Fault Permeability and Strength Evolution Related to Fracturing and Healing Episodic Processes (Years to Millennia): the Role of Pressure Solution

Évolution de la perméabilité et de la résistance des failles associée à des processus épisodiques de fracturation et colmatage (années - millénaires) : le rôle de la dissolution cristallisation sous contrainte

LGIT, Observatoire, Université Joseph Fourier - CNRS, Maison des Géosciences, rue de la Piscine, 38041 Grenoble - France

Abstract

It is well known that fluids flow through faults and fractures but it is also demonstrated that fault zones act as impermeable barriers. Consequently, one must consider that faults are successively open and closed paths for fluids. On the human-activity time scale (years to millennia), studies of the seismic cycle offer the possibility of making a model of such evolution. According to this model, seismic (or hydraulic) fracturing opens fluid paths almost instantaneously through the faults with associated weakening and post-fracturing creep processes. Fault healing processes then progressively close such fluid paths, associated with fault strengthening and fluid pressure recovery. Such transient behaviors have major consequences in the studies of:

• the evolution of permeability along faults with application tooil-field reservoir exploitation and fluid and waste storage;

• the evolution of fluid fluxes along faults with application to mass balance and climate evolution on the scale of the earth;

• the timing of earthquakes and the probability of their occurrence.

The aim is to understand and evaluate the kinetics of the processes and the specific characteristic times of the fracturing and healing cycles. Results from laboratory experiments and natural fault studies are presented that show how pressure solution processes can explain both creep and sealing processes and the way they are associated in nature. The various fault-healing processes are discussed with their various characteristics in times from weeks to millennia. It is shown how they can be integrated into creep and sealing laws. Laboratory experiments give the values of some parameters of the laws (kinetics, thermodynamic). Other parameters must always be evaluated from the study of natural structures (geometry of path transfer, pressure and temperature conditions, nature of minerals and fluids). Consequently, the duration of the fracturing and sealing cycle is related to some extent to the geological context of a faulted area. Finally, as the mechanisms of permeability and strength evolution interact and occur on various scales of time and space, they must be integrated into numerical models, which are briefly discussed.

Résumé

Il est bien connu que les fluides circulent le long des failles, mais il est aussi démontré que les failles se comportent en barrières imperméables. Il faut donc considérer que les failles puissent être successivement des chemins ouverts et fermés. À l’échelle de temps des activités humaines (années à millénaires), l’étude du cycle sismique offre la possibilité de construire un modèle de telles évolutions. Selon ce modèle, la fracturation sismique (ou hydraulique) ouvre les chemins des fluides de manière quasi-instantanée le long des failles avec des processus d’amollissement et de fluage post-fracturation. La fermeture de ces chemins de fluide par cicatrisation de la faille est beaucoup plus progressive, associée à un durcissement et une reconstitution de pression des fluides. De tels comportements transitoires ont des conséquences majeures dans les études :

• de l’évolution de la perméabilité le long des failles, avecapplication à l’exploitation de réservoirs pétroliers et auxstockages de fluides et de déchets;

• de l’évolution des flux de fluides le long des failles avec application au bilan des échanges et à l’évolution du climat à l’échelle de la terre;

• du temps de retour des séismes et de la probabilité de leur occurrence.

Le but est de comprendre et d’évaluer la cinétique des processus et donc les temps caractéristiques spécifiques des cycles de fracturation et de colmatage. Des résultats d’expériences de laboratoire et d’étude de failles naturelles sont présentés qui montrent comment des processus de dissolution cristallisation sous contrainte peuvent expliquer à la fois les processus de fluage et de colmatage, et la façon dont ils sont associés dans la nature. Les divers processus de cicatrisation des failles sont discutés, avec leurs temps caractéristiques très variés de quelques semaines à des millénaires. On montre comment ils peuvent être intégrés dans des lois de fluage et de colmatage. Les expériences de laboratoire en donnent les valeurs de certains paramètres (cinétiques, thermodynamiques). D’autres paramètres de ces lois doivent cependant toujours être évalués à partir d’études de structures naturelles (géométrie des chemins de transfert, conditions de pression et température, nature des fluides et des minéraux). Ainsi, la durée des cycles de fracturation et colmatage est reliée, d’une certaine façon, au contexte géologique de la zone de faille. Finalement, comme ces processus d’évolution de perméabilité, de pression fluide et de résistance mécanique interagissent et se produisent à différentes échelles de temps et d’espace, ils doivent être intégrés dans des modèles numériques qui sont brièvement discutés.