FOLDS AND TENSION FRACTURES IN STRATIFIED ROCKS

PLIS ET FRACTURES D'EXTENSION DANS LES ROCHES STRATIFIÉES

Günther Kampfer (1)

1 LGENS - Laboratoire de géologie de l'ENS

The first objective of this thesis is to contribute to the development of quantitative tools for an objective interpretation, based on mechanical equilibrium and material strength, of kink-folds and fault-related folds which are potential oil reservoirs. The second objective is to improve the prediction of fracture distributions in layered sequenceswhich control the permeability. Experiments and analytical results are presented on the onset, the development and the arrest of kink-folds and fault-propagation folds. The experiments, with a sequence of paraffin layers under compression, show the relation between the fracture distribution, the formation of damaged hinges and the development of kink-folds. The analytical results are obtained by combining simple geometrical rules with the application of the maximum strength theorem (limit analysis). It is shown how compaction bands, reverse faults and kinks are competing at the onset of a kink fold, depending on the initial dip of the layered structure and the burial depth. The same methodology is applied to the development of the fault-propagation fold which is shown to be potentially interrupted by thrusting, depending on the frictional properties of the various hinges. The second part presents experimental, numerical and analytical results on the extension of a block, composed of an analogue material (compacted gypsum), resulting from the stretching of its foundation. A linear relation between the bed thickness and the fracture spacing is observed at saturation. Saturation is linked to the delamination of the interface between the block and its foundation. The finite-elements calculations, based on plasticity theory, to produce strain localisation, confirms the competition between the delamination and the fracture process. The analytical approach, based again on the maximum strength theorem, provides a simple criterion to decide on the dominant mode of failure as well as a new relation for the fracture spacing. The last part of this thesis presents a new experimental device to create bending fractures. It is shown that layer thickness does not influence the fracture spacing under bending. To the contrary, this influence is remarkable if a combination of bending and stretching is applied.

Le premier but de cette thèse est de développer une méthode objective pour l'interprétation de profils sismiques et des structures qui sont susceptibles d'être des réservoirs pétroliers. Le deuxième but est l'amélioration de la prévision des fractures dans les roches laminées, qui déterminent la perméabilité. Les expériences et les résultats analytiques montrent l'initiation, l'évolution et l'arrêt d'un kink et d'un pli de propagation de rampe (PPR). Les expériences avec paraffine multicouches établissent la relation entre la distribution des fractures, la formation des charnières endommagées et l'évolution d'un pli de kink. Les résultats analytiques se fondent sur des règles géométriques combinées à l'approche externe de l'analyse limite. Les bandes de compaction, les failles et les plis sont en concurrence à l'initiation du kink. Le mode dominant dépend de l'inclinaison des couches et de la profondeur d'enfouissement de la structure. Les résultats sont présentés dans une carte de mécanismes dominant dans l'espace des enfouissements et l'inclinaison des couches. La même approche est utilisée pour étudier le PPR dont l' évolution se termine à cause de l'initiation d'une faille. Parmi tous les paramètres, c'est l'angle de friction dans les charnières qui contrôle cette transition. La deuxième partie de cette thèse présente les résultats expérimentaux, numériques et analytiques sur les fractures. Une couche composée de gypse compacté, est en extension par sa base et se fracture en mode I. La relation entre la distance entre les fractures et l'épaisseur d'une couche est linéaire, quand la structure est saturée en fractures. Cette saturation est liée à un décollement de la base de la couche. La méthode des éléments finis et la théorie de la plasticité permettent de valider ces résultats. L'approche analytique (analyse limite) a donné un critère simple pour prédire si un décollement ou une fracture va se former. Un nouveau critère pour la distance entre deux fractures est proposé. Dans la dernière partie de cette thèse, un nouveau dispositif expérimental est présenté afin d'étudier les fractures en flexion. L'épaisseur d'une couche n'influence pas la distance entre les fractures si il y a seulement une flexure. Cette influence est par contre grande si la couche est cintrée et en extension.

Mots clés: analyse limite; décollement; éléments finis; expériences; fractures; plis; delamination; experiments; folds; finite elements; limit analysis

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Sciences de la Terre

Günther Kampfer. FOLDS AND TENSION FRACTURES IN STRATIFIED ROCKS. Mechanics [physics.med-ph]. Ecole Normale Supérieure de Paris - ENS Paris, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00564546⟩