Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Different applications of linear elasticity in structural geology are presented in this thesis through the development of three types of numerical computer codes. The first one uses forward modeling to study displacement and perturbed stress fields around complexly faulted regions. We show that incorporating inequality constraints, such as static Coulomb friction, enables one to explain the angle of initiation of jogs in extensional relays. Adding heterogeneous material properties and optimizations, such as parallelization on multicore architectures and complexity reduction, admits more complex models. The second type deals with inverse modeling, also called parameter estimation. Linear slip inversion on faults with complex geometry, as well as paleo-stress inversion using a geomechanical approach, are developed. The last type of numerical computer code is dedicated to restoration of complexly folded and faulted structures. It is shown that this technique enables one to check balanced cross-sections, and also to retrieve fault chronology. Finally, we show that this code allows one to smooth noisy 3D interpreted faulted and folded horizons using geomechanics.
Différentes applications de l'élasticité linéaire en géologie structurale sont présentées dans cette thèse à travers le développement de trois types de codes numériques. Le premier utilise la modélisation directe pour étudier les déplacements et champs de contraintes autour de zones faillées complexes. On montre que l'ajout de contraintes inégalitaires, telles que la friction de Coulomb, permet d'expliquer l'angle d'initiation des dominos dans les relais extensifs. L'ajout de matériaux hétérogènes et d'optimisations, telles la parallélisation sur processeurs multi-coeurs ainsi que la réduction de complexité des modèles, permettent l'étude de modèles beaucoup plus complexes. Le second type de code numérique utilise la modélisation inverse, aussi appelée estimation de paramètres. L'inversion linéaire de déplacements sur les failles ainsi que la détermination de paléo-contraintes utilisant une approche géomécanique sont développées. Le dernier type de code numérique concerne la restauration de structures complexes plissées et faillées. Il est notamment montré qu'une telle méthode permet de vérifier l'équilibre de coupes géologiques, ainsi que de retrouver la chronologie des failles. Finalement, nous montrons que ce même code permet de lisser des horizons 3D faillés, plissés et bruités en utilisant la géomécanique.
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Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : Among erosion processes, river incision is classicaly described as a key process controlling erosion of landscapes. Incision efficiency is mainly influenced by climate and erodibility. This latter is not only dependent on the nature of the bedrock, but also on its past deformation, which affects its rheological effective properties, such as fracture density. The main objectives of this thesis are: (1) to better constrain the relationship between effective properties and erodibility, and (2) to quantify the influence of erodibility and erosion on both the temporal and spatial building or decay of the topography. Several numerical tools are developed. A 1D formalism of landscape evolution is introduced, including river incision with stochastic distribution of water discharge and hillslope landsliding. A new remeshing algorithm called Surface Lagrangian Remeshing (SLR) is developed as a complement to remeshing algorithms dealing with internal elements. It allows one to take into account long-term erosion into 2D Lagrangian numerical codes based on triangular finite elements. Then the potentiality of measuring erodibility in-situ using a Schmidt hammer (R) is assessed for the active orogen of Taiwan, the diagenetic Annot sandstones and St Clement fault zone. Results suggest a strong control of R by effective properties. A linear model based on effective medium theory is applied to a fault zone with an unmacthed resolution (750 measures, 25 measures per square meter). The model successfully correlates R to fracture density. These results demonstrate that effective elasticity as well as erodibility are sensitive to the density and type of fractures. Finally I focus on the erosional and rheological conditions that allows reproducing post-orogenic evolution of mountain belts. A model coupling surface erosion and regional isostatic uplift is consistent with observations. The topographic decay and decrease of the ratio of surface elevation over crustal root thickness is at first order controlled by the initial geometry of the mountain belt and erosion efficiency. This new model highlights the control ofclimate and erodibility on the topographic decay and of lithospheric rheology on the perseverance of crustal roots.
Parmi les processus d'érosion, l'incision des rivières est classiquement décrit comme un processus clé contrôlant l'érosion des paysages. L'efficacité de l'incision est principalement influencée par le climat et par l'érodabilité. Ce dernier paramètre ne dépend pas seulement de la nature du substratum rocheux, mais aussi de sa déformation passée qui affecte ses propriétés rhéologiques équivalentes. Les principaux objectifs de cette thèse sont: (1) de mieux contraindre les relations entre propriétés équivalentes et érodabilité, et (2) de quantifier l'influence de l'érosion et de l'érodabilité sur la formation ou la décadence, spatiale et temporelle, de la topographie. Plusieurs outils numériques sont développés. Un formalisme 1D d'évolution des paysages est proposé, prenant en compte simultanément l'incision des rivières avec une distribution stochastique des débits en eau et l'érosion des versants par glissements de terrain. Un nouvel algorithme de remaillage appelé Surface Lagrangian Remeshing (SLR) est développé. Il permet de prendre en compte l'érosion à long terme dans les codes numériques 2D Lagrangiens basés sur des éléments finis triangulaires. Ensuite, la possibilité de mesurer in-situ l'érodabilité avec un marteau de Schmidt (R) est évaluée pour: l'orogène actif de Taiwan, les grès diagénétiques d'Annot et la zone de faille de St Clément. Les résultats suggèrent un fort contrôle de R par les propriétés équivalentes des roches testées. Un modèle linéaire, basé sur la théorie des milieux équivalents, est appliqué à une zone de faille avec une résolution inégalée (750 mesures, 25 mesures par mètre carré). Le modèle permet de corréler avec succès la densité de fracture et R. Ces résultats démontrent empiriquement que l'élasticité équivalente ainsi que l'érodabilité sont sensibles à la densité et à la nature des fractures. Enfin j'étudie les conditions d'érosion et de rhéologie qui permettent de reproduire l'évolution des chaînes de montagnes post-orogéniques. Un modèle couplant érosion en surface et soulèvement isostatique régional est compatible avec les observations. Les taux de décroissance topographique et de diminution du rapport de l'élévation de surface sur l'épaisseur de racine crustale sont contrôlés au premier ordre par la géométrie initiale de la chaîne de montagne et par l'efficacité de l'érosion. Ce nouveau modèle met en évidence le contrôle du climat et de l'érodabilité sur la décroissance topographique et de la rhéologie lithosphérique sur la persévérance des racines crustales.
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