Description du sujet de thèse

Le projet va se focaliser sur la maturation des failles actives de la croûte supérieure par altération chimique de leurs épontes, et sur le couplage entre altération et activité tectonique. Cette thématique est au centre du projet ANR AlterAction (https://anr-alteraction.osug.fr/) regroupant 20 scientifiques de quatre universités, avec le soutien de compagnies géothermiques, financés pendant 42 mois (2024-2027).
L'hypothèse principale de recherche est que le mouvement sur une faille active induit de nouvelles fractures qui activent les interactions fluide-roche et l'altération de la zone de faille associée. Les argiles formées vont adoucir la faille et favoriser d’autres mouvements sur la faille. Cette rétroaction accélérerait la maturation des failles actives et la chute de perméabilité du cœur de la faille. Un tel processus pourrait également détériorer les propriétés d'écoulement dans les réservoirs EGS (Enhanced Geothermal Systems), bien développés en Alsace, qui est également un lieu de tectonique active. Par conséquent, une meilleure compréhension du couplage entre les dommages et l’altération des failles actives et des réservoirs est nécessaire.
Nous nous concentrons sur les roches cristallines, de type granite, qui constituent des réservoirs géothermiques de la vallée du Rhin. C’est aussi la lithologie des épontes de la faille de Nojima, responsable du séisme ayant détruit la ville de Kobe (Japon) en 1995. L’étudiant aura accès à des échantillons des deux sites. L’endommagement co-sismique sera reproduit par endommagement dynamique, ce qui le micro-fracturera et améliorera leur perméabilité (Doan & Gary, 2009). Cela facilite l'altération en laboratoire d'échantillons centimétriques, comme le montrent les expériences préliminaires (Denys, 2019). Des expériences et des simulations numériques peuvent ensuite être utilisées pour tester l’hypothèse principale de recherche.

L’étude que devra entreprendre le doctorant est double :
1. Étude expérimentale de l'influence des contraintes déviatoriques sur l'altération des roches. Plusieurs expériences seront menées à diverses contraintes déviatoriques sur les cellules de percolation triaxiales du laboratoire ISTerre, sur lesquelles les expériences d'altération préliminaires ont été couronnées de succès et qui ont depuis bénéficié d’une jouvence. Les contraintes, les déformations, la perméabilité et la géochimie des fluides seront enregistrées au cours des expériences. Les tomographies RX quantifieront les modifications du réseau de fractures induites par la percolation des fluides. Il est à noter qu’une proposition CHRONOS a été déposée à l’ESRF (European Synchrotron Research Facility), pour réaliser une imagerie aux rayons X in situ au cours les expériences d'altération (et non plus avant/après).
2. Simulations numériques de l'altération et de la déformation de roches soumises à des contraintes déviatoriques lors de la percolation de fluides réactifs. Les simulations seront validées en reproduisant les résultats expérimentaux. La modélisation sera utilisée pour étendre les résultats expérimentaux aux failles naturelles et aux réservoirs géothermiques afin de reproduire l'augmentation de l’endommagement et de l'altération à l'approche du cœur de la faille, telle qu'observée au Japon.
Le doctorant bénéficiera du réseau de recherche du projet ANR AlterAction. Il collaborera notamment étroitement avec un autre doctorant de l'Université de Montpellier, en charge de quantifier les dommages et altérations le long de la zone de faille de Nojima, par observations minéralogiques et de mesures pétrophysiques sur des échantillons issus du forage GSJ-Hirabayashi. Bien que le sujet de thèse soit dédié à la recherche fondamentale, le doctorant aura l'opportunité d'interagir avec les représentants des entreprises de géothermie ayant manifesté leur intérêt pour le projet.

