Soutenance de thèse de Michelle ALMAKARI

Réactivation Hydro-Mécanique d'une Faille Rate & State: Glissement, Sismicité et Évolution de Perméabilité.

Le 18 décembre 2019

Résumé de la thèse en français

Cette thèse est dédiée à l'étude de la réactivation de faille par injection de fluide, à l'aide d'un modèle hydro-mécanique de faille rate and state. Bien que les principaux mécanismes à l'origine de la réactivation de faille soient bien connus, différents aspects ne sont pas encore complètement explorés, ni compris. Dans la première partie de cette thèse, on explore le rôle du protocole d'injection (en particulier, la pression maximale et le taux de pression d'injection), ainsi que le rôle des paramètres de frottement sur le taux de sismicité et la distribution de magnitude, pour différents types de failles 2-D hétérogènes. On souligne d'abord une corrélation temporelle entre le taux de sismicité et le taux de pression de pore gouvernant la faille. On montre ensuite une dépendence du taux de sismicité ainsi que de la distribution des magnitudes sur les paramètres d'injection. Notamment, une compensation entre ces deux existe pour de grandes valeurs du taux de pression d'injection. Ce comportement ne peut pas être abordé par le taux de sismicité proposé par Dietrich (1994). En outre, on montre que les failles ayant un comportement de frottement plus stable présente un taux de sismicité et un moment sismique libéré plus faibles. Dans la dernière partie de cette étude, la variation de la diffusivité hydraulique au cours de l'injection de fluide avec l'accumulation du déplacement et la réduction de la contrainte normale effective sur la faille est abordée. Pour cela, on utilise des expériences d'injection (réalisées à l'échelle du laboratoire) sur un échantillon d'andésite, où la pression de pore est mesurée à deux endroits le long de la faille. En appliquant des méthodes d'inversion, on estime le meilleur modèle de diffusivité hydraulique et les incertitudes associés, pouvant expliquer les données expérimentales. Avec ces résultats, on peut étendre notre modèle hydro-mécanique, afin de pouvoir calculer la pression de pore, la diffusivité hydraulique et le déplacement accumulé sur la faille expérimentale.

Résumé de la thèse en anglais

This PhD thesis is dedicated to the study of injection induced fault reactivation using a coupled hydro-mechanical rate and state model of a fault. Even though the principal mechanisms behind induced fault reactivation are well known, different aspects are not yet fully explored, nor understood. In the first part of this thesis, we explore successively the role of the injection protocol (in particular, injection maximum pressure and injection pressure rate), and the fault frictional parameters on the rate of induced events and their magnitude content, for different heterogeneous 2-D fault configurations. We first point out a temporal correlation between the seismicity rate and the pore pressure rate governing the fault. We then show a dependence of the rate and magnitude content of the seismic events on the injection parameters, as well as the existence of an important trade-off between them, which could not be addressed using the Dietrich (1994)'s seismi- city rate model. Concerning the frictional parameters, we show that for the faults tested in this study, the ones having a more stable frictional behavior exhibit a lower induced seismicity rate and seismic moment released. In the last part of this study, the variation of the hydraulic diffusivity during fluid injection with shear slip and effective stress reduction is addressed. For this, we use laboratory injection experiments on an Andesite rock sample, during which the pore pressure was measured at two locations along the fault plane. In an inversion framework, we estimate the best model and the associated uncertainties of an effective diffusivity history that could explain the experimental data. Using this information, we could extend our hydro-mechanical model, which would allow the computation of pore pressure, diffusivity and slip changes along the experimental fault.

Titre anglais : Hydro-Mechanical Rate & State Fault Reactivation: Slip, Seismicity and Permeability Enhancement.
Date de soutenance : mercredi 18 décembre 2019 à h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech – 60 boulevard saint michel 75006 paris – a venir
Directeur de thèse : Hervé CHAURIS

