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Proposition de thèse :
Déformation et rupture des matériaux de la Terre, Aspects multi-échelles, de la banquise à la croûte
Direction : David Amitrano (LGIT)
Co-direction : Jérôme Weiss (LGGE)
La compréhension de la déformation des matériaux de la Terre est un enjeu scientifique majeur mais
également sociétal, d’une part pour la croûte terrestre du fait des risques engendrés par les séismes,
d’autre part, pour la banquise, du fait de son rôle de premier ordre dans le fonctionnement du climat
global (couplage fracturation/albedo).
Les matériaux de la Terre, lorsqu’ils sont déformés, révèlent des caractéristiques multi-échelles dans
les domaines du temps et de l’espace. De ce point de vue, la croûte terrestre et la banquise
présentent des analogies intéressantes selon plusieurs points de vue : géométrie (rapport d’aspect
similaire), comportement fragile induisant des événements de rupture discrets dans le temps et
l’espace et une déformation localisée. Ceci peut s’observer à travers une analyse statique (structures
des failles, intensité de la fracturation) ou dynamique (séismes, champs de déformation).
Ces observables sont accessibles de manières diverses et plus ou moins complètes selon l’objet
étudié : La banquise permet l’observation de l’état de fracturation mais aussi de son évolution et du
champ de déformation associé avec une résolution temporelle de quelques heures à quelques jours
via l’imagerie satellitaire ou l’analyse de position de bouées. La croûte terrestre permet quant à elle
l’observation des séismes avec un grand détail spatial et temporel. Son état de déformation est plus
difficilement observable car évoluant à des vitesses nettement plus faibles. Ainsi, la comparaison de
ces deux objets géophysiques que sont la banquise et la croûte terrestre permet d’enrichir
mutuellement la compréhension de leur processus de déformation. Les échelles de temps
caractéristiques sont très différentes, la banquise pouvant être vue comme une version très
accélérée de la croûte, mais les phénomènes temporels impliqués demeurent très semblables
(rupture fragile et localisé, intermittence, cicatrisation).
A ce jour, seule la simulation numérique permet d’établir un lien formel entre fracturation et
endommagement d’une part, et déformation d’autre part, et permettrait donc de valider cette
comparaison entre croûte et banquise. Elle permet en outre d’identifier les ingrédients nécessaires à
l’émergence des propriétés multi-échelle vues dans la Nature et l’influence des conditions de
chargement sur ces propriétés.
Le travail de thèse proposé consistera à analyser de manière conjointe les aspects multiéchelles de la
fracturation et la déformation dans des simulations numériques. Il s’appuiera sur un modèle
numérique déjà opérationnel d’endommagement progressif mais auquel différents
ingrédients/processus seront ajoutés (cicatrisation des failles, fluage , ..). Les lois d’échelles en
espace, en temps ou en énergie caractérisant le processus seront analysées sur les « observables »
tant statiques (degré d’endommagement) que dynamiques (avalanches de ruptures, champs de
vitesses de déformation). On s’attachera en particulier à caractériser (i) la relation entre
fracturation/endommagement et déformation, (ii) les précurseurs aux macro-ruptures, ou encore (iii)
la compétition entre cinétique d’endommagement et de restauration par cicatrisation.
Afin de caractériser les processus de cicatrisation dans les roches, aspect encore mal connu et très
peu abordé en modélisation, il sera également possible de recourir à l’expérimentation de
laboratoire. Des essais mécanique à long terme, en présence de fluide, permettront de se mettre
alternativement en condition de fissuration/cicatrisation sous contrainte afin de quantifier la
perte/reprise de résistance.
Ces résultats seront ensuite confrontés aux données sismiques (croûte) ou cinématiques (banquise)
afin de tenter de les replacer dans un cadre générique de rupture fragile multi-échelles des objets
géophysiques.