Détermination de la porosité des zones endommagées autour des failles et rôle de l'état du matériau sur les propriétés d'échange fluides-roches : Minéralogie, structures de porosité, caractéristiques mécaniques

par Fabrice Surma

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'univers. Pétrophysique

Sous la direction de Yves Géraud.

Soutenue en 2003

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .

mots clés

• Pétrologie
• Géothermie -- Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin)
• Sols -- Porosité
• Granite
• Roches -- Fracturation
• Argile

Résumé

Ce travail de thèse montre que la structure d'une zone de faille (une gouge entourée par une zone endommagée) est la même dans deux sites différents malgré leur mode de formation : le premier en extension (Soultz-sous-Forêts, projet HDR, France) et le second en compression (faille de Nojima, Kobe, Japon). A partir des observations pétrographiques, une étude de la porosité et des propriétés physiques, un modèle de circulation de fluide dans un granite altéré et fracturé prenant en compte l'évolution de la pression fluide et les processus de dissolution-précipitation au cours d'un séisme est proposé. Dans le cas du contexte en extension, la période intersismique est associée à l'ouverture des fractures dans la zone endommagée de la faille et à une augmentation de la porosité due à l'altération du matériau. Au cours du séisme, les fractures se ferment et le fluide est expulsé. Dans le cas de la compression, la période intersismique est associée à la fermeture des fractures dans la matrice et l'expulsion des fluides vers la faille alors qu'au cours du séisme les fractures s'ouvrent à cause de l'augmentation de la pression fluide. Ainsi, il existe une constante compétition entre les processus qui permettent de créer de fortes perméabilités dans un système et ceux qui tendent à réduire la perméabilité. Ces processus (contraintes, précipitation de minéraux, variation de la pression fluide. . . Etc) sont les mêmes dans les deux contextes, mais ils n'interviennent pas au même moment pendant un séisme.

Titre traduit

Porosity determination of damaged fault zones and role of rock state on fluid flow during fluid rock interactions. Mineralogy, porosity structures and mechanical properties

Résumé

Fault zone structure is characterized by a fault core (gouge, cataclasite, mylonite), a damage zone (small faults, fractures, veins fold) and a protolith. We can clearly describe these structures in the Soultz-sous-Forêts granite (HDR Project, France) and in the Nojima Fault zone (Kobe, Japan). This work shows us that the structures are the same ones in the two sites in spite of their different deformation mode : one in extension and the other in compression. We propose, starting from the petrographic observations, a study of porosity and physical properties, a fluid flow model in a altered and fractured granite, taking into account the evolution of the fluid pressure and the processes of dissolution-precipitation during an earthquake. In the case of extension, the intersismic period is associated to an opening of the fractures in the fault damaged zone and an increase in porosity due to the rock alteration. During the earthquake, the fractures are closed and the fluid is expelled. In the case of compression, the intersismic period is associated to the closing of the fractures in the matrix and the expulsion of the fluids towards the fault whereas during the earthquake the fractures open because of the fluid pressure increase. Thus, there is a constant competition between the processes which enhance permeability and those which tend to reduce it. These processes (stresses, mineral precipitation, fluid pressure variation. . . Etc) are the same ones in the various contexts, but they do not interfere at the same time during an earthquake.