Carottes de roche de l'est du Texas contenant des fractures. Les carottes montrent comment des fractures ouvertes peuvent accueillir des dépôts de ciment, qui peut fournir des indices sur l'environnement et le processus de fracture. Crédit :Lander et al.
Les fractures sont partout.
Ce sont les fissures du trottoir. Les failles dans les tranchées de route. Les textures d'araignées dans la brique et les rochers. Et ce ne sont que les fractures visibles à la surface. Sous la terre, les fractures peuvent s'étendre à travers les roches, créant des réseaux complexes qui s'étendent sur des kilomètres.
Comprendre comment les fractures se forment et où elles se situent sont des questions fondamentales en géosciences avec des implications importantes pour la vie quotidienne. Les fractures influencent la quantité de pétrole et de gaz pouvant s'écouler d'une zone de schiste. Ils peuvent contrôler où les eaux souterraines sont abondantes ou difficiles à trouver, et si le dioxyde de carbone injecté sous terre restera sur place ou s'échappera dans l'atmosphère où il peut contribuer au changement climatique.
La plupart des scientifiques ont cherché des réponses à ces questions par le biais d'observations souterraines et de recherches basées sur la mécanique. Mais ces approches n'ont pas réussi à répondre même aux questions de base sur les fractures plus profondes, environnements plus chauds. Répondre à ces questions est vital pour faire des prédictions plus précises des modèles de fractures souterraines et de meilleures décisions d'ingénierie.
Un groupe de recherche dirigé par l'Université du Texas à Austin remet en question le paradigme scientifique actuel en faisant valoir que la mécanique seule ne suffit pas. Pour faire avancer la recherche sur les fractures, les scientifiques doivent commencer à considérer le rôle de la chimie.
Stéphane Laubach, le chef du programme de fracture et de diagenèse à l'Université du Texas à Austin Jackson School of Geosciences' Bureau of Economic Geology, se dresse sur un affleurement de pierre de taille fracturée dans le parc national de Grand Teton. L'affleurement est un excellent analogue pour les réservoirs de gaz souterrains. Crédit :Ann Laubach
Les chercheurs ont publié un article en août 2019 dans la revue Avis sur la géophysique plaidant pour l'adoption d'une perspective chimique pour comprendre comment les modèles de fracture se développent. Par exemple, des recherches récemment publiées montrent que les minéraux qui tapissent l'intérieur des fractures peuvent enregistrer des preuves importantes sur le moment et la raison de la formation des fractures. Les revêtements cristallins peuvent également influencer le processus de fracturation lui-même. Analyse chimique, expérimentation, la modélisation, et la théorie ont le potentiel d'accroître la compréhension des scientifiques sur la façon dont les modèles de fracture se développent à différentes échelles de temps géologiques, a déclaré l'auteur principal Stephen Laubach, chercheur principal au Bureau de géologie économique de l'UT, une unité de recherche de la Jackson School of Geosciences.
"Ce sont des roches chaudes contenant un fluide chaud, ce sont donc des environnements extrêmement réactifs chimiquement, ", a déclaré Laubach.
Laubach est le chef du programme de fracture et de diagenèse au bureau et a co-écrit l'article avec 18 autres collaborateurs. Le document s'appuie sur les idées discutées lors d'un atelier de 2016 sur la chimie du développement de modèles de fracture parrainé par le ministère de l'Énergie Office of Basic Energy Sciences.
Des sommets des montagnes aux formations rocheuses de plusieurs kilomètres de profondeur, Les fractures sont les structures rocheuses les plus courantes dans de nombreux contextes géologiques. Leur simple abondance influence la force de la roche environnante et l'écoulement des fluides. Cependant, la simplicité superficielle des fractures est aussi ce qui en fait un problème si difficile à résoudre. Avec la mécanique et la géométrie seules, il est pratiquement impossible de distinguer les processus qui ont conduit à la formation d'une fracture par rapport à une autre. La chimie fournit le contexte nécessaire pour faire ces distinctions.
"Avec une simple fracture en mode d'ouverture, il aurait pu se former par tant de processus différents, " Laubach a dit. "Quand vous voyez une fracture dans un morceau de noyau, vous ne pouvez pas dire quand il s'est formé ou pourquoi il s'est formé, Plus précisément. Vous n'avez pas grand-chose à faire pour déduire quels sont les modèles loin du puits de forage."
Un réseau de fractures dans les montagnes d'Oman. Crédit :Laubach et al.
Dans le journal, les auteurs expliquent comment la chimie peut offrir plus de spécificité dans les facteurs qui façonnent les fractures, la recherche se concentrant sur les fractures qui se forment entre 1 et 10 kilomètres sous la surface.
Les fractures dans ces environnements hébergent fréquemment des gisements minéraux à l'intérieur de ceux-ci. Étant donné que différents minéraux se forment dans des conditions spécifiques, les revêtements minéraux servent d'enregistrement des environnements rocheux au fil du temps. Les minéraux eux-mêmes peuvent également avoir un impact à la fois sur le processus de fracturation et sur la mesure dans laquelle le fluide peut s'écouler à travers les réseaux de fractures.
Laubach a déclaré que l'analyse de la chimie des fractures a déjà conduit à d'importantes découvertes. Par exemple, Une étude du bureau a révélé qu'un réseau de fractures dans l'est du Texas se développe lentement et régulièrement depuis environ 50 millions d'années, bien plus longtemps que prévu. Et Abdulaziz Almansour, ancien élève de la Jackson School of Geosciences (qui a obtenu une maîtrise du programme des ressources énergétiques et terrestres de l'école en 2017) a récemment publié un article basé sur sa thèse de recherche qui utilise l'analyse chimique de la roche hôte pour prédire avec succès comment les fractures pourraient améliorer ou bloquer la production de pétrole selon qu'ils sont scellés par des ciments minéraux ou ouverts et capables de servir de conduits pour les hydrocarbures.
Cependant, malgré le grand potentiel de la chimie pour éclairer le comportement à la rupture, Laubach a déclaré qu'une approche chimique est encore une perspective relativement inhabituelle qui nécessite davantage de recherches à tous les niveaux.
"Nous soupçonnons que probablement toute une génération de travaux d'observation et d'expérimentation est nécessaire, soit avec des matériaux analogiques soit à des températures élevées en travaillant avec des réactions chimiques où des réactions telles que des précipitations se produisent, " dit-il. " Dans les années 60, il y avait une très grande poussée pour la mécanique des fractures liée au laboratoire. Je pense que nous sommes probablement dus pour un autre tour de cela."
Giovanni Bertotti, un chercheur en fracture qui n'a pas été impliqué dans la publication et le chef de la section de génie civil et géosciences à l'Université de technologie de Delft, a qualifié le journal de "jalon" et a déclaré qu'il s'attend à ce que l'article soit lu par un large éventail de personnes, tant dans le milieu universitaire que dans l'industrie.
"L'article de Laubach et al. est un aperçu exceptionnel des connaissances actuelles sur ces systèmes de fracture et une vision inspirante des défis futurs, " il a dit.
