Localisation de la déformation et fracturation associée. Etude expérimentale et numérique sur des analogues de la lithosphère continentale

Thèse publiée dans la collection des Mémoires de Géosciences Rennes (ISSN 1240-1498) : Mémoire n° 117 (ISBN 2-914375-33-6)The study of localisation of deformation in brittle/ductile media aims to understand from a mechanical point of view the development of multi-scales fracture patterns, which are characteristic of intra-continental deformation. Experimental modelling of collision at lithospheric scale allows to reproduce and follow with time the fracturation process. The obtained fault patterns have statistical properties similar to the ones of natural fault patterns. Detailed analysis of deformation and fracture organisation provides meaningful information on the system evolution and on the localisation of deformation at large scale. The deformation in an analogue of continental lithosphere is characterized by three factors: the brittle/ductile coupling G, the Argand number Ar and the boundary conditions. G, bound to brittle/ductile coupling, controls the localisation of deformation. Ar characterizes the role of the gravity forces on the expression of the modes of deformation (compression, strike-slip or extension). The boundary conditions influence the spatial distribution of the deformation modes. Through analysis of the deformation fields, the localisation process is divided in two stages: the pre-localisation stage and the post-localisation stage. The pre-localisation stage corresponds to an increase with time of the average deformation according to a power law, which exponent is independent of the rheology of the media. This stage is characterized by a progressive organisation of the deformation, with an increase of the correlation length. It takes place on a time period that is apparently independent of the rheology and the deformation mode. It ends in the development of the fault pattern. The post-localisation stage is characterized by the organisation of deformation according to scaling laws, which fractal dimension depends on the rheology of the media. Despite the stabilisation of the average deformation and of the correlation length (equal to the system size), the system is still dynamic, as proven by the fluctuations of the active faults mass or of the post-localisation correlation dimension. Since the mechanics of the brittle/ductile coupling cannot be explained by the experiments, numerical simulations have been developed. The role of the ductile media viscosity on the localized or distributed mode of fracturation is particularly studied. Results notably shows that a viscosity variation of one order magnitude is sufficient to observe a transition between the localised fracturing mode and the distributed one.L'étude de la localisation de la déformation dans un milieu fragile/ductile s'inscrit dans la compréhension mécanique du développement des réseaux de fractures multi-échelles, caractéristiques de la déformation intra-continentale. Une approche expérimentale, simulant un contexte de collision à l'échelle lithosphérique, a été mise en oeuvre. Elle permet de décrire et de suivre dans le temps un mode de rupture, dans lequel les réseaux de failles obtenus présentent des propriétés statistiques similaires à celles des réseaux naturels. Une analyse détaillée de l'organisation des hétérogénéités et des déformations dans ces expériences permet d'obtenir des informations importantes sur l'évolution de ces systèmes et sur la localisation de la déformation à grande échelle. La déformation d'un analogue de la lithosphère continentale peut ainsi être caractérisée par trois facteurs : le paramètre fragile/ductile G, le nombre d'Argand Ar et les conditions aux limites. G, lié au couplage fragile/ductile, contrôle le degré de localisation de la déformation. Ar caractérise le rôle des forces gravitaires sur l'expression du mode de déformation dominant (compressif, décrochant ou extensif). Les conditions aux limites influent sur la répartition spatiale de ces modes de déformation. A partir de l'analyse des champs de déformation, le processus de localisation est découpé en deux phases : la phase pré-localisation et la phase post-localisation. La phase pré-localisation se traduit par une augmentation de la déformation moyenne avec le temps selon une loi de puissance, dont l'exposant est indépendant de la rhéologie du milieu. Elle se caractérise par une organisation progressive des déformations, qui s'accompagne d'une augmentation de la longueur de corrélation. Cette phase pré-localisation semble se faire sur une période de temps indépendante de la rhéologie du milieu comme du mode de déformation. Elle aboutit au développement du réseau de failles. La phase post-localisation est caractérisée par une organisation des déformations selon des lois d'échelles, dont la dimension fractale est fonction de la rhéologie du milieu. Bien que la déformation moyenne et la longueur de corrélation (de la taille du système) soient stabilisées, le système reste dynamique, comme en témoignent les fluctuations observées au niveau de la masse des failles actives ou de la dimension de corrélation. Dans la mesure où la mécanique du couplage fragile/ductile ne peut être expliquée à partir des expériences, celle-ci est abordée au travers de simulations numériques. Le rôle de la viscosité du milieu ductile sur le caractère localisé ou diffus de la fracturation dans le milieu fragile y est plus particulièrement étudié. Les résultats montrent notamment qu'une variation d'un ordre de grandeur de la viscosité permet de passer d'un mode de fracturation diffus à localisé