Géosciences Azur RESPONSABLE : Frédéric CAPPA

OBSERVATOIRE DE LA COTE D'AZUR
SECRETARIAT DU CONSEIL SCIENTIFIQUE
DEMANDE DE BQR 2008
PRESENTEE PAR L’UNITE : Géosciences Azur
RESPONSABLE : Frédéric CAPPA
TITRE DE L'OPERATION : Modélisation de l’impact des couplages thermo-poro-mécaniques induits par les
fluides sur les processus de RUpture DYnamique des milieux géologiques (Acronyme : RUDY)
JUSTIFICATIF DE LA DEMANDE :
La rupture des milieux géologiques est l’aboutissement d’une augmentation lente et régulière des contraintes dans
les roches de la croûte terrestre, due à la convergence des plaques tectoniques le long d’une faille préexistante
(séisme), ou à des effets superficiels climatiques ou anthropiques (glissements de terrains, affaissements, etc…).
Dans ce projet, nous intéressons aux processus de rupture dans des failles et des zones de failles. Dans certains cas,
le glissement est bloqué par les aspérités de la faille. Lorsque les contraintes de cisaillement le long de la faille
atteignent une valeur critique, les aspérités cèdent et la faille se met à glisser très vite, relaxant brutalement les
contraintes, et émettant des ondes sismiques dont les effets sont destructeurs. Ce processus de rupture dynamique
est largement influencé par les fluides se déplaçant dans la croûte. Ces fluides interagissent avec la réponse
mécanique du milieu, et se traduisent par des couplages thermo-poro-mécaniques qui amènent à des instabilités à
l’origine de risques naturels majeurs comme les séismes. La compréhension des interactions entre migration de
fluides et rupture sismique en géosciences requiert de construire des modèles élémentaires couplant constituants
solides, écoulement de fluides en milieux déformables, évolution de l’état et des propriétés du milieu, transfert
d’énergie. Tel est le cadre de notre étude, dans laquelle nous proposons d’analyser ces processus de rupture
dynamique avec fluides par modélisation numérique haut de gamme couplant un code d’écoulement de fluides
multiphasiques largement reconnu sur la scène internationale, et développé par le Lawrence Berkeley National
Laboratory (TOUGH2), avec un code mécanique multi-physique adapté à la modélisation de la rupture dynamique
(COMSOL multiphysics).
Ce projet s’appuie sur une expérience unique menée au sein du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel où,
pour la première fois, les pressions de fluides et les déformations 3D d’une zone de faille ont été mesurées lors
d’une expérience de fracturation hydraulique (expérience réalisée dans le cadre du projet ANR HPPP-CO2). Ainsi
des données très précises et très hautes fréquences permettent de suivre l’initiation et la propagation d’une rupture
sismique associée aux processus de couplages entre fluides et déformation des roches. Cette expérience sera
comparée avec des données en contexte naturel mesurées sur la faille de San Andreas (Californie, USA) dans le
cadre du projet SAFOD. Le projet RUDY bénéficiera de ces deux échelles de données pour développer et calibrer
le simulateur TOUGH2 – COMSOL puisqu’il s’intègre dans le cadre plus large d’une ANR (HPPP-CO2)
impliquant les laboratoires partenaires de ces expériences (Stanford Rock Physics Laboratory, Lawrence Berkeley
Laboratory, Laboratoire Géosciences Azur et LGIT).
Ce projet concerne une demande de participation pour l’achat du code de calcul « COMSOL multiphysics » qui
sera couplé au code TOUGH2 afin d’établir un simulateur puissant permettant la modélisation couplée des effets
thermo-poro-mécaniques et de la rupture dynamique des séismes sur des failles saturées en fluides dans la croûte
terrestre. Ce simulateur fonctionnera en calcul parallèle. Le développement de ce simulateur et son intégration sur
le cluster de PC du laboratoire Géosciences Azur sont co-financés à hauteur de 50%. Les développements
numériques programmés avec ce code permettront de mieux modéliser les interactions dynamiques entre fluides,
déformation et rupture dans des systèmes géologiques complexes ; ce qui est innovant en géosciences. Les
simulations réalisées avec ce code participeront à l’amélioration des connaissances des séismes vis-à-vis de la
recherche et du public. En particulier, ce projet conduira au développement d’outil d’analyse des processus à une
échelle très fine permettant de comprendre le passage d’un processus lent à un processus dynamique de rupture, et
donc, à terme, d’améliorer les protocoles de surveillance dédiés à l’alerte précoce. En effet, les retombées
attendues, à terme, sont de pouvoir déceler dans les réponses hydromécaniques, un changement infinitésimal d’état
de contrainte ou de pression de fluide sur les failles naturelles, qui puisse être traduit en précurseur du risque de
tremblement de terre.
