Dissertations / Theses on the topic 'Sel gemme'

Les déformations élastoplastiques (instantanées) et les mécanismes d'endommagement du sel gemme sont abordés par une étude expérimentale et théorique. Une étude bibliographique présente les mécanismes de déformation du sel gemme, et permet de dégager les différents facteurs physiques régissant le caractère ductile ou fragile du comportement du sel gemme. On situe ainsi le sel gemme par rapport aux autres géomatériaux du point de vue des propriétés mécaniques. On présente également différentes méthodes d'identification de l'endommagement des géomatériaux. Des essais de compression et d'extension axisymétriques sont présentés. La déformation volumique globale est mesurée au cours du chargement déviatorique. Cette mesure est un indicateur d'endommagement et permet en particulier d'identifier les conditions d'initiation de l'endommagement. Le chargement hydrostatique et les phases déviatoriques renseignent sur la rhéologie du matériau et sur la détérioration du sel gemme consécutive au chargement déviatorique. Les variations des paramètres élastiques sont décrites mais, étant de faible amplitude, elles ne sont pas prises en compte dans l'écriture de la loi de comportement. Une analyse des contraintes internes par le truchement d'un modèle micro-macro autocohérent permet d'éclairer les causes de la précocité de l'endommagement en extension. L'usage d'un tel modèle permet aussi de discuter la nature de l'écrouissage. A l'échelle macroscopique, un modèle de comportement élastoplastique est proposé. Il suit un écrouissage isotrope, l'écoulement est non-associé, et sa détermination s'appuie sur l'analyse de l'évolution de l'angle de dilatance en fonction de la contrainte moyenne et du paramètre d'écrouissage (la distorsion plastique). Une généralisation à l'espace tridimensionnel des contraintes (en faisant intervenir trois invariants du tenseur des contraintes) est développé et permet de présenter un résultat de calcul de creusement de galerie axisymétrique.

Voici une nouvelle contribution, experimentale et theorique, a l'etude du comportement thermomecanique des ouvrages realises dans les formations saliferes. Le chapitre 1 concerne l'essai thermomecanique in situ cpps, realise dans un banc de sel a 520 m de profondeur aux mines de potasse d'alsace. Environ 200 capteurs ont ete interroges a distance pendant 4 ans. La convergence de la galerie d'experimentation s'est averee tres liee a la temperature ambiante et s'est pratiquement estompee pendant les periodes hivernales. Bien que la temperature en paroi d'un puits vertical, chauffe par une sonde, ait atteint 200c, la pression exercee par le massif sur cette sonde n'a pas depasse la contrainte lithostatique naturelle du massif. Afin d'interpreter les phenomenes mis en evidence par l'essai, une modelisation analytique d'ouvrages-types (geometries spheriques et cylindriques) est developpee dans le chapitre 2. Cette etude montre que l'elevation de la temperature fait diminuer le deviateur de contraintes. Les solutions semi-explicites et l'etude parametrique ont aboutit a la realisation des abaques de convergence et d'evolution de contraintes en paroi des cavites. Le chapitre 3 contient les resultats des differents essais de laboratoire. Les essais triaxiaux ont montre que le sel a, a court terme, un comportement elastoplastique avec ecrouissage radoucissant. Le desaccord remarque entre les resultats des essais de fluage sur eprouvettes cylindriques et les resultats des essais sur tube epais nous a inciter a proposer, au debut du chapitre 4, une methode d'identification des parametres rheologiques du sel a partir des mesures in situ. Les caracteristiques ainsi determinees ont permis de rendre compte de la plupart des observations sur le site

Les cavités salines représentent une technique prometteuse de stockage massif d’énergie, notamment pour les énergies renouvelables dont la production est par nature intermittente et imprévisible. Historiquement utilisées pour le stockage saisonnier d’hydrocarbures (méthane, pétrole...), les cavités salines sont aujourd’hui sollicitées pour le stockage de nouveaux fluides (hydrogène, dioxyde de carbone...) avec des scenarii plus exigeants. Les méthodes de dimensionnement des cavités doivent être mises à jour pour répondre aux nouveaux défis de la transition énergétique.Cette thèse propose une nouvelle méthodologie de dimensionnement des cavités salines, basée sur le développement d’un nouveau modèle constitutif pour le sel gemme incluant des critères de dilatance et de traction. Ce nouveau modèle permet d’ajuster avec un unique jeu de paramètres de nombreux essais de laboratoire différents, en particulier courts et longs.Des simulations couplées thermo-mécaniques de cavités, remplies de méthane ou d’hydrogène, et du sel gemme environnant sont réalisées pour différents scenarii d’exploitation, classiques ou se rapprochant des nouveaux besoins liés à la transition énergétique. On étudie en particulier les effets de la durée et de l’amplitude des cycles, du débit d’injection ou de soutirage. Les résultats obtenus avec la nouvelle méthodologie sont comparés avec ceux de la méthodologie classique
Salt caverns are a promising technique for massive energy storage, especially in the case of the intermittent and unpredictable renewable energy. Historically used for seasonal storage of hydrocarbons (methane, oil...), they are potentially operated with increasingly demanding scenarios for the storage of other fluids (hydrogen, carbon dioxide...). Design methods need to be updated to rise to the new challenges of the energy transition.This thesis proposes a new methodology for salt cavern design, based on the development of a new rheological model including a dilatancy and a tensile criteria. This new model allows to fit numerous different laboratory tests with a single parameter set, in particular short- and long-term tests.Thermo-mechanical numerical simulations of caverns, filled with either methane or hydrogen, and the surrounding rock salt are performed under various cycling scenarios which are classical or closer to the needs associated with the energy transition. Effects of cycle duration, amplitude and mass flow are especially investigated. Results obtained with the new and the classical methodologies are compared

