Croissance des zones d’endommagement de faille : étude structurale en milieu carbonaté et modélisations analogiques

The study of faults in the upper crust generates interest in modeling their impact on fluid flow and the mechanical behavior of the earth's crust. Fault damage zones are important structures with multiple implications for resource management and earthquake studies. This thesis aims to characterize the distribution and growth of damage around faults and to study its impact on the Displacement - Damage thickness (D-T) scaling law. Two complementary approaches of field measurements and analog modeling of normal faults are developed to answer this question. This manuscript presents new results of fault damage mapping, D-T scaling in carbonate rocks, and the first analog modeling experiments of fault damage zones. The results show a heterogeneous and asymmetric distribution of damage around faults, mainly influenced by fault interactions during their growth (segmentation, conjugate faults). A D-T law specific to wall damage is established and shows a normal correlation between D and T for less than 100 m of fault displacement, and also confirms the existence of a damage thickness threshold after 100 m of displacement. To explain this law, we propose a damage zone growth model controlled by the interaction and coalescence of fault segments. Analog modeling experiments allowed the description of two new types of damage (graben damage and dip-change link damage), and show a failure mode transition during fault growth, from a segmented dilatational-shear mode to a localized compactional-shear mode. They also demonstrate that initiation of segmentation, segment activity selection, interaction and coalescence processes control the development of fault damage zones and the D-T law. We propose that the thickness of the faulted brittle layer is a main controlling parameter of segmentation, strain localization, and the fault damage thickness threshold observed.L’étude des failles affectant la croûte supérieure suscite un intérêt particulier pour la modélisation de leur impact sur l’écoulement des fluides et le comportement mécanique de la croûte terrestre. Les zones d’endommagements de failles sont d’importantes structures aux multiples implications pour les problématiques de gestions des ressources et de risque/aléa sismiques. Cette thèse a pour objectif de déterminer la distribution de l’endommagement autour des failles, comprendre sa croissance et étudier son impact sur la loi d’échelle Déplacement – Epaisseur d’endommagement (D-T). Pour répondre à cette problématique, deux approches complémentaires sont développées : des études tectoniques d’exemples naturels et des modélisations analogiques de failles normales. Ce manuscrit présente de nouvelles cartographies de l’endommagement, une première loi D-T pour les failles dans des roches carbonatées, ainsi que les premières expériences de modélisation analogique dédiées à l’étude de l’endommagement. Les résultats montrent que la distribution de l’endommagement autour des failles est hétérogène et asymétrique, principalement influencée par les nombreuses interactions de failles lors de leur croissance (segmentation, failles conjuguées). Une loi D-T spécifique à l’endommagement de type wall damage est établie, qui montre une corrélation normale entre D et T pour les failles de rejet inférieur à 100 m et confirme l’existence d’un seuil d’épaisseur d’endommagement au-delà de 100 m de rejet. Pour expliquer cette loi nous proposons un modèle de croissance de zone d’endommagement contrôlée par les processus d’interaction et de coalescence de la segmentation précoce. Les expériences de modélisations analogiques ont permis de décrire deux nouveaux types d’endommagement (graben damage et dip-change link damage), et d’identifier une transition de mode de déformation, depuis un cisaillement dilatant segmenté vers un cisaillement compactant localisé dans les zones de failles. Elles démontrent également que l’initiation de la segmentation, la sélection de l’activité des segments, leurs interactions et leurs coalescences sont des processus essentiels contrôlant le développement des zones d’endommagement et la loi D-T. Nous proposons que l’épaisseur de l’unité fragile contenant les failles est un paramètre principal du contrôle de l’évolution de la segmentation, de la localisation de la déformation et donc du seuil d’épaisseur d’endommagement observé