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PARTICIPANTS : Frédéric Cappa (McF, UNSA), Yves Guglielmi (McF, HdR, UNSA), Stéphane Gaffet
(CR, CNRS), Tony Monfret (CR, IRD)
PRESENTATION LIBRE DU PROJET - (éventuellement publications correspondantes déjà réalisées par un ou des membres
demandeurs) - A JOINDRE A CE FORMULAIRE
DEMANDE DE BQR
EQUIPEMENT
(en K€)
15
:
FONCTIONNEMENT
(en K€)
0
MISSIONS
(en K€)
0
COFINANCEMENT DEMANDE : „ oui
… non
TOTAL DU PROJET
(en K€)
30
50 %
CREDITS DEJA
OBTENUS (HORS BQR)
TOTAL DE LA DEMANDE DE
(en K€)
(en K€)
15
BQR
15
ORGANISME(S) DE COFINANCEMENT : ANR CO2
2
Annexe : détail de la demande
Personne en charge de la demande :
Frédéric Cappa
Maître de Conférences
Géosciences Azur
Université de Nice Sophia-Antipolis
250, rue Albert Einstein – Les Lucioles 1
06560 Sophia Antipolis (France)
[email protected]
T : 04.92.94.26.57
Publications récentes du demandeur (2004-2008):
Cappa F., Rutqvist J., Yamamoto K., 2008. Modeling crustal deformation and rupture processes related to CO2pressure transients during the 1965-1967 Matsushiro earthquake swarm sequence in Japan. Geophys J Int,
submitted.
Cappa F., Guglielmi Y., Monfret T., 2008. Effects of fluid and stress transfer on initiation of extensional
ruptures in the oceanic crust of a subduction zone. Geophys Res Lett, submitted.
Guglielmi Y., Cappa F., Amitrano D., 2008. High-definition analysis of fluid-induced seismicity related to the
mesoscale hydromechanical properties of a fault zone. Geophys Res Lett, 35, L06306,
doi:10.1029/2007GL033087.
Guglielmi Y., Cappa F., Rutqvist J., Tsang C-F., and Thoraval A., 2008. Mesoscale characterization of coupled
hydromechanical behavior of a fractured-porous slope in response to free water-surface movement. Int J Rock
Mech Min Sci, in press.
Cappa F., Guglielmi Y., and Virieux J., 2007. Stress and fluid transfer in a fault zone due to overpressures in the
seismogenic crust. Geophys Res Lett, 34, L05301, doi:10.1029/2006GL028980.
Rutqvist J., Bhirkolzer J.T., Cappa F., and Tsang C-F., 2007. Estimating maximum sustainable injection
pressure during geological sequestration of CO2 using coupled fluid flow and geomechanical fault-slip analysis.
Energy Conv Man, 47:1798-1807.
Cappa F., 2006. Role of fluids in the hydromechanical behavior of heterogeneous fractured rocks: in situ
characterization and numerical modelling. Bull Eng Geol Env, 65:321–337, DOI 10.1007/s10064-006-0043-4.
Cappa F., Guglielmi Y., Rutqvist J., Tsang C-F., and Thoraval A., 2006. Hydromechanical modelling of pulse
tests that measure fluid pressure and fracture normal displacement at the Coaraze Laboratory site, France. Int J
Rock Mech Min Sci, 43(7):1062:1082.
Cappa F., Guglielmi Y., Gaffet S., Lançon H., and Lamarque I., 2006. Use of in situ fiber optic sensors to
characterize highly heterogeneous elastic displacement fields in fractured rocks. Int J Rock Mech Min Sci,
43(4):647-654.
