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DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES

D'UNE FRACTURE NATURELLE DANS LE GRANITE DU MAYET DE MONTAGNE

R 30297 GEG-4S-89 Décembre 1989

D. BILLAUX, J. DESROCHE, S. GENTIER, L. BERTRAND

DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES

D'UNE FRACTURE NATURELLE DANS LE GRANITE DU MAYET DE MONTAGNE

D. BILLAUX, J. DESROCHE, S. GENTIER

R 30297 GEG-4S-89 Décembre 1989

RESUME

Dans le cadre des travaux menés par 1'IPGP svr le site du Mayet de Montagne (géothermie profonde "Roches Chaudes Sèches"), le BRGM a apporté un soutien technique et scientifique à 1 'équipe de l'IPGP pour la caractérisation mécanique et morphologique d'une fracture du massif granitique étudié. La morphologie des épontes et du vide fissurai a été enregistrée sous forme d'empreintes et de profils. Les paramètres décrivant le comportement de la fracture en compression et en cisaillement ont pu être déterminés. Ils sont actuellement utilisés pour une modélisation de la réponse du massif à une opération de stimulation hydraulique.

SOMMAIRE

Pages

1 - INTRODUCTION 1

2 - PRELEVEMENT D'ECHANTILLONS 2

3 - DEVELOPPEMENT D'UN RUGOSIMETRE DE TERRAIN 3

4 - ETUDE DE LA MORPHOLOGIE DE LA FRACTURE AU LABORATOIRE . . 3

4.1 - Moulage des épontes 3 4.2 - Moulage des vides de la fracture 3 4.3 - Relevés de profils des épontes 4

5 - ESSAIS EN CONTRAINTE NORMALE 6

6 - ESSAIS DE CISAILLEMENT 11

7 - CONCLUSION 14

1 - INTRODUCTION

Les travaux décrits dans ce rapport constituent un soutien technique et scientifique à l'équipe de l'Institut de Physique du Globe de Paris (P. CORNET), pour ses travaux actuels sur le site du Mayet de Montagne, dans le cadre des recherches scientifiques menées en France sur l'utilisation de la géothermie profonde "Roches Chaudes Sèches". Le BRGM a apporté ses compétences et ses moyens de laboratoire à l'IPGP pour la caractérisation mécanique et morphologique des fractures recoupant le massif granitique du Mayet de Montagne. L'étude menée conjointement par les deux organismes a comporté plusieurs étapes.

Tout d'abord, des échantillons ont été prélevés dans une carrière située à une centaine de mètres du site d'expérimentation de l'IPGP. Un rugosimètre de terrain a été étudié, mais n'a pas pu être réalisé dans les délais du présent projet. Au laboratoire, la fracture recoupant chaque échantillon a été caractérisée : des empreintes des épontes, ainsi que des moulages des vides ont été effectués, de nombreux profils des épontes ont été relevés. Nous possédons ainsi une connaissance aussi complète que possible de la morphologie de chaque fracture avant toute sollicitation mécanique. Des essais de compression normale, avec mesure des déplacements normaux et tangentiels, ont été réalisés. Des essais de cisaillement utilisant la machine construite par le BRGM ont conclu ce programme de caractérisation. L'ensemble de ces travaux a atteint son objectif, c'est-à-dire la détermination des paramètres mécaniques des fractures à prendre en compte pour une modélisation du massif fracturé.

2 - PRELEVEMENT D'ECHANTILLONS

Le prélèvement d'échantillons a été effectué du 11 juillet au 14 juillet 1989 par un chercheur IPG et un technicien BRGM. Le lieu de prélèvement est la "Carrière Jacquet", route de Vichy, au Mayet de Montagne. Cette carrière, située à environ cent mètres du site d'expérimentation de l'IPG, est recoupée par trois familles bien distinctes de fractures. Parmi les affleurements du massif granitique du Mayet, c'est le seul qui montre, pour deux des familles, des fractures dont les deux épontes soient en place, sur une longueur conséquente (de cinq à dix mètres).

