Caractérisation et modélisation des écoulements fluides en milieu fissuré.<br />Relation avec les altérations hydrothermales et quantification des paléocontraintes. - Université de Lorraine Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1998

Characterization and model of fluid flows in fractured media. Links with the hydrothermal alterations and quantification of paleostresses.

Caractérisation et modélisation des écoulements fluides en milieu fissuré.
Relation avec les altérations hydrothermales et quantification des paléocontraintes.

Résumé

In all materials (rocks, concretes, ceramics, ...), the presence of fractures at different scales implies high permeability and often oriented fluid flows. These fluid circulations in fractures induce more or less intense fluid-rock interactions with mineral crystallisation and/or dissolution. These phenomena directly depend on the nature of the fluids and the rocks, the physical and chemical properties of the media and the rate of fluid renewal (permeabilities).
Usually, the development of such alterations leads to a massive sealing of the fractures (vein alterations) and of the fissures (fluid inclusion planes and microcracks, pervasive alteration). Therefore, their study brings us precious indications for the understanding of the mechanisms of fluid migrations in fossil systems.
A geometrical study of the fracture systems at micro or macroscopic scales, based on the spatial distribution of sealing minerals, is applied to two different granites: the Soultz-sous-Forêt granite (Bas - Rhin, France) and the Brézouard granite (Vosges, France). At the macroscopic scale, a new graphical method is proposed in order to study drilling data (Soultz granite). It allows to identify the presence of three independent mineral associations (quartz - illite, calcite-chlorite and hematite) in independent fracture systems characterised by a specific 3D geometry and hydraulic properties. These three types of vein alteration correspond to distinct and non contemporaneous fluid percolations.
At the microscopic scale, the reconstitution of crack opening - fluid percolation – crack sealing stages is delicate. However, the study of their geometrical characteristics (orientations, radius, volumic densities) and thereby the quantification of their porosities, exchange surfaces and permeabilities, allow to identify their respective roles in the fluid propagation. These microstructures, which are very numerous in granites, imply high but variable matrix permeabilities. This has been confirmed by the modelisation of the space-time evolution of the Brézouard granite crack permeability during fluid-rock interactions.
The two used permeability models (geometrical or statistical) remain very dependent on the definition of the characteristic opening of fracture or fissure. Real fractures in a rocky mass are characterised by non parallel, flat and thus overlapped walls. The study of these natural fracture surfaces at micro and macroscopic scale is completed by a theoretical modelisation of their hydro-mechanical behaviour. This work indicates the influence of the surface roughness on the fluid flow as well as the propagation of the alteration.
These fractures were formed and percolated under a particular tectonic regime that controls their orientation. Numerous quartz veins in the Soultz granite are opened and sealed during the Oligocene extension. The characteristic fluid pressure of these opening - sealing stages are quantified thanks to fluid inclusion studies. These inclusions are located in secondary quartz which seal the veins. A new method of paleostress quantification is proposed, based on the knowledge of this fluid pressure. It takes i) the geometrical distribution of the vein poles, ii) some empirical considerations of rupture criteria, and iii) the fluid pressures into account.
Dans tous les types de matériaux (roches cristallines, sédimentaires, bétons, céramiques, ...), la présence de fractures (à toutes échelles) implique une perméabilité généralement élevée et des écoulements fluides orientés. Ces circulations de fluides dans les fractures impliquent des interactions fluide - roche (dissolution cristallisation) plus ou moins intenses en fonction de la nature, des conditions physico-chimiques, et des taux de renouvellement des fluides donc des perméabilités. Ces phénomènes d'altération, qui se traduisent principalement par le colmatage des fractures (altération filonienne) et fissures (plans d'inclusions fluides et veinules, altération pervasive) sont des indices très précieux quant à la description des modalités et intensités des migrations fluides dans les systèmes fossiles.
Une étude géométrique des réseaux de fractures aux échelles micro et macroscopique, basée sur la répartition spatiale des minéraux de remplissage des fractures, a été réalisée et appliquée à deux granites différents: le granite de Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin, France) et le granite du Brézouard (Vosges, France). A l'échelle macroscopique, une nouvelle méthodologie d'étude des données de forage (graphes binaires cumulés) est présentée dans le cas du granite de Soultz. Elle permet d'identifier la présence de trois associations minérales (quartz-illite, calcite-chlorite et hématite) dans des réseaux de fractures ayant une géométrie 3D et des caractéristiques hydrauliques spécifiques. Ces altérations impliquent des systèmes de fractures différents, des modes d'altération distincts et non synchrones. A l'échelle microscopique, la reconstitution des séquences d'ouverture - percolation - colmatage des fissures est délicate. Cependant, l'étude de leurs caractéristiques géométriques (orientations, rayons, densités volumiques) et de ce fait de leurs porosités, surfaces d'échanges et perméabilités, permet de visualiser leurs rôles distincts dans la propagation des fluides. Ces microstructures sont très nombreuses dans les granites et peuvent impliquer des perméabilités élevées mais variables dans le temps. Ceci a été confirmé par le biais d'une modélisation de l'évolution spatio-temporelle d'une perméabilité de fissures suite à des interactions fluide-roche.
Les modèles de perméabilité utilisés (géométriques ou statistiques) dans les deux précédentes approches restent très dépendants de la définition de l'ouverture caractéristique des drains. Une fracture réelle dans une masse rocheuse est caractérisée par des épontes qui ne sont ni parallèles ni forcément imbriquées. L'étude de ces fractures naturelles, à échelle macro et microscopique, complétée par une modélisation plus théorique de leur comportement hydro-mécanique, a permis de mettre en évidence l'influence des rugosités de surface sur la propagation des écoulements fluides et donc des altérations.
Ces fractures sont formées et percolées sous l'influence de régimes tectoniques qui contrôlent leur orientation. A Soultz-sous-Forêts, un important système de veines de quartz témoigne d'une phase d'extension majeure à l'Oligocène. Ces fractures ont été successivement percolées et colmatées par des fluides. La pression fluide caractéristique de ces séquences d'ouverture-colmatage des fractures peut être contrainte par une étude microthermométrique des inclusions fluides présentes dans les quartz secondaires qui colmatent les veines. La prise en compte de i) la répartition géométrique des pôles des filons, ii) de considérations empiriques des critères de rupture, et iii) des pressions fluides, a permis finalement de mettre au point une méthodologie de quantification des tenseurs de paléocontraintes à l'origine du développement des systèmes filoniens à Soultz.
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Citer

Judith Sausse. Caractérisation et modélisation des écoulements fluides en milieu fissuré.
Relation avec les altérations hydrothermales et quantification des paléocontraintes.. Géologie appliquée. Université Henri Poincaré - Nancy I, 1998. Français. ⟨NNT : 1998NAN10306⟩. ⟨tel-00011716v2⟩
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