Modélisation des interactions entre glissement asismique, rupture sismique et évolution de la perméabilité dans les réseaux de failles : implications pour la sismicité induite par les injections de fluides // Modeling the interactions between aseismic sli

Certaines activités industrielles liées à la transition énergétique, telles que le stockage de dioxyde de carbone ou d'hydrogène et la géothermie profonde, impliquent l'injection de gaz ou fluides dans le sous-sol, ce qui peut induire de la sismicité. Ces injections de fluides peuvent provoquer un glissement asismique au sein de réseaux de failles, modifiant ainsi les contraintes locales. Ces variations de contraintes peuvent se propager plus rapidement que la diffusion de la pression de fluide, entraînant potentiellement le déclenchement de séismes à grande distance de la zone d'injection. Il est donc essentiel de quantifier l'étendue maximale du glissement asismique afin de mieux évaluer l'influence des injections de fluides et les risques sismiques associés.

Dans ce contexte, il est crucial de comprendre les interactions hydromécaniques entre la pression de fluide et l'écoulement dans un réseau de failles connectées, ainsi que l'ampleur du glissement asismique, afin d'analyser la dynamique de rupture des plus grands séismes déclenchés.

Ce projet de thèse explore la relation entre l'architecture des réseaux de failles et les processus hydromécaniques qui contrôlent la sismicité induite. L'objectif est de développer un modèle intégrant ces interactions pour étudier le lien entre le glissement frictionnel et l'écoulement des fluides dans le cadre de scénarios d'injection.

Ce travail de recherche s'attachera à répondre aux questions suivantes :
• Dans quelle mesure la structure d'un réseau de failles contrôle-t-elle la répartition spatiale du glissement asismique et des séismes lors d'une injection de fluide ?
• Peut-on identifier les failles les plus susceptibles de rompre sismiquement lors d'une injection de fluide et anticiper la magnitude maximale des séismes induits ?
• Comment les conditions de contrainte et l'évolution des propriétés hydromécaniques influencent-elles la propagation ou l'arrêt spontané des ruptures ?
• Quels sont les paramètres hydromécaniques dominants (frottement, perméabilité et hétérogénéités) dans la caractérisation des propriétés des séismes induits, et dans quelle mesure les modèles peuvent-ils reproduire les observations expérimentales et naturelles ?

Les modèles conventionnels de cycles sismiques appliqués à la sismicité induite négligent souvent l'évolution dynamique de la pression des fluides et l'impact des interactions hydromécaniques sur la rupture des failles. Pour combler cette lacune, ce projet utilisera un modèle avancé de cycles sismiques hydromécaniques intégrant pleinement ces interactions, développé récemment par l'équipe encadrante. Ce modèle permettra d'explorer en détail l'effet des contraintes et de l'écoulement des fluides au sein des réseaux de failles. On comparera les résultats de ces simulations avancées à des approches théoriques simplifiées, par exemple à des modèles rate-and-state d'évolution de la sismicité d'une population de failles secondaires entourant une faille principale asismique.

De plus, une loi d'évolution de la perméabilité sera implémentée pour prendre en compte les variations de vitesse de glissement des failles. Ce modèle sera appliqué à des données expérimentales et à des observations issues de réservoirs crustaux afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la sismicité induite.

Le ou la doctorant(e) exploitera des ensembles de données issus d'expériences in situ d'activation de failles et d'observations acquises sur des réservoirs crustaux. Il ou elle aura pour mission d'améliorer un code de simulation existant permettant de modéliser le cycle sismique et l'écoulement des fluides dans des réseaux de failles.

Ce projet de thèse contribuera ainsi à améliorer notre compréhension de la physique des séismes induits et des risques associés, tout en fournissant des recommandations pour une gestion plus sûre du stockage d'énergie souterraine.
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Some industrial activities related to the energy transition, such as carbon dioxide or hydrogen storage and deep geothermal energy, involve the injection of gases or fluids into the subsurface, which can induce seismicity. These fluid injections may cause aseismic slip within fault networks, thereby altering local stress conditions. These stress variations can propagate faster than the diffusion of fluid pressure, potentially triggering earthquakes at a significant distance from the injection zone. It is therefore essential to quantify the maximum extent of aseismic slip to better assess the influence of fluid injections and the associated seismic risks.

In this context, understanding the hydromechanical interactions between fluid pressure and flow within a connected fault network, as well as the extent of aseismic slip, is crucial to analyzing the rupture dynamics of the largest induced earthquakes.

This PhD project explores the relationship between fault network architecture and the hydromechanical processes controlling induced seismicity. The objective is to develop a model that integrates these interactions to investigate the link between frictional slip and fluid flow in fluid injection scenarios.

This research will aim to address the following questions:
• To what extent does the structure of a fault network control the spatial distribution of aseismic slip and earthquakes during fluid injection?
• Can we identify the faults most likely to rupture seismically during fluid injection and anticipate the maximum magnitude of induced earthquakes?
• How do stress conditions and the evolution of hydromechanical properties influence the propagation or spontaneous arrest of ruptures?
• What are the dominant hydromechanical parameters (friction, permeability, and heterogeneities) in characterizing the properties of induced earthquakes, and to what extent can models reproduce experimental and natural observations?

Conventional earthquake cycle models applied to induced seismicity often neglect the dynamic evolution of fluid pressure and the impact of hydromechanical interactions on fault rupture. To bridge this gap, this project will use an advanced hydromechanical seismic cycle model that fully integrates these interactions, recently developed by the supervising team. This model will enable a detailed exploration of the effects of stress and fluid flow within fault networks. The results of these advanced simulations will be compared with simplified theoretical approaches, such as rate-and-state models of seismicity evolution in a population of secondary faults surrounding a main aseismic fault.

Additionally, a permeability evolution law will be implemented to account for variations in fault slip velocity. This model will be applied to experimental data and observations from crustal reservoirs to better understand the underlying mechanisms of induced seismicity.

The PhD candidate will work with datasets from in situ fault activation experiments and observations from crustal reservoirs. Their mission will be to improve an existing simulation code that models the seismic cycle and fluid flow in fault networks.

This PhD project will contribute to improving our understanding of the physics of induced earthquakes and the associated risks while providing recommendations for safer underground energy storage management.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Côte d'Azur

364 SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées

Compétences attendues Nécessaires : Master en géophysique ou domaines connexes, expérience en modélisation géomécanique, esprit collaboratif, aisance en communication scientifique et rédaction technique (français et anglais). Désirables : Expérience en modélisation de la mécanique des failles ou hydromécanique, programmation scientifique, calcul haute performance, analyse mathématique/théorique de modèles, résolution de problèmes inverses.
Skills expected Required: Master's degree in geophysics or related fields, experience in geomechanical modeling, collaborative spirit, fluency in scientific communication and technical writing (French and English). Desirable: Experience in fault mechanics or hydromechanical modeling, scientific programming, high-performance computing, mathematical/theoretical model analysis, inverse problem solving.