Guglielmi Y., Cappa F., and Binet S., 2005. Coupling between hydrogeology and deformation of mountainous
rock slopes: Insights of La Clapière area (Southern-Alps, France). C R Géosciences, 337:1154-1163.
Cappa F., Guglielmi Y., Fénart P., Merrien-Soukatchoff V., and Thoraval A., 2005. Hydromechanical
interactions in a fractured carbonate reservoir inferred from hydraulic and mechanical measurements. Int J Rock
Mech Min Sci, 42:287-306.
Cappa F., Guglielmi Y., Merrien-Soukatchoff V., Mudry J., Bertrand C., and Charmoille A., 2004.
Hydromechanical modeling of a large moving rock slope inferred from slope levelling coupled to spring longterm hydrochemical monitoring: example of the La Clapière landslide (Southern-Alps, France). J Hydrol, 291(12):67-90.
3
Titre du projet : Modélisation de l’impact des couplages thermo-poro-mécaniques induits par les
fluides sur les processus de RUpture DYnamique des milieux géologiques (Acronyme : RUDY)
Nom et description de l’équipement : Outil de modélisation numérique des couplages thermo-poromécaniques impliqués dans la rupture dynamique des milieux géologiques
Mots-clés : Modélisation numérique, Couplages thermo-poro-mécaniques, Migration de fluides,
Rupture dynamique, Failles, Séismes
Résumé :
La rupture des milieux géologiques est l’aboutissement d’une augmentation lente et régulière des
contraintes dans les roches de la croûte terrestre, due à la convergence des plaques tectoniques le long
d’une faille préexistante (séisme), ou à des effets superficiels climatiques ou anthropiques (glissements
de terrains, affaissements, etc…). Dans ce projet, nous intéressons aux processus de rupture dans des
failles et des zones de failles. Dans certains cas, le glissement est bloqué par les aspérités de la faille.
Lorsque les contraintes de cisaillement le long de la faille atteignent une valeur critique, les aspérités
cèdent et la faille se met à glisser très vite, relaxant brutalement les contraintes, et émettant des ondes
sismiques dont les effets sont destructeurs. Ce processus de rupture dynamique est largement influencé
par les fluides se déplaçant dans la croûte. Ces fluides interagissent avec la réponse mécanique du
milieu, et se traduisent par des couplages thermo-poro-mécaniques qui amènent à des instabilités à
l’origine de risques naturels majeurs comme les séismes. La compréhension des interactions entre
migration de fluides et rupture sismique en géosciences requiert de construire des modèles
élémentaires couplant constituants solides, écoulement de fluides en milieux déformables, évolution
de l’état et des propriétés du milieu, transfert d’énergie. Tel est le cadre de notre étude, dans laquelle
nous proposons d’analyser ces processus de rupture dynamique avec fluides par modélisation
numérique haut de gamme couplant un code d’écoulement de fluides multiphasiques largement
reconnu sur la scène internationale, et développé par le Lawrence Berkeley National Laboratory
(TOUGH2), avec un code mécanique multi-physique adapté à la modélisation de la rupture dynamique
(COMSOL multiphysics).
Ce projet s’appuie sur une expérience unique menée au sein du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de
Rustrel où, pour la première fois, les pressions de fluides et les déformations 3D d’une zone de faille
ont été mesurées lors d’une expérience de fracturation hydraulique (expérience réalisée dans le cadre
du projet ANR HPPP-CO2). Ainsi des données très précises et très hautes fréquences permettent de
suivre l’initiation et la propagation d’une rupture sismique associée aux processus de couplages entre
fluides et déformation des roches. Cette expérience sera comparée avec des données en contexte
naturel mesurées sur la faille de San Andreas (Californie, USA) dans le cadre du projet SAFOD. Le
projet RUDY bénéficiera de ces deux échelles de données pour développer et calibrer le simulateur
TOUGH2 – COMSOL puisqu’il s’intègre dans le cadre plus large d’une ANR (HPPP-CO2) impliquant
les laboratoires partenaires de ces expériences (Stanford Rock Physics Laboratory, Lawrence Berkeley
Laboratory, Laboratoire Géosciences Azur et LGIT).