Les cavités salines représentent une technique prometteuse de stockage massif d’énergie, notamment pour les énergies renouvelables dont la production est par nature intermittente et imprévisible. Historiquement utilisées pour le stockage saisonnier d’hydrocarbures (méthane, pétrole...), les cavités salines sont aujourd’hui sollicitées pour le stockage de nouveaux fluides (hydrogène, dioxyde de carbone...) avec des scenarii plus exigeants. Les méthodes de dimensionnement des cavités doivent être mises à jour pour répondre aux nouveaux défis de la transition énergétique.Cette thèse propose une nouvelle méthodologie de dimensionnement des cavités salines, basée sur le développement d’un nouveau modèle constitutif pour le sel gemme incluant des critères de dilatance et de traction. Ce nouveau modèle permet d’ajuster avec un unique jeu de paramètres de nombreux essais de laboratoire différents, en particulier courts et longs.Des simulations couplées thermo-mécaniques de cavités, remplies de méthane ou d’hydrogène, et du sel gemme environnant sont réalisées pour différents scenarii d’exploitation, classiques ou se rapprochant des nouveaux besoins liés à la transition énergétique. On étudie en particulier les effets de la durée et de l’amplitude des cycles, du débit d’injection ou de soutirage. Les résultats obtenus avec la nouvelle méthodologie sont comparés avec ceux de la méthodologie classique
Salt caverns are a promising technique for massive energy storage, especially in the case of the intermittent and unpredictable renewable energy. Historically used for seasonal storage of hydrocarbons (methane, oil...), they are potentially operated with increasingly demanding scenarios for the storage of other fluids (hydrogen, carbon dioxide...). Design methods need to be updated to rise to the new challenges of the energy transition.This thesis proposes a new methodology for salt cavern design, based on the development of a new rheological model including a dilatancy and a tensile criteria. This new model allows to fit numerous different laboratory tests with a single parameter set, in particular short- and long-term tests.Thermo-mechanical numerical simulations of caverns, filled with either methane or hydrogen, and the surrounding rock salt are performed under various cycling scenarios which are classical or closer to the needs associated with the energy transition. Effects of cycle duration, amplitude and mass flow are especially investigated. Results obtained with the new and the classical methodologies are compared

Le comportement differe du sel du bassin de bresse est etudie au laboratoire par des essais de fluage. Il s'avere tres sensible a la temperature non lineaire en contrainte. Un modele de fluage est etabli et l'existence d'une correlation entre l'aptitude au fluage et les proprietes petrographiques des eprouvettes est demontree. Ce comportement est egalement etudie par une approche micro-macro. Le sel gemme est considere comme un polycristal de nacl et les modeles de kroner et de berveiller et zaoui sont utilises pour decrire sa courbe d'ecrouissage ainsi que la repartition des contraintes internes en son sein. La fissuration parallele a l'axe de la compression est expliquee par l'apparition des contraintes de traction orthogonales a cet axe. Quelques problemes mathematiques lies a la convergence des cavites souterraines dans les massifs viscoplastiques non lineaires sont etudies. Dans le cas des cavites spheriques ou cylindriques obeissant a une loi de norton-hoff, les equations d'evolution des contraintes sont presentees et des solutions analytiques approchees sont proposees

Cette thèse porte sur la croissance de films minces d’oxydes de zinc/fer (ZnxFe1-xO1+δ par ablation laser pulsée (PLD) et sur la possibilité de contrôler leurs propriétés structurales et physico-chimiques en variant les conditions d’élaboration : pression d’oxygène et température de croissance, proportions respectives de zinc/fer. Pour de fortes valeurs de x (x > 65%), les films sont monophasés de structure wurtzite type ZnO (films Fe:ZnO), avec une transparence optique dans la gamme UV-visible de 80% mais sans propriété ferromagnétique ; en fonction de leur teneur en fer (1-x), ils évoluent de très bons conducteurs électriques à quasi-isolants. Pour de faibles valeurs de x (x < 15%), les films sont également monophasés de structure spinelle type Fe3O4 (films Zn:Fe3O4). Ils présentent de très bonnes propriétés ferromagnétiques dès la température ambiante ainsi qu’une bonne conductivité électrique, les effets de localisation des porteurs de charge se manifestant en dessous de la température de Verwey. Le nombre de parois d’antiphase peut être diminué par une croissance en deux étapes, comme l’atteste les mesures de magnétorésistance. Aux taux intermédiaires de zinc (15% < x < 65%), les films sont nano-composites. Dans le cas d’une coexistence des phases Fe:ZnO et Zn:Fe3O4, la bonne conductivité de Zn:Fe3O4 jointe à la multiplicité des variantes épitaxiales et donc des interfaces fournit un matériau adapté à la thermoélectricité. Dans le cas d’une coexistence de la phase ferrromagnétique Zn:Fe3O4 avec la phase Zn:FeO antiferromagnétique de type sel gemme, un fort couplage d’échange ainsi qu’une anisotropie magnétique perpendiculaire élevée sont mis en évidence
This thesis deals with the growth of thin films of zinc/iron oxides (ZnxFe1-xO1+δ) by pulsed laser deposition (PLD) and the possibility of controlling their structural and physicochemical properties by varying the elaboration conditions: oxygen pressure and growth temperature, respective proportions of zinc/iron. For high values of x (x> 65%), the films are single-phase with a ZnO-type wurtzite structure (Fe:ZnO films), with 80% optical transparency in the UV-visible range but without ferromagnetic properties; depending on their iron (1-x) content, they evolve from very good electrical conductors to near-insulators. For small values of x (x <15%), the films are also single-phase with a Fe3O4-type spinel structure (Zn:Fe3O4 films). They exhibit very good ferromagnetic properties at ambient temperature as well as good electrical conductivity, the localization effects of charge carriers occurring below the Verwey temperature. The number of antiphase walls can be decreased by a two-step growth, as evidenced by magnetoresistance measurements. At intermediate zinc rates (15%

