Global compilation and analysis of fault zone permeability

Fault zones are a ubiquitous part of the of the Earth’s brittle crust, influencing a wide range of processes including hydrothermal circulation, ore deposition, crustal strength, and seismicity. However, despite the large amount of drilling and in situ hydraulic testing worldwide, there are no comprehensive summary statistics and analyses of fault permeability. The objective of my PhD research was to develop an improved understanding of fault zone permeability at the crustal scale through data analysis and field research.The initial statistical analysis was done to investigate the biases and trends in observations in fault zones in various geoscience disciplines. The revised database is 429 datasets (at 364 locations), and it enabled a more complete statistical description of trends and distributions of the permeability with depth, and between different rock types. The permeability ratio (fault zone / protolith) is used as a metric to describe crustal permeability variation. The average of this ratio value varies from +2 to +3 orders of magnitude over the 10 km depth range. The maximum ratio value occurs at shallow depths, between 1 and 3 km. From the bulk permeabilities, mostly from in situ drillhole tests, the depth-distribution of permeability was synthesized. In the upper few kilometres of the crust, fault zones serve as fluid conduits (bulk permeability >10-17 m2 threshold). The distribution of world-wide fault permeability values, when compared to the geothermal-metamorphic curve that represents the trend for time-averaged metamorphic fluid fluxes, is consistent with the trend over depth in fault zone permeability. This finding implies that fault zones control and serve as large-scale fluid conduits through the metamorphic crust in tectonically active regions at least. Another important and new result was a significant and relatively good correlation (r2 = 0.5 to 0.8) between the bulk permeability of the fault zone (mostly the damage zone) and the surrounding protolith in most rock types considered here, but not in coarse siliciclastic rocks. This empirical relationship may be used to predict the permeability of fault zones from the permeability of the protoliths and depth in the brittle crust, in the absence of other data. The thesis also includes original field-based research (Gryphon uranium deposit). A wide (>350 m) fault zone was tested for matrix permeability in drillcore (>700 drillcore samples). The fractured fault damage zone accounts for most of the transmissivity (67%), but the enhanced porosity from rock alteration acts to magnify the conduit of the damage zone. The ability to separate the permeability and transmissivity into components within highly heterogeneous fault zone is a step forward in better understanding the permeability structure of faults, but it requires a large number of tests, such as presented here. My results suggests that present-day permeability of fault zones, where adequately "preserved", offer direct insights into past fluid flow and paleo-permeability.Les zones de failles sont omniprésentes dans la croûte fragile de la Terre, exerçant une influence sur un large éventail de processus, dont la circulation hydrothermale, la formation de gisements de minerai, la résistance de la croûte et la sismicité. Malgré de nombreux forages et essais hydrauliques in situ dans le monde entier, il n’existe pas de statistiques sommaires ou d’analyses exhaustives sur la perméabilité des failles. L’objectif de mes travaux de doctorat était d’établir une meilleure compréhension de la perméabilité des zones de faille à l’échelle de la croûte terrestre par l’analyse des données et des travaux de recherche sur le terrain.Une première analyse statistique se penche sur les biais et tendances dans les observations sur les zones de faille dans diverses disciplines géoscientifiques. La nouvelle base de données passe ainsi à 429 ensembles de données (sur 364 emplacements) et permet une description statistique plus complète des tendances et de la répartition de la perméabilité en fonction de la profondeur et pour différents types de roches. Le rapport de perméabilités (zone de faille/protolithe) est utilisé comme mesure de la variabilité de la perméabilité de la croûte. La moyenne de ce rapport varie sur de 2 à 3 ordres de grandeur sur les 10 km de profondeur de la croûte fragile. La valeur maximum de ce rapport est observée à faible profondeur, entre 1 km et 3 km. Une synthèse de la distribution de la perméabilité en fonction de la profondeur est produite à partir de perméabilités globales obtenues principalement d’essais de forage in situ. Dans les quelques kilomètres supérieurs de la croûte, les zones de faille servent de conduits pour l’écoulement des fluides (perméabilité globale >10-17 m2). La distribution des valeurs de perméabilité des failles à l’échelle mondiale, comparée à la courbe géothermique-métamorphique qui représente la tendance des flux de fluides métamorphiques à moyenne temporelle, concorde avec la tendance de la perméabilité des zones de faille en fonction de la profondeur. Elle ne concorde pas avec la seule perméabilité du protolithe, qui définit aussi une tendance décroissante en fonction de la profondeur. Cette constatation indique que les zones de faille servent de conduits à grande échelle pour l’écoulement des fluides à travers la croûte métamorphique à tout le moins dans les régions tectoniquement actives. Un autre nouveau résultat important est la présence d’une corrélation significative et relativement bonne (r2 = 0,5-0,8) entre la perméabilité globale des zones de faille (des zones endommagées principalement) et des protolithes environnants dans la plupart des types de roches considérés, mais non dans les roches silicoclastiques à grains grossiers. Cette relation empirique peut être utilisée pour prédire la perméabilité de zones de faille à partir de la perméabilité des protolithes et de la profondeur dans la croûte fragile, en l’absence d’autres données. La thèse présente également les résultats de travaux de terrain originaux (le gisement d’uranium de Gryphon). Des essais sur des carottes de forage (>700 échantillons) ont été réalisés pour déterminer la perméabilité matricielle dans une large zone de faille (>350 m). La zone endommagée fissurée de la faille explique la majeure partie de la transmissivité (67 %). Cette augmentation de la porosité due à l’altération de la roche a pour effet d’amplifier le comportement de conduit de la zone endommagée. La capacité de séparer en différents composants la perméabilité et la transmissivité à l’intérieur d’une zone de faille très hétérogène constitue une avancée vers une meilleure compréhension de la structure de perméabilité des failles, mais nécessite un grand nombre d’essais, à l’instar de ce qui est présenté ici. Mes résultats donnent à penser que la perméabilité actuelle des zones de faille, là où elle est bien « préservée », ouvre une fenêtre directe sur l’écoulement passé de fluides et la paléoperméabilité