Ce projet concerne une demande de participation pour l’achat du code de calcul « COMSOL
multiphysics » qui sera couplé au code TOUGH2 afin d’établir un simulateur puissant permettant la
modélisation couplée des effets thermo-poro-mécaniques et de la rupture dynamique des séismes sur
des failles saturées en fluides dans la croûte terrestre. Ce simulateur fonctionnera en calcul parallèle.
Le développement de ce simulateur et son intégration sur le cluster de PC du laboratoire Géosciences
Azur sont co-financés à hauteur de 50%. Les développements numériques programmés avec ce code
permettront de mieux modéliser les interactions dynamiques entre fluides, déformation et rupture dans
des systèmes géologiques complexes ; ce qui est innovant en géosciences. Les simulations réalisées
avec ce code participeront à l’amélioration des connaissances des séismes vis-à-vis de la recherche et
du public. En particulier, ce projet conduira au développement d’outil d’analyse des processus à une
échelle très fine permettant de comprendre le passage d’un processus lent à un processus dynamique
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de rupture, et donc, à terme, d’améliorer les protocoles de surveillance dédiés à l’alerte précoce. En
effet, les retombées attendues, à terme, sont de pouvoir déceler dans les réponses hydromécaniques, un
changement infinitésimal d’état de contrainte ou de pression de fluide sur les failles naturelles, qui
puisse être traduit en précurseur du risque de tremblement de terre.
Objectifs et contexte du projet
L’objectif principal de ce projet est une meilleure compréhension de l’impact des couplages thermoporo-mécaniques dans la rupture dynamique. En effet, ces couplages contrôlent des instabilités
mécaniques à l’origine d’aléas et risques naturels importants. Dans ce projet, nous nous focaliserons
principalement sur les failles géologiques, objet naturel impliqué dans le risque sismique. Notre cadre
est celui d’une recherche fondamentale sur les processus physiques mis en jeu lors de l’initiation et la
propagation des ruptures sismiques. Le but est d’établir un simulateur haut de gamme permettant la
modélisation couplée des effets thermo-poro-mécaniques et de la rupture dynamique des séismes sur
des failles géologiques saturées en fluides. Cette approche est innovante en géosciences car nous
proposons d’étudier le rôle des fluides et de leurs effets mécaniques sur la rupture dynamique des
failles aux fréquences sismiques. Il est maintenant internationalement reconnu que la compréhension
du rôle physique des fluides sur le déclenchement des tremblements de terre, et plus globalement dans
le cycle sismique est un enjeu majeur. Le principal verrou scientifique à lever est celui de la très
grande complexité des interactions entre les migrations de fluides et les effets mécaniques associés
avec la rupture dynamique des failles. La difficulté est d’appréhender l’évolution spatio-temporelle
des couplages thermo-poro-mécaniques aux fréquences sismiques et à l’échelle de la croûte terrestre.
L’approche par modélisation numérique que nous proposons dans ce projet BQR semble bien adaptée
pour réussir à lever ce verrou.
Sur le plan de la reconnaissance scientifique, ce projet est soutenu et co-financé à hauteur de 50 % par
un programme ANR (HPPP-CO2). Cette ANR concerne le développement de nouveaux outils de
caractérisation des déformations des milieux poreux profonds couplées aux pressions de fluides
complexes eau-gaz (CO2 entre autres gaz).
Notre projet s’inscrit donc en Sciences de la Terre. Il concerne la compréhension de la nucléation des
tremblements de Terre. Le projet a une volonté de rapprochement des processus de couplages thermoporo-mécaniques et la rupture dynamique dans les systèmes complexes que sont les structures
géologiques impliquées dans les aléas naturels du type aléa sismique. Notre projet cherche à
développer un travail interdisciplinaire en proposant et validant des modélisations originales visant à
simplifier aux mieux le système naturel. Pour la validation, ce projet s’appuiera sur les expériences de
fracturation hydraulique avec mesures simultanées de pressions-déformations à haute-fréquences
développées sur le site du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel. Une partie du financement
instrumental de ces expériences, et plus généralement de l’équipement du site pour le transformer en
outil laboratoire national et international, a déjà été financée dans le cadre d’un précédent BQR. Ce
projet est donc dans la continuité puisqu’il permettra une valorisation forte des données acquises.
