Laboratory experiments of fluid injection–induced seismicity: insights on fault deformation using Vp/Vs, dilation, and fluid pressure monitoring

Over the last decades, deep geological repositories in phyllosilicate-rich formations have been considered promising candidates for radioactive waste disposal, and potential caprock for carbon storage and sequestration. The success of these projects relies on the long-term retention and sealing capacity for radionuclides and large volumes of injected CO2 within the repository. However, given the shallow depth of these geological deposits, the presence of faults and fractures can compromise their insulation capabilities. In Switzerland, the Opalinus Clay (OPA) formation, studied in the context of the Mont Terri Underground Laboratory (MTL) project, presents advantageous sealing properties. At the MTL, large scale fluid-injection experiments and recent excavation activities caused mechanical instability in the nearby faults, posing at risks the long-term confinement capabilities of the OPA Clay formation. In this context, the objective of this thesis is to study the frictional and hydromechanical properties of OPA Clay, through laboratory experiments at relevant boundary conditions for the study of deep geological repositories, induced seismicity, and active fault zones. These experiments were coupled with triaxial deformation tests conducted on sandstones, as analogue rocks of sand-rich units of OPA formation, to monitor the evolution of elastic properties during fluid-injection into the porous reservoir rocks. The first section of this work reveals that the increase in relative humidity weakens the OPA Clay fault gouge, decreasing its coefficient of sliding friction. Furthermore, the OPA Clay is suitable for stable aseismic slip, characterized by velocity-strengthening behaviour and low healing rates. Both frictional stability parameter (a-b) and fault dilatancy increase with sliding velocity at low normal stresses. As the normal stress increases, (a-b) and dilatancy are little to no dependent on sliding velocity. This change in mechanical response correspond to a change of deformation: from localized to distributed, with increase in normal stress. The second section of this work reveals that OPA Clay is extremely weak under fluid pressure conditions. For the first time the permeability is measured perpendicular to the fault slip direction on OPA Clay gouge, with extremely low values in line with previous measurements on gouge and intact core samples. Furthermore, either the frictional strength, stability parameter (a-b), and permeability of OPA Clay decrease in chorus with increase in effective normal stress, with only minor influence due to the pressurization conditions of the fault. The third and last section of this work reports ultrasonic measurements performed during triaxial deformation experiments on porous sandstones. In this case, it is observed that the exceptionally high P- to S-waves ratio (Vp/Vs) typically associated with overpressurized fluids in rock volumes, result from the combination of increased pore pressure during hydrostatic deformation and crack-induced anisotropies during non-hydrostatic deformation. This Ph.D. work could bring relevant insights for studies applied to carbon capture and storage, nuclear waste disposal, caprocks integrity, induced seismicity, and active fault zones.

Negli ultimi decenni, i depositi geologici profondi in formazioni ricche di fillosilicati sono stati considerati candidati promettenti per lo smaltimento di rifiuti radioattivi e potenziali trappole per lo stoccaggio e il sequestro del carbonio. Il successo di questi progetti si basa sulla capacità di trattenere e sigillare a lungo termine radionuclidi e grandi volumi di CO2 iniettati all'interno del deposito. Tuttavia, data la scarsa profondità di questi depositi geologici, la presenza di faglie e fratture ne può compromettere la capacità di isolamento. In Svizzera, la formazione di Opalinus Clay (OPA), studiata nell'ambito del progetto Mont Terri Underground Laboratory (MTL), presenta proprietà di tenuta vantaggiose. Presso il MTL, gli esperimenti di iniezione di fluidi su larga scala e le recenti attività di scavo hanno causato delle instabilità meccaniche nelle faglie vicine, mettendo a rischio le capacità di confinamento a lungo termine della formazione di OPA Clay. In questo contesto, l'obiettivo di questa tesi è studiare le proprietà di attrito e idromeccaniche dell'OPA Clay, attraverso esperimenti di laboratorio in condizioni al contorno rilevanti per lo studio dei depositi geologici profondi, della sismicità indotta e delle zone di faglia attiva. Questi esperimenti sono stati abbinati a prove di deformazione triassiale condotte su arenarie, come rocce analoghe alle unità ricche di sabbia della formazione OPA, al fine di monitorare l'evoluzione delle proprietà elastiche durante l'iniezione di fluidi nelle rocce serbatoio porose. La prima sezione di questo lavoro rivela che l'aumento dell'umidità relativa indebolisce il gouge di faglia dell'OPA Clay, diminuendone il coefficiente di attrito. Inoltre, il comportamento di velocity-strengthening, associato a bassi tassi di healing, suggerisce uno scivolamento stabile e asismico dell'OPA Clay. Sia il parametro di stabilità dell'attrito (a-b) che la dilatanza della faglia aumentano con la velocità di scorrimento a basse sollecitazioni normali. All'aumentare dello sforzo normale, (a-b) e la dilatanza sono poco o per nulla dipendenti dalla velocità di scorrimento. Questo cambiamento nella risposta meccanica corrisponde a un cambiamento della deformazione, da localizzata a distribuita, con l'aumento dello sforzo normale. La seconda sezione del presente lavoro rivela che l'OPA Clay è estremamente debole in condizioni di pressione dei fluidi. Per la prima volta è stata misurata la permeabilità perpendicolare alla direzione di scivolamento del gouge di faglia in OPA Clay, con valori estremamente bassi in linea con le precedenti misurazioni su gouge e campioni di carota intatti. Inoltre, la forza di attrito, il parametro di stabilità (a-b) e la permeabilità dell'argilla OPA Clay diminuiscono con l'aumento dello sforzo normale effettivo, con solo una minima influenza dovuta alle condizioni di pressurizzazione della faglia. La terza e ultima sezione di questo lavoro riporta le misure ultrasoniche eseguite durante esperimenti di deformazione triassiale su arenarie porose. In questo caso, si osserva che il rapporto eccezionalmente alto tra onde P e onde S (Vp/Vs), tipicamente associato a volumi di roccia sovrapressurizzati dai fluidi, deriva dalla combinazione dell'aumento della pressione dei pori durante la deformazione idrostatica e delle anisotropie indotte dalla fratturazione durante la deformazione non idrostatica. Questo lavoro di dottorato potrebbe portare approfondimenti rilevanti per gli studi applicati alla cattura e allo stoccaggio del carbonio, allo smaltimento delle scorie nucleari, all'integrità delle trappole geologiche, alla sismicità indotta e alle zone di faglia attive.