Modélisation sismo-hydro-mécanique de la réponse d’une faille à une injection de fluide

Fluid pressure changes into subsurface rocks affect fault stability, and can induce both earthquakes and aseismic deformation. Nonetheless, the interplay between fluid pressure, earthquakes and aseismic fault slip is unclear. Here, I investigate, with 3D seismo-hydro-mechanical modeling, the mechanisms behind seismic and aseismic deformation occurring on a single permeable fault governed by a slip-weakening friction law during fluid injection. The main objective is to understand how the fault responds to a fluid injection, and to identify what fault properties influence the seismic and aseismic behaviors that are observed in experiments and during large-scale fluid manipulations. Our model allows to test different fault pre-stress conditions as well as hydromechanical (initial permeability, dilation angle) and frictional (friction drop, critical slip distance) fault parameters. The simulations mainly result in the expansion of an aseismic region around the injection. Pronounced shear stresses are concentrated at the edge of this expanding zone, where seismicity is triggered due to this stress perturbation. We find that the seismicity follows the aseismic slip front rather than the fluid pressure diffusion front. The moment released during an injection simulation is mostly aseismic, with less than 5% of seismic deformation, consistent with observations in in-situ experiments (Guglielmi et al., 2015a; De Barros et al., 2018). The seismic moment increases mostly with an increase of the pre-stress and of the friction drop. It also increases in a smaller way with a decrease of the initial permeability and of the characteristic slip distance. Modifying these four fault parameters do not lead to an usual moment-injected fluid volume relationship (McGarr & Barbour, 2018; Galis et al., 2017). The b-value, which varies with these four parameters, shows a semi-logarithmic relationship with the seismic moment partition. Moreover, the pre-stress as well as the injection duration act on the maximum magnitude reached after injection stops. These results exhibit features observed in field injection experiments at the decametric scale and fluid manipulations at the reservoir scale. Therefore, these modeling studies can help understand and mitigate the seismic risk due to fluid injection in the subsurface.Les variations de pression de fluide lors d’une injection hydraulique dans une faille affectent la stabilité de la faille. Ainsi, elles peuvent engendrer du glissement sismique et asismique sur la faille. Cependant, les relations entre la pression de fluide, le glissement asismique et la sismicité sont encore mal comprises. Dans cette thèse, j’ai exploré, avec des modélisations 3D sismo-hydro-mécaniques, les mécanismes régissant la déformation sismique et asismique d’une faille perméable gouvernée par une loi de friction « slip-weakening » lors d’une injection ponctuelle. L’objectif principal de ce travail est de mieux comprendre comment une faille répond à une injection de fluide, et aussi d’identifier les propriétés des failles qui contrôlent les comportements sismiques et asismiques observés dans des expériences in-situ et lors de manipulations de fluides en profondeur dans des réservoirs géologiques. Le modèle permet de tester différents états de contraintes sur la faille, et aussi de tester l’influence de différents paramètres hydromécaniques (perméabilité initiale, angle de dilatance) et frictionnels (chute de friction, distance caractéristique de glissement) sur la réponse hydromécanique de la faille. Un glissement asismique de forme elliptique, croissant au cours de l’injection, est observé dans les différentes simulations. Les contraintes cisaillantes s’accumulent au bord de ce patch asismique, ce qui induit des événements sismiques. Dans cette série de simulations, la sismicité suit le front de glissement asismique plutôt que le front de diffusion de pression. La déformation relâchée au cours d’une simulation est majoritairement asismique, avec un moment sismique inférieur à 5% du moment total, conformément aux observations sismologiques acquises lors d’expérience in situ (Guglielmi et al., 2015a; De Barros et al., 2018). Les résultats des modèles montrent aussi que le moment sismique augmente principalement avec une augmentation de la proximité initiale des contraintes à la rupture de la faille et avec la chute de friction, mais aussi, d’une moindre manière, avec une diminution de la perméabilité et de la distance caractéristique de glissement. Modifier la valeur de ces quatre paramètres ne permet pas de reproduire les relations classiques du moment et du volume de fluide injecté (McGarr & Barbour, 2018 ; Galis et al., 2017). Les variations de la b-value avec ces quatre paramètres suivent une relation semi-logarithmique avec la partition sismique du moment. De plus, l’état de contrainte avant l’injection ainsi que la durée de l’injection influent sur la magnitude maximale observée après l’arrêt de l’injection. Ces résultats montrent des caractéristiques observées lors d’expériences d’injection in-situ dans des réservoirs à échelle décamétrique et kilométrique. Ainsi, ces résultats peuvent contribuer à mieux comprendre et anticiper le risque sismique lors d’une injection de fluide en profondeur