Thématique : Sciences de la Terre, Géothermie et Mécanique des Failles, Interaction fluides-roches.
Altération dans les failles actives :
Les failles actives sont des objets tectoniques d'un grand intérêt pour la société. Elles sont le lieu de tremblements de terre dévastateurs. Elles sont aussi des voies préférentielles pour la circulation des fluides (Bense et al., 2013), un facteur clé pour les géoressources, en contrôlant la genèse des dépôts minéraux ou en permettant la circulation des fluides géothermiques.
Les grandes failles actives ont tendance à se différencier des failles fraîches plus jeunes. Elles sont le lieu des plus grands séismes, mais elles fluent souvent (Kaduri et al., 2017). L'épaisseur de la zone d'endommagement a tendance à saturer en cas de déplacement important (Savage & Brodsky, 2011). Les forages scientifiques profonds dans les grandes failles actives montrent systématiquement un gouge de faille différencié, entouré d'un halo de fracturation et d'altération (Fujimoto et al, 2001). Malgré son importance pour l'évolution des failles, le processus d'altération dans les grandes failles actives n'est pas encore bien compris.
Des progrès récents ont été réalisés dans la caractérisation de l'altération, découlant de l'étude approfondie des systèmes géothermiques améliorés (EGS) en combinant la diagraphie des forages et les propriétés pétrophysiques sur les déblais de forage. La percolation de fluides à haute température active des réactions hydrothermales, modifiant les propriétés des réservoirs, comme le montrent les granitoïdes formant des réservoirs EGS dans la vallée du Rhin (Vidal et al.,2018). Mais cette description de l'altération reste statique. Les produits d'altération boucheront le réseau de fractures du réservoir EGS nouvellement créé (Bartier et al., 2008) et réduiront son efficacité géothermique. Par conséquent, la quantification de la dynamique de l'altération permet d'évaluer la longévité des réservoirs EGS.
La cinétique et la thermodynamique des réactions d'altération des granitoïdes peuvent être quantifiées dans des autoclaves. Il reste difficile de transposer ces résultats à l'échelle d'une carotte ou d'un réservoir, car ils ne décrivent pas complètement l'interaction progressive entre l'écoulement du réseau de fractures et les interactions fluide-roche. Au contraire, les expériences d'écoulement dynamique réalisées sur un milieu pré-fracturé ou poreux dans des cellules de percolation (Luquot & Gouze, 2009) fournissent des données clés pour cette mise à l'échelle. Cependant, elles sont difficiles à réaliser dans des formations peu perméables, comme les ingranitoïdes. Le préchargement des échantillons avec des barres de pression Hopkinson fendues peut générer une fracturation intense, en particulier dans les granitoïdes (Doan et Gary, 2009 ; Aben et al., 2016), en raison de son taux de chargement élevé, qui rappelle le chargement co-sismique dans les failles. Dans les cellules de percolation triaxiale d'ISTerre, il a été possible de reproduire une cimentation post-dommage après plusieurs mois de circulation de fluide riche en calcite (Luquot et Gouze, 2009 ; Aben et al, 2017). Des expériences récentes sur les mêmes cellules de percolation ont montré qu'une forte altération pouvait également être induite au sein d'un échantillon de granite pulvérisé après 3 mois de percolation d'un fluide riche en CO2 à 180°C (Denys, 2021). Les échantillons multicentimétriques ont également présenté un fluage important, comme observé dans certaines failles actives.
Faille de Nojima (Japon) :
Après le tremblement de terre dévastateur de Nanbu-Kobe de 1995 (Mw 7.3), un forage de 750 m de profondeur a été réalisé jusqu'au cœur de la faille de Nojima à 625 m. Le carottage continu et la diagraphie du forage ont montré que le protolithe de granodiorite a subi plusieurs stades d'altération (Ohtani et al., 2000) : (1) une altération pré-faille à T supérieure à 270°C générant une chloritisation omniprésente, (2) une altération liée à la faille qui a déposé de la laumontite (zéolite riche en Ca) et de la smectite à T supérieure à 150°C dans les 300 m inférieurs (soit une zone de 30 m d'épaisseur, compte tenu de la trajectoire du puits) et (3) un dépôt récent de calcite et de sidérite, qui cicatrise la faille après les tremblements de terre (Boullier, 2011). Nous cherchons à caractériser et reproduire cette deuxième phase d'altération, concomitante à la maturation de la faille.
Centrale géothermique de Soultz-sous-Forêt (Alsace, France) :
Le site d'essai EGS de Soultz-sous-Forêt a concentré la recherche géothermique en France au début des années 2000. Il a foré des roches monzogranitiques jusqu'à ~ 5 km. Le réservoir EGS englobe des roches très altérées plutôt que des roches fraîches. Une description minéralogique (Bartier et al., 2008) et pétrophysique (Sausse et al., 2006) fournit une description statique détaillée de l'altération, principalement due au dépôt d'illite, qui réduit la perméabilité, et d'une partie de la mudite riche en lithium (Li). La phase exacte de l'altération n'est pas bien comprise et semble se produire en plus du dépôt de carbonates. Il est essentiel de comprendre non seulement l'altération actuelle, mais aussi son évolution en fonction de la circulation des fluides associée à l'exploitation EGS. Pourtant, aucune étude d'altération dynamique n'a été réalisée sur les roches de Soultz-sous-Forêt, où l'on procède à l'extraction commerciale du Li. La quantification de l'interaction fluide-roche permettra de comprendre comment l'altération peut modifier les propriétés hydrauliques du réservoir et comment l'altération peut enrichir les fluides circulants en Li lors de l'exploitation EGS.
Objectif et résultats attendus : en testant l'effet de l'augmentation de la contrainte déviatorique, l'influence de la charge mécanique sur le processus d'altération devrait être déterminée et quantifiée.
Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant :
Au moins 2 articles sont attendus de cette thèse : un sur les résultats expérimentaux (confirmant ou non l'hypothèse scientifique principale), et un sur la modélisation numérique (étendant le retour d'expérience à l'évolution à grande échelle des fractures EGS et des failles actives).

