Störungszonen in den karbonatischen Wechselfolgen des Muschelkalks (Mittlere Trias) sind potenzielle Ziele für hydrothermale Projekte im Oberrheingraben (ORG). Es wurden verschiedene Methoden miteinander kombiniert, um die Permeabilitäts-Strukturen solcher Störungszonen, deren Spannungszustände und lokale Spannungsfelder abzuschätzen. Diese Arbeit kann damit zur Exploration von störungsgebundenen Muschelkalk-Reservoiren im ORG beitragen. Sie vergleicht diese mit einem bereits erfolgreich getesteten (störungsgebundenen) hydrothermalen Reservoir, den Sandsteinen des Buntsandsteins. Um für den Muschelkalk die Charakteristika von Störungszonen zu definieren und die zugehörige Permeabilitätsstruktur abzuschätzen, wurden verschiedene Störungszonentypen (z.B. Abschiebungen, invertierte Störungszonen, Schrägabschiebung) mit unterschiedlichen Maßstäben (Versatz: mittel-skalig 1-10 m, groß-skalig >10 m) detailliert untersucht. Eine Aufschlussanalogstudie zu einer groß-skaligen Störungszone (Schrägabschiebung) in dickbankigen Sandsteinen (Buntsandstein, Untere Trias) wurde zum Vergleich herangezogen. Der besondere Schwerpunkt lag jeweils auf der Charakterisierung von Bruchzone und Störungskern sowie des assoziierten Bruchsystems (Bruchdichte, Öffnungsweitenverteilung, Vernetzungsgrad, vertikale Ausdehnung). Die Daten zeigen, dass Bruchsysteme in eher homogenen Einheiten einen positiven Effekt auf die Reservoir-Permeabilität haben. Sie bieten, vor allem in der Nähe des Störungskerns, potenzielle Fließwege auch über mehrere Schichten und zeigen eine starke Vernetzung zwischen vergleichsweise kurzen Brüchen. Im Gegensatz dazu scheinen störungsgebundene Bruchsysteme in Einheiten mit einer starken mechanischen Schichtung einen geringeren Einfluss auf die Reservoirpermeabilität zu haben. Störungskerne zeigen stellenweise eine signifikante Komplexität, da sie vor allem abdichtende aber stellenweise auch durchlässige Strukturen aufweisen. Groß-skalige Störungszonen (im Reservoir-Maßstab) lassen sich für beide potenzielle Reservoirhorizonte am besten als kombinierte Barriere-Leiter-Systeme beschreiben. Diese Barriere-Leiter-Systeme zeichnen sich durch ein potenziell hydraulisch durchlässiges Bruchsystem in der Bruchzone (und im Buntsandstein zusätzlich in der Übergangszone) sowie einen schwach durchlässigen bis abdichtenden Störungskern aus. Um die Kenntnisse zum lokalen Spannungsfeld in Störungszonen im geschichteten Muschelkalk (Reservoirtiefe: 2.900 m) zu verbessern, wurden mit der Finite-Elemente-Software COMSOL Multiphysics® numerische 3D-Modelle erstellt. Es wurden deutliche Unterschiede des lokalen Spannungsfelds in Abhängigkeit von (1) der Orientierung, (2) dem Einfluss der maximalen Horizontalspannung SH im Spannungsregime, (3) Störungszonen-Maßstab und (4) den Kontrasten der mechanischen Eigenschaften festgestellt. In Spannungsregimen mit starker horizontaler Kompression wurde für Spannungsmagnituden und Versatz eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der Störungszone festgestellt. Vor allem groß-skalige Störungszonen mit einem 30°-Winkel zu SH scheinen einen SH-induzierten Horizontalversatz innerhalb weicher Störungszoneneinheiten zu begünstigen; in dieser wurden die höchsten Versatzbeträge festgestellt. Die typische Abnahme von Spannungsmagnituden in weicheren Störungszoneneinheiten verringert sich in Richtung von Störungszonen, die senkrecht zu SH streichen. Der Einfluss der mechanischen Schichtung steigt mit zunehmender horizontaler Kompression, was zu einem vertikal heterogenen Spannungsfeld führt. Um Annahmen zu einer möglichen hydraulischen Aktivität einer Störungszone zu treffen, werden für die untersuchten Störungszonen analytische Abschätzungen zu Bewegungs- und Dehnungstendenzen unter Reservoir-Bedingungen präsentiert. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche Spannungszustände der analysierten Störungszonen, die auf das rezente Übergangsregime sowie unterschiedliche Orientierungen der maximalen Horizontalspannungen SH zurückzuführen sind. In dieser Arbeit präsentierte Ergebnisse von Aufschlussanalogstudien helfen dabei, fundierte Annahmen zur Permeabilitätsstruktur von Störungszonen zu treffen und damit vielversprechende Bohrziele im ORG zu definieren. In diesem Zusammenhang konnten sedimentäre Wechselfolgen identifiziert werden, die als potenzielle geothermische Reservoire ausgeschlossen werden können. Die Ergebnisse der numerischen 3D-Modellierungen können dazu beitragen, möglicherweise nötige Stimulationsmaßnahmen im Muschelkalk Reservoir optimal auszulegen. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse die Möglichkeit, Einblick in potenzielle Probleme während der Bohrungsherstellung in Muschelkalk-Reservoiren zu bekommen, wie zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit eines vertikal heterogenen Spannungsfeldes.