Nous avons concentré la prise d'échantillons sur une surface d'environ un mètre carré d'une même fracture. Cette fracture subverticale est parallèle à l'un des fronts de la carrière. Sa surface, visible sur une grande partie du front de taille, est striée et supporte des placages hydrothermaux d'épaisseur environ un millimètre, sur 15 % à 50 % de son aire.

Cinq carottes de diamètre 143 mm ont été prélevées perpendiculairement au plan moyen de la fracture. Un échantillon a été carotté dans le plan de la fracture. Deux des carottes perpendiculaires se sont avérées inutilisables à cause de la présence de fractures conjuguées à la fracture visée. Celles-ci (jusqu'à trois fractures conjuguées dans une carotte), découpent la carotte en disques d'épaisseur insuffisante pour leur utilisation au laboratoire.

- 2 -

Après ces prélèvements, des tentatives ont été faites pour prélever des éprouvettes sur une fracture oblique (pendage 60° environ). Ces essais ont été infructueux, la fixation au sol de la carotteuse se révélant insuffisante pour effectuer un carottage oblique. Dans ces conditions, nous avons préféré conserver les échantillons concentrés sur une seule fracture de préférence à essayer de carotter sur plusieurs autres fractures. Ceci préserve l'avenir. En effet, nous projetons au cours de 1990 de venir dans cette carrière effectuer des essais hydromécaniques à "grande échelle", au cours desquels nous solliciterons des surfaces de fractures de l'ordre du mètre carré. Dans l'état où nous avons laissé la carrière, nous pourrons :

- prendre d'autres carottes, à condition d'utiliser une carotteuse nous permettant de forer en oblique ;

- effectuer les essais à "grande échelle", en particulier sur une fracture de la même famille que celle qui a été échantillonnée, située dans le fond de la carrière.

3 - DEVELOPPEMENT D'UN RUGOSIMETRE DE TERRAIN

Nous avons entrepris le développement d'un rugosimètre de terrain, qui doit permettre l'enregistrement de profils d'épontes de fractures sur des longueurs allant du mètre à quelques mètres. Le principe en est l'assemblage d'un système de poutrelles très rigides formant une armature adaptable à chaque configuration de terrain, et servant de support à un chariot muni d'un stylet de mesure. La mesure des mouvements angulaires du stylet lors du déplacement du chariot permet d'obtenir un profil de l'éponte de fracture.

L'armature est constituée par quatre pieds fixés par des tiges filetées scellées dans la roche, et deux longerons parallèles de un mètre de longueur reliant ces pieds deux à deux. Entre ces deux longerons vient coulisser une barre transversale sur laquelle est fixé le chariot de mesure. Les déplacements de la barre transversale le long des longerons permettent d'enregistrer plusieurs profils parallèles pour une même position des pieds. Une fois cette barre transversale bloquée dans une position, les déplacements du chariot de mesure sont commandés par un moteur à courant continu et mesurés par un codeur optique fixé sur l'axe de ce moteur. La course utile du chariot est de 1,20 m. Le stylet, monté sur le chariot de mesure, est muni d'un ressort de rappel qui impose un contact constant entre la roche et sa pointe en carbure de tungstène. Ces rotations (± 30" par rapport à l'axe de la barre transversale) lui permettent de mesurer des dénivellations de ± 150 mm. Elles sont détectées par un capteur RVDT. Les signaux de mesure, ainsi que l'alimentation du moteur, seront gérés par un micro-ordinateur et une centrale de mesure HP. Le plan d'ensemble de l'appareil est fourni en hors-texte.