Contexte de travail

Le Centre national de la recherche scientifique est une institution de recherche parmi les plus importantes au monde. Pour relever les grands défis présents et à venir, ses scientifiques explorent le vivant, la matière, l’Univers et le fonctionnement des sociétés humaines. Internationalement reconnu pour l’excellence de ses travaux scientifiques, le CNRS est une référence aussi bien dans l’univers de la recherche et développement que pour le grand public.
La thèse s'effectuera au sein du laboratoire ISTerre.
L'ISTerre est une Unité Mixte de Recherche de l'Université Grenoble Alpes, CNRS, USMB, IRD et Université Gustave Eiffel, située 1381 rue de la Piscine 38400 Saint-Martin d'Hères et sur le Campus Scientifique du Bourget du Lac. Elle fait partie de l'Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG) et du Pôle de recherche PAGE de l'Université Grenoble Alpes (UGA). Son effectif est de 300 personnes environ pour un budget annuel moyen de 7 M€. Elle est organisée autour de 9 équipes de recherche et de services, l'objectif scientifique étant l'étude physique et chimique de la planète Terre, tout particulièrement en se concentrant sur les couplages entre les observations des objets naturels, l'expérimentation et la modélisation des processus complexes associés. ISTerre assure également les missions d'observations de la Terre solide, héberge et maintient des parcs nationaux d'instruments géophysiques, ainsi qu'un centre de données.
La thèse se déroulera dans l’Equipe Failles composée de 25 personnes : chercheurs et enseignants chercheurs, post doctorants, doctorants…
Le doctorant sera co-encadré par les deux directeurs de thèse, dans leurs domaines d'expertise respectifs (expérimentation pour ML Doan et modélisation numérique pour FV Donzé).
Le doctorant bénéficiera de la formation approfondie proposée par l'Université Grenoble-Alpes (au moins 120h de formation). La progression du doctorant sera examinée chaque année par un comité indépendant afin de s'assurer de la bonne progression de la recherche. Le doctorant aura l'opportunité de présenter sa recherche au réseau interdisciplinaire ANR AlterAction composé de chercheurs académiques et de personnel de R&D en géothermie, tous travaillant sur les processus d'altération dans les failles actives.
L'école doctorale de rattachement sera STEP - Sciences de la Terre de l’Environnement et des Planètes.

Informations complémentaires

Le candidat devra être titulaire d'un Master des Sciences de la Terre ou master de mécanique ou master en chimie minérale.
Les compétences attendues sont les suivantes :
Bonne connaissance de la mécanique des roches et appétence pour les travaux expérimentaux.
Une expérience préalable en modélisation numérique est requise.
Comme il y aura une forte interaction avec les nombreux chercheurs du projet ANR, avec une variété d'expertise, le candidat devra avoir une forte ouverture d'esprit et le goût de communiquer ses résultats.
- Collaborations envisagées :
Le doctorant bénéficiera du réseau de recherche du projet ANR AlterAction. En particulier, il collaborera étroitement avec un autre doctorant de l'Université de Montpellier, chargé de quantifier les dommages et l'altération le long de la zone de faille de Nojima, en utilisant des échantillons du GSJ-Hirabayashi à partir d'observations minéralogiques et de mesures pétrophysiques.
Bien que le sujet du doctorat soit consacré à la recherche fondamentale, le doctorant aura l'occasion d'interagir avec les représentants des entreprises géothermiques qui ont exprimé leur intérêt pour le projet au moment de sa soumission.
- Ouverture internationale :
Le doctorat portera sur une faille japonaise et la collaboration avec des chercheurs japonais a commencé. Par ailleurs, la vallée du Rhin s'étend jusqu'en Allemagne, où l'énergie géothermique se développe également. Il y a donc une ouverture internationale, en plus de la grande ouverture entre la communauté française.