Cette thèse vise à étudier les propriétés thermo-poro-mécaniques de roches de faille, à partir de l'analyse structurale et microstructurale d'une faille aujourd'hui à l'affleurement et à partir d'expériences menées en laboratoire, en vue de déterminer les processus qui contrôlent l'efficacité de deux mécanismes responsables de d'affaiblissement cosismiques : la pressurisation thermique et le mécanisme d'affaiblissement par drainage. L'étude de terrain a été conduite sur deux affleurements appartenant à une faille décrochante potentiellement active appartenant au système de failles du Chugoku occidental (Japon) : la faille d'Usukidani. Le travail expérimental a quant à lui été mené dans le laboratoire de déformation des roches de l'Université de Kyoto. Les résultats majeurs de ce travail sont exposés ci-dessous. <br /> Les propriétés hydrologiques et poro-élastiques de la gouge et de la brèche de la faille d'Usukidani ont été determinées à partir d'échantillons prélevés sur le terrain. Ces données hydrauliques ont ensuite été utilisées dans un modèle numérique afin d'évaluer l'importance du phénomène de pressurisation thermique dans le cas d'un glissement cosismique le long de la zone de glissement principale et le long de zones de glissement secondaires. Les résultats de cette modélisation suggèrent que le mécanisme de pressurisation thermique n'est efficace que si la rupture reste localisée le long des zones de glissement contenant de la gouge, avec comme facteur de contrôle l'épaisseur de cette zone de glissement. <br /> Afin d'identifier les processus dynamiques particulaires responsables de l'affaiblissement cosismique dans la zone de glissement, plusieurs essais de friction ont été menés sur une machine à cisaillement annulaire. Ces expériences ont été conduites à des vitesses cosismiques (équivalentes à 0,09, 0,9 et 1,3 m/s) en conditions humides ou conditions sèches. Les données obtenues montrent que quelles que soient les conditions d'humidité initiales, les failles simulées montrent toutes un affaiblissement lors du déplacement. Un examen détaillé des microstructures des gouges cisaillées obtenues une fois l'équilibre frictionnel atteint permet de définir deux types de microstructures impliquant deux régimes de déformation : un régime de déformation par roulement avec la formation d'agrégats argileux, et un régime de déformation par glissement avec la formation d'une zone de cisaillement complexe localisée à l'interface gouge-éponte. L'affaiblissement observé lors des expériences semble être lié à une diminution de la proportion de grains roulants par rapport à celle de grains glissants, et semble être favorisé par le développement des agrégats argileux, lesquels sont contrôlés par la teneur en eau.<br /> A partir d'un modèle numérique (P2 FEM) et des données de contrainte cisaillante obtenues lors des essais de friction, il a été possible de calculer l'évolution de la température de la gouge en fonction du déplacement. Les résultats suggèrent que la distance dc pourrait représenter la distance nécessaire à une faille pour produire et diffuser assez de chaleur afin de casser les ponts d'eau capillaire (forces d'adhésion) et ainsi permettre à l'eau contenue dans la gouge d'être libérée. Ce mécanisme est appelé mécanisme d'affaiblissement par drainage.