Fault healing in fresh and altered basalts from Krafla geothermal system (Iceland)

In this thesis, I investigate fault (frictional) healing in basaltic rocks within the Krafla geothermal system in Iceland. Fault healing, defined as the ability of a fault to recover its strength over time after a seismic slip event, represents a key element in controlling the seismic cycle. As consequence, this kind of studies are crucial for understanding the behavior of geological faults, their seismogenic behavior and their potential impact on geothermal reservoirs and energy production. Basaltic rocks, widely distributed in geothermal regions, play a prominent role in geothermal energy extraction. However, faults within these rocks can act as pathways for fluid migration, but also leading to earthquakes and potentially influencing reservoir performance. My investigation focuses on how fault healing processes are affected by pore fluid pressure and temperature. To achieve this goal, I conducted laboratory experiments using advanced equipment such as the rotary shear apparatus RoSA(Rotary-Shear Apparatus) and the hydrothermal vessel HYDROS, installed in the Rock Mechanics Laboratory of the Department of Geosciences in the University of Padova. The experiments were performed on gouges obtained by grinding the fresh basalts from the lava flows erupted in 1975-1984 in the geothermal field of Krafla in Northern Iceland. During the experiments, I varied the ambient temperature (from 100°C to 400°C) and pore fluid pressure (from 10 MPa to 30 MPa), while maintaining a constant effective normal stress of 10 MPa. This allowed for the exploration of frictional healing in the presence of water in liquid, vapor, and supercritical physical states. To investigate fault healing, I performed 'slide-hold-slide' (SHS) tests. In these experiments, the basalt gouges are first slid for slip distances of 1 mm at a slip rate of 10 µm/s (slide) and then kept in stationary contact with hold times ranging from 3 to 10000 seconds. The fault frictional healing corresponds to the difference in the friction coefficient after and before the hold. The analysis of the experimental results reveals that: • frictional healing increases with the log of hold time, consistent with previous literature; • frictional healing rate increases with fluid temperature; • the physical state of water impacts on fault frictional healing magnitude and rates. For example, at a temperature of 400°C, frictional healing is three times faster with water in the supercritical state compared to water in the vapor state. The log-linear dependence of frictional healing with hold time and the increase of frictional healing with fluid temperature can be explained by the Arrhenius-type temperature-dependence of mineral chemical reactions and of viscous-plastic deformation mechanisms operating at microscale at the asperity contacts. Instead, the dependence of frictional healing with the physical state of water remains unexplained. Further high resolution microstructural and mineralogical/geochemical investigations are required to unravel the physical and chemical processes associated with fluid-rock interaction and responsible for the observed experimental observations. The results presented in this thesis provide a first hint of the complexity of fault healing processes in geothermal contexts and, supported by other experiments and analysis, may contribute to our understanding of fault behavior in basaltic rocks, with potential implications for the sustainable management of geothermal resources.

In questa tesi, indago il frictional healing delle faglie nelle rocce basaltiche all'interno del sistema geotermico di Krafla in Islanda. L’ healing delle faglie, si manifesta come la capacità di una faglia di recuperare la sua resistenza nel tempo dopo un evento sismico, rappresenta uno degli elementi chiave nel controllo del ciclo sismico. Di conseguenza, questo tipo di studi assume un ruolo cruciale per la comprensione del comportamento delle faglie geologiche, del loro agire sismogenico e delle potenziali implicazioni per i serbatoi geotermici e la produzione di energia. Le rocce basaltiche, ampiamente diffuse nelle regioni geotermiche, rivestono un ruolo di rilievo nell'estrazione di energia geotermica. Tuttavia, le faglie presenti in queste rocce possono agire come vie per la migrazione dei fluidi, dando luogo a terremoti e influenzando potenzialmente le prestazioni del serbatoio. La mia indagine si concentra su come i processi di healing delle faglie siano influenzati dalla pressione del fluido e temperatura. Per raggiungere questo obbiettivo ho condotto esperimenti di laboratorio sfruttando strumentazioni avanzate come l'apparato di taglio rotante “RoSA”(Rotary-Shear Apparatus) e il pressure vessel “HYDROS” installato nel Laboratorio di Meccanica delle Rocce del Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova. Gli esperimenti sono stati condotti su campioni ottenuti macinando basalti freschi dalle collate laviche eruttate fra il 1975-1984 nel campo geotermico di Krafla nel nord dell’Islanda. Durante questi esperimenti, ho variato la temperatura (da 100°C a 400°C) e la pressione del fluido (da 10 MPa a 30 MPa), mantenendo costante lo stress normale efficace a 10 Mpa. Ciò ha permesso di esplorare il comportamento del frictional healing in presenza di acqua nei suoi stati fisici di liquido, vapore e supercritico. Per indagare il frictional healing, ho adottato il 'slide-hold-slide' (SHS) test. In questi esperimenti, i campioni di basalto vengono prima fatti scivolare per una distanza di scorrimento di 1mm con una velocità di scorrimento di 10 µm/s (slide) e poi mantenuti in contatto stazionario on un tempo di mantenimento tra 3 a 10000 secondi. Il frictional healing delle faglie corrisponde alla differenza del coefficiente d’attrito prima e dopo il tempo di mantenimento. Le analisi dei risultati degli esperimenti rivela che: • Il frictional healing aumenta con il logaritmo del tempo di mantenimento, in linea con la letteratura precedente • Il tasso di frictional healing aumenta con la temperatura del fluido • Lo stato fisico dell’acqua influenza la magnitudo e i tassi del frictional healing delle faglie. Ad esempio, a una temperatura di 400°C, il frictional healing è tre volte più veloce con l’acqua in stato supercritico rispetto all’acqua nello stato di vapore. La dipendenza log-lineare del frictional healing con il tempo di mantenimento e del aumento del frictional healing con la temperatura del fluido possono essere spiegati dalla dipendenza dalla temperatura di tipo Arrhenius delle reazioni chimiche minerali e dei meccanismi di deformazione visco-plastica che operano a livello microscopico nei contatti di asperità. Invece, la dipendenza del frictional healing con lo stato fisico dell’acqua rimane inspiegata. Sono necessari ulteriori indagini microstrutturali ad alta risoluzione e indagini mineralogiche/geochimiche per svelare i processi fisici e chimici associati all’interazione fluido-roccia e responsabili delle osservazioni sperimentali osservate. I risultati presentati in questa tesi forniscono un primo suggerimento sulla complessità dei processi di healing delle faglie in contesti geochimici e, supportati da altri esperimenti e analisi, possono contribuire alla nostra comprensione del comportamento delle faglie nelle rocce basaltiche, con implicazioni potenziali per la gestione sostenibile delle risorse geotermiche.