Experimental simulation of the seismic cycle in fault damage zones

par Frans Aben

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Mai-Linh Doan.

Soutenue le 18-11-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Forquin.

Le jury était composé de François Renard, Jean-Pierre Gratier, Tom M. Mitchell, Renaud Toussaint.

Les rapporteurs étaient Jean-François Molinari, Daniel R. Faulkner.

  • Titre traduit

    Simulation expérimentale du cycle sismique dans les zones endommagées des failles


  • Résumé

    Les séismes le long de grandes failles crustales représentent un danger énorme pour de nombreuses populations. Le mécanique de ces failles est influencé par des zones endommagées qui entourent le coeur de faille. La fracturation dans ces zones contrôle chaque étape du cycle sismique. En effet, cette zone contrôle la mécanique de la rupture sismique, elle est un conduit pour les fluides, réagit chimiquement sous l'effet de fluides réactifs, et facilite la déformation pendant les périodes post- et inter-sismiques. Dans cette thèse de doctorat, des expériences de laboratoire ont été réalisées pour mieux comprendre 1) la façon dont l'endommagement est généré pendant le chargement transitoire co-sismique, 2) comment l'endommagement permet de mieux contraindre le chargement co-sismique le long de grandes failles, et iii) comment les fractures peuvent se cicatriser au fil du temps et contrôler l'évolution de la perméabilité et de la résistance mécanique de la faille.L'introduction de la thèse propose une revue critique de la littérature sur la génération de dommages co-sismiques et en particulier sur la formation des roches pulvérisées. Le potentiel de ces roches comme marqueur des déformations co-sismiques est discuté. Bien que ces roches pulvérisées soient prometteuses pour ces aspects, plusieurs questions restent ouvertes.L'une de ces questions concerne les conditions de chargement transitoire nécessaires pour atteindre la pulvérisation. Le seuil de taux de deformation pour atteindre la pulvérisation peut être réduit par des endommagemments progressifs, au cours de ruptures sismiques successives. Des barres de Hopkinson ont été utilisées pour effectuer des chargements dynamique successifs d'une roche cristalline (monzonite). Les résultats montrent que le seuil pour atteindre la pulvérisation est réduit d'au moins 50% lorsque des chargements successives sont imposés. Cette thèse discute aussi pourquoi les roches pulvérisées sont presque toujours observées dans des roches cristallines et peu dans des roches sédimentaires poreuses. Pour comprendre cette observation, des expériences à haute vitesse de déformation ont été effectuées sur des grès de Rothbach. Les résultats montrent que la pulvérisation des grains eux mêmes ne se produit pas dans les grès. L'endommagement reste se produit principalement à une échelle supérieure à celle grains, et des bandes de compaction sont observées. La compétition entre l'endommagement inter- et intra-granulaire est expliquée par les paramètres microstructuraux en combinant deux modèles micromécaniques classiques. Les microstructures observées dans les grès peuvent se former dans le régime quasi-statiques et aussi dans le régime dynamique. Par conséquent, il est recommandée d'être prudent lors de l'interprétation du mécanisme de deformation dans les roches sédimentaires proches de la surface. La dernière question abordée durant la thèse est la cicatrisation post-sismique de fractures co-sismiques. Des expériences ont été réalisées pour cicatriser des fissures par précipitation de calcite. Le but est l'étude du couplage entre l'augmentation de résistance mécanique de la roche fissurée et l'évolution de la perméabilité. Les échantillons fracturées ont été soumis à des conditions de pression et températures similaires de la croûte supérieure et à une percolation d'un fluide sursaturé en calcite pendant plusieurs mois. Ce couplage non-existe dans les premières étapes de la cicatrisation. Il est révélé par l'imagerie par tomographie aux rayons X que le scellement naissant des fractures se produit dans les porosités situées en aval de barrières d'écoulement, et donc dans des régions qui ne touchent pas les principales voies d'écoulement du fluide. Le découplage entre l'augmentation de résistance de la roche et la perméabilité suggère que les zones d'endommagement peu profondes dans les failles actives peuvent rester des conduits actifs pour les fluides plusieurs années après un séisme.


  • Résumé

    Earthquakes along large crustal scale faults are a huge hazard threatening large populations. The behavior of such faults is influenced by the fault damage zone that surrounds the fault core. Fracture damage in such fault damage zones influences each stage of the seismic cycle. The damage zone influences rupture mechanics, behaves as a fluid conduit to release pressurized fluids at depth or to give access to reactive fluids to alter the fault core, and facilitates strain during post- and interseismic periods. Also, it acts as an energy sink for earthquake energy. Here, laboratory experiments were performed to come to a better understanding of how this fracture damage is formed during coseismic transient loading, what this fracture damage can tell us about the earthquake rupture conditions along large faults, and how fracture damage is annihilated over time.First, coseismic damage generation, and specifically the formation of pulverized fault damage zone rock, is reviewed. The potential of these pulverized rocks as a coseismic marker for rupture mechanisms is discussed. Although these rocks are promising in that aspect, several open questions remain.One of these open questions is if the transient loading conditions needed for pulverization can be reduced by progressively damaging during many seismic events. The successive high strain rate loadings performed on quartz monzonites using a split Hopkinson pressure bar reveal that indeed the pulverization strain rate threshold is reduced by at least 50%.Another open question is why pulverized rocks are almost always observed in crystalline lithologies and not in more porous rock, even when crystalline and porous rocks are juxtaposed by a fault. To study this observation, high strain rate experiments were performed on porous Rothbach sandstone. The results show that pervasive pulverization below the grain scale, such as observed in crystalline rock, does not occur in the sandstone samples for the explored strain rate range (60-150 s-1). Damage is mainly occurs at a scale superior to that of the scale of the grains, with intragranular deformation occurring only in weaker regions where compaction bands are formed. The competition between inter- and intragranular damage during dynamic loading is explained with the geometric parameters of the rock in combination with two classic micromechanical models: the Hertzian contact model and the pore-emanated crack model. In conclusion, the observed microstructures can form in both quasi-static and dynamic loading regimes. Therefore caution is advised when interpreting the mechanism responsible for near-fault damage in sedimentary rock near the surface. Moreover, the results suggest that different responses of different lithologies to transient loading are responsible for sub-surface damage zone asymmetry.Finally, post-seismic annihilation of coseismic damage by calcite assisted fracture sealing has been studied in experiments, so that the coupling between strengthening and permeability of the fracture network could be studied. A sample-scale fracture network was introduced in quartz monzonite samples, followed exposure to upper crustal conditions and percolation of a fluid saturated with calcite for several months. A large recovery of up to 50% of the initial P-wave velocity drop has been observed after the sealing experiment. In contrast, the permeability remained more or less constant for the duration of the experiment. This lack of coupling between strengthening and permeability in the first stages of sealing is explained by X-ray computed micro tomography. Incipient sealing in the fracture spaces occurs downstream of flow barriers, thus in regions that do not affect the main fluid flow pathways. The decoupling of strength recovery and permeability suggests that shallow fault damage zones can remain fluid conduits for years after a seismic event, leading to significant transformations of the core and the damage zone of faults with time.


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