Sealing in fracture networks, models and hydrological consequences

L’état naturel des fractures dans les milieux rocheux cristallins a un impact hydrologique important car elles y constituent les seuls conduits qui existent. Les données de terrain indiquent souvent qu’une large proportion de fractures est cependant colmatée par des processus physico-chimiques, et est donc imperméable aux écoulements. C’est le cas par exemple du site de Forsmark, futur site d’enfouissement de déchets nucléaires en Suède, pour lequel les données de carottes de puits révèlent qu’environ 75-80% des fractures sont colmatées. La manière dont les surfaces de fractures colmatées sont distribuées dans un réseau de fractures (en fonction de la taille, des orientations, etc.) est une question critique puisqu’elle peut drastiquement changer la connectivité de ces ensembles et l’organisation des écoulements. La première partie de ces travaux porte sur l’étude de la distribution du colmatage à partir de modèles numériques. Une problématique est de disposer de modèles numériques assez simples pour qu’ils puissent être appliqués à l’étude de larges réseaux de fractures. Nous montrons qu’une structure de graphe (faite de nœuds et de liens) peut être utilisée pour simplifier les modèles de réseaux de fractures (DFN) et calculer directement les flux. Ensuite, nous étudions son utilisation pour modéliser un processus de transport réactif engendrant de la précipitation au niveau des parois des fractures. Nous montrons que l’hétérogénéité des flux à l’échelle du réseau peut créer des corrélations entre les taux de précipitation et la taille de fracture. La seconde partie évalue la distribution du colmatage à partir des données de terrain du site de Forsmark. Les analyses statistiques montrent d’abord une forte corrélation entre le caractère ouvert ou colmaté des fractures et la contrainte normale appliquée au plan de fracture, ce qui indique un contrôle d’ordre mécanique. Ce contrôle mécanique est approfondi par une analyse des pressions de fluides, qui peuvent avoir amené les fractures à la réactivation. Les résultats indiquent que leur rôle n’est pas à négliger. Enfin, en utilisant la modélisation DFN, nous analysons les conséquences hydrologiques de la corrélation avec la contrainte normale identifiée précédemment. Nous montrons que cette corrélation ne permet pas à elle seule d’expliquer l’organisation des flux mesurée dans les puits de Forsmark et qu’une corrélation avec la taille de fracture doit nécessairement être prise en compte.Fracture networks have a major impact on crystalline rocks' hydraulic properties because they constitute the only flowing paths. Field data often point out that a large proportion of the network is however sealed by physico-chemical processes and thus is impermeable. For example, at the Forsmark site (Sweden), future deep nuclear waste repository, the core-log data indicate that 75-80 % of fractures are sealed. The way sealed surfaces are distributed in fracture networks (in terms of fracture size, orientation, etc) is critical because it can drastically change the connectivity and the flow organization. In the first part, we study how the sealing distribution can be constrained by numerical models. The aim is to have models that are simple enough to be applied to large fracture networks. We show that a graph structure (made of nodes and edges) can be used to simplify fracture networks models (DFN) and to compute the flows directly. Then, we use it to model a sealing process coupled to the flows. The results demonstrate that the flow heterogeneity at the network scale creates correlations between sealing rates and fracture sizes. In the second part, we evaluate the sealing distribution from Forsmark core-log data. The statistical analyses show a strong correlation between the proportion of open fractures and the normal stress, indicating a mechanical control. This mechanical control is further deepened by an analysis of fluid pressures, which can cause fracture reactivation. The results reveal their significant role. Finally, we evaluate the hydrological consequences of the measured correlation with the normal stress, by using DFN models. We show that this correlation can not itself explain the flow organization measured in Forsmark boreholes and that a correlation with fracture sizes must be considered