Cette thèse porte sur la croissance de films minces d’oxydes de zinc/fer (ZnxFe1-xO1+δ par ablation laser pulsée (PLD) et sur la possibilité de contrôler leurs propriétés structurales et physico-chimiques en variant les conditions d’élaboration : pression d’oxygène et température de croissance, proportions respectives de zinc/fer. Pour de fortes valeurs de x (x > 65%), les films sont monophasés de structure wurtzite type ZnO (films Fe:ZnO), avec une transparence optique dans la gamme UV-visible de 80% mais sans propriété ferromagnétique ; en fonction de leur teneur en fer (1-x), ils évoluent de très bons conducteurs électriques à quasi-isolants. Pour de faibles valeurs de x (x < 15%), les films sont également monophasés de structure spinelle type Fe3O4 (films Zn:Fe3O4). Ils présentent de très bonnes propriétés ferromagnétiques dès la température ambiante ainsi qu’une bonne conductivité électrique, les effets de localisation des porteurs de charge se manifestant en dessous de la température de Verwey. Le nombre de parois d’antiphase peut être diminué par une croissance en deux étapes, comme l’atteste les mesures de magnétorésistance. Aux taux intermédiaires de zinc (15% < x < 65%), les films sont nano-composites. Dans le cas d’une coexistence des phases Fe:ZnO et Zn:Fe3O4, la bonne conductivité de Zn:Fe3O4 jointe à la multiplicité des variantes épitaxiales et donc des interfaces fournit un matériau adapté à la thermoélectricité. Dans le cas d’une coexistence de la phase ferrromagnétique Zn:Fe3O4 avec la phase Zn:FeO antiferromagnétique de type sel gemme, un fort couplage d’échange ainsi qu’une anisotropie magnétique perpendiculaire élevée sont mis en évidence
This thesis deals with the growth of thin films of zinc/iron oxides (ZnxFe1-xO1+δ) by pulsed laser deposition (PLD) and the possibility of controlling their structural and physicochemical properties by varying the elaboration conditions: oxygen pressure and growth temperature, respective proportions of zinc/iron. For high values of x (x> 65%), the films are single-phase with a ZnO-type wurtzite structure (Fe:ZnO films), with 80% optical transparency in the UV-visible range but without ferromagnetic properties; depending on their iron (1-x) content, they evolve from very good electrical conductors to near-insulators. For small values of x (x <15%), the films are also single-phase with a Fe3O4-type spinel structure (Zn:Fe3O4 films). They exhibit very good ferromagnetic properties at ambient temperature as well as good electrical conductivity, the localization effects of charge carriers occurring below the Verwey temperature. The number of antiphase walls can be decreased by a two-step growth, as evidenced by magnetoresistance measurements. At intermediate zinc rates (15%

Ce travail rend compte des travaux realises par l'ecole des mines de paris dans le cadre d'un programme de recherches sur le comportement mecanique d'un massif salifere mene en commun par l'emp et le brgm. Il presente successivement les resultats d'une campagne d'essais de fluage triaxiaux et de relaxation menee en laboratoire sur des echantillons du sel de varangeville provenant des piliers instrumentes par le brgm, l'identification, a partir de ces resultats experimentaux, d'un modele du comportement rheologique du sel de varangeville et, a l'aide du modele rheologique ainsi determine, la simulation numerique des essais in situ realises par le brgm. Les resultats des essais montrent que le sel de varangeville est un materiau viscoplastique ecrouissable: la vitesse de deformation croit avec la contrainte et la temperature, et decroit quand la deformation augmente. L'interpretation des resultats d'essais realises a l'aide d'une technique d'ajustement numerique fondee sur la minimisation de l'ecart quadratique moyen entre theorie et experience, montre que la loi de j. Lemaitre rend convenablement compte de l'influence de la temperature (par un terme d'arrhenius) et du temps (par la loi en t#a) en revanche, une loi puissance unique est insuffisante pour rendre compte de l'influence de la contrainte: l'exposant devant etre reduit quand le deviateur augmente. Les simulations numeriques montrent que les piliers instrumentes par le brgm sont beaucoup moins charges qu'on aurait pu le penser initialement, par ailleurs, la modelisation ayant ete realisee a l'aide de viplef utilisant le modele de j. Lemaitre, il s'avere effectivement necessaire, pour modeliser les deux phases du chargement dilatometrique, de reduire entre les deux phases l'exposant affecte a la contrainte

Les resultats obtenus a partir d'un essai in situ aux mines de potasse d'alsace (mdpa) permettent d'affirmer que le sel gemme est permeable au gaz et a la saumure, meme loin des ouvrages souterrains (quatre rayons de la galerie). Contrairement aux debits volumiques de gaz (azote), les debits d'injection de saumure sont assez bien reproduits par la loi de darcy. En outre, apres percolation de saumure dans le massif, l'effet de la pression capillaire fait diminuer d'un ordre de grandeur le debit d'injection de gaz. Au cours d'essais triaxiaux realises sous des pressions de confinement elevees jusqu'a soixante mpa, les echantillons de sel des mdpa en contact direct avec le liquide de confinement (petrole et saumure), montrent un endommagement plus precoce et une resistance a la compression plus faible que les echantillons gaines. Ces effets induits par la permeabilite du sel sont accentues lorsque le liquide de confinement est la saumure. Sur le plan de la modelisation, un cadre theorique macroscopique est propose et utilise pour discuter le role du phenomene de dissolution/cristallisation de la saumure piegee dans les interstices. Nous avons pu etablir que le processus de colmatage accompagne d'une deformation viscoplastique des grains peut expliquer l'impermeabilite du sel gemme sur des echelles de temps geologiques. En matiere de surete des stockages en formations salines, nous avons pu montrer qu'une tres faible permeabilite, bien que non mesurable par les dispositifs de permeametrie actuels, est de nature a influencer de maniere sensible l'evolution a long terme du stockage.

