Alteration of Wall Rocks by CO₂-Rich Water Ascending in Fault Zones: Natural Analogues for Reactions Induced by CO₂ Migrating Along Faults in Siliciclastic Reservoir and Cap Rocks

Altération des roches, dans des zones de failles, par des eaux ascendantes riches en CO₂ : analogues naturels pour les réactions provoquées par la migration du CO₂ le long des failles, dans les réservoirs silici-clastiques et dans les couvertures

Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

Corresponding author: f.may@bgr.de

Abstract

The recent tectonic activity of the Rhenish Massif is associated with the discharge of CO₂-rich fluids of mantle origin. Ascending CO₂ dissolves in groundwater of the fractured sedimentary rocks of the Variscan basement. Alteration reactions have been derived from petrological analyses of wall rocks, fluid chemistry, and thermodynamic modelling. The principle reaction is the alteration of chlorite and feldspar to kaolinite, Fe-carbonate, quartz, and bicarbonate water. Fluid flow rates, temperatures, depths, groundwater residence times, rock types, and reaction products vary among the natural systems studied. Reaction conditions can be constrained by comparison of natural parameter variations with thermodynamic reaction progress simulations. Depending on the degree of reaction progress, either porosity enhancement due to dissolution of primary minerals or porosity reduction, and eventually even self-sealing of fractures can occur within the same rock.

Résumé

L'activité tectonique récente dans le massif Rhénan est accompagnée de la migration d'eaux riches en CO₂, d'origine mantellique. Lors de son ascension, le CO₂ se dissout dans les eaux interstitielles des roches sédimentaires fracturées du substratum varisque. Les réactions d'altération sont connues à partir des analyses pétrologiques des roches exposées dans les parois de faille, de la composition chimique des fluides et de la modélisation thermodynamique. La réaction principale est l'altération de la chlorite et du feldspath en kaolinite, carbonate de fer, quartz et eau bicarbonatée. Les vitesses d'écoulement, les températures, les profondeurs, les temps de résidence des eaux souterraines, les types de roche et le produit des réactions diffèrent selon les systèmes naturels étudiés. Les conditions de réaction peuvent être contraintes en comparant les variations naturelles des paramètres et la progression des réactions dans les simulations thermodynamiques. Selon le degré d'avancement des réactions, une augmentation de la porosité induite par la dissolution des minéraux primaires, ou au contraire une réduction de la porosité pouvant atteindre la cicatrisation complète des fractures, peuvent se développer dans la même roche.