Mechanical and chemical compaction of carbonate sediments - An experimental study
Compaction mécanique et chimique des roches carbonatées
Résumé
Understanding compaction processes in sediments or rocks is important for instance for the characterisation of compaction in sedimentary basins or for sealing of active fault. The aims of the present study are firstly to separate and quantify the relative role of mechanical and chemical compaction in carbonate sediments. Secondly to better understand chemical compaction processes acting on sediments. The potential for porosity loss by mechanical compaction of platforms carbonate strata was investigated by carrying out K0 triaxial tests. Eleven samples cemented with low--Mg calcite and five dolomitized samples from the Marion plateau, offshore northeast Australia (ODP (ocean drilling program) Leg194) were uniaxially compacted at effective stresses up to 70 MPa. Early cementation of bioclastic carbonate samples created a stable cemented framework with a high degree of over--consolidation and low compressibility. Water saturation of the samples produces weakening of the mechanical strength and greater scatter in the correlation of P--wave velocity versus porosity. Most of the tested samples were already so strongly cemented at 30--400 meters that further porosity loss during burial up to 4--5 km depth must occur mainly by chemical rather than mechanical processes. To study chemical processes two other types of experiments were carried out. Pressure solution is the main chemical compaction mechanism affecting sediments during burial, therefore the rate of calcite deformation by pressure solution creep at a single contact was studied. The results enable the identification of the relative importance of pressure solution driven by normal load, and free surface dissolution driven by strain energy. Two different processes occur during pressure solution of calcite crystals at the grain scale. In one case, diffusion of the dissolved solid takes place in the pore fluid present along a rough interface between calcite and the indenter. In the second case, diffusion occurs through cracks that propagate from the contact toward the less stressed part of the crystal. Strain rates are higher for experiments in which crack propagation occurred. Overall it seems strain rates are not really stress dependent but rather dependent on whether crack propagation occurs or not. Eventually, both mechanical and chemical compaction processes were studied on aggregates of calcite and bioclastic carbonate sands. Experimental compaction showed that compaction of carbonates sands should be modelled as a function of both mechanical and chemical compaction also at relatively shallow depth and low temperature. In all cases, the nature of the fluid, the initial grain packing, and the grain size represent important control parameters of the final strain and the strain rates at a given stress. Samples saturated with non--reactive fluids, e.g. air or decane, show less strain than samples saturated with reactive fluids at the same effective stress since the compaction was only mechanical. During the loading phase, chemical compaction occurs by pressure solution creep which is enhanced by the presence of cracks at the grain--to--grain contacts. This is also supported by the identification of compaction related microstructures in thin--sections. During creep tests, the samples compressibility is controlled by, in order of importance, grain size, stress, and water saturation. Low ultrasonic velocities are especially observed in samples saturated with reactive fluids. Dissolution and transport affecting the grain--to--grain contacts geometry and crack propagation are likely to be the reason for such velocity alteration. In conclusion, porosity loss in carbonate sediments is mostly due to chemical compaction and very little to mechanical compaction. Chemical compaction processes are pressure solution and pressure solution enhanced by subcritical crack growth. The predominance of one or the other mechanism is to be related to the fluid in presence and to the nature of the grains.
La compréhension des mécanismes de compaction des roches et des sédiments est importante dans différents domaine des géosciences en particulier pour caractériser la compaction dans les bassins sédimentaires ou le colmatage dans les failles actives. Les objectifs de cette thèse sont d'une part de séparer et de quantifier le rôle respectif de la compaction mécanique et chimique dans les sédiments carbonatés. D'autre part d'obtenir une meilleure compréhension des procédés aboutissant au fluage des roches sédimentaires carbonatées. La perte de porosité par compaction mécanique a été étudiée en réalisant des essais triaxiaux K0 sur des échantillons provenant de plateformes carbonatées. Onze échantillons cimentés par de la calcite faiblement magnésienne et cinq échantillons dolomitisés provenant du Marion Plateau au large de la côte nord-est Australienne (ODP (ocean drilling program) Leg194) ont été compactés de manière uniaxiale à des contraintes effectives allant jusqu'à 70 MPa. La cimentation à faible profondeur à laquelle ces échantillons ont été soumis a créé une structure cimentée stable ayant un fort degré de sur–consolidation et une faible compressibilité. La plupart des échantillons testés étaient tellement cimentés à 30–400 mètres que la perte de porosité à des profondeurs atteignant 4–5 km doit être principalement liée à des procédés chimiques et non à des procédés mécaniques. Pour étudier ces processus chimiques deux autres types d'expériences ont été réalisées. La dissolution sous contrainte est le principal mécanisme responsable du fluage des roches sédimentaires pendant leur enfouissement. Par conséquent la vitesse de déformation de la calcite par dissolution sous contrainte à l'échelle d'un contact a été étudiée. Les résultats obtenus permettent l'identification de l'importance respective de la dissolution sous contrainte résultant de l'application de la contrainte normale et celle de la dissolution au niveau des surfaces 'libres' résultant de l'accumulation de l'énergie élastique ou plastique. Deux mécanismes différents se produisent lors de la dissolution sous contrainte de cristaux de calcite à l'échelle du grain. Dans un premier cas, la diffusion du solide en solution se produit dans le fluide présent à l'interface rugueuse entre la calcite et le poinçon. Dans un deuxième cas, la diffusion se produit le long de fractures qui se propagent du contact vers la partie du cristal soumise à des contraintes plus faibles. Les vitesses de déformation sont plus élevées dans les expériences pour lesquelles la propagation de fractures se produit. De manière générale la vitesse de déformation n'apparait pas comme étant dépendante de la contrainte, mais plutôt de la propagation ou non de fractures. Finalement, les procédés mécaniques et chimiques actifs pendant la compaction ont été étudiés sur des agrégats de cristaux de calcite ou de sables bioclastique. Les expériences montrent que la compaction des sables carbonatés doit être modélisée en prenant en compte à la fois la compaction mécanique et chimique. Dans toutes les expériences la nature du fluide saturant, l'organisation initiale des grains et la taille des grains sont des paramètres important contrôlant la déformation finale ainsi que la vitesse de déformation à une contrainte donnée. La déformation des échantillons saturés avec des fluides non réactifs, e.g. air ou décane, est moins importante qu'avec des fluides réactifs, puisque dans ce cas la compaction est seulement mécanique. Pendant la phase de chargement, la compaction chimique se produit par dissolution sous contrainte, dont la vitesse est augmentée par la présence de petites fractures au niveau des contacts intergranulaires. Cette interprétation est confirmée par l'observation des échantillons en lame-minces. Les vitesses ultrasoniques se propageant dans les agrégats saturés avec des fluides réactifs ont été mesurées et il a pu être montré que la dissolution et le transport de matière affectant la géométrie des contacts au niveau des grains, ainsi que la fracturation des grains sont probablement les raison de cette diminution de vitesse. En conclusion, la perte de porosité dans les sédiments carbonatés est principalement due à la compaction chimique et très peu à la compaction mécanique. Les procédés chimique de la compaction sont d'une part la dissolution sous contrainte, et d'autre part la dissolution sous contrainte assistée par la propagation sous–critique de fissures. La prédominance de l'un ou l'autre de ces procédés est liée à la nature du fluide présent dans l'espace poreux ainsi qu'à la nature des grains.
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