Le dimensionnement optimal des ouvrages creusés dans les formations salines dépend de la qualité des mesures expérimentales qui servent à la formulation des lois de comportement et au calage de leurs paramètres, ainsi que des capacités prédictives de ces lois sur le court et le long terme. La réalisation d’une campagne expérimentale combinée avec une analyse de la base de données existante à MINES ParisTech, ont mis en question l’hypothèse de la représentativité des éprouvettes testées au laboratoire. L’effet de l’hétérogénéité des éprouvettes sur le comportement macroscopique du sel a été particulièrement étudié en se basant sur une investigation numérique reproduisant virtuellement les essais de laboratoire. Cette investigation a montré que l’hétérogénéité peut expliquer les anomalies souvent observées dans les mesures expérimentales et que les éprouvettes peuvent être plus petites que le volume élémentaire représentatif (VER)souhaité. Dans une démarche permettant d’élaborer une loi macroscopique et de s’affranchir des problèmes de la non représentativité des éprouvettes testées, la taille requise du VER a été corrélée à celle des hétérogénéités. La pertinence des capacités prédictives de cette loi macroscopique a été abordée et une nouvelle loi a été proposée dans le but de pallier les limitations des modèles existants en termes de la qualité de leurs prédictions à long terme
The optimal design of underground facilities in salt formations depends on the quality of the experimental measurements used to develop constitutive laws and to calibrate their parameters, as well as on the predictive abilities of these modelson the short and long term. A comprehensive experimental campaign was carried out, its analysis along with that ofthe existing experimental data base in MINES ParisTech, raised questions concerning the assumption of specimens representativity during laboratory tests. The effect of specimens heterogeneity on the macroscopic behavior of rock saltwas numerically investigated within a virtual laboratory. This investigation showed that specimens heterogeneity can explain the irregularities often observed in experimental measurements and that the tested specimens can be smaller than the required representative volume element (RVE). In an approach allowing to elaborate a macroscopic constitutivelaw and to overcome representativity related issues, the required RVE size was correlated to that of the heterogeneities.The pertinence of the predictive abilities of this macroscopic law was addressed and a new law, aiming to overcome the limitations of existing models in terms of the quality of their long term predictions, was proposed

Ce travail a pour but de mieux quantifier les possibilites de stockage des dechets chimiques et nucleaires dans des formations geologiques d'evaporites et les processus d'acidification des reservoirs petroliers carbonates. A cette fin, nous avons determine les vitesses de dissolution de la halite a proximite de l'equilibre et de roches carbonatees en milieu acide, en utilisant la methode du disque tournant. Les essais de dissolution de la halite ont ete realises a 25, 50 et 80c, a vitesse de rotation et indices de saturation variables et en presence de metaux et anions en trace. Ils ont permis de determiner les valeurs des constantes de vitesse et de transport et l'energie d'activation de la dissolution (ea = 16 kj/mol). En presence de metaux et anions en trace, la vitesse de dissolution est diminuee et la reaction n'est plus controlee par le transport, mais par la reaction chimique. Ces resultats ont ete interpretes dans le cadre d'un modele combinant la theorie de l'etat transitoire et les isothermes d'adsorption de langmuir. La cinetique de dissolution de calcite et de calcaires a ete etudiee en fonction du ph, du regime hydrodynamique et de la temperature entre 25 et 80c. Dans le domaine de ph -1 a 3, la vitesse de dissolution de la calcite est controlee par la diffusion (ea = 19 kj/mol) et proportionnelle a l'activite du proton. L'effet d'agents retardateurs a ete teste. Il s'est avere que les ions magnesium et orthophosphates n'ont qu'un tres faible effet dans le domaine de ph etudie. Les ions metaphosphates ont un effet inhibiteur important, quasi-proportionnel a leur concentration, dans le domaine 0-10#-#1 m

