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Sciences de la terre et des planètes
/ 02-10-2020
Coltat Remi
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Les interactions fluide-roches sont des processus omniprésents sur la planète et notamment dans les environnements de divergence lithosphérique, des marges hyper-étendues jusqu’à l’axe des dorsales océaniques. Dans de tels environnements, les roches de la lithosphère profonde sont exhumées au plancher océanique à la faveur de failles de détachement. Parallèlement, un magmatisme s’instaure suite à la fusion partielle asthénosphérique. Le couplage des processus tectoniques et magmatiques entraîne la circulation d’eau de mer dans les roches du manteau qui s’exhument. Cela conduit à l’altération des roches sous différentes formes telles que : i) la serpentinisation des roches du manteau, ii) la formation de systèmes minéralisés riches en Cu, Zn, Fe, Co, Au, Ag et iii) la carbonatation des roches du manteau. Les minéralisations reconnues dans les environnements océaniques actuels représentent un enjeu technologique, économique et sociétal crucial. Par conséquent, l’étude de ces systèmes est indispensable pour comprendre comment et où ils se forment. Cependant, dans les domaines actuels, la reconnaissance de ces altérations est limitée par les conditions d’observation au plancher océanique. Il devient alors impératif de se tourner vers les systèmes fossiles exposés à terre, dans les chaînes de montagne, pour étudier les processus hydrothermaux à l’origine de la formation des minéralisations. Cette stratégie a été adoptée dans ce travail de thèse à travers l’étude d’’une ophiolite téthysienne préservée dans les Alpes suisses. La déformation et le métamorphisme alpin n’ont eu que peu de conséquences sur les structures et altérations océaniques. Des minéralisations sulfurées similaires à celles reportées aux dorsales océaniques sont présentes dans la nappe là où le budget magmatique a été suffisant pour enclencher des circulations de haute température. Les minéralisations montrent quelques particularités ; présence de Fe-Ca-silicates, association des minéralisations avec des intrusifs mafiques ; diagnostics d’une position structurale profonde. L’évolution des traceurs géochimique (Se, Co/Ni) et minéralogiques de la minéralisation suggèrent qu’elle résulte du mélange entre un fluide hydrothermal et l’eau de mer. Postérieurement, les roches mantelliques et les basaltes ont subi une carbonatation à partir d’un fluide d’origine marine sous des conditions hydrothermales de 90-130°C. Cette carbonatation, se produisant durant une tectonique extensive active, résulte du mélange entre un fluide issu de la serpentinisation et l’eau de mer. Ces différentes altérations des roches du manteau dans la nappe de Platta montrent la richesse des interactions fluides-roches dans les marges hyper-étendues.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 30-01-2020
Lavoine Etienne
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Les fractures sont des structures géologiques omniprésentes contrôlant les propriétés hydrauliques et mécaniques des roches. La modélisation numérique des réseaux de fractures constitue donc une étape indispensable pour la simulation du comportement physique des massifs fracturés, dans de nombreuses applications industrielles telles que le stockage de déchets nucléaires. Dans la plupart des cas, l'observation directe du volume fracturé n'est pas possible et les fractures ne peuvent être modélisées de manière déterministe. Les modèles stochastiques permettent de générer des réseaux en trois dimensions, statistiquement équivalents aux mesures et observations, mais négligeant les corrélations spatiales issues du processus chronologique de fracturation. D’autre part, les modèles purement mécaniques demandent des ressources numériques trop importantes pour modéliser des réseaux de telles densités. L’objectif de cette thèse repose sur le développement de modèles génétiques, permettant de modéliser des réseaux de fractures multi-échelles, denses, à partir de lois simplifiées issues de la mécanique de la fracturation. Le processus de fracturation peut ainsi être décomposé en trois étapes : nucléation, propagation, et arrêt des fractures. Dans ces travaux, nous montrons que l’organisation spatiale et les lois d’échelle des réseaux ainsi générés résultent de ces processus. Nous quantifions ces corrélations à l’aide d’outils mathématiques issus de la théorie fractale, et déterminons leur impact sur les propriétés de connectivité des réseaux générés. Enfin, une étude plus fine des propriétés mécaniques des fractures telle que la friction, ainsi que des conditions limites en contraintes à l’origine de leur développement, montre l’importance de leur intégration dans le processus de modélisation génétique.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 19-12-2019
