Relations entre sismicité et déformations asismiques dans une mine profonde. Exemple de la mine de Garpenberg, Suède

Seismic and aseismic deformations in deep mines – Case of the Garpenberg mine, Sweden

• Auteur / Autrice : Emeline Lhoumaud
• Direction : Yann Gunzburger, Jannes Lennart Kinscher, Marianne Conin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Cappa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Gunzburger, Jannes Lennart Kinscher, Marianne Conin, Mai-Linh Doan, Pierre Dublanchet, Savka Dineva, Beata Orlecka-Sikora
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mai-Linh Doan, Pierre Dublanchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Roches -- Déformation

Géologie minière

Effet de site (sismologie)

Séismes provoqués

Mots clés libres

Sismicité induite

Répéteurs sismiques

Mine profonde

Suivi in situ

Induced seismicity

Seismic repeaters

Deep mining

In-Situ investigation

Résumé

Des répéteurs microsismiques (Mw < 1 sur l'échelle de magnitude des moments) ont été observés dans la mine profonde de Garpenberg, en Suède. Les répéteurs sont bien connus en sismologie et font l'objet d'études depuis des décennies au niveau des plaques tectoniques. Ils sont généralement associés à la présence de fluage sur des plans de faille qui chargent de manière répétée les mêmes aspérités sismiques. Toutefois, la présence de répéteurs dans un contexte minier est surprenante, car l'état de contraintes évolue constamment au fur et à mesure de l'avancement de l'excavation. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier l'origine de ces répéteurs sismiques en milieu minier, et plus précisément la nature des structures qui portent ces répéteurs et les mécanismes qui ont conduit à leur chargement. Pour ce faire, nous avons combiné différentes échelles et domaines d'étude. Tout d'abord, une étude à grande échelle a mis en évidence une corrélation statistique entre certaines lithologies et la présence de répéteurs. Afin d'étudier plus en détails les structures qui portent les répéteurs sismiques et la manière dont ils sont chargés, un réseau local a été installé dans un sill pillar situé à une profondeur de 1 km. Ce réseau est constitué de géophones, de forages non destructifs et de cellules de déformation, et vise à atteindre une famille de répéteurs spécifique dans le sill pillar. Les analyses des forages révèlent la présence d'un remplissage de phyllosilicates sur des failles orientées comme le plan sismique nodal, couramment associés à du fluage. Cependant, aucun indice dans les carottes ne nous permet d'identifier une zone ou une fracture spécifique comme étant l'aspérité recherchée. Cela montre la difficulté d'observer la source sismique de répéteurs sismiques pour des événements à si petite échelle, même avec une installation locale à proximité de la source. Les analyses des données de déformation ont montré différents types de comportement, avec parfois une phase de fluage entre l'excavation et le début de l'activité sismique. Des changements d'orientation des déformations, parfois transitoires, sont également observés entre différentes phases de déformation. Deux mécanismes différents sont proposés et discutés : une sismicité déclenchée par du fluage sur un plan de faille ou une sismicité déclenchée par un fluage d'abord diffus dans le massif puis relocalisé progressivement le long de discontinuités. En perspective, l'acquisition de données supplémentaires permettra d'étudier plus en détails les structures et qui portent les répéteurs et les mécanismes qui les chargent. En particulier, un projet de recherche ANR FIMOPTIC vise à améliorer la localisation de la source sismique et prévoit d'utiliser des appareils de mesures de déformation à fibre optique.

Microseismic repeaters (Mw < 1 on moment magnitude scale) have been monitored in deep levels of the Garpenberg mine, Sweden. Repeaters are well-known in seismology and have been studied for decades in the case of earthquakes on plate boundaries. They are commonly associated with the presence of creep on fault planes that repetitively load the same seismic asperities. However, repeaters are unexpected in a mining context, as the state of stresses varies as the excavation progresses. In this thesis, we investigate the origin of these seismic repeaters. More specifically, we focus on the structures hosting these repeaters as well as the mechanisms that led to their loading. To do so, we combined different scales and fields of study. First, a study at a large scale showed statistical relationships between some lithologies in the mine and seismic repeaters. To study in more detail what host repeaters in these lithologies and how they are loaded, a local network has been installed in a sill pillar at 1km depth, which included geophones, boreholes, and strain cells. This installation targets one specific repeater family in the area. Borehole analyses show the presence of phyllosilicate-filled fractures oriented like the nodal plane, similar to what is commonly observed in the presence of a creeping fault plane. However, we found no evidence in the cores that could allow us to identify a specific zone or fracture as the asperity hosting seismic repeaters. This shows the difficulty of clearly identifying the nature of the seismic source for such small-scale events, even with a local installation in close vicinity of the source location. Strain data analyses showed different types of post-blast responses, with sometimes a creep phase before seismic activity, as well as a change of strain orientations, sometimes transitory, between different phases of deformation. Two different mechanisms are proposed and discussed: a seismicity triggered by creep on a fault plane or a seismicity triggered by a progressive localization along discontinuities. Further data acquisition will allow to study further the hosting structures and mechanisms. In particular, an ANR research project FIMOPTIC will aim to improve seismic location and will perform strain measurements using high sensitive optical strain-meters devices.