Soutenance de thèse de Alexandra MATTEI

Traçage isotopique de la variabilité de la recharge des eaux souterraines

Le 13 décembre 2019

Résumé de la thèse en français

Face à l'augmentation actuelle des pressions anthropiques et climatiques sur les réserves d'eau douce, les ressources en eau souterraine sont amenées à être de plus en plus sollicitées. En conséquence, la gestion à long terme de ces ressources s'affiche aujourd'hui dans les défis majeurs que notre société doit relever. Évaluer l'impact des pressions actuelles et futures qui s'exercent ou s'exerceront sur ces ressources passe obligatoirement par une évaluation de leur renouvellement, à savoir la recharge. Les outils isotopiques, et plus précisément les isotopes stables de la molécule d'eau ont été utlisés, dans le cadre de ces travaux de thèse pour préciser les mécanismes de transport d'eau au sein de la zone non saturée et ainsi estimer la recharge. Dans la première phase de ce travail, un nouveau protocole analytique pour la mesure de la signature isotopique de l'eau porale par spectroscopie laser a été développé. Ce protocole améliore la précision des résultats tout en diminuant le temps d'analyse nécessaire. Il a ainsi été possible, à l'échelle de la matrice de sol, de démontrer l'effet de la granulométrie sur la signature isotopique mesurée. Cet effet pouvant apporter une variabilité supérieure à celle associée à la saisonnalité du signal des précipitations observées, ces résultats soulignent la nécessité de prendre en compte l'analyse granulométrique lors de l'interprétation des profils isotopiques. Un code de calcul numérique prenant en compte l'évolution des isotopes stables de la molécule d' eau, depuis les précipitations jusqu' aux eaux souterraines, incluant le fractionnement isotopique lié à l'évaporation a été développé pour quantifier la recharge. Il est basé sur l'utilisation, sur une colonne 1D, du modèle hydrogéologique déterministe Metis développé à MINES ParisTech. Les isotopes stables de la molécule d'eau se sont avérés être des outils puissants pour contraindre, par modélisation inverse, les valeurs des paramètres hydrodynamiques nécessaires pour décrire et prédire le transport d'eau et de solutés dans la zone non saturée. En effet, à partir d'un cas synthétique, ces travaux ont démontré qu'une estimation fiable de la recharge est possible à partir uniquement d'un profil de composition isotopique de l'eau porale et d'un profil de teneur en eau, i.e. en s'affranchissant de tout suivi temporel continu. L'approche a été validée sur deux sites d'étude au Québec. Aussi, l'étude du cas synthétique a permis de démontrer que l'ajout d'un suivi mensuel de la composition isotopique de l'eau porale à une seule profondeur apporte, pour l'inversion, autant d'informations qu'un suivi continu de la teneur en eau à différentes profondeurs et permet au modèle de mieux reproduire la recharge à un pas de temps journalier. Ainsi, le développement de nouvelles méthodes d'échantillonnage de la composition isotopique de l'eau au sein de la zone non saturée a été entrepris dans cet objectif, et testé sur l'impluvium d'Evian afin de préciser l'évolution de la recharge en fonction de l'altitude. Enfin, l'étude d'un petit bassin versant situé au Sud du Québec a mis en évidence l'intérêt d'utiliser les isotopes stables de la molécule d'eau pour caractériser la variabilité des mécanismes de transport d'eau au sein de la zone non saturée dans les travaux de modélisation réalisés à plus large échelle que celle du profil de sol.

Résumé de la thèse en anglais

Titre anglais : Isotope tracing of the variability of groundwater recharge
Date de soutenance : vendredi 13 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint-Michel, 75006 Paris – L109
Directeurs de thèse : Patrick GOBLET, Florent Barbecot

Soutenance de thèse de Mike PEREIRA

Champs aléatoires généralisés définis sur des variétés riemanniennes: théorie et pratique.

Le 28 novembre 2019

Résumé de la thèse en français

La géostatistique est la branche des statistiques s'intéressant à la modélisation des phénomènes ancrés dans l'espace au travers de modèles probabilistes. En particulier, le phénomène en question est décrit par un champ aléatoire (généralement gaussien) et les données observées sont considérées comme résultant d'une réalisation particulière de ce champ aléatoire. Afin de faciliter la modélisation et les traitements géostatistiques qui en découlent, il est d'usage de supposer ce champ comme stationnaire et donc de supposer que la structuration spatiale des données se répète dans le domaine d'étude. Cependant, lorsqu'on travaille avec des jeux de données spatialisées complexes, cette hypothèse devient inadaptée. En effet, comment définir cette notion de stationnarité lorsque les données sont indexées sur des domaines non euclidiens (comme des sphères ou autres surfaces lisses)? Quid également du cas où les données présentent structuration spatiale qui change manifestement d'un endroit à l'autre du domaine d'étude? En outre, opter pour des modèles plus complexes, lorsque cela est possible, s'accompagne en général d'une augmentation drastique des coûts opérationnels (calcul et mémoire), fermant alors la porte à leur application à de grands jeux de données. Dans ce travail, nous proposons une solution à ces problèmes s'appuyant sur la définition de champs aléatoires généralisés sur des variétés riemanniennes. D'une part, travailler avec des champs aléatoires généralisés permet d'étendre naturellement des travaux récents s'attachant à tirer parti d'une caractérisation des champs aléatoires utilisés en géostatistique comme des solutions d'équations aux dérivées partielles stochastiques. D'autre part, travailler sur des variétés riemanniennes permet à la fois de définir des champs sur des domaines qui ne sont que localement euclidiens, et sur des domaines vus comme déformés localement (ouvrant donc la porte à la prise en compte du cas non stationnaire). Ces champs généralisés sont ensuite discrétisés en utilisant une approche par éléments finis, et nous en donnons une formule analytique pour une large classe de champs généralisés englobant les champs généralement utilisés dans les applications. Enfin, afin de résoudre le problème du passage à l'échelle pour les grands jeux de données, nous proposons des algorithmes inspirés du traitement du signal sur graphe permettant la simulation, la prédiction et l'inférence de ces champs par des approches "matrix-free".