Description du projet et résultat
Ce projet concerne une recherche fondamentale sur l’impact des couplages thermo-poro-mécaniques
induits par les migrations transitoires de fluides sur les processus de rupture dynamique le long des
failles géologiques. Ces effets sont particulièrement importants puisqu’ils sont impliqués dans des
instabilités mécaniques à l’origine de risques naturels majeures comme les séismes se produisant en
profondeur dans la croûte sismogénique ou dans les zones de subduction, ou encore les instabilités de
pente à terre et en mer.
Le projet a pour objet l’étude par modélisation numérique des couplages thermo-poro-mécaniques le
long d’une faille sismique saturée en fluides, et de leur influence sur la rupture dynamique. Il s’agira
d’analyser les migrations de fluides et les réponses mécaniques associées impliquées dans les
processus d’initiation, de propagation et d’arrêt de la rupture dynamique le long de la faille et dans le
milieu environnant. Pour l’analyse du comportement thermo-poro-mécanique, nous proposons tout
5
d’abord un cadre général simplifié qui est celui de l’étude d’une discontinuité cisaillée (comme les
failles) à géométrie simple dans un milieu poro-élastique contenant des fluides. La réponse de ce
système aux sollicitations mécaniques (chargement tectonique dynamique, surpressions de fluide)
amène à des instabilités qui peuvent dissiper en quelques secondes l’énergie accumulée, parfois sur
des milliers d’années. La complexité spatio-temporelle de cette dissipation est intimement liée aux
hétérogénéités des couplages thermo-poro-mécaniques et structurales du milieu géologique. Divers
processus sont alors mis en œuvre dans le système : contraintes élastiques transmises dans la roche
environnante, frottement solide entre les aspérités dans la discontinuité, pression interstitielle,
écoulement de fluide dans le milieu poreux de perméabilité et porosité en évolution. Il s’agit de faire le
lien entre ces processus élémentaires en incluant la complexité spatio-temporelle émergent à l’échelle
de la croûte terrestre. L’objectif est de quantifier l’impact de ces processus sur les mécanismes de
rupture dynamique des séismes. In fine ces modèles seront également confrontés à des données
d’activité de failles observées par réseaux sismologiques et géodésiques.
Dans ce projet, nous proposons une nouvelle approche numérique pour l’analyse des effets thermoporo-mécaniques sur la rupture dynamique en couplant un code d’écoulement de fluides
multiphasiques largement reconnu sur la scène internationale, et développé par le Lawrence Berkeley
National Laboratory (TOUGH2), avec un code mécanique multi-physique adapté à la modélisation de
la rupture dynamique (COMSOL multiphysics). Cette approche permet de tirer le meilleur parti des
compétences propres de chaque code, et d’établir un simulateur haut de gamme permettant de
modéliser à haute résolution des processus couplés non-linéaire complexes en mode dynamique. Les
modélisations permettront donc d’analyser la réponse du milieu aux fréquences sismiques (0.1 Hz à
10 Hz), avec des mouvements de fluide et du solide déphasés.
Actuellement, les codes existants modélisent les effets thermo-poro-mécaniques d’une part, et la
rupture dynamique d’autre part. Pour ces raisons, nous proposons, dans le cadre de cette demande
BQR, d’utiliser les compétences de deux codes pré-cités pour développer un simulateur unique
et haut de gamme permettant la modélisation couplée des effets thermo-poro-mécaniques et de
la rupture dynamique. Ce simulateur fonctionnera en calcul parallèle.
Le code « COMSOL multiphysics » dont nous demandons le financement dans le cadre de ce projet
est dédié à la simulation de phénomènes multi-physiques couplés en milieux complexes. Le mot
« multi-physique » signifie que le code peut tout à la fois simuler un état de contrainte statique et la
rupture en dynamique. Le cœur du code et ses modules optionnels permettent un couplage rapide avec
d’autres codes comme TOUGH2; ce qui présente l’avantage d’une plus grande flexibilité dans
l’implémentation des lois de couplages.
