches et un changement de forme de la faille favorise sa propagation verticale à travers le restricteur.

Les gradients de déplacements des failles traversant plusieurs couches sont spécifiques pour chaque lithologie. Ils sont plus importants dans les couches argileuses que dans les calcaires, traduisant ainsi un « découragement » de la propagation des failles dans les argiles. Dans les argiles, les gradients diminuent avec le module d’Young. Des solutions analytiques ont été développées pour estimer l’effet des variations de gradient sur la relation Dmax-R. En outre, la croissance verticale des failles s’avère compatible avec un modèle « continu » sans interaction incidentelle entre des fractures indépendantes. Le pendage des failles varie avec la lithologie pour de faibles déplacements et traduit des ruptures frictionnelles, hybrides ou en mode I selon les contrastes rhéologiques et l’enfouissement des couches lors de la nucléation des failles. Durant la croissance des failles, leur architecture se complique avec notamment une distribution de la déformation sur plusieurs segments qui s’exprime par des connexions dans les argiles et un étalement de la déformation dans les calcaires dépendant de l’épaisseur des couches et des éventuels restricteurs rencontrés par les failles. Après une analyse des éventuels effets d’échelle, une application au site de Meuse/Haute-Marne est finalement présentée.