Modélisation des interactions entre glissement asismique, rupture sismique et évolution de la perméabilité dans les réseaux de failles : implications pour la sismicité induite par les injections de fluides // Modeling interactions between aseismic slip, s

Contexte:
Les activités industrielles associées à la transition énergétique — telles que le stockage géologique de CO₂ ou d'hydrogène et la géothermie profonde — impliquent l'injection de fluides dans le sous-sol et sont susceptibles de générer de la sismicité induite. Ces injections peuvent aussi déclencher du glissement asismique le long de failles préexistantes, modifiant localement le champ de contraintes. Contrairement à la diffusion de la pression de fluide, ces perturbations de contraintes peuvent se propager rapidement au sein des réseaux de failles et favoriser le déclenchement de séismes à des distances significatives de la zone d'injection. Ces phénomènes de glissement sismique et asismique sont aussi responsables des changements de perméabilité du milieu qui sont au cœur même des objectifs de l'activité industrielle d'injection. La quantification de l'extension spatiale du glissement asismique et de son interaction avec la rupture sismique constitue donc un enjeu majeur pour l'évaluation du risque sismique induit et pour le développement d'un avenir énergétique propre et sûr.
Dans ce contexte, la compréhension des couplages hydromécaniques entre pression de fluide, écoulement et frottement dans des réseaux de failles connectées est essentielle pour analyser la dynamique des séismes induits, en particulier les événements de plus grande magnitude, et leurs effets sur la circulation de fluides dans le sous-sol.

Objectif du projet:
Cette thèse vise à explorer le rôle de l'architecture des réseaux de failles et des processus hydromécaniques dans le contrôle de la sismicité induite par l'injection de fluides. L'objectif principal est de développer et d'exploiter un modèle numérique intégrant de manière cohérente :
• le glissement frictionnel (asismique et sismique),
• l'évolution de la pression de fluide,
• et les variations de perméabilité des failles,
afin d'analyser les mécanismes de déclenchement, de propagation et d'arrêt des ruptures sismiques, et leur impact sur la perméabilité d'un réservoir.

Méthodologie et approche:
Les modèles conventionnels de cycles sismiques appliqués à la sismicité induite négligent souvent l'évolution dynamique de la pression des fluides et l'impact des interactions hydromécaniques sur la rupture des failles. Pour combler cette lacune, ce projet utilisera un modèle avancé de cycles sismiques hydromécaniques intégrant pleinement ces interactions, développé récemment par l'équipe encadrante. Ce modèle permettra d'explorer en détail l'effet des contraintes et de l'écoulement des fluides au sein des réseaux de failles. On comparera les résultats de ces simulations avancées à des approches théoriques simplifiées, par exemple à des modèles rate-and-state d'évolution de la sismicité d'une population de failles secondaires entourant une faille principale asismique.
De plus, une loi d'évolution de la perméabilité sera implémentée pour prendre en compte les variations de vitesse de glissement des failles. Ce modèle sera appliqué à des données expérimentales et à des observations issues de réservoirs crustaux afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la sismicité induite.
Le ou la doctorant(e) exploitera des ensembles de données issus d'expériences in situ d'activation de failles et d'observations acquises sur des réservoirs crustaux. Il ou elle aura pour mission d'améliorer un code de simulation existant permettant de modéliser le cycle sismique et l'écoulement des fluides dans des réseaux de failles. Cet outil intégrera des données complémentaires (pression de fluide, volume injecté, déformation, observations géologiques et forages) afin de construire un modèle détaillé en 3D des failles. Le travail de thèse pourra aussi inclure du développement de code, par exemple pour optimiser les simulations 3D, ou des développements de méthodes de résolution de problèmes inverses visant à contraindre systématiquement des propriétés physiques des failles à partir de données géophysiques.
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Context:
Industrial activities associated with the energy transition—such as geological storage of CO₂ or hydrogen and deep geothermal energy—rely on fluid injection into the subsurface and can generate induced seismicity. These injections may also trigger aseismic slip along pre-existing faults, locally modifying the stress field. Unlike fluid pressure diffusion, such stress perturbations can propagate rapidly through fault networks and promote earthquake triggering at significant distances from the injection zone. Both seismic and aseismic slip processes are also responsible for changes in permeability, which lie at the very core of the objectives of industrial injection activities. Quantifying the spatial extent of aseismic slip and its interaction with seismic rupture therefore represents a major challenge for assessing induced seismic hazard and for the development of a clean and safe energy future. In this context, understanding the hydromechanical coupling between fluid pressure, fluid flow, and friction within connected fault networks is essential for analyzing the dynamics of induced earthquakes—particularly larger-magnitude events—and their effects on subsurface fluid circulation.

Project objectives:
This PhD project aims to investigate the role of fault network architecture and hydromechanical processes in controlling fluid-injection-induced seismicity. The primary objective is to develop and exploit a numerical model that consistently integrates:
• frictional slip (aseismic and seismic),
• fluid pressure evolution, and
• fault permeability variations,
in order to analyze the mechanisms of earthquake nucleation, propagation, and arrest, and their impact on reservoir permeability.

Methodology and approach:
Conventional seismic cycle models applied to induced seismicity often neglect the dynamic evolution of fluid pressure and the impact of hydromechanical interactions on fault rupture. To address this limitation, this project will use an advanced hydromechanical seismic cycle model that fully incorporates these interactions, recently developed by the supervising team. This model will enable a detailed investigation of stress and fluid-flow effects within fault networks. Results from these advanced simulations will be compared with simplified theoretical approaches, such as rate-and-state models describing the seismicity evolution of a population of secondary faults surrounding an aseismically slipping main fault.
In addition, a permeability evolution law will be implemented to account for variations in fault slip velocity. The model will be applied to experimental data and observations from crustal reservoirs to better understand the mechanisms underlying induced seismicity.
The PhD candidate will work with datasets from in situ fault-activation experiments and observations acquired in crustal reservoirs. Their role will include improving an existing simulation code designed to model the seismic cycle and fluid flow within fault networks. This tool will integrate complementary data (fluid pressure, injected volume, deformation, geological observations, and borehole data) to build a detailed 3D fault model. The PhD work may also involve code development—for example, to optimize 3D simulations—or the development of inverse-problem methods aimed at systematically constraining fault physical properties from geophysical data.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Côte d'Azur

364 SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées

Requises : Master en géophysique ou domaines connexes, expérience en modélisation géomécanique, esprit collaboratif, aisance en communication scientifique et rédaction technique (français et anglais). Souhaitées : Expérience en modélisation de la mécanique des failles ou hydromécanique, programmation scientifique, calcul haute performance, analyse mathématique/théorique de modèles, résolution de problèmes inverses.
Required: Master's degree in geophysics or related fields; experience in geomechanical modeling; strong collaborative skills; proficiency in scientific communication and technical writing (French and English). Preferred: Experience in fault mechanics or hydromechanical modeling; scientific programming; high-performance computing; mathematical/theoretical analysis of models; inverse problem solving.