Les résultats attendus sont : (i) un simulateur parallélisé puissant permettant la modélisation couplée
des effets thermo-poro-mécaniques sur la rupture dynamique des séismes ; (ii) une quantification de
l’impact des interactions fluides-solides sur l’initiation, la propagation et l’arrêt de la rupture
dynamique le long d’une faille ; (iii) une amélioration des lois de couplages traitant de
l’affaiblissement hydromécanique de la friction le long de la faille. Il sera alors possible d’établir les
lois de couplage poro-élasto-plastique, et de suivre leur variation spatio-temporelle en fonction de
l’évolution de l’état et des propriétés du milieu. Sur le plan des retombées attendues, cette approche
innovante devrait permettre de mieux contraindre les changements d’état de contraintes et de pression
de fluides sur les failles naturelles, et permette de mieux appréhender le risque de tremblement de
terre.
Ce projet bénéficiera du cofinancement du projet ANR HPPP-CO2 dont le demandeur est responsable
de l’axe « modélisation numérique ». En terme de cofinancement, le projet HPPP-CO2 assurera une
participation à la maintenance du cluster de PC du laboratoire Géosciences Azur à travers la mise à
jour des nœuds de calcul et l’extension de la mémoire de stockage. En terme de modélisation, HPPPCO2 est un projet dont un des objectifs est le développement d’outils numériques pour l’analyse du
comportement poro-élastique dynamique des zones de faille. Le projet demandé au BQR, bénéficiera
donc de ces développements puisque les implémentations numériques déjà testées dans ce programme
seront utilisées pour les modélisations de la rupture dynamique proposées dans le cadre de ce projet.
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Résumé du projet
• Amélioration de la compréhension des couplages thermo-poro-mécaniques et de la rupture
dynamique lors des séismes ;
• Mise au point d’un simulateur pour la modélisation de l’impact des couplages thermo-poromécaniques sur la rupture dynamique des failles sismogénique ;
• Interfaçage d’un code d’écoulement (TOUGH2) avec un code mécanique de rupture
dynamique (COMSOL multiphysics) ;
• Implémentation de lois de frottement intégrant les effets d’affaiblissement hydromécanique le
long de faille sismogénique.
Résumé des résultats attendus
• Etude fondamentale des effets thermo-poro-mécaniques induits par les migrations transitoires
de fluides sur la rupture dynamique des séismes ;
• Validation d’une approche de modélisation de la rupture sismique avec fluides.
Partenaires du projet
Prénom, Nom
Frédéric Cappa
Grade
Maître de conférences
Organisme
Géosciences Azur,
Université de Nice
Sophia-Antipolis
Yves Guglielmi
Maître de conférences,
HdR
Stéphane Gaffet
Chargé de recherche
Géosciences Azur,
Université de Nice
Sophia-Antipolis
Géosciences Azur, CNRS
Tony Monfret
Chargé de recherche
Géosciences Azur, IRD
Expertise
• Responsable du projet
• Modélisation des
couplages thermo-poromécaniques et de la
rupture dynamique
• Mesure in-situ des
couplages thermo-poromécaniques
• Modélisation
sismologique
• Modélisation
sismologique
Coût total du projet
Equipement :
• Participation au cluster de PC de Géosciences Azur : upgrade des nœuds de calcul, extension
de la mémoire de stockage
– Montant : 15 k€ H.T
•
Codes de calcul pour traiter avec haute résolution les modèles couplés thermo-poromécaniques et la rupture dynamique
– Montant : 15 k€ H.T
Coût total du projet : 30 k€ H.T
Montant de la demande BQR : 15 k€ H.T
Montant du financement acquis : 15 k€ H.T
Demandeur (Géosciences Azur) – Origine et montant des financements acquis : 15k€ H.T dans le
cadre de l’ANR HPPP-CO2
Commentaire : les financements demandés dans le cadre du BQR ne concernent que l’achat des codes
de calcul.
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