Article de recherche / Research Article

How the Earth’s upper crust deforms in a viscous or brittle manner and how these behaviors interact and evolve over time: the crucial role of pressure solution creep and sealing processes¹

Comment la croûte supérieure de la Terre se déforme de manière visqueuse ou cassante et comment ces comportements interagissent et évoluent dans le temps : le rôle crucial des processus de fluage et de colmatage par pression solution

¹ ISTerre, University Grenoble Alpes, Grenoble INP, University Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, University Gustave Eiffel, Grenoble, France
² Honorary Professor of the University Grenoble Alpes, Grenoble, France

^* Corresponding author: jeanpierre.gratier@gmail.com

Abstract

Observations of the geological deformation of the Earth’s upper crust show both brittle behavior (faults) and viscous behavior (folds, shear zones). This paper explains the crucial role of pressure solution creep and sealing processes in these contrasting behaviors and in their evolutions over time. A description of natural deformation by pressure solution shows that the pressure solution creep process can accommodate large ductile deformation without any faults. This process can also accommodate near-stable ductile deformation through the coupling of pressure solution and fracturing. Even if pressure solution creep cannot accommodate the tectonic loading rate and earthquakes consequently occur, the post-seismic evolution is largely controlled by pressure solution processes such as post-seismic creep and fault healing and sealing. Some key experiments are presented that allow evaluating the thermodynamics and kinetics of these processes. Various models are then presented that could help engineers integrate pressure solution creep and sealing processes into predictions of the long-term behavior of rock deformation in underground storage and geo-energy facilities.

Résumé

Les observations de la déformation géologique de la croûte terrestre supérieure montrent à la fois un comportement fragile (failles) et un comportement visqueux (plis, zones de cisaillement). Cet article explique le rôle crucial du fluage et du colmatage par pression solution dans ces comportements contrastés et dans leur évolution au cours du temps. Une description de la déformation naturelle par pression solution montre que le processus de fluage par pression solution peut accommoder une importante déformation ductile sans aucune faille. Ce processus peut également accommoder une déformation ductile quasi stable grâce au couplage de la pression solution et de la fracturation. Même si le fluage par pression solution ne peut pas s’adapter au taux de chargement tectonique et qu’en conséquence des tremblements de terre se produisent, l’évolution post-sismique est largement contrôlée par les processus de la pression solution tels que le fluage post-sismique et la cicatrisation et le colmatage des failles. Quelques expériences clés sont présentées qui permettent d’évaluer la thermodynamique et la cinétique de ces processus. Différents modèles sont ensuite présentés qui pourraient aider les ingénieurs à intégrer les processus de fluage et de colmatage par pression solution dans les prévisions du comportement à long terme de la déformation des roches dans les installations souterraines de stockage et de géo-énergie.