Programme National de Planétologie

Le matériau numérique au service de la modélisation des roches et de leurs évolutions géologiques

L’étude de nombreux phénomènes géologiques complexes réside dans la compréhension des roches de la lithosphère et de leurs évolutions au cours du temps. Les mécanismes sous-jacents (mécanismes de déformation, recristallisation, croissance de grains, changements de phases et plus généralement mécanismes diffusionnels) prennent place à l’échelle de la microstructure et transcendent les matériaux au sens où ils sont communs à de nombreuses classes de matériaux (roches, glace, métaux). C’est dans cette optique multidisciplinaire et de synergie que le centre GéoAzur de l’UCA/OCA - UMR 7239 et le centre CEMEF de MINES ParisTech - UMR 7635 se sont rapprochés depuis 4 ans pour constituer une équipe transversale de chercheurs et de moyens (Jean Furstoss, Carole Petit, Clément Ganino, Daniel Pino Muñoz et Marc Bernacki) au service de cette thématique pour apporter des solutions numériques innovantes afin de faire émerger des éléments de réponse à des problématiques géologiques complexes et ouvertes dans la communauté. 

En 4 ans, les travaux réalisés et publiés a b c d e dans des revues de renom à la croisée des différentes disciplines citées illustrent le potentiel et l’originalité de la démarche (Voir Figure à droite). L’impact socio-économique et environnemental de telles recherches est aussi important par la diversification des modèles numériques sous-jacents qui sont également au service d’applications industrielles concrètes en métallurgie numérique pour lesquelles le CEMEF est reconnu (consortium DIGIMU).

La thèse proposée s’inscrit dans cette démarche du développement du matériau numérique au service de la modélisation en géologie ; les axes privilégiés concerneront l’amélioration et l’enrichissement des mécanismes actuellement modélisés. Ces mécanismes physiques se trouvent à l’intersection entre la mécanique, la chimie et thermique. Les développements envisagés dans le cadre de cette thèse seront principalement liés à la mécanique et aux phénomènes de diffusion d’espèces chimiques. 

D’un point de vue mécanique, il est possible de décrire la rhéologie du matériau en utilisant la plasticité cristalline. Cette plasticité cristalline permet de prendre en compte la cristallographie du matériau dans les calculs mécaniques. Ces calculs mécaniques peuvent être utilisés afin d’estimer l’énergie stockée lors de la déformation plastique, les modes de germination ainsi que l’évolution de la texture du matériau.

En utilisant des techniques d’analyse inverse, il est possible d’identifier les paramètres de ces lois de plasticité cristalline. A l’heure actuelle, les prédictions d’évolution de la texture ne permettent pas de reproduire les observations expérimentales. Un premier volet de la thèse consistera donc à développer une nouvelle loi de plasticité cristalline permettant de reproduire simultanément l’évolution de l’énergie interne, la réponse mécanique et la texture du matériau. Cette nouvelle loi de plasticité cristalline sera ensuite utilisée pour étudier des phénomènes de recristallisation dynamique ou statique.

La deuxième partie de la thèse sera dédiée à l’étude de phénomènes diffusifs et de leurs impacts sur la migration
des joints de grain. La plupart des roches terrestres sont en effet des matériaux constitués de différentes phases solides. Il est donc important, dans la recherche de modèles prédictifs, d’être capable de prédire l’évolution de ses phases lors des mécanismes de recristallisation. Une modélisation explicite de ces différents mécanismes est donc visée.

Une fois ces deux objectifs atteints, des simulations sur une échelle de temps géologique seront menées de façon à mieux comprendre la cinétique des évolutions microstructurales observées sur des échantillons naturels et l’impact
des différents mécanismes à l’œuvre. On espère ainsi pouvoir expliquer la cinétique de formation des zones de localisation de la déformation que l’on pense être à l’origine des plaques tectoniques.

Les développements proposés auront lieu dans une librairie de calcul par éléments finis qui est développé au CEMEF. Cette librairie est en C++ et basée sur une parallélisation de type MPI.

Le candidat recherché devra avoir un goût prononcé pour la modélisation numérique et la programmation. Des connaissances en mécanique des matériaux et une appétence pour la géologie sont nécessaires.

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