doctorat (H/F) : Mécanique des failles des argiles gonflantes de la simulation moléculaire aux tremblements de terre

Ce doctorat. débutera à l’automne 2024 et sera localisé au laboratoire Navier (Champs-sur-Marne, région parisienne), avec des déplacements ponctuels (réunions de projet SMEC, conférences). Le doctorat. Le candidat sera inscrit à l’école doctorale ‚Science, Ingénierie, Environnement‘ de l’Ecole des Ponts ParisTech, et sera financé par le CNRS dans le cadre de l’ANR SMEC. Le doctorat. le financement est accordé pour une durée totale de trois ans avec une allocation brute de 2 135 €/mois pour un travail à temps plein. Les candidats doivent être titulaires d’un Master of Science ou équivalent dans le domaine de la physique et/ou (géo)-mécanique des matériaux (ou matière proche), avec un goût particulier pour les travaux numériques. Ils doivent être capables de communiquer couramment en anglais, tant à l’écrit qu’à l’oral. Les candidats intéressés sont invités à postuler en fournissant un CV, une lettre de motivation et leurs relevés de notes.

Les zones de failles limites des plaques présentent un large éventail de comportements dynamiques, du glissement asismique aux méga-séismes. Jusqu’à présent, il n’existe pas de consensus sur un modèle décrivant les processus contrôlant ces comportements de faute. Une réponse possible pourrait résider dans les propriétés de la smectite, un minéral argileux gonflant qui constitue le cœur de nombreuses zones de failles et qui est capable d’adsorber des quantités importantes d’eau entre les minéraux nanométriques. Malgré leur importance potentielle, la thermodynamique des réactions d’hydratation/déshydratation dans la smectite et les liens entre ces réactions et les déformations des failles ne sont pas encore connues. Ces questions fondamentales sont au cœur du projet ANR SMEC qui finance cette thèse. position. Les objectifs du projet SMEC sont : 1) décrypter la thermodynamique de l’hydratation/déshydratation dans la smectite, en fonction des conditions de pression de confinement, de pression du fluide et de température, 2) lier l’hydratation au comportement mécanique, et 3) d’étendre ce couplage entre hydratation et mécanique à l’échelle des failles dans la perspective de l’appliquer à des exemples naturels à grande échelle. Ces questions seront abordées à l’aide d’une combinaison d’expériences en laboratoire et de simulations numériques depuis la couche minérale argileuse jusqu’à la faille.
Ce doctorat. Le projet se concentre sur la modélisation d’une partie du projet SMEC. Plus précisément, nous proposons de combiner simulations moléculaires, modélisation granulaire et micromécanique afin de relier les réactions d’hydratation/déshydratation des smectites au comportement mécanique des zones de failles. Les progrès récents dans la modélisation moléculaire fournissent des modèles atomistiques réalistes de l’argile, capables de capturer raisonnablement bien le comportement de gonflement à l’échelle nanométrique sous des contraintes de confinement, des pressions d’eau et des températures arbitraires [1]. Pourtant, les interactions entre hydratation et mécanique, notamment concernant la réponse au cisaillement, sont mal connues et constitueront le premier objectif de la thèse. projet. Une attention particulière sera portée à l’étude des états d’hydratation représentatifs de conditions de faille, et les résultats correspondants seront confrontés aux mesures XRD en laboratoire et synchrotron dans des conditions in situ prévues dans les projets SMEC (non traitées dans la présente thèse. ).
Le deuxième objectif du doctorat. sera la mise à l’échelle du nanomètre au matériau du défaut. À cet égard, le doctorat. Le projet s’appuiera sur un modèle granulaire récent d’argiles [2], à gros grains à l’échelle moléculaire, capable de capturer à la fois l’hydratation et la mécanique à l’échelle de la matrice argileuse (< µm). Alors que la mécanique à l’échelle nanométrique a peu à voir avec le comportement macroscopique, la mécanique à l’échelle matricielle présente déjà la plupart des caractéristiques de la mécanique habituelle des argiles (plasticité, réponse logarithmique à la compression, compactage thermique). Cependant, cette modélisation granulaire est limitée aux argiles pures, tandis que les zones de failles sont un mélange d’argiles gonflantes et non gonflantes, et contiennent également d’autres minéraux non argileux. A cet égard, la modélisation granulaire sera complétée par de la micromécanique pour évaluer l’effet de la composition minérale. Là encore, les résultats de mise à l’échelle seront confrontés aux expériences triaxiales prévues dans le projet SMEC (non traitées dans la présente thèse).
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[1] Brochard, L. (2021) Gonflement de la montmorillonite à partir de simulations moléculaires : diagramme d’hydratation et propriétés de l’eau confinée. Journal de chimie physique C 128, 15527-15543.
[2] Asadi, F., Zhu, H.-X., Vandamme, M., Roux, J.-N. et Brochard, L. (2022). Un modèle à méso-échelle de la matrice argileuse : le rôle des transitions d’hydratation dans le comportement géomécanique. Matière molle, 18(41), 7931-7948.