- 3 -

Nous n'avons pas pu mener à bien la construction de cet appareil dans les délais prévus. Nous ne facturons donc au titre de cette étude que le temps de conception. La phase de test et le relevé sur le site qui n'ont pas pu être effectués, ont été retranchés de la fracture finale de cette opération, conformément au devis détaillé que nous vous avions fourni (notre référence DB/PC n° 89/144 du 24 avril 1989). La construction de l'appareil devait être financée par la part IPG de cette étude. Elle sera donc réalisée à l'aide de la part IPG de la prochaine étape, sans mise de fond supplémentaire de l'AFME. Les tests et l'utilisation in situ sont également reportés à cette prochaine phase.

4 - ETUDE DE LA MORPHOLOGIE DE LA FRACTURE AU LABORATOIRE

La morphologie des trois échantillons de la fracture a été relevée par deux méthodes, l'une tridimensionnelle et l'autre bidimensionnelle. La première consiste en un moulage, soit d'une éponte, soit du vide entre les épontes, à l'aide d'une résine silicone. La deuxième est un enregistrement classique de profils des épontes suivant deux directions.

4.1 - Moulage des épontes

Le but de cette opération est de conserver la morphologie "initiale" des épontes du joint échantillonné. Pour chaque éponte de chaque carotte, on garde un négatif, qui permet de réaliser des positifs en résine.

Le produit utilisé est une résine silicone colorée fabriquée par Rhône-Poulenc : le Rhodorsil RTV 1556. Cette résine possède les qualités suivantes : très faible retrait lors de la réticulation, résistance au cisaillement et fidélité de l'empreinte.

De nombreux placages hydrothermaux étaient présents sur les épontes. Lors du démoulage des empreintes, certains de ces placages ont été localement arrachés avec le polymère. Notons que l'arrachage est du à un simple effet de succion, car le Rhodorsyl n'adhère pas au granité. La prise d'empreinte a alors été recommencée, jusqu'à ce qu'aucun placage ne soit arraché lors du démoulage. Des négatifs des épontes des trois échantillons de la fracture ont ainsi été réalisés.

4.2 - Moulage des vides de la fracture

Le but de ce moulage est d'obtenir une empreinte colorée des vides de la fracture. Cette empreinte peut ensuite être numérisée par une caméra vidéo et fournir ainsi, après des traitements appropriés, une carte des vides de la fracture. La procédure détaillée est décrite dans un article reproduit en annexe à ce rapport : "Laboratory testing of the voids of a fracture", par S. GENTIER, D. BILLAUX et L. VAN VLIET, publié dans la revue Rock Mechanics and Rock Engineering. Elle est basée sur la réalisation simultanée de moulages des vides et d'un coin étalon, qui permet le calage des niveaux de gris de l'image d'une empreinte en termes d'épaisseur.

- 4 -

Le produit jusqu'alors utilisé pour les moulages est trop opaque pour la fracture étudiée. En effet, les vides ont une épaisseur variant de 0 à 30 mm environ, et le RTV 1556 rouge est opaque à partir d'une épaisseur de 5 mm. La technique de numérisation que nous employons (transmission de lumière au travers de l'empreinte), ne peut alors plus être utilisée, l'image obtenue étant noire pour toute la gamme des épaisseurs supérieures à 5 mm.

Tout en conservant le mode opératoire déjà mis au point, nous avons donc utilisé des produits différents :

- un Rhodorsyl RTV 1556 blanc pour le rendu des faibles épaisseurs ;

- un Rhodorsyl RTV 1560, mis sur le marché récemment par Rhône-Poulenc, moins coloré, qui devrait permettre de cartographier l'ensemble des vides car il est plus transparent que les résines utilisées précédemment. Ce nouveau produit est par ailleurs moins visqueux, et donc dégazable beaucoup plus rapidement que ses prédécesseurs.

La numérisation de ces empreintes, et l'obtention de cartes d'épaisseurs, ne faisaient pas partie du présent programme. Elles seront réalisées au cours de l'étape suivante. L'important était ici d'acquérir et de conserver, sous une forme pérenne, l'information géométrique dont la "source" serait détruite ou au moins modifiée par les essais mécaniques.

4.3 - Relevés de profils des épontes

L'outil utilisé est un profilomètre de laboratoire. Celui-ci mesure le déplacement vertical d'un stylet déplacé le long de la surface à l'aide d'une vis sans fin. Ce matériel a été adapté au diamètre des échantillons par la réalisation de nouvelles pièces de fixation et de repérage.

Même pour les trois échantillons retenus, des fractures conjuguées sont présentes. Celles-ci sont fermées et soudées, mais constituent néanmoins des plans de fragilité des carottes. Pour éviter la destruction prématurée de ces carottes, nous les avons cerclées par des bagues en acier collées à l'époxy. C'est sur ces bagues que sont vissées de petites bagues amovibles permettant le positionnement de l'échantillon sur le rugosimètre. Les échantillons sont sciés et rectifiés afin que la distance entre le plan moyen du joint et la base rectifiée soit de 15 cm pour chaque éponte.

Les bagues sont alors calées sur les échantillons, de telle sorte que le plan moyen du joint estimé à vue soit au milieu de la course du capteur de déplacement du stylet. La direction de cisaillement géologique du joint, matérialisée par des stries, est repérée et marquée. Dans cette direction, ainsi que dans la direction qui lui est perpendiculaire, onze profils sont relevés. Les mouvements du stylet au cours de son déplacement sur la surface de 1'éponte sont enregistrés de manière analogique (enregistreur SEFRAM) et numérique (centrale d'acquisition HP 3852A).

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Des exemples de profils obtenus sont fournis en figure 1. Les traitements prévus par l'IPG à partir de ces données sont le calcul des paramètres de rugosité, l'étude statistique de l'angularité et de 1'anisotropie des épontes, enfin une étude variographique.

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5

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Figure 1 - Exemples de profils relevés sur la carotte n' 3

- 6 -

5 - ESSAIS EN CONTRAINTE NORMALE

Ces essais, utilisant une presse de 2 000 kN asservie en force ou en déplacement, étaient destinés à déterminer les paramètres mécaniques de la fracture sous une sollicitation orthogonale à son plan.

Chaque éprouvette a été équipée sur son périmètre de huit capteurs. Quatre de ces capteurs mesuraient les déplacements relatifs, parallèlement à l'axe de 1'éprouvette (et donc approximativement dans la direction normale au plan moyen de la fracture). Les quatre autres capteurs mesuraient les déplacements perpendiculairement a l'axe de 1'éprouvette, suivant deux diamètres orthogonaux dont l'un est la direction des stries. L'ensemble des capteurs étaient couplés deux à deux aux extrémités de diamètres de 1'éprouvette. Nous disposions donc de deux couples de capteurs normaux et de deux couples de capteurs tangentiels (figure 2).

L'influence du frettage entre la carotte et les plateaux de la presse a été évaluée en plaçant lors d'un essai une plaque de téflon entre presse et éprouvette. Cette adjonction ne modifie pas la réponse. Nous pouvons donc considérer que le frettage n'a pas d'influence visible sur le comportement mesuré.

Le mode opératoire suivant a été retenu :

- positionnement manuel des deux épontes ;

- application d'une précharge de 0,24 MPa ;

- cycles de chargement, avec retour à la précharge sans déchargement total de l'échantillon après chaque chargement. Les contraintes maximales appliquées lors des chargements successifs sont de 0,7 MPa - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 -10 - 11 - 12 - 13 - 2 - 4 et 6 MPa. La vitesse de mise en charge et de décharge est de 0,5 MPa/mn ;

- déchargement total ;

- retour à la précharge de 0,24 MPa ;

- cycles de chargement et retour à la précharge après chaque chargement, avec des contraintes maximales de 2 - 4 et 6 MPa ;

- déchargement total.

Les cycles successifs permettent d'obtenir une remise en place des épontes de la fracture et un comportement quasi-réversible. La valeur de la charge appliquée, ainsi que les réponses des quatre couples de capteurs, sont enregistrées simultanément de manière analogique et numérique.

