Allocation d'installation scientifique 2018 de Rennes Métropole pour Thibault Duretz (Géosciences Rennes / OSUR)

Rennes Métropole vient d'annoncer les lauréats 2019 des allocations d'installation scientifique (AIS) : Thibault Duretz, chargé de recherche à Géosciences Rennes, est un des 2 lauréats OSUR. Il se voit attribuer une allocation "Equipement jeune chercheur" de 40 K€.

Les AIS sont des aides de Rennes Métropole visant à faciliter l'accueil, l'installation et le démarrage des travaux de recherche de chercheurs récemment arrivés sur le territoire métropolitain. L'objectif est de faire de Rennes un site universitaire majeur, accueillant et attractif pour des chercheurs de haut niveau. Ce dispositif s'adresse aux chercheurs recrutés depuis moins de trois ans dans un établissement d'enseignement supérieur et de recherche localisé sur le territoire de Rennes Métropole. Un appel à candidatures est publié chaque année.


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"Quantification des processus tectoniques et des interactions physico-chimiques qui contrôlent la déformation de la lithosphère"
(Thibault Duretz, Géosciences Rennes / OSUR)


Thibault Duretz

Thibault Duretz est arrivé à Géosciences Rennes en 2017; il officiait précédemment à l'université de Lausanne, en Suisse.
Le but des recherches menées par Thibault Duretz est de quantifier les processus tectoniques et les interactions physico-chimiques qui contrôlent la déformation de la lithosphère. Thibault s'intéresse particulièrement à la physique des évènements tectoniques, tels que la collision des plaques ou l'ouverture des rifts. Il porte une attention particulière aux grandes déformations tectoniques et à la formation des failles qui sont associées, entre autres, aux séismes. Dans le but de comprendre et de quantifier ces mécanismes, Thibault élabore des modèles numériques multi-physiques et confronte les résultats de ses modèles aux observations géologiques. La modélisation numérique constitue son outil de travail principal. Cette approche permet d'étudier le fonctionnement de systèmes physiques de complexité variable, à différentes échelles, tels qu'on les rencontre en Sciences de la Terre. De part sa flexibilité, la modélisation numérique lui permet d'établir de nombreuses collaborations scientifiques autour de thématiques variées (e.g. déformation, transferts de fluides, propagation des ondes, réactions chimiques, processus sédimentaires). L'approche numérique implique toutefois des calculs scientifiques lourds. Afin de pouvoir mener à bien ses travaux scientifiques, il lui est nécessaire d'employer des moyens de calcul performants et de collaborer avec des physiciens, mathématiciens et informaticiens.


Les grandes déformations lithosphériques sont un enjeu central pour comprendre l'évolution passée et future de la Terre. Elles sont un élément principal de la théorie de la tectonique des plaques car elles gouvernent la formation des limites de plaques ainsi que le glissement relatif des plaques. Les grandes déformations ont notablement lieu dans les zones de rift en contexte de d'extension (e.g. bassin du Rhin), dans les zones de subduction en contexte de convergence de plaques (e.g. subduction sous le Japon), ou dans les zones de coulissement de plaques (e.g. zone de cisaillement Sud Armoricaine, Bretagne).

Les déformations lithosphériques ont lieu en réponse aux forces tectoniques qui sont appliquées aux plaques tectoniques. On qualifie généralement les déformations de “ductiles” ou de “fragiles” en fonction de l'état thermique. Les déformations fragiles sont caractéristiques des parties froides et superficielles de la croute terrestre et celles ductiles sont caractéristiques des parties chaudes et profondes de la lithosphère. Ces mécanismes rhéologiques sont les seuls qui permettent aux roches d’accumuler des grandes déformations, telles qu’elles sont observées sur le terrain. Alors que la déformation ductile engendre des déplacements continus plus ou moins localisés, la déformation fragile se caractérise par la formation de failles et peuvent donner lieu à une activité sismique potentiellement dévastatrice.

Des mécanismes rhéologiques hautement non-linéaires contrôlent la formation des failles et résultent en localisation extrême de la déformation. La prise en compte de ces processus dans les modèles numériques d’évolution tectonique est généralement problématique. Le but du projet de Thibault est d'établir des modèles tectoniques robustes de formation et d'évolution des failles. Alors que les failles sont caractérisées par un aspect discret, les modèles tectoniques sont fondés sur la physique des milieux continus (Figure 1, gauche). Les failles s'y manifestent comme des zones de déformation localisée, plutôt que des plans marqués sur lesquels s’effectue un glissement (Figure 1, haut-droite). Ceci contraste avec les déformations ductiles, qui, de part leur nature diffuse (Figure 1, bas-droite), sont facilement prises en compte dans les modèles tectoniques.