Dans ce travail est proposée une méthodologie générale de micromécanique expérimentale multi-échelle des polycristaux. Elle a été appliquée dans le cas d'un polycristal de sel gemme, qui en plus d'avoir des applications industrielles de stockage d'énergie et de déchets, constitue un matériau modèle de micromécanique présentant une déformation plastique aussi bien à l'ambiante qu'à haute température. La déformation ductile à l'échelle de la microstructure opère par la plasticité cristalline intra-granulaire traditionnelle, mais aussi des mécanismes de déformation inter-granulaires, tels que le glissement aux joints de grains. Nous avons dans un premier temps quantifié précisément la part de chacun de ces mécanismes locaux dans la déformation macroscopique du sel en se basant sur la technique de corrélation d'images numériques (CIN), obtenues au cours d'un essai de compression uni-axiale in-situ dans la chambre d'un microscope électronique à balayage (MEB). Afin d'augmenter la précision de cette quantification, des motifs spéciaux gravés aux interfaces des grains par micro-lithograhie ont été proposés. Ensuite, les observations surfaciques (par MEB) ont été étendues au cœur du matériau grâce à la micro-tomographie à rayons X et à la technique de corrélation d'images volumiques (CIV). Pour ce faire, des particules micrométriques de cuivre (3 % en volume) ont été dispersées dans le matériau lors de son élaboration, afin d'avoir un marquage local volumique adapté pour la CIV. Différentes microstructures (en termes de taille moyenne de grain) ont été considérées. De nouvelles procédures de CIV ont permis d'accéder à la répartition tridimensionnelle de la déformation ductile à l'échelle de la microstructure polycristalline avec une précision inferieure à la taille moyenne de grain. Les mécanismes de déformation observés à cœur d'échantillon sous chargement uni-axial sont cohérents avec ceux identifiés par les observations surfaciques. L'importance des mécanismes inter-granulaires dans la déformation ductile et dans l'endommagement diffus du sel a été confirmée. Une caractérisation tridimensionnelle de la microstructure par DCT (Diffraction Contrast Tomography) a été effectuée et comparée à des mesures surfaciques d'orientation cristalline par EBSD (Electron BackScattered Diffraction). Enfin, la comparaison des champs de déformation surfacique et volumique obtenus sur les mêmes échantillons a permis de retrouver les mêmes organisations et développements des localisations de déformation ductile en surface et en volume, et de les relier aux conditions de chargement et à la microstructure
We develop in this study new experimental methodologies for the multi-scale experimental investigation of the micromechanics of polycrystalline materials. These methodologies are applied to synthetic halite (NaCl), which is a convenient model polycristal due to its viscoplastic behavior at both ambient and high temperatures (350°C). In addition, halite is used for industrial applications such as underground energy and waste storage. The ductile deformation at the scale of the microstructure operates not only through conventional intra-granular plasticity, but also through inter-granular deformation mechanisms, such as grain-boundary sliding (GBS). First, we precisely quantify the relative contribution of each of these local mechanisms to the macroscopic deformation of halite. For this purpose, we apply digital image correlation (DIC) technique to high resolution images obtained during uniaxial compression tests in the chamber of a scanning electron microscope (SEM). The DIC algorithms have been modified to account for the discontinuous kinematics at grain boundries. We also propose a method to improve accuracy of GBS quantification, which consists in creating specific artificial patterns across grain-boundaries by electron beam lithography. The results show that GBS is present from the beginning of plastic deformation of the polycrystal. The 2D observations (using SEM) are complemented by 3D volume investigations using X-ray computed microtomography and Digital Volume Correlation (DVC) techniques. In order to obtain local volume markers differing in contrast (density) from NaCl and adapted to DVC, micrometric copper particles (3 % in volume) are dispersed into the material during its elaboration. Various microstructures (in terms of average grain size) are considered. New DVC protocols allow us to obtain the three-dimensional distribution of ductile deformation at the scale of the polycrystalline microstructure, with a spatial resolution finer than the average grain size. 3D and 2D local mechanical fields are compared on the same samples submitted to uniaxial compression. The strain patterns and the deformation mechanisms observed in depth of the sample are consistent with those identified by 2D observations. The results show the same organization and development of strain localization bands in relation with the loading conditions and microstructure, both at the surface and in volume. The importance of inter-granular mechanisms for the plastic deformation and diffuse damage of halite is also confirmed in 3D. Finally, in view of a further numerical model of the plasticity of the polycrystal, the three-dimensional polycrystalline microstructure is characterized by diffraction contrast tomography and compared to 2D measurements obtained by electron BackScattered diffraction

Les cavités salines servant au stockage souterrain de grandes quantités de gaz naturel sont très sollicitées en raison des besoins énergétiques croissants. Le stockage des énergies renouvelables est aussi envisagé dans ces cavités sous forme d’air comprimé et d’hydrogène. Ces cavités qui sont plus sollicitées qu’auparavant, sont aussi soumises à des opérations d’injection et de soutirage rapides. Ces nouveaux modes d’exploitation soulèvent des problèmes mécaniques, illustrés en particulier par l’écaillage et les chutes de blocs en paroi de cavité. En fait, aux sollicitations purement mécaniques liées aux variations de la pression du gaz, se superposent des variations de température répétées de plusieurs dizaines de degrés Celsius qui occasionnent, notamment à la détente, des contraintes additionnelles de traction susceptibles d’engendrer des fractures à la paroi des cavernes dont l’évolution peut être dangereuse. Les lois de comportement mécanique du sel gemme (élasto-viscoplastique, non linéaire et thermosensible) et les critères de rupture et d’endommagement existants permettent d’analyser le comportement des cavités salines et du sel gemme sous l’effet de chargements nouveaux. Cette étude s’inscrit dans le domaine de la thermomécanique des roches et contribue à l’analyse des effets de nouveaux modes d’exploitation sur la stabilité mécanique des cavités salines. Dans un premier temps, la démarche a consisté à concevoir et à valider sur des cas réels un modèle thermodynamique du comportement du gaz dans la cavité. Ce modèle a permis de d’analyser l’éruption dans des cavités salines de stockage de gaz. Ensuite, le couplage thermomécanique a permis d’analyser les effets d’une détente rapide, d’une injection rapide et de cycles journaliers sur la stabilité des cavernes. Sur le plan expérimental, on a recherché au laboratoire les conditions d’apparition et de développement de fissures sur une pastille et sur un bloc de sel. Le fluage d’éprouvettes de sel gemme en extension a aussi été analysé
Salt caverns used for the underground storage of large volumes of natural gas are in high demand given the ever-increasing energy needs. The storage of renewable energy is also envisaged in these salt caverns for example, storage of compressed air and hydrogen mass storage. In both cases, salt caverns are more solicited than before because they are subject to rapid injection and withdrawal rates. These new operating modes raise new mechanical problems, illustrated in particular by sloughing, and falling of overhanging blocks at cavern wall. Indeed, to the purely mechanical stress related to changes in gas pressure variations, repeated dozens of degrees Celsius of temperature variation are superimposed; causes in particular during withdrawal, additional tensile stresses whom may lead to fractures at cavern wall; whose evolution could be dangerous. The mechanical behavior of rock salt is known: it is elasto-viscoplastic, nonlinear and highly thermo sensitive. The existing rock salt constitutive laws and failures and damages criteria have been used to analyze the behavior of caverns under the effects of these new loading. The study deals with the thermo mechanics of rocks and helps to analyze the effects of these new operations modes on the structural stability of salt caverns. The approach was to firstly design and validate a thermodynamic model of the behavior of gas in the cavern. This model was used to analyze blowout in gas salt cavern. Then, with the thermo mechanical coupling, to analyze the effects of rapid withdrawal, rapid injection and daily cycles on the structural stability of caverns. At the experimental level, we sought the optimal conditions to the occurrence and the development of cracks on a pastille and a block of rock salt. The creep behavior of rock salt specimens in triaxial extension also was analyzed