Des enregistrements analogiques d'un couple de capteurs de déplacement normal sont donnés en figure 3 pour illustration. Les courbes obtenues ont permis le calage de différents paramètres décrivant le comportement du joint en compression. Ces paramètres sont décrits par le schéma de principe de la figure 4.

- 7 -

T2

T, T

T

Figure 2 - Equipement d'une éprouvette pour l'essai de compression

T : capteur de déplacement tangentiel N : capteur de déplacement normal

- 8 -

O N (MPO)

o tangentlel <3 i—r

tum) 30 24 18 12 6

Figure 3 - Exemple de réponse lors d'un essai de compression

- 9 -

crN

Sn ref

CTn ref

U - 2,_9_a a

-£>!

Figure 4 - Courbe (déplacement relatif/contrainte normale), et paramètres mécaniques déterminés par un essai de compression simple

1 : distance entre les supports des capteurs

- 10 -

a„ : fermeture élastique du joint. aD est le déplacement relatif des épontes, corrigé de l'élasticité de la roche, entre une contrainte normale nulle et la contrainte pour laquelle la raideur peut être considérée comme constante (fracture "fermée"). L'origine des déplacements (contrainte normale nulle) est prise après la dernière décharge,

oNréf : contrainte normale "de référence", correspondant à une fermeture égale à 0,9 a0,

S„réf : contrainte normale correspondant à la "fermeture" de la fracture (déplacement a„),

E : module asymptotique. E est la pente de la droite asymptote à la courbe (6N, oN), pour les valeurs de déplacement relatif, supérieures à a0, corrigée de la distance entre les supports des capteurs.

L'ensemble des résultats sont regroupés dans le tableau 1.

Carotte n° 1

Carotte n° 3

Carotte n° 4

a0 yrn

120

171

203

o„réf MPa

3,3

2,4

4,3

S„réf MPa

7

9

8

E GPa

3,36

7,27

4,77

Tableau 1 - Valeurs des paramètres obtenus par les essais de compression simple

La valeur de oNréf a permis d'ajuster un modèle hyperbolique de la relation (contrainte - déplacement relatif). Nos résultats diffèrent sur un point des résultats exposés dans la littérature. La pente de l'asymptote après "fermeture" de la fracture est en effet censée être représentative du comportement de la matrice. Le module que nous obtenons ici, qui varie de 3 à 7 GPa, est beaucoup plus faible que celui de la matrice mesuré par ailleurs, qui se situe entre 50 et 70 GPa. En fait, à cause de la forte rugosité (vides centimétriques) de cette fracture, le pourcentage d'aire en contact lorsque la courbe (déplacement relatif - contrainte) tend vers son asymptote est d'environ 10 %, pourcentage beaucoup plus faible que ceux relevés couramment (60 à 80 %) pour des fractures naturelles dans le granité. Un autre facteur peut être le placage des épontes qui existe systématiquement aux points de contact.

- 1 1 -

6 - ESSAIS DE CISAILLEMENT

Utilisant une machine de cisaillement direct développée par le BRGM, ces essais avaient pour but de mesurer le coefficient de raideur en cisaillement K_ de la fracture (figure 5), son angle de friction 0 et son angle de dilatance.

Des prismes en acier ont été réalisés pour caler les éprouvettes cylindriques dans la boite de cisaillement prévue pour recevoir des échantillons cubiques. Les éprouvettes ont également été resciées et resurfacées afin que le plan moyen de la fracture soit bien situé à la limite entre les deux demi-boites de cisaillement.

les déplacements relatifs des deux demi-boites étaient mesurés par deux capteurs, l'un parallèle à la contrainte normale, l'autre parallèle à la direction de cisaillement.

Après collage des prismes à la colle à jauge, quatre ensembles de cycles de cisaillement ont été réalisés pour chaque éprouvette, avec des contraintes normales de 2,3 - 7 - 14 et 22 MPa respectivement.

Pour chacun de ces ensembles de cycles, le mode opératoire suivant a été mis en oeuvre :

- calage du demi-échantillon inférieur ;

- positionnement manuel de l'échantillon supérieur ;

- serrage de la boite ;

- mise en place de la contrainte normale ;

- cycles de cisaillement jusqu'à l'obtention du glissement ;

- décharge ;

- démontage et dépoussiérage des surfaces.

Les déplacements relatifs, normal et tangentiel, étaient enregistrés simultanément de manière analogique et numérique. La figure 6 montre un exemple de réponse. Les résultats sont récapitulés dans le tableau 2. Les valeurs de l'angle de frottement obtenues sont faibles (18 à 30°) par rapport aux valeurs usuellement retenues par un granité (35 à 40°). Ceci est du à la présence des placages hydrothermaux, qui sont le principal facteur déterminant le comportement de ces éprouvettes en cisaillement. Ainsi, la destruction de ces placages lors du glissement explique la dilatance extrêmement faible qui a été mesurée : un degré environ.

- 1 2 -

Figure 5 - Courbe (déplacement tangentiel relatif / contrainte de cisaillement), et définition de Km, lors d'un essai de cisaillement

- 13 -

A Z (MPa)

150 300 450 600

Figure 6 - Exemple de réponse lors d'un essai de cisaillement

- 14 -

MPa

0,55

1,7

3,5

5,3

Carotte n° 1

GPa

5

2,7

3,3

4,2

4> e

30

18

18

16

Carotte n" 2

K. GPa

3

4

3,5

4,7

O

24

17

15

30

Carotte n° 3

GPa

7

8

8

8

18

17

15

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Tableau 2 - Valeurs des paramètres obtenus par les essais de cisaillement (dilatance de un degré pour les trois éprouvettes)

Notons qu'un léger basculement de la demi-boite de cisaillement mobile a été remarqué au cours des essais. Il est donc possible que le cisaillement n'ait lieu que sur une région restreinte de l'échantillon déterminée par ce basculement. Pour nous assurer complètement de la validité des essais, il nous aurait fallu contrôler que la contrainte normale restait effectivement constante au cours du cisaillement. Ceci étant, ces problèmes sont essentiellement dus à l'échelle de la rugosité de la fracture étudiée. Nous ne seront surs de la représentativité des mesures que si nous testons des échantillons dont les dimensions sont grandes par rapport à la longueur d'onde des aspérités. Ce n'est pas le cas ici, et pour cette fracture de tels essais sont difficilement envisageables.

7 - CONCLUSION

Les travaux réalisés conjointement par l'IPG et le BRGM dans le cadre de ce programme ont permis de mesurer les caractéristiques mécaniques, en compression et en cisaillement, d'une fracture striée, sur des échantillons prélevés dans une carrière à environ cent mètres du site expérimental de l'IPG.

Des problèmes de délais nous ont empêché de réaliser le rugosimètre de terrain qui devait nous permettre de passer de l'échelle de l'échantillon de laboratoire à l'échelle métrique. La conception de ce matériel a pu être menée à terme. Il sera construit et utilisé lors de l'étape suivante de cette recherche. La morphologie de la fracture a été enregistrée au laboratoire par des moulages et des profils, en vue d'une utilisation ultérieure.

- 15 -

Les paramètres déterminés sont actuellement utilisés par J. DESROCHE (IPGP) pour modéliser les stimulations hydromécaniques réalisées auparavant au Mayet de Montagne, sur une fracture à l'aide de modèles développés par la Camborne School of Mines, dans le cadre de son projet "Hot Dry Rocks" (programmes FBED et DBED).

Les doutes qui subsistent sur la totale validité de ces paramètres sont essentiellement dus à notre méconnaissance de l'effet d'échelle. Il semble donc fondamental, si le comportement hydromécanique des fractures est considéré comme un élément essentiel de la réponse du massif, de réaliser d'une part des mesures de profils d'épontes à des échelles métriques à décamétriques, et d'autre part des mesures de la réponse hydromécanique à l'échelle du métré carré.