Genèse et évolution des bandes de déformation dans les réservoirs de grès poreux : Microscopie, observations sur le terrain et modèle micromécanique // Genesis and Evolution of Deformation Bands in Porous Sandstone Reservoirs: Microscopy, Field Observatio

Les grès poreux sont des réservoirs géologiques stratégiques pour l'eau, les hydrocarbures et la séquestration du CO₂. Leur comportement hydraulique et mécanique est largement contrôlé par les bandes de déformation (BD), structures tabulaires qui altèrent la perméabilité et la cohésion des réservoirs. Ces discontinuités, d'échelle métrique à hectométrique, peuvent agir comme des barrières ou des drains pour les fluides. Pourtant, les mécanismes précis de leur formation et évolution restent mal compris.

La genèse et l'évolution des BD résultent de l'interaction complexe entre les propriétés de la roche (porosité, minéralogie, granulométrie, cimentation) et les conditions environnementales (contraintes tectoniques, profondeur d'enfouissement). Des études expérimentales ont révélé une séquence de déformation typique : rotation et réarrangement des grains avec dilatation, formation de microfissures, puis intense fragmentation cataclastique réduisant la taille des grains de 2 à 3 ordres de grandeur par rapport à la roche hôte.

Malgré des avancées notables, plusieurs questions persistent, notamment sur les processus micromécaniques d'initiation des BD, l'interaction entre déformation mécanique et altération chimique (dissolution, précipitation), et la validation quantitative des modèles conceptuels proposés.

Cette thèse propose une approche multi-échelle et multi-technique pour décrypter la formation et l'évolution des BD. La méthodologie combine :

a) Observations de terrain macroscopiques
b) Analyses microstructurales avancées avec :
- Microscopie électronique à balayage (MEB) pour la texture
- Diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) pour la cristallographie
- Cathodoluminescence froide (CL) pour identifier les phases de cimentation.

L'analyse microscopique fournira une caractérisation quantitative de la texture granulaire et du degré de cataclase par l'étude de la taille, la forme et l'orientation des grains.

L'étude portera sur des cas du bassin du sud-est (Provence, France), dans des grès quartzeux peu lithifiés, d'origine deltaïque à éolienne, offrant une large diversité de contextes géologiques.

Les observations multi-échelles seront croisées avec des modèles numériques discrets 3D simulant la fragmentation des grains. Ces modèles, développés avec le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de Montpellier, représentent les grains comme des agrégats de cellules polyédriques liées par des interfaces obéissant au critère de rupture de Griffith. Cette approche permet de simuler fidèlement la complexité de la rupture des grains sous diverses sollicitations (compression, distorsion, cisaillement, impact) et de reproduire les motifs de déformation observés.

L'originalité de ce travail réside dans l'association inédite entre observations de terrain et modélisation numérique par éléments discrets. Cette approche intégrée permettra d'identifier les processus fondamentaux contrôlant la genèse et l'évolution des BD, et de construire un modèle physique cohérent reliant les échelles du grain à celle de la bande. Cette compréhension contribuera à mieux anticiper l'impact des BD sur les propriétés des réservoirs et leurs implications pour la gestion des ressources et le stockage du CO₂.
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Porous sandstones are strategic geological reservoirs for water, hydrocarbons, and CO₂ storage. Their hydraulic and mechanical behavior is largely controlled by deformation bands (DB), tabular structures that significantly alter the permeability and cohesion of the reservoirs. These discontinuities, which range in size from meters to hundreds of meters, can act either as barriers or fluid conduits. However, the precise mechanisms governing their formation and evolution remain poorly understood.

The genesis and evolution of deformation bands result from the complex interaction between the intrinsic properties of the rock (porosity, mineralogy, grain size, cementation) and environmental conditions (tectonic stress, burial depth). Experimental studies have revealed a characteristic deformation sequence, starting with grain rotation and rearrangement associated with dilation, followed by the development of microfractures, and culminating in intense cataclastic fragmentation, which reduces grain size by 2 to 3 orders of magnitude compared to the host rock.

Despite significant advances, several fundamental questions remain, particularly concerning the micromechanical processes controlling DB initiation, the interaction between mechanical deformation and chemical processes (dissolution, precipitation), and the quantitative validation of existing conceptual models.

This thesis proposes a multi-scale, multi-technique approach to decipher the formation and evolution of deformation bands. The methodology combines:

a) Macroscopic field observations
b) Advanced microstructural analyses using:
- Scanning Electron Microscopy (SEM) for textural analysis
- Electron Backscatter Diffraction (EBSD) for crystallographic characterization
- Cold Cathodoluminescence (CL) for identifying cementation phases

The microscopic analysis will provide a quantitative characterization of grain texture within the deformation bands, as well as an assessment of the degree of cataclasis through analysis of grain size, shape, and orientation.

The study will focus on sites in the Southeastern Basin (Provence, France), involving poorly lithified quartz-rich sandstones of deltaic to aeolian origin, offering a wide range of geological conditions.

The multi-scale observations will be compared with 3D discrete numerical models simulating grain fragmentation. These models, developed in collaboration with the Laboratory of Mechanics and Civil Engineering (LMGC) in Montpellier, represent grains as clusters of polyhedral cells bonded by interfaces that follow Griffith's fracture criterion. This approach accurately simulates grain failure under various conditions (compression, distortion, shear, impact) and reproduces the complex deformation patterns observed within deformation bands.

The originality of this work lies in the unprecedented combination of field observations and discrete element numerical modeling. This integrated approach will identify the fundamental processes controlling the genesis and evolution of deformation bands and construct a coherent physical model linking grain-scale processes to band-scale evolution. This improved understanding will enhance predictions of the impact of deformation bands on reservoir properties, providing new insights for resource management and CO₂ storage.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours GAIA

Université de Montpellier

584 GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau

Étudiant de master ayant une bonne connaissance en tectonique et géologie de terrain. Profil: approche pluridisciplinaire, ouverture d'esprit, curiosité, dynamisme.
Master's student with a good knowledge of tectonics and field geology. Profile: multidisciplinary approach, open-mindedness, curiosity, and dynamism.