Résumé de la thèse en anglais

Geostatistics is the branch of statistics attached to model spatial phenomena through probabilistic models. In particular, the spatial phenomenon is described by a (generally Gaussian) random field, and the observed data are considered as resulting from a particular realization of this random field. To facilitate the modeling and the subsequent geostatistical operations applied to the data, the random field is usually assumed to be stationary, thus meaning that the spatial structure of the data replicates across the domain of study. However, when dealing with complex spatial datasets, this assumption becomes ill-adapted. Indeed, how can the notion of stationarity be defined (and applied) when the data lie on non-Euclidean domains (such as spheres or other smooth surfaces)? Also, what about the case where the data clearly display a spatial structure that varies across the domain? Besides, using more complex models (when it is possible) generally comes at the price of a drastic increase in operational costs (computational and storage-wise), rendering them impossible to apply to large datasets. In this work, we propose a solution to both problems, which relies on the definition of generalized random fields on Riemannian manifolds. On one hand, working with generalized random fields allows to naturally extend ongoing work that is done to leverage a characterization of random fields used in Geostatistics as solutions of stochastic partial differential equations. On the other hand, working on Riemannian manifolds allows to define such fields on both (only) locally Euclidean domains and on locally deformed spaces (thus yielding a framework to account for non-stationary cases). The discretization of these generalized random fields is undertaken using a finite element approach, and we provide an explicit formula for a large class of fields comprising those generally used in applications. Finally, to solve the scalability problem, we propose algorithms inspired from graph signal processing to tackle the simulation, the estimation and the inference of these fields using matrix-free approaches.

Titre anglais : Generalized random fields on Riemannian manifolds: theory and practice.
Date de soutenance : jeudi 28 novembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : AgroParisTech 16 rue Claude Bernard 75005 Paris – Amphithéâtre Coléou
Directeurs de thèse : Hans WACKERNAGEL, Nicolas DESASSIS

Soutenance de thèse de Sara RACHDI

Impact du creusement des ouvrages souterrains à faible profondeur en milieu urbain

Le 28 octobre 2019

Résumé de la thèse en français

Le développement de l'urbanisme privilégie de plus en plus souvent la solution souterraine. Le creusement d'environ 200km de tunnels est prévu dans les dix prochaines années en France seulement, en milieu urbain dense. L'excavation d'une cavité dans un terrain engendre des mouvements dans le massif. Le front de taille se déplace généralement instantanément vers l'excavation. A ce déplacement d'extrusion s'ajoute la convergence des parois du tunnel. A faible profondeur, ces mouvements risquent de se propager jusqu'à la surface du terrain constituant une cuvette de tassement qui peut conduire à des désordres importants voire de nature accidentelle (tassements différentiels, développement de fontis, effondrement de constructions, etc.). Plusieurs paramètres influencent la qualité des simulations et la prévision des déplacements induits par le creusement d'un tunnel. Le choix d'une loi de comportement est primordiale pour la modélisation des tunnels qui dépend de la réponse du sol en termes de déformations. La prédiction des déplacements engendrés requière un modèle de comportement du sol rigoureux qui puisse simuler le plus fidèlement possible la réponse du sol. Cette thèse propose un modèle de comportement adapté à la simulation du creusement de tunnel avec un mécanisme d'écrouissage déviatorique dans le cadre de la théorie de l'état critique. Ce modèle reproduit de manière satisfaisante la réponse non linéaire du sol à l'échelle des essais de laboratoire et présente une alternative sécuritaire pour les simulations à l'échelle de la structure. L'effet de l'influence de plusieurs paramètres sur la simulation des tunnels est étudié à travers des simulations 2D et 3D avec différentes configurations et en considérant le couplage hydromécanique. Le modèle proposé est aussi utilisé pour la reproduction de mesures in-situ d'une section de tunnel du Grand Paris.

Résumé de la thèse en anglais

Tunnels construction is increasingly favored as a sustainable transportation and infrastructure development system. 200km are going to be excavated only in France in the next ten years in dense urban areas. During tunnel excavation, ground movements must be controlled and well predicted to avoid any damage on existing buildings. The tunnel face moves typically instantly toward the excavation. The tunnel wall convergence is added to the face extrusion. These movements may spread to the surface of shallow tunnels leading to significant disturbances or accidental damage (differential settlement, cave-in occurrence, buildings collapse, etc.). Different parameters influence the quality of tunnels simulation and induced displacements prediction. The quality of those predictions closely depends on the choice of soil constitutive model. In this context, some widely used soil models in engineering practice not only fail to reproduce some characteristics of soil behavior on the constitutive level but also lead to shallower settlement. This PhD thesis proposes an enhanced critical state model incorporating deviatoric and volumetric hardening mechanisms adapted for tunneling simulations. This model satisfactorily reproduces the nonlinear soil response to laboratory tests and enables a more conservative tunneling design. The impact of other modeling choices is studied through 2D and 3D tunneling simulations in different configurations with the proposed soil model. Furthermore, comparison with measurements obtained from a tunnel section of the Grand Paris Project highlight the performance of the proposed model in simulating tunneling induced displacement.

Titre anglais : Impact of shallow tunneling in urban area
Date de soutenance : lundi 28 octobre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : MINES ParisTech 60 Boulevard Saint-Michel,75006 Paris – *
Directeurs de thèse : Michel TIJANI, Emad JAHANGIR