Courtois Quentin
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Les systèmes aquifères représentent une des principales ressources en eau potable actuellement, et sont directement connectés au cycle hydrologique dont ils constituent une partie souterraine. Dans le cadre du changement climatique est apparue la nécessité de développer un outil de modélisation numérique à même de rendre compte de la dynamique des systèmes aquifères de France. En Bretagne, les aquifères principaux sont sis sur un socle cristallin, peu profonds et très hétérogènes mais sont connectés directement aux rivières dont ils constituent le stock principal. Les données disponibles pour l’analyse de ces systèmes sont relativement faibles, nécessitant le développement d’une approche parcimonieuse mais à même de rendre compte de la complexité de la dynamique des systèmes aquifères situés dans les premiers mètres de roche altérée. L’approche développée ici est de modéliser les écoulements dans les versants qui sont agrégés dans la rivière dont les données de débits servent de point de comparaison à la calibration du modèle. Le modèle, couplé à des analyses de récession des débits en rivière, montre une bonne capacité à reproduire les processus d’écoulement des aquifères de socle, tout en donnant des indices sur le type de données nécessaires à la caractérisation de la physique de ces aquifères.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 18-12-2019
Fernández-García Carlos
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La rupture du panneau plongeant ou « slab breakoff » est un processus géodynamique proposé pour expliquer les observations géologiques et géophysiques telles que l’exhumation de roches métamorphiques, le magmatisme des zones de subduction ou le soulèvement régional. Ce travail de thèse présente ainsi la caractérisation en quatre dimensions (4D) de la rupture du slab à travers des expérimentations de modélisation analogique. Différentes configurations de plaques subduite et de transition océan-continent (TOC) ont été testées via une centaine d’expériences. Lorsque la TOC est parallèle à la fosse de subduction, la rupture du slab se produit à 250-280 km de profondeur, tandis que dans le cas contraire, cette rupture est réalisée sur une gamme plus large de profondeurs, de 160 à 345 km. La rupture se produit également à des temps différents, en fonction de la géométrie initiale de la zone de subduction ; elle est presque instantanée lorsque la TOC est parallèle à la fosse, et se produit entre 8.6 et 10.6 Ma après le démarrage de la subduction continentale pour les autres géométries. L’impact de la rupture du slab sur la subduction le long de basins océaniques bordés de failles STEP et de TOC a également été étudié. Ainsi, lorsqu’il se produit un découplage de l’interface de subduction (présence de failles STEP), une augmentation significative du retrait de la fosse est visible dans les modèles présentant un couloir océanique important. Les expériences ont permis de déterminer que l’évolution du signal topographique lors de la rupture du slab est dépendante de l’éduction de la lithosphère continentale, de l’ajustement isostatique graduel pendant la rupture du slab ainsi que la remontée du manteau. Lorsqu’il n’y a pas de subduction continentale ou de rupture du slab, aucune variation topographique n’est visible en surface. Enfin, dans le cas d’une subduction le long de bassins océaniques, la vitesse de la fosse devient quasi-nulle lorsque le matériel continental moins dense commence à subducter, mettant en évidence des processus de déformation du manteau. Les résultats obtenus sont mis en perspective et discutés vis-à-vis des cas naturels, et plus particulièrement concernant la géodynamique de la méditerranée occidentale.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 18-12-2019
Ortiz Alexandre
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Le propos de cette thèse est d’étudier le système « source-to-sink » du système Pyrénées et de son rétro-bassin d’avant-pays, le bassin d’Aquitaine et de son équivalent profond, le golfe de Gascogne (« Bay of Biscay »), durant le Cénozoïque. Ce travail a nécessité (1) une ré-évaluation biostratigraphique, (2) une analyse en termes de stratigraphie sismiques et une quantification des volumes de sédiments préservées, (3) une quantification des volumes érodés issus du Massif central, (4) une quantification des volumes érodés issus des Pyrénées, (5) une synthèse de l’ensemble de ces données. Le passage de la phase orogénique à post-orogénique s’opère entre 27.1 et 25.2 Ma. Il correspond à la succession de