2019 Fig1
Figure 1: A gauche, un exemple de modèle tectonique de rift en contexte de divergence des plaques (indiqué par flèches). Les contours blancs représentent des isothermes. A droite, les taux de déformation dans les champs fragiles (haut) et ductiles (bas) dans le centre du rift.



Parmi les nombreuses difficultés liées à la modélisation numériques des failles, deux verrous méthodologiques principaux peuvent être identifiés. Le premier problème est que les calculs mécaniques nécessaires ne permettent pas toujours de satisfaire la balance des forces. Ce problème de premier ordre pose des questions quant à la fiabilité des simulations géodynamiques. Le second problème se manifeste par la dépendance au maillage (Figure 2). En d'autres mots, plus la résolution d’un modèle est élevée plus l'épaisseur de la faille diminue. Aussi, plus la résolution est élevé plus la déformation au sein de la faille est grande. La dépendance au maillage est également un problème de premier ordre, qui empêche d'établir des prédictions robustes sur la formation des failles.



2019 Fig3
Figure 2: Illustration du  problème de dépendance au maillage. A gauche, la condition initiale pour les simulations numériques. A droite, résultats des simulations: plus la résolution est fine, plus les failles sont fines et plus la déformation est intense. Ces résultats sont donc biaisés et ne permettent pas d'effectuer des quantifications précises



Le projet de Thibault a donc pour but de permettre la réalisation de modèles tectoniques numériques prédisant la formation et l'évolution spatiotemporelle des failles en remédiant aux problèmes évoqués ci-dessus. Dans cette optique, il conviendra d'utiliser une méthode de calcul robuste permettant de prédire la genèse des failles. La méthode des tangentes cohérentes, couramment utilisée en ingénierie, permet de satisfaire précisément la balance des forces. Il parait donc naturel d'adopter cette approche dans les modèles tectoniques. Des premiers résultats très encourageants ont déjà été obtenus par Thibault (Duretz et al., 2018). Il est toutefois nécessaire de continuer ces recherches afin de pouvoir en bénéficier dans les modèles tectoniques. En deuxième lieu, des modèles rhéologiques alternatifs (e.g. type viscoplasticité) seront envisagés. Ces modèles ont des propriétés de régularisation et permettent de remédier aux problèmes de dépendance au maillage. Finalement, ces avancées seront combinées au sein de simulations numériques thermo-hydro-mécaniques qui permettront d'établir des prédictions précises concernant la formation de failles, leur impact sur la tectonique et la géomorphologie, et les transferts de fluides associés aux déformations lithosphérique. Ce projet fait donc partie intégrante de son projet de recherche long-terme, qui a donné lieu à son recrutement CNRS au sein de Géosciences Rennes en 2017.



Afin de mener à bien ce projet, il est toutefois nécessaire de faire l'acquisition de matériel de calcul scientifique de haute performance. Le soutien de Rennes Métropole va ainsi permettre d'effectuer l'achat d'un serveur de calcul Dell PowerEdge R940 (Figure 2, haut) optimisé pour le type de calcul susmentionné. Le matériel sera installé à l'Institut de Physique de Rennes dans le cadre d'un effort de mutualisation des équipements de calcul scientifique.

Ce soutien de Rennes Métropole vient encourager un jeune chercheur prometteur : en effet, Thibault Duretz a obtenu le prix 2018 de la Division Outstanding Early Career Scientists Award de l'EGU (prix "jeune chercheur") et le prix de thèse de l'ETH Zurich (prix "silver medal")  pour ses contributions fondamentales à la compréhension du détachement de panneaux plongeants dans les zones de subduction, des zones de cisaillement ductile, de la formation de marges passives, de l'obduction et du développement de nouveaux algorithmes numériques.

Sa recherche s'inscrit dans l'axe "Déformation de la lithosphère et tectonique" pour lequel le l'unité Géosciences Rennes est reconnue internationalement. Néanmoins sa démarche se démarque de l'approche traditionnelle utilisée par le laboratoire (e.g. modélisation analogique) par l'utilisation massive des technologies numériques. Bien que sa thématique de recherche puisse être classée comme "fondamentale", son approche scientifique et technique peut être vue comme "émergente" au sein de sa discipline car elle permet d’étudier les interactions entre processus physico-chimiques qui, jusqu'à aujourd'hui, étaient étudiés indépendamment. Son approche a un caractère fédérateur et permettra l’élaboration de collaborations trans-équipe au sein de Géosciences Rennes et trans-UMR au sein de l'université de Rennes.


>>> Pour en savoir plus : "La modélisation numérique change notre compréhension de la déformation fragile/ductile des éclogites" >>>

Reference:

Duretz T., A. Souche, R. de Borst L. Le Pourhiet (2018), The benefits of using a consistent tangent operator for visco‐elasto‐plastic computations in geodynamics, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, Vol. 19 (12), 4904-4924



Contact OSUR
Thibault Duretz (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @