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Valley, Benoît
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Valley, Benoît
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benoit.valley@unine.ch
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- PublicationAccès libreThe Role of Convective Heat and Mass Transfer in the Thermal Response of Karst Conduits(Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2025)
; ; Le transfert de chaleur et de masse dans les environnements karstiques est caractérisé par les interactions complexes entre les processus géologiques, hydrologiques et atmosphériques. Les systèmes karstiques facilitent le transfert de chaleur à travers des réseaux étendus de fractures souterraines, de cavités et de grottes. Ces dernières représentant des écosystèmes fragiles où les processus biogéochimiques dépendent largement de la température. Les grottes abritent également des archives environnementales précieuses dont l’interprétation dépend étroitement de la température. Une bonne compréhension de la réponse thermique du karst aux signaux atmosphériques est donc essentielle pour quantifier les taux de dissolution/précipitation du carbonate, interpréter la distribution géochimique, évaluer l'efficacité de l'extraction géothermique peu profonde et déterminer les impacts sur les organismes vivant dans les karsts. Les grottes ventilées par l’effet cheminée, où le flux d’air est entraîné par contraste de densité (température) entre l’intérieur et l’extérieur de la grotte, peuvent transférer les signaux atmosphériques à certaines distances des entrées — appelées longueur de convection — avant d'atteindre un équilibre thermique avec la roche environnante. Les signaux atmosphériques consistent en différentes fréquences, telles que les fluctuations annuelles et journalières, avec des amplitudes propres. La distribution spatiale de ces amplitudes à travers les galeries de grottes ainsi que l’étendue de l’impact thermique généré sur la roche environnante sont étudiées dans cette thèse à l’aide d’un modèle thermique démontrant que la longueur de convection est approximativement proportionnelle à l’amplitude des fluctuations annuelles du débit divisé par la racine carrée du rayon de la grotte. Ce résultat est testé avec des données de terrain provenant d’un tunnel de mine et de deux grottes. Les galeries réelles des grottes comportent de nombreux obstacles et irrégularités augmentant les coefficients de transfert locaux et les frottements par rapport à ceux calculés à partir des corrélations empiriques dérivées pour des tuyaux standard. De plus, le flux d'air peut transporter de la vapeur d'eau, entraînant des phénomènes locaux de condensation ou d'évaporation. Quatre scénarios thermiques sont conçus pour étudier ces processus complexes à l’aide de simulations numériques. Les résultats d’une année de données de terrain issues de la surveillance de la grotte de Longeaigue, en Suisse, concordent avec les résultats du modèle thermique. Enfin, un modèle aéraulique-thermique a été développé en utilisant les températures externes et la résistance aéraulique de la grotte comme entrées pour calculer le débit massique d'air dans les grottes ventilées. L’épikarst, situé dans la couche superficielle du karst, contribue au transfert rapide de l’eau de recharge à travers les fractures par flux concentré ou au transfert lent à travers la matrice rocheuse par flux diffusif. Une géométrie spéculative en 3D de l’épikarst est construite à partir de la distribution d’un réseau de fractures discrètes (DFN) et un modèle thermique simple est développé pour des conditions hydrauliques extrêmes incluant des fractures entièrement saturées et non saturées. Bien que certaines intensités de précipitations ne soient pas réalistes, elles peuvent néanmoins être utilisées comme scénarios hydrauliques extrêmes pendant une crue. Dans ces cas, le flux de chaleur convectif dans les fractures devient dominant et les modèles classiques basés sur la conduction ne peuvent pas prédire efficacement la réponse thermique de la température souterraine dans l'épikarst. Les régions karstiques sujettes au pergélisol subissent des variations de température atmosphérique dans la couche active à différentes échelles temporelles. La prédiction du taux de fonte dans les aquifères riches en glace est essentielle en raison de leur impact profond sur l’hydrogéologie, influençant à la fois la disponibilité en eau et la stabilité mécanique du sol. Une approche complète des mécanismes de transfert thermique dans ce milieu spécifique est proposée au moyen d’un modèle couplant hydraulique et thermique. Dans un réseau de fracture, la convection naturelle dans l’eau de fonte se produit en raison du comportement anormal de l’eau entre 0 et 4 °C, augmentant le taux de fonte d’environ un ordre de grandeur par rapport à un modèle basé uniquement sur la conduction dans l’eau stagnante. Les résultats du modèle sont comparés qualitativement aux données de terrain de la glacière de Monlési en Suisse et confirment l’accord entre les observations réelles et le modèle proposé lorsque la convection naturelle est prise en compte. Les résultats de cette thèse fournissent des perspectives détaillées sur les différents mécanismes de transfert de chaleur et de masse dans les systèmes karstiques en considérant le flux thermique convectif dans les conduits ventilés, les épikarsts fracturés et les fractures remplies de glace soumises aux variations de température atmosphérique. Des recherches supplémentaires sur ce sujet pourraient être facilitées par l’utilisation de modèles développés comme base pour la communauté des géosciences, de l’hydrogéologie et de la cryosphère. Abstract Heat and mass transfer in karst environments are characterized by the complex interactions between geological, hydrological, and atmospheric processes. Karst systems, facilitate unique heat transfer mechanisms through extensive networks of underground fractures, voids and caves representing fragile ecosystems where biogeochemical processes largely depend on temperature. Caves also host unique environmental records whose interpretation closely depends on temperature as well. Achieving a good understanding of the thermal response of karst to atmosphere signals is thus central to quantify dissolution/precipitation rates to interpret geochemical partitioning, to evaluate shallow geothermal extraction efficiency and to determine impacts on organisms living in karst. Ventilated caves influenced by the chimney effect, where airflow is driven by the density (temperature) contrast between the interior and exterior of the cave, can transmit atmospheric signals to specific distances from entrances—referred to as the convection length—before reaching thermal equilibrium with the surrounding rock. Atmospheric signals consist of different frequencies such as yearly and daily fluctuations with certain amplitudes. The spatial distributions of these amplitudes through cave passages as well as the extent of generated thermal impact on the surrounding rock are investigated in this thesis by developing a thermal model illustrating that the convective length is approximately proportional to the amplitude of the flowrate annual fluctuations divided by the square root of the cave radius. This result is tested against field data from a mine tunnel and two caves. The real cave passages comprise many obstacles and irregularities increasing the local transfer coefficients and friction compared to the calculated ones from empirical correlations derived for standard pipes. Furthermore, the airflow can transfer water vapor from atmosphere into the cave resulting in local condensation or evaporation. Four thermal scenarios are designed in order to study these complex processes using numerical simulations. The results of one-year field data from monitoring of Longeaigue cave in Switzerland agree with the thermal model results. Finally, an aeraulic-thermal model was developed using the external temperatures and cave aeraulic resistance as inputs calculating air mass flow rate in ventilated caves. Epikarst located at uppermost layer of karst contributes to the fast transfer of recharge water through fractures by concentrated flow or slow transfer through rock matrix by diffusive flow. A speculative 3D epikarst geometry is built based on the distribution of Discrete Fracture Network (DFN) and a simple thermal model is developed for extreme hydraulic conditions including fully saturated and unsaturated fractures. Although some rainfall intensities are unrealistically high, they can nonetheless be used as extreme hydraulic scenarios during floods. In these cases, convective heat flux in fractures becomes dominant and classical conduction-base models cannot efficiently predict thermal response of underground temperature in epikarst. Ice-clefts in karstic permafrost region experience temperature variations of atmosphere in the active layer at different time scales. The prediction of melting rate in ice-rich aquifers is essential for their profound impact on their hydrogeological properties, influencing both water availability and the mechanical stability of the ground necessitating a comprehensive understanding of heat transfer mechanisms in this specific medium by developing a fully coupled hydraulic-thermal model. Free convection in meltwater in the ice-clefts occurs due to the anomalous behavior of water between 0 and 4 ℃ increasing the melting rate by approximately an order of magnitude compared to a model based on purely conduction in stagnant water. The model outcomes are compared qualitatively with field data from Monlesi ice cave in Switzerland and confirm the agreement between real-world observations and the proposed model when free convection is considered. The results of this thesis provide more detailed insights on different aspects of heat and mass transfer mechanisms in karst systems by considering convective heat flux in ventilated conduits, fractured epikasrt and ice-filled clefts subject to atmospheric temperature variations. Further investigations on this topic can be facilitated by using the current developed models as a basis for the community of geoscience, hydrogeology, and cryosphere. - PublicationAccès libreHydrotectonics and fault criticality analysis in karstic regions from microseismic and hydrogeological observations(2024)
; Cette étude vise à évaluer la criticalité des failles dans les régions karstiques en combinant l’analyse de données hydrogéologiques et microsismiques, à améliorer la compréhension des interactions entre l’activité sismique et la circulation des eaux souterraines et à utiliser ces connaissances pour estimer l’état de contrainte actuel de la croûte supérieure. Ces objectifs sont motivés par les préoccupations actