Frictional Instabilities and Carbonation of Basalts Triggered by Injection of Pressurized H2O- and CO2- Rich Fluids

The safe application of geological carbon storage depends also on the seismic hazard associated with fluid injection. In this regard, we performed friction experiments using a rotary shear apparatus on precut basalts with variable degree of hydrothermal alteration by injecting distilled H2O, pure CO2, and H2O + CO2 fluid mixtures under temperature, fluid pressure, and stress conditions relevant for large-scale subsurface CO2 storage reservoirs. In all experiments, seismic slip was preceded by short-lived slip bursts. Seismic slip occurred at equivalent fluid pressures and normal stresses regardless of the fluid injected and degree of alteration of basalts. Injection of fluids caused also carbonation reactions and crystallization of new dolomite grains in the basalt-hosted faults sheared in H2O + CO2 fluid mixtures. Fast mineral carbonation in the experiments might be explained by shear heating during seismic slip, evidencing the high chemical reactivity of basalts to H2O + CO2 mixtures

Experimental study of seismic rupture

Les phénomènes de ruptures dynamiques, incluant les tremblements de terre, peuventêtre observés de l’échelle atomique jusqu’à l’échelle des failles crustales sismogéniques.Les ruptures dynamiques sont généralement induites par une diminution de la résistancedes failles quand le glissement et la vitesse de glissement augmentent. Au coursde ce travail de thèse, nous avons utilisé des méthodes expérimentales novatrices permettantde reproduire des micro-tremblements de terre en laboratoire (Stick-Slip) dans desconditions de pression proche de la réalité. Les expériences utilisées nous ont permisd’explorer différents stades du cycle sismique, depuis l’activité précurseur des microséismes,la propagation de la rupture, jusqu’à l’endommagement cosismique au niveaude la zone de glissement. Les résultats expérimentaux ont été comparés avec des observationssismologiques et la théorie de la mécanique de la fracture élastique linéaire. Laplupart des résultats présentés ici suggèrent que le paramètre controllant la complexitédes mécanismes de rupture est l’état de contrainte initial. Pour résumer, une augmentationde la contrainte initiale induit (i) l’apparition de précurseurs pendant la phase denucléation, (ii) la transition entre des ruptures de type sub-Rayleigh et supershear, (iii)l’activation de mécanismes d’affaiblissement pendant les séismes, (iv) une augmentationde l’endommagement pendant le glissement sismique.Dynamic rupture phenomena, including earthquakes, can be observed from the atomicscale up to the scale of seismogenic crustal faults. Dynamic ruptures are generatedbecause fault strength drops with increasing slip and slip-rate. During this PhD,we used experimental methods allowing reproduction of earthquakes at the scale of thelaboratory under crustal stress conditions. Experiments used allowed the study of differentstages of the seismic cycle, from the nucleation to the propagation of the seismicrupture, and to study the energy budget of laboratory earthquakes. Experimental resultswere compared to natural observations and to current theory. Most of the results presentedin this manuscript tend to show that the main parameter controlling the complexityof rupture processes is the stress acting on the fault plane. To summarize, increasingnormal stress leads to (i) the occurence of foreshocks during the onset of instability, (ii)the transition between sub-Rayleigh and supershear ruptures, (iii) the activation of weakeningmechanisms during faulting, (iv) the increase of damage along the fault duringearthquakes