Afin d'étudier le rôle de l'humidité dans la déformation du sel gemme, des essais utilisant la microcellule Cgi ont été conduits sur des échantillons de sel laiteux et de sel phénoblastique du bassin bressan ainsi que sur des échantillons de sel de dôme provenant de la mine d'Asse (Allemagne). Une augmentation même faible du degré d'humidité relative se traduit toujours par une phase de fluage transitoire rapide suivie d'une phase de fluage stationnaire à vitesse de déformation constante. La texture et la composition de l'échantillon ainsi que sa réaction vis à vis du couple température-humidité imposé déterminent la prédominance d'un des micromécanismes de déformation possibles. D'un point de vue microstructural, on montre que le sel laiteux riche en inclusions fluides est plus ductile que le sel de dôme dont les cristaux contiennent des inclusions solides. Selon la morphologie et l'état de surface des joints de grains on assiste sous l'influence de l'humidité au déclenchement des mécanismes de lubrification et de glissement (cas du sel de dôme) ou des mécanismes de cisaillement et de microstylolitisation (cas du sel laiteux). Par ailleurs, les films de saumures qui se reconstituent au niveau des joints favorisent la thermomigration des inclusions fluides d'un cristal d’halite à un autre à travers ces joints saturés. Dans le sel phénoblastique l'anhydrite s'hydrate en gypse sous l'action du couple température-humidité. Le gonflement important qui en résulte entraine une dégradation notable du matériau. En tenant compte des trois paramètres essentiels dans le fluage du sel gemme: la texture, la température et l'humidité, l'étude tend à reconstituer de manière réaliste l'état des conditions susceptibles de se réunir à proximité d'une galerie de stockage de déchets radioactifs. Par conséquent elle permet d'avancer des arguments nécessaires pour aider à la prévision du comportement d'un massif salifère à long terme

Fruit d'une expérience de recherche de près de 30 ans dans le domaine des cavités salines, ce mémoire présente succinctement le problème industriel à l'origine de mes recherches. Qu'il s'agisse d'exploitation de sel par dissolution ou de cavités de stockage, le problème industriel ouvre en effet de nombreux axes de recherche dans diverses disciplines concernant les géomatériaux avec en particulier un couplage thermomécanique dans un matériau élastoviscoplastique subissant des transformations finies. La partie "Comportement mécanique des roches salines" rappelle les notions de base de lois de comportement d'un matériau solide et souligne deux difficultés actuelles concernant le sel gemme. Le premier problème est relatif au frettage au niveau des plateaux de la presse au cours des essais classiques de laboratoire qui peut fausser la détermination des lois qui régissent l'endommagement et la rupture de la roche (phénomène non souhaité d'hétérogénéité des contraintes dans l'éprouvette). Une démarche déjà proposée par l'auteur est utilisée pour montrer que les mêmes résultats de laboratoire concernant le phénomène de dilatance (endommagement) peuvent être interprétés par un modèle rhéologique dans lequel le matériau ne subit L'endommagement que lorsque l'une des contraintes principales est une traction. La seconde difficulté relève du caractère restreint de la gamme de validité de certaines lois classiques proposées pour décrire le comportement ductile des roches salines et en particulier la gamme de variation des contraintes (prise en compte des faibles déviateurs). Ce phénomène concernant le comportement des roches salines sous faibles déviateurs était déjà connu et ici, il est illustré par un exemple théorique original. Le chapitre "Modélisation des ouvrages souterrains" souligne l'intérêt des modélisations 1D (malgré les hypothèses simplificatrices sur la géométrie des ouvrages souterrains) et attire l'attention sur le fait qu'un modèle rhéologique qui ne représente pas correctement le comportement sous faible déviateur peut conduire à des résultats bien différents de ce qui se passe in situ. Le problème était déjà connu mais méritait que l'on y insistât avec un exemple qui peut être décliné sous diverses variantes. Dans le cadre général de la thermoélasto-viscoplasticité, il est possible d'expliquer la forte influence des faibles déviateurs sur la variation du volume d'une cavité. Par ailleurs, une méthodologie simple de prise en compte de la phase de lessivage en mécanique est présentée. On revient alors sur cette mobilité des parois des cavités durant la phase de lessivage dans le chapitre "Prise en compte du lessivage des cavités salines" mais cette fois avec l'aspect thermique. En effet, les logiciels qui modélisent le phénomène physico-chimique de dissolution ont besoin de la température dans la cavité avec une bonne précision. Aborder le problème thermique dans sa généralité (2D ou 3D) est pour le moment relativement difficile. Mais l'on peut contourner la difficulté par un modèle qui combine astucieusement des approches 1D cylindrique autour du puits, 1D sphérique autour de la cavité et 0D dans le fluide contenu dans la cavité. Une méthode originale pour le choix du modèle sphérique est décrite. Son utilisation pour un cas réel de cavité de stockage de gaz est encourageante.