trois surfaces d’érosion qui fossilisent l’ensemble les structures compressives. La période orogénique est découpée en deux phases distinctes, (1) jusqu’à 43.5 Ma (Lutétien), est caractérisée par une forte subsidence au front du Chevauchement Nord-Pyrénéen, (2) de 43.5 à 27.1 Ma, est caractérisée par la migration de la subsidence vers le bassin, dans des sous-bassins contrôlés par l’activité des chevauchements. La période post-orogénique est découpée en deux phases distinctes, (1) de 25.2 à 16 Ma environ, correspond à la mise en place du rebond isostatique, (2) entre 16 et 10.6 Ma, correspond à une surrection de l’ensemble du système. Cette phase correspond à un évènement ouest-européen sans doute lié à une activité mantellique. La quantité totale de roches préservés dans le bassin d’Aquitaine et le golfe de Gascogne est de 92 200 km3. La répartition des sédiments préservés au cours du temps évolue en faveur du bassin d’Aquitaine entre 66.0 et 33.9 Ma et en faveur du golfe de Gascogne entre 5.3 et 0 Ma. Cette balance est due aux différents stades d’évolution de la subsidence/surrection dans le bassin d’Aquitaine. Les taux de sédimentations montrent deux périodes d’augmentation des flux sédimentaires, la première à la limite Eocène-Oligocène que nous relions à la fois à la période d’exhumation paroxysmale pyrénéenne mais également au refroidissement global contemporain. La deuxième, à 5.3 Ma, semble correspondre à l’augmentation mondiale des flux, dont l’origine climatique est favorisée par les auteurs. La quantité totale de roches érodées issues des Pyrénées et du Massif central est de 34 335 km3. La différence observée entre les volumes sédimentés et les volumes érodées peut s’expliquer par l’apport de sédiments issus des courants à partir du Pliocène, la non prise en compte des volumes issus des massifs cantabriques et une sous-estimation des volumes érodés.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 17-12-2019
Rjiba Amira
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L’étude des systèmes d'effondrement en position d’avant chaîne de la région d’Oulad Boughanem - Kalaat Senam - Kalaa Khesba (Centre-Ouest de la Tunisie) est menée, à partir des données de puits pétroliers et des investigations sismiques et gravimétriques. Cette région se caractérise par un agencement de grabens en système de pull-apart dont les jonctions sont jalonnées par des formations triassiques salifères. Les données géophysiques acquises, ont fait l’objet d’une analyse détaillée afin de mieux imager les structures de subsurface et de distinguer les éléments associés à une « tectonique subtile » des structures. Dans une première partie, l’étude porte sur les variations des faciès ainsi que l’organisation des structures profondes sur la base de corrélations lithostratigraphiques. Afin de mieux comprendre la structuration de ces grabens en subsurface, la deuxième partie est dédiée à l’analyse, l’interprétation des données gravimétriques et sismiques disponibles et à la construction d’un modèle 2.5D du graben Kalaat Senam. La combinaison des différents résultats géophysiques issus du traitement et de l'interprétation de l’ensemble de l’information disponible, montre (i) en gravimétrie, après différents types de traitements: calcul de prolongements vers le haut, de dérivée Tilt-derivative, TDX, dérivée horizontale totale (MGH/ SED)), montre l’existence de failles de direction NW-SE, NNW-SSE à NS et NE-SW à EW ; des sources à 4 km de profondeur et des structures "syn-graben cachées", et (ii) en sismique un dédoublement des séries d’âge Eocène-Paléocène (formations El Haria, Chouabine et El Garia), avec un chevauchement remarquable en sub-surface d’âge Mio-Plio-Quaternaire, et un plis-faille au sein du graben Kalaa Khesba. La tectonique syn-graben et la jonction inter-graben ont joué un rôle majeur dans la genèse des plis, des failles, ainsi que la mise en place des corps salifères. A la lumière de l’analyse des données géophysiques et la modélisation du système, des pistes d’améliorations de l’interprétation de la structure géologique du sous sol sont proposées en vue d’orienter les futures explorations.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 16-12-2019
Ntiharirizwa Seconde
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Le gisement de Gakara au Burundi est l’un des plus riches gisements en Eléments de Terres Rares (ETR) au monde. La zone du rift est-africain est l’hôte bien connu de nombreuses carbonatites et complexes alcalins associés, mis en place de façon récurrente depuis plusieurs centaines de millions d’années. Les grands gisements d’ETR exploités aujourd’hui dans le monde sont associés à des complexes carbonatitiques. Dans ces complexes, les minéralisations font rarement partie de l’assemblage minéralogique primaire ; elles précipitent à partir des fluides évolués à partir des intrusions magmatiques. Afin de mieux comprendre les mécanismes de mise en place des minéralisations en ETR de la région de Gakara, nous avons employé une approche multidisciplinaire : i) Une étude géologique basée sur les observations de terrain et une étude de la composition minéralogique et des textures de différents faciès du minerai, à partir des outils d’observations microscopiques classiques. ii) Des techniques de datation U-Th-Pb in-situ par La-ICP-MS pour déterminer les âges de la minéralisation primaire (veines de bastnaésite, un fluoro-carbonate d’ETR) et de l’altération hydrothermale (altération en monazite, un phosphate d’ETR) y relative. iii) Une étude détaillée des inclusions fluides piégées dans les cristaux de bastnaésite et de quartz syngénétique de l’altération monazitique pour caractériser les fluides minéralisateurs et ainsi déterminer leur nature et leurs conditions physico-chimiques de mise en place. iv) Une étude des isotopes stables de carbone et d’oxygène sur bastnaésite et quartz pour donner une indication complémentaire sur l’origine des fluides minéralisateurs et les mécanismes mis en jeu. v) L’intégration des données géophysiques et géochimiques acquises par la société Rainbow lors de ses campagnes de prospection pour les confronter aux données de la géologie de terrain afin de mieux comprendre les mécanismes de formation du gisement de Gakara ainsi que discuter l’identification de zones minéralisées nouvelles. Toutes les données acquises dans ces différentes études et les principales observations permettent d’établir un modèle métallogénique global de Gakara comme résultant du dépôt des ETR en conditions hydrothermales dans la croûte supérieure, à partir de fluides exsolvés d’un magma vraisemblablement carbonatitique, fluides ayant ensuite subi une démixtion vapeur à CO2 – saumures aqueuses. Cette démixtion est vraisemblablement le principal mécanisme de précipitation des minéraux de terres rares. L’implication de fluides environnants, peu salés, possiblement issus de la surface, est suggérée. La minéralisation s’est mise en place en marge de l’événement tectonique panafricain, il y a 600 Ma environ et a été affectée par les déformations récentes, possiblement associées au développement du rift est-africain.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 16-12-2019
Vautier Camille
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L’industrialisation de l’agriculture, portée par l’utilisation massive d’engrais azotés, a provoqué la pollution de l’eau par les nitrates, à l’origine de dégâts environnementaux comme les proliférations d’algues vertes dans les zones côtières. Aujourd’hui, des efforts sont fournis pour réduire l’utilisation d’engrais azotés, mais la diminution effective des concentrations en nitrates dans les cours d’eau dépend aussi des caractéristiques naturelles des bassins versants. Les circulations d’eau souterraine induisent en effet un stockage temporaire de nitrates dans l’aquifère, qui retarde l’effet des changements de pratiques agricoles. Dans le même temps, la dénitrification épure l’eau souterraine d’une partie de ses nitrates, ce qui abaisse les concentrations en nitrates des cours d’eau qu’elle alimente. L’aquifère exerce donc un double contrôle sur les concentrations en nitrates, dont la compréhension est nécessaire pour prédire leur évolution en fonction des scénarios d’agriculture mis en place. Cette thèse propose de caractériser les temps de résidence et la dénitrification dans l’aquifère à partir de mesures en ruisseau. La méthode est mise en place dans un petit bassin versant agricole breton, dans un aquifère cristallin. La thèse identifie tout d’abord, à travers une analyse de sensibilité, un nombre réduit de paramètres dont la connaissance permet la prédiction des concentrations en nitrates. Elle évalue ensuite la possibilité d’acquérir ces paramètres dans les ruisseaux en étiage. L’investigation des échanges de gaz entre les ruisseaux et l’atmosphère révèle que les traceurs gazeux sont délicats à utiliser à large échelle dans les ruisseaux. En revanche, l’étude de la dénitrification in situ dans les ruisseaux montre que les concentrations en nitrates sont très faiblement modifiées par les processus de surface. Finalement, des mesures de silice et de nitrates spatialement distribuées dans les ruisseaux du bassin versant fournissent une vision représentative des processus de transport et de dénitrification dans l’aquifère. Elles montrent que l’échelle d’homogénéisation est supérieure à l’échelle du bassin versant étudié et permettent de proposer des hypothèses sur les facteurs de contrôle globaux des processus.
