Intégration des données de géophysique en forage et des propriétés pétrophysiques sur carottes pour modéliser les propriétés hydrogéologiques de la zone de subduction de Nankai

Integration of borehole geophysical data and core petrophysical properties to model hydrogeological properties of the Nankai subduction zone

• Auteur / Autrice : Joshua Tanihungoama Pwavodi
• Direction : Mai-Linh Doan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 19/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Garambois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Conin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Demian Saffer, Pierre Henry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Forages

Hydrogéologie

Subduction

Mots clés libres

Subduction

Hydrogéologie

Pétrophysique

Forage

Argiles

Nankai

Hydrogeology

Petrophysics

Subduction

Drilling

Clays

Nankai

Résumé

Les zones de subduction sont le site d’une intense activité sismique et de grandedéformation tectonique. Le pied du prisme d’accrétion ont été longtemps considéréescomme des zones asismiques où l’énergie des séismes de dissipait. Mais récemment,des mégaséismes ont activés des grands déplacement près de fosses de subduction,générant des tsunamis dévastateurs. Il est important de mieux comprendre la sismotectonique de ces zones. La zone de subduction de Nankai est l’un des sitesd’étude les plus propices: outre le risque sismique que représentent les mégaséismes(Mw > 8) pour les côtes japonaises densément peuplées, c’est également le lieu deglissements lents. C’est ce qui a motivé le projet NanTroSEIZE, un projet phare duprogramme IODP (International Ocean Discovery Program), concrétisé par treizeexpéditions de 2004 à 2019. Une compréhension détaillée du régime hydraulique estnécessaire pour comprendre la diversité de comportement à Nankai. Des preuvesindirectes suggèrent que cette zone de subduction est particulière riche en fluide.Pour affiner ces conclusions, nous intégrons de manière innovante les données deforage et de diagraphie acquises dans le cadre du projet NanTroSEIZE, dans larégion frontale (sites C0024 et C0006) et dans la région de la faille ”mégasplay”(sites C0004 et C0001). Nous obtenons un profil des propriétés hydrauliques à hauterésolution le long des forages NanTroSEIZE, pour caractériser finement l’architecturedes failles dans la zone de subduction de Nankai. La ré-analyse de la pression de boue permet d'estimerl’afflux de fluides de la formation vers le forage. Pour vérifier ses prédictions, 2méthodes ont été utilisées pour prédire la pression de pore : (a) des méthodes de typeEaton basées sur des données de foration ou des données sismiques (b) des relationsempiriques entre pression de pore, porosité et vitesse des ondes P, obtenues à partird’expériences de consolidation. On peut calculer des perméabilités en combinant estimations de flux et de pression. Sur le site C0024, un afflux de fluides (> 0.05m3/s)est localisé dans les zones endommagées du décollement, à 813 mbsf. Elle est associéeà une surpression importante (P ∗≈2.38 − 4.79M P a) sous la frontière de plaque. Ledécollement agit comme une barrière hydraulique verticale, mais comme un drainlongitudinal qui diffuse des surpressions depuis le site où se produisent les séismes etles glissements lents Au contraire, au site C0006, les afflux de fluide restent faibles, etlocalisés juste sous le chevauchement frontal, à 711 mbsf. Il n’y a pas d’augmentation apparente de la pression interstitielle à l’intérieur du prisme d’accrétion, peut-être carune faille entre C0024 et C0006 draine les fluides surpressurisés. Dans la région dela faille mégasplay, au site C0001D, l’écoulement majeur de fluide (> 0, 107m3/s)est observé le long d’une zone de faille en dessous de 500 mbsf. La pression de boueobservée est supra-lithostatique. Sur le site C0004A, un important écoulement defluide (0.07 m3/s) et une pression interstitielle élevée sont également observés dansla zone de faille, vers 310 m de profondeur. L’important débit de fluide témoigned’une pression interstitielle élevée, facilitant ainsi la propagation du glissement cosismique vers le plancher océanique. La région de mégasplay est alors plus propiceque la région du pied du prisme pour générer des séismes tsunamigéniques.

Subduction zones are the loci of active seismicity and large tectonic deformation.The foot of the accretionary prism has long been considered as aseismic zones whereearthquake energy dissipates, but recently, mega-earthquakes have activated largedisplacements near subduction trenches, generating devastating tsunamis. It is important to better understand the seismotectonics of these zones. The Nankai subduction zone is one of the most suitable study sites: in addition to the seismic hazardof mega-earthquakes (M w > 8) for densely populated Japanese coasts, it is also thesite of slow slip. This was the motivation for the NanTroSEIZE project, a flagshipproject of the International Ocean Discovery Program (IODP), which consisted of13 expeditions from 2004 to 2019. A detailed understanding of the hydraulic regimeis needed to understand the diversity of behavior at Nankai. Indirect evidence sug-gests that this subduction zone is particularly fluid-rich. To refine these conclusions,we innovatively integrate drilling and logging data acquired in the NanTroSEIZEproject, in the frontal region (sites C0024 and C0006) and in the ”megasplay” faultregion (sites C0004 and C0001). We obtain a high-resolution hydraulic propertiesprofile along the NanTroSEIZE drillings, to finely characterize the fault architecturein the Nankai subduction zone. This will help to estimate: (a) pore pressure profilesacross the accretionary prism (b) high-resolution hydraulic profiles to identify thedamaged zone around the detachment fault, and verify whether it is a significantdrainage path. (c) permeability evolution. This allows inferring the origin of thefluids (diffusion along the décollement or local fluid emission following compactionof the sedimentary pile), and extrapolating the data near the pit to deeper seismically active zones. Mud pressure reanalysis allows us to estimate the inflow of fluidsfrom the formation to the borehole. To verify its predictions, 2 methods have beenused to predict pore pressure: (a) Eaton-type methods based on drilling or seismicdata (b) empirical relationships between pore pressure, porosity, and P-wave velocity, obtained from consolidation experiments. Permeabilities can be calculated bycombining flow and pressure estimates. At site C0024, a fluid influx (> 0.05m3/s)is localized in the damaged zones of the décollement at 813 mbsf. It is associatedwith a significant overpressure (P ∗≈2.38 − 4.79 MPa) below the plate boundary.The décollement acts as a vertical hydraulic barrier, but as a longitudinal drainthat diffuses overpressures from the site where earthquakes and slow slides occur.In contrast, at site C0006, fluid influxes remain weak, and localized just below the frontal thrust at 711 mbsf. There is no apparent increase in pore pressure within theaccretionary prism, perhaps because a fault between C0024 and C0006 drains theoverpressurized fluids. In the region of the megasplay fault at site C0001D, majorfluid flow (> 0.107m3/s) is observed along a fault zone below 500 mbsf. The observedmud pressure is supra-lithostatic. At site C0004A, a large fluid flow (0.07m3/s) andhigh pore pressure are also observed in the fault zone at about 310 m depth. Thelarge fluid flow is evidence of high pore pressure, facilitating propagation of the co-seismic slip to the seafloor. The megasplay region is then more favorable than thefoot of the prism region for generating tsunamigenic earthquakes.