Etant donné la réponse hétérogène et intense des continents aux changements climatiques, il est nécessaire d’étudier un grand nombre d’archives climatiques présentant une distribution spatiale dense. Malheureusement, les archives climatiques sur les continents sont rares, en particulier dans les milieux arides. Les inclusions fluides (IFs) de halite se sont donc révélées très prometteuses lorsque Roberts & Spencer (1995) ont montré pour la première fois leur potentiel d’enregistrement de la température passée des lacs salés en appliquant la méthode microthermométrique. En effet, ces micro-gouttelettes de solution-mère emprisonnées dans des cavités incompressibles au sein des cristaux de sel conservent leur densité initiale, et donc la température de piégeage, tout comme la densité du mercure indique la température ambiante dans un thermomètre classique. Cependant, Lowenstein et al. (1998) ont montré que les IFs étaient endommagées au cours de l’étape requise de nucléation de phase vapeur dans le freezer. Depuis lors, les études paléoclimatiques utilisant des IFs de halite ont été peu nombreuses. Au cours de cette thèse, nous avons développé une nouvelle méthodologie, basée sur la spectroscopie Brillouin (BS), permettant de contourner les limites de la microthermométrie. Cette technique, basée sur la mesure de l’interaction inélastique entre la lumière et les fluctuations thermodynamiques dans le fluide pour en déduire la vitesse du son, permet de déterminer la densité des IFs, et donc leur température de piégeage. Cette approche non destructive ne nécessite pas la nuclation d’une bulle, et évite donc de soumettre des échantillons à des écarts de température importants. Dans la mesure où notre méthode garde les IFs intactes, nous avons restauré leur potentiel en tant que paléothermomètre. Nous montrons que la BS sur les IFs de halite révèle la température de piégeage au degré Celsius près. Nous avons aussi établi une équation empirique permettant de prédire la pression seuil au-delà de laquelle les IFs, selon leur taille, s'endommagent et perdent l'information de température. Nous avons développé un modèle basé sur le formalisme de Pitzer, le principe d’additivité des mélanges de Young et la réponse mécanique élastique du cristal hôte aux changements de volumétriques du fluide pour calculer la pression interne de l'IF en fonction de la température et de sa composition. Connaissant la pression à l’intérieur de l’IF, on peut alors prédire la température à laquelle elle risque l’endommagement grâce à l'équation empirique. Pour illustrer l’efficience de la thermométrie Brillouin, nous avons échantillonné plusieurs dizaines d’intervalles de halite dans une longue carotte forée en 2011 par l'ICDP. L’application de la thermométrie Brillouin à cet enregistrement fournit une quantification unique des changements de température dans cette région au cours du dernier interglaciaire (LIG, il y a ~135 000 à 115 000 ans). De plus, nous montrons que la spectroscopie Brillouin permet dans le même temps de quantifier le niveau de la mer Morte et son évolution. En utilisant la courbe reconstituée de niveau du lac pour quantifier les paléo-précipitations, nous proposons donc une reconstruction complète températures-précipitations qui nous permet de définir un récit radicalement nouveau du climat de la région au cours de cette période. Nous montrons que les températures hivernales au cours du LIG étaient généralement inférieures à celles d’aujourd’hui et que les précipitations étaient beaucoup plus élevées, quoique sur une tendance baissière. En opposition aux estimations précédentes, la région n’a jamais connu de sécheresse extrême et n’a atteint des conditions aussi sèches qu’aujourd’hui qu’en fin de période. Les liens clairs qui se dégagent d’avec la Méditerranée et l’Atlantique, ainsi que les tendances climatiques clairement observées, nous amènent à suggérer un forçage orbital majeur de la circulation atmosphérique dans cette partie du globe
In the perspective of understanding the heterogeneity and intensity of the response of continents to climate changes, it is necessary to investigate a large number of climate archives displaying a dense spatial distribution. Unfortunately, contrary to the oceanic and polar realms, most landmasses are lacking such archives. Continuous deposits are rare, and the tools used by paleoclimatologists to decipher them all have their own biases, which are usually circumvented by means of a multi-proxy approach. This is not an easy task, especially in arid environments where the scarcity of water prevents potential organic archives from thriving and depositing. With this in mind, halite fluid inclusions (FIs) revealed very promising when Roberts and Spencer (1995), using the microthermometry technique, first showed their potential to hold past saline lakes temperature. Indeed, these micro-droplets of parent brine trapped inside incompressible cavities of the salt crystals happen to keep their initial density, and therefore the entrapment temperature, like the density of mercury indicating the temperature in the thermometer. However, Lowenstein et al. (1998) soon showed that FIs undergo damages during the requisite step of vapor phase nucleation in the freezer. Since then, paleoclimate studies using halite FIs have been few. During this thesis, we have developed a new methodology, based on Brillouin spectroscopy (BS), to bypass the limitations of microthermometry. This technique utilizes the inelastic interaction between light and spontaneous (thermal) density fluctuations in the fluid to measure its speed of sound, hence allowing for the determination of its density, ergo entrapment temperature. This non-destructive approach avoids submitting samples to large temperature gaps, as it does not need the presence of a bubble in the FI. As our method keeps FIs intact, we have restored their potential as an accurate paleothermometer. We show that BS on halite FIs reveals the entrapment temperature with an accuracy better than ±1 ◦C. We have established an empirical equation that defines the size-dependent threshold pressure beyond which FIs get damaged, and developed a model to calculate the FI pressure as a function of temperature and composition. We can thus determine the FIs size limit for safe paleothermometry measurements for a large variety of different natural samples. To illustrate the power of Brillouin thermometry, we sampled several tens of halite intervals from the 450 meters-long core 5017-1 drilled in the deep Dead Sea in 2010-2011 through the Deep Dead Sea Drilling Project (DSDDP). The application of Brillouin thermometry to this record provides a unique quantification of temperature changes in this region during the Last Interglacial (LIG, ~135,000 to 115,000 years ago). Furthermore, we show that Brillouin spectroscopy allows, at the same time, the quantification of the Dead Sea level and its evolution. Using the reconstructed lake level curve to quantify paleorainfall, we thus propose a complete temperature-precipitation reconstruction that enable us to outline a radically new narrative for the climate of the region during this period. We show that the LIG winter temperatures were mostly lower than today, and precipitation were much higher, albeit on a drying trend. Contrary to previous estimations, the region never experienced extreme drought during the LIG, and only reached conditions as dry as today towards the end of the period. The clear connections with the Mediterranean and the Atlantic exhibited by the record, along with the clear climatic trends observed, lead us to suggest a strong orbital forcing of the atmospheric circulation over this part of the globe. The example of the Dead Sea shows that Brillouin spectroscopy on halite FIs is in position to provide valuable data to test the efficiency of climate models

Ce travail constitue la première étude annuelle de la biodiversité, la dynamique et la répartition spatio-temporelle des microorganismes de la boucle microbienne en relation avec quelques paramètres abiotique d'un milieu extrême : la saline de Sfax. Ce biotope est formé de bassins contigus de salinité croissante, allant de l'eau de mer de salinité 4% jusqu'aux bassins de cristallisation de sels de salinité supérieure à 32% où s'effectue la production des sels de halite. Les résultats obtenus au cours de cette étude soulignent l'importance de la salinité, des proies et des prédateurs dans la structuration des communautés des protistes de ce biotope. Cette étude a permis de distinguer (1) l'influence de la salinité sur les successions saisonnière et écologique des différentes communautés planctoniques (II) les espèces dominantes et halo-résistantes et enfin (III) le rôle de chaque compartiment au sein du réseau trophique de chaque bassin

The development of shape in multicellular organisms has intrigued human minds for millenia. Empowered by modern genetic techniques, molecular biologists are now striving to not only dissect developmental processes, but to exploit their modularity for the design of custom living systems used in bioproduction, remediation, and regenerative medicine. Currently, our capacity to harness this potential is fundamentally limited by a lack of spatiotemporal control over gene expression in multicellular systems. While several synthetic genetic circuits for control of multicellular patterning have been reported, hierarchical induction of gene expression domains has received little attention from synthetic biologists, despite its fundamental role in biological self-organization. In this thesis, I introduce the first synthetic genetic system implementing population-based AND logic for programmed hierarchical patterning of bacterial populations of Escherichia coli, and address fundamental prerequisites for implementation of an analogous genetic circuit into the emergent multicellular plant model Marchantia polymorpha. In both model systems, I explore the use of bacteriophage T7 RNA polymerase as a gene expression engine to control synthetic patterning across populations of cells. In E. coli, I developed a ratiometric assay of bacteriophage T7 RNA polymerase activity, which I used to systematically characterize different intact and split enzyme variants. I utilized the best-performing variant to build a three-color patterning system responsive to two different homoserine lactones. I validated the AND gate-like behavior of this system both in cell suspension and in surface culture. Then, I used the synthetic circuit in a membrane-based spatial assay to demonstrate programmed hierarchical patterning of gene expression across bacterial populations. To prepare the adaption of bacteriophage T7 RNA polymerase-driven synthetic patterning from the prokaryote E. coli to the eukaryote M. polymorpha, I developed a toolbox of genetic elements for spatial gene expression control in the liverwort: I analyzed codon usage across the transcriptome of M. polymorpha, and used insights gained to design codon-optimized fluorescent reporters successfully expressed from its nuclear and chloroplast genomes. For targeting of bacteriophage T7 RNA polymerase to these cellular compartments, I functionally validated nuclear localization signals and chloroplast transit peptides. For spatiotemporal control of bacteriophage T7 RNA polymerase in M. polymorpha, I characterized spatially restricted and inducible promoters. For facilitated posttranscriptional processing of target transcripts, I functionally validated viral enhancer sequences in M. polymorpha. Taking advantage of this genetic toolbox, I introduced inducible nuclear-targeted bacteriophage T7 RNA polymerase into M. polymorpha. I showed implementation of the bacteriophage T7 RNA polymerase/PT7 expression system accompanied by hypermethylation of its target nuclear transgene. My observations suggest operation of efficient epigenetic gene silencing in M. polymorpha, and guide future efforts in chassis engineering of this multicellular plant model. Furthermore, my results encourage utilization of spatiotemporally controlled bacteriophage T7 RNA polymerase as a targeted silencing system for functional genomic studies and morphogenetic engineering in the liverwort. Taken together, the work presented enhances our capacity for spatiotemporal gene expression control in bacterial populations and plants, facilitating future efforts in synthetic morphogenesis for applications in synthetic biology and metabolic engineering.