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Sciences de la terre et de l'environnement
/ 13-12-2019
De Hoÿm de Marien Luc
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La chaîne varisque en France a été interprétée comme une chaîne de collision paléozoïque où l’essentiel des déformations et du métamorphisme résultent de l’épaissi-ssement crustal et de la relaxation thermique qui s’ensuit. L’analyse des relations entre métamorphisme et déformation au sein des massifs d’orthogneiss (principalement du Massif Central) et la datation du métamorphisme de haute pression d’éclo-gites mafiques démontrent : (i) le caractère précoce du métamorphisme de haute température reflété par la fusion partielle des éclogites au pic de pression à ~363 Ma ; (ii) l’exhumation et le refroidissement rapide des roches après le pic de pression datés à ~353 Ma ; (iii) le caractère rétrograde de l’essentiel des déformations des orthogneiss. Le métamorphisme et les déformations sont finalement interprétés dans le cadre d’un changement de dynamique de la zone de subduction suite à l’entrée en subduction de lambeaux de croûte continentale plutôt que dans celui d’une collision continentale succédant à la subduction océanique initiale.
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Sciences de la terre et des planètes
/ 29-11-2019
Poh Jonathan
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Les deux modes de déformation apparaissant au cours de l’évolution de la Terre peuvent être classés en fonction de leurs spécificités structurales et tectoniques, de l’âge des provinces géologiques et de la résistance lithosphérique associée. Au vu du contraste entre ces deux styles de déformation, l’héritage structurel pourrait impacter la localisation de futur gisements minéraux. L’idée d’appliquer cette idée au bassin d’Athabasca et à la genèse de dépôts d’uranium a été suggérée. Ces gisements reposent au sein d’un large couloir structural à l’extrémité Est du bassin d’Athabasca. Ces structures ont été interprétées comme résultant d’une orogenèse Paléoprotérozoique majeure, l’orogenèse Trans-Hudson (2,07 à 1,79 Ga). Afin d’examiner la pertinence de ces structures héritées et leur rôle dans le dépôt des minéraux, j’ai utilisé des méthodes numériques classiques pour tester des modèles tectoniques de configurations variables. Ce travail de thèse se présente en trois parties. Dans la première partie, je tente de mieux comprendre les conditions physiques nécessaires à la génération de structures telles que le couloir structural. J’ai caractérisé deux grands modes de déformation crustale et vérifié la faisabilité physique d’un modèle proposé récemment (tectonique «Pop-down »). Le but de la seconde partie est d’identifier une transition entre deux grands modes de déformation tectonique vus au cours de l’histoire de la Terre. Pour cela, j’ai testé les quatre paramètres (taux de déformation, profil thermique, rhéologie de la croûte et dégagement de chaleur radiogénique) contrôlant la résistance de la lithosphère. Les résultats indiquent qu’une telle transition existe et peut être liée, au premier ordre, à la résistance de la croûte. Dans la dernière partie, j’examine le rôle de ces structures héritées dans la préparation de l’environnement géologique des gisements minéraux. Ce travail a été réalisé à l’aide de la modélisation couplée du transport de chaleur et de fluides. Les résultats suggèrent que les structures héritées ont joué le rôle de conduits de chaleur et de fluides, facilitant le mélange des fluides par convection. Ce processus a été identifié comme essentiel dans la minéralisation de l’uranium. Ces résultats indiquent l’importance des structures héritées d’orogenèses précédentes dans le dépôt des ressources minérales. De futures recherches nécessitent de passer à l’échelle de la province afin de mieux caractériser ces structures anciennes héritées ainsi que de potentielles anciennes limites de plaques tectoniques.
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