Continuous formulation of implicit structural modeling discretized with mesh reduction methods

par Julien Renaudeau

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Guillaume Caumon, Bruno Lévy et de Frantz Maerten.

Le président du jury était Dominique Bechmann.

Le jury était composé de Florian Wellmann, Julie Digne, Sophie Viseur, Laetitia Le Pourhiet.

Les rapporteurs étaient Florian Wellmann, Julie Digne.

  • Titre traduit

    Formulation continue du problème de modélisation implicite de structures géologiques discrétisée avec des méthodes de réduction de maillage


  • Résumé

    La modélisation structurale consiste à approximer les structures géologiques du sous-sol en un modèle numérique afin d'en visualiser la géométrie et d'y effectuer des calculs d'estimation et de prédiction. L'approche implicite de la modélisation structurale utilise des données de terrain interprétées pour construire une fonction volumétrique sur le domaine d'étude qui représente la géologie. Cette fonction doit honorer les observations, interpoler entre ces dernières, et extrapoler dans les zones sous-échantillonnées tout en respectant les concepts géologiques. Les méthodes actuelles portent cette interpolation soit sur les données, soit sur un maillage. Ensuite, le problème de modélisation est posé selon la discrétisation choisie : par krigeage dual sur les points de donnée ou en définissant un critère de rugosité sur les éléments du maillage. Dans cette thèse, nous proposons une formulation continue de la modélisation structurale par méthodes implicites. Cette dernière consiste à minimiser une somme de fonctionnelles arbitraires. Les contraintes de donnée sont imposées avec des fonctionnelles discrètes, et l'interpolation est contrôlée par des fonctionnelles continues. Cette approche permet de (i) développer des liens entre les méthodes existantes, (ii) suggérer de nouvelles discrétisations d'un même problème de modélisation, et (iii) modifier le problème de modélisation pour mieux honorer certains cas géologiques sans dépendre de la discrétisation. Nous portons également une attention particulière à la gestion des discontinuités telles que les failles et les discordances. Les méthodes existantes nécessitent soit la création de zones volumétriques avec des géométries complexes, soit la génération d'un maillage volumétrique dont les éléments sont conformes aux surfaces de discontinuité. Nous montrons, en explorant des méthodes sans maillage locales et des concepts de réduction de maillage, qu'il est possible d'assurer l'interpolation des structures tout en réduisant les contraintes liées à la gestion des discontinuités. Deux discrétisations de notre problème de minimisation sont suggérées : l'une utilise les moindres carrés glissants avec des critères optiques pour la gestion des discontinuités, et l'autre utilise des fonctions issues de la méthode des éléments finis avec le concept de nœuds fantômes pour les discontinuités. Une étude de sensibilité et une comparaison des deux méthodes sont proposées en 2D, ainsi que quelques exemples en 3D. Les méthodes développées dans cette thèse ont un grand impact en termes d'efficacité numérique et de gestion de cas géologiques complexes. Par exemple, il est montré que notre problème de minimisation au sens large apporte plusieurs solutions pour la gestion de cas de plis sous-échantillonnés et de variations d'épaisseur dans les couches stratigraphiques. D'autres applications sont également présentées tels que la modélisation d'enveloppe de sel et la restauration mécanique.


  • Résumé

    Implicit structural modeling consists in approximating geological structures into a numerical model for visualization, estimations, and predictions. It uses numerical data interpreted from the field to construct a volumetric function on the domain of study that represents the geology. The function must fit the observations, interpolate in between, and extrapolate where data are missing while honoring the geological concepts. Current methods support this interpolation either with the data themselves or using a mesh. Then, the modeling problem is posed depending on these discretizations: performing a dual kriging between data points or defining a roughness criterion on the mesh elements. In this thesis, we propose a continuous formulation of implicit structural modeling as a minimization of a sum of generic functionals. The data constraints are enforced by discrete functionals, and the interpolation is controlled by continuous functionals. This approach enables to (i) develop links between the existing methods, (ii) suggest new discretizations of the same modeling problem, and (iii) modify the minimization problem to fit specific geological issues without any dependency on the discretization. Another focus of this thesis is the efficient handling of discontinuities, such as faults and unconformities. Existing methods require either to define volumetric zones with complex geometries, or to mesh volumes with conformal elements to the discontinuity surfaces. We show, by investigating local meshless functions and mesh reduction concepts, that it is possible to reduce the constraints related to the discontinuities while performing the interpolation. Two discretizations of the minimization problem are then suggested: one using the moving least squares functions with optic criteria to handle discontinuities, and the other using the finite element method functions with the concept of ghost nodes for the discontinuities. A sensitivity analysis and a comparison study of both methods are performed in 2D, with some examples in 3D. The developed methods in this thesis prove to have a great impact on computational efficiency and on handling complex geological settings. For instance, it is shown that the minimization problem provides the means to manage under-sampled fold structures and thickness variations in the layers. Other applications are also presented such as salt envelope surface modeling and mechanical restoration.


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