Sismicité induite et modélisation numérique de l’endommagement dans un contexte salin

devant le jury: P. BERNARD ..................... Directeur de thèse L. DRIAD-LEBEAU ................ Examinateur R. KASTNER ..................... Rapporteur J. P. JOSIEN ................... Examinateur J. P. PIGUET ................... Examinateur M. PIRSON ...................... Invité M. SOULEY ...................... Co-directeur de thèse J. VIRIEUX ..................... Rapporteur Résumé: Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un vaste programme de recherche mené par le GISOS (Groupement d'Intérêt Scientifique de Recherche sur l'Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains). La mission du GISOS est de caractériser, analyser et modéliser les phénomènes physiques et chimiques qui interviennent et interagissent dans les mines après l'arrêt de l'exploitation. Dans ce contexte, le site pilote de Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) a fait l'objet d'une importante instrumentation géophysique et géotechnique, gérée par le GISOS, pour assurer le suivi et la surveillance d'une cavité à 200 m de profondeur, depuis son état stationnaire jusqu'à l'effondrement et l'apparition de dégâts en surface. Parmi les méthodes géophysiques, l'écoute microsismique est mise en oeuvre par l'installation d'un réseau local sur le site pilote, pour identifier d'éventuels signes précurseurs de l'initiation de la dégradation du toit de la cavité, de son évolution, et de l'initiation de la fracturation des bancs raides du recouvrement, avant l'effondrement délibéré de la cavité saline. Les résultats des mesures in situ, ainsi que la bonne connaissance de la géométrie de la cavité étudiée et du comportement mécanique des matériaux du recouvrement, ont permis d'aborder, dans des conditions favorables, la problématique de la modélisation de l'endommagement dans le massif rocheux. Les objectifs principaux consistaient à: 1) valider la technique de surveillance basée sur l'écoute microsismique dans un contexte salin, ce qui entraîne le suivi et l'analyse de l'activité sismique pour la caractérisation des ruptures induites par l'exploitation en fonction de son avancement, 2) modéliser numériquement le comportement mécanique complexe du recouvrement, particulièrement l'initiation des microfissures et leur propagation, ce qui permettra à terme une comparaison avec la sismicité enregistrée sur site. L'analyse de la sismicité induite enregistrée par le réseau entre Janvier 2005 et Décembre 2006 a permis de caractériser l'état intial de la cavité en terme d'activité microsismique. Deux types d'événements ont été identifiés: (1) les événements isolés correspondant aux ruptures localisées (moins de 0.5 secondes de durée), et (2) les événements en rafale, d'une dizaine de secondes de durée. Les deux groupes présentent des contenus fréquentiels similaires situés entre 20 Hz et 200 Hz, avec une fréquence dominante infèrieure ou égale à 80 Hz. Rappelons que des événements intermédiaires (événements isolés déclenchés l'un après l'autre) ont été aussi enregistrés. D'après les résultats de localisation d'hypocentres, la totalité de la sismicité enregistrée est générée au niveau de la cavité dans le gisement de sel, ou bien dans les faciès marneux qui composent le toit immediat de la cavité actuelle. De plus, les caractéristiques des événements enregistrés ne correspondraient pas à celles d'une fracturation fragile classique. Les basses fréquences enregistrées et les déclenchements en rafale seraient liés à des phenomènes de délitement puis de décrochement de blocs de marne, suivis des chutes de blocs dans la cavité remplie de saumure. Le travail de modélisation numérique a été focalisé sur la possibilité de rendre compte de l'endommagement dans les couches fragiles du recouvrement et de la sismicité associée. Pour ce faire, une technique hybride continue-discrète (continue pour les lithologies dont le comportement est ductile et discrète pour les couches compétentes dont le comportement est élasto-fragile) a été utilisée. L'objectif était de pouvoir générer de la microfissuration dans le banc raide du recouvrement constitué de la Dolomie de Beaumont et de l'anhydrite, en prévision d'une confrontation avec des données des mesures après des essais de pression à venir, ou bien l'effondrement final. Nous avons mis en oeuvre un modèle géomécanique à l'échelle du site pilote qui intègre les différentes formations géologiques présentes dans le recouvrement de la cavité ainsi que l'initiation, la propagation et la coalescence des microfissures dans le banc raide, à l'aide des logiciels FLAC et PFC2D. La calibration du modèle discret PFC2D pour reproduire le comportement en traction du banc a été réalisée et vérifiée numériquement à l'échelle du site pilote. Cette vérification a été basée sur la comparaison, en termes de la réponse élastique et d'apparition des ruptures dans le banc raide, entre l'approche hybride FLAC-PFC2D et la modélisation purement continue avec FLAC. Le modèle hybride ainsi défini pourra être utilisé dans le cadre de la retro-analyse une fois que les mesures in-situ, notamment les enregistrements microsismiques et les données de déformation seront disponibles à Cerville-Buissoncourt.