Thèse Systèmes Géothermaux et Magmatiques Sous Contraintes Tectoniques par Modélisation Thermo-Poro-Élasto-Plastique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace Laboratoire de recherche : GET - Geosciences Environnement Toulouse Direction de la thèse : Muriel GERBAULT ORCID 0000000334556683 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 Les systèmes géothermaux se développent dans la croûte supérieure là où la circulation de fluides d'origine hydrothermale-superficielle, et magmatique-profonde, se rencontrent. Quantifier les conditions de circulation des fluides magmatiques et hydrothermaux aide à comprendre où et comment se mettent en place des réservoirs ainsi que leur pérennité, déterminants pour évaluer leur potentiel économique.
Ce projet de thèse vise à poursuivre le développement d'un outil numérique FEM ADELI, capable de modéliser les comportement poro-élaso-visco-plastiques en 3D, afin de quantifier les paramètres hydro-mécaniques qui contrôle la migration de fluides soit hydrothermaux soit magmatiques depuis une source située en base de domaine crustal, vers la surface : ce domaine est hétérogène avec des zones de failles, et est soumis à des contraintes tectoniques. Il s'agira de formaliser le couplage entre déformation cisaillante et volumétrique d'une part, et l'ouverture/fermeture du milieu poreux équivalent. La première partie de ce projet s'intéressera à la validation de l'approche numérique, il s'agira d'implémenter le couplage poro-élasto-plastique et de tester des approximations des processus clé à la sous-échelle (milieu et paramètres hydromécaniques équivalents). La seconde partie visera son application à un cas d'étude spécifique; trois cibles d'étude sont possibles, en relation avec des collaborations en cours : 1) le complexe volcanique de Chillan, en transpression le long de l'arc de subduction Chilien, 2) la zone géothermale de Taupo, en transtension le long du rift intracontinental de Nouvelle-Zélande, 3) un domaine basse enthalpie peu actif tectoniquement comme les Pyrénées. Seule l'une de ces trois cibles sera étudiée en détail en fonction des données disponibles au moment de la thèse. Le transfert de chaleur s'effectue en partie via ces circulations fluides dans les interstices poreux du milieu et participe à modifier le comportement mécanique de la croûte. D'une part la pression fluide affecte l'état de contraintes «solide», les seuils de rupture et la viscosité du milieu, et d'autre part l'état thermique et les déformations du milieu peuvent localiser des processus de réactions métamorphiques ou de fusion partielle qui vont ségréger, bloquer -colmater, ou ouvrir -connecter des trajectoires pour ces «géofluides». Que ces fluides soient hydrothermaux ou magmatiques, le processus physique régissant leur percolation peut se scinder en deux «régimes» extrêmes, de percolation diffuse dans le milieu effectif poreux ou via des chenaux localisés (veines ou intrusions). Ces régimes sont contrôlés par l'efficacité des réactions chimiques à l'interface entre domaines solide et fluide à l'échelle des grains, mais aussi par les contraintes et déformations induites par le régime tectonique régional: la pression fluide par rapport à la pression moyenne, les déformations volumétriques et cisaillantes de manière fragile (rupture) ou ductile (fluage), compactantes ou dilatantes. Selon les contraintes tectoniques et le géotherme, la la zone de transition fragile-ductile se situe entre 5 et 15 km de profondeur et certaines roches peuvent fondre partiellement, produisant la source de fluides.Des zones de faiblesse comme des failles pré-existantes entretiennent aussi la localisation de la déformation et de la percolation fluide (cisaillements localisé et dilatation relative des pores interstitiels). Il s'agira d'évaluer quels sont les ordres de grandeurs critiques des paramètres qui contrôlent les régimes pré-cités, sachant qu'ils approximent le comportement d'une échelle à l'autre (permeabilité, friction, dilatance, de l'échelle microscopique à l'échelle crustale). Objectif et planning de la thèse - Alors que les «données» géologiques et géophysiques indiquent des couplages variés selon la composition, la profondeur, le degré d'hydratation et le contexte tectonique, entre processus mécaniques et chimiques (Mura et al., Kissling et al;, 2023; Massiot et al., 2025), les travaux théoriques (Duwiquet et al. 2024;Yarushina et al., 2025) et expérimentaux (Arbaret et al., soumis) améliorent le formalisme de ces couplages. Ce sujet de thèse s'inspire de ces travaux en adoptant une approche théorique calibrée avec les données et visant à mieux contraindre les paramètres clés impliqués. Il propose de poursuivre le développement d'un outil numérique utilisé pour modéliser les déformations poro-élasto-visco-plastiques: le code en éléments finis ADELI (Gerbault et al., 2018, Ruz-Ginouves et al., 2021). Consolider le formalisme reliant déformation et les surpressions mécaniques avec le potentiel hydraulique des fluides en présence sera l'objet de cette 1ere année de thèse. Il s'agira de montrer pourquoi certains domaines en déformation ont un comportement dilatant ou compactant, favorisent ou bloquent les flux fluides, d'abord en testant directement des paramètres clé (angle de dilatance plastique, compressibilité, porosité et perméabilité fonctions de la déformation, température, profondeur et composition), et en implémentant des lois théoriques et expérimentales qui permettent d'approximer le comportement à la sous-échelle (échelles des grains versus croûte). On propose de poursuivre le développement d'un outil numérique utilisé pour modéliser les déformations poro-élasto-visco-plastiques: le code en éléments finis ADELI (Gerbault et al., 2018, Ruz-Ginouves et al., 2021). Consolider le formalisme reliant déformation et les surpressions mécaniques avec le potentiel hydraulique des fluides en présence sera l'objet de cette 1ere année de thèse. Il s'agira de montrer pourquoi certains domaines en déformation ont un comportement dilatant ou compactant, favorisent ou bloquent les flux fluides, d'abord en testant directement des paramètres clé (angle de dilatance plastique, compressibilité, porosité et perméabilité fonctions de la déformation, température, profondeur et composition), et en implémentant des lois théoriques et expérimentales.
Ces tests s'effectueront en supposant des conditions crustales qui correspondent à un contexte tectonique précis tri-dimensionnel en extension ou en convergence, et comportant une ou deux failles pré-existantes à proximité d'une source de fluide géothermal (hydrothermal puis magmatique), tels que définis par exemple dans nos travaux précédents (Ruz-Ginouves et al., 2021; Saez Leiva et al., 2023; Zanartu et al., soumis). Le 2eme objectif de ce projet doctoral sera d'appliquer le modèle numérique à un cas cible de terrain. Trois cibles applicatives potentielles permettront d'appréhender ces couplages fluide/solide sur un domaine crustal incluant la transition fragile-ductile et la limite de fusion partielle, correspondant àtrois contextes tectoniques différents. Le but n'est pas de traiter ces 3 cibles durant la durée de la thèse, mais d'offrir un choix, fonction des avancées de ces projets et des données disponibles. Ces cibles émergent de projets en cours, de sorte que le candidat bénéficiera de collaborations actives:
- i) la zone volcanique du Sud Chili (Southern Volcanic Zone, SVZ) est une marge de subduction en transpression, avec des volcans et champs géothermaux souvent localisés aux intersections de zones de failles actives (Zanartu et al., soumis à JSG). De premiers modèles illustrent comment la déformation transpressive peut aider à chenaliser vers la surface et latéralement, les fluides géothermaux dans la croûte (eg. Ruz Ginouves et al., 2021, Saez-Leiva et al. 2023). Les contraintes latérales pressent comme une éponge le domaine à ~10-15 km de profondeur, fermant la porosité mais expulsant les fluides vers la surface. Ces travaux ont lieu en collaboration depuis plusieurs années avec le groupe du Département de Géologie et Ingénierie Mécanique de la PUC ( Pontificia Universidad Catholica de Chile, Santiago,Chili), accompagnés d'un projet de mobilité ECOS-Sud Chili jusqu'en 2027; l'étudiant pourra bénéficier d'un séjour d'un mois pour faire du terrain et rencontrer les collègues sur place.
- ii) la 2eme cible d'étude potentielle couvrent les territoires du Massif Central et des Pyrénées qui présentent des domaines d'activité géothermale (en présence de failles), et dont le potentiel pour l'exploitation économique est à l'étude via des projets en cours impliquant le GET: S. Duchene, A. Taillefer, O. Vanderhaeghe, seront des interlocuteurs locaux pour le candidat. Ces domaines typiquement de «basse enthalpie» mettent en évidence des circulations hydrothermales dans les premiers km de la croûte en relation avec la topographie et des failles crustales minéralisées et modérément actives. Une sensibilisation aux aspects applicatifs, économiques et sociétaux sera aussi possible par exemple en se rapprochant de la société Geothermics (https://www.tls-geothermics.com).
-iii) la zone volcanique de Taupo en Nouvelle-Zélande a vu le développement industriel de la géothermie haute enthalpie depuis plus de 50 ans, dans un contexte d'arrière-arc magmatique en extension tectonique. Là aussi, mouvements cisaillants le long de failles et circulations fluides sont étudiés dans le cadre d'une collaboration en cours avec ESI (anciennement GNS), et d'un projet national d'accompagnement d'un forage exploratoire, avec des études complémentaires de terrain, géophysiques et expérimentales (https://earthsciences.nz/news/arth-sciences-new-zealand-secures-endeavour-fund-support-to-unlock-superhot-geothermal-energy).

Dans ce projet, la combinaison des études de cas naturels et de la modélisation numérique aura pour ambition supplémentaire d'éclairer les questions suivantes:
- considérant la relation spatio-temporelle des flux fluides avec les mécanismes de déformation crustale, quelles conditions vont gouverner la chenalisation de leurs trajectoires ou les faire stagner en profondeur (jusqu'à ce que d'autres facteurs tels qu'un évènement sismique externe ou une «recharge» depuis la base ou la surface, induisent une rotation de contrainte locale et suffisante pour (ré-)ouvrir les chenaux). Ces modèles fourniront des gammes de paramètres capables d'influer sur les régimes de circulations fluides.
- Peut-on formaliser des modes de circulations fluide localisées spécifiques à la transition fragile-ductile, là où fluides magmatiques et hydrothermaux se rencontrent et induisent des changements de propriétés et de comportement fortement non-linéaires (eg. eau supercritique)?

Notions de mécanique des milieux continus et/ou milieux poreux, et modélisation numérique; intérêts pour la géologie structurale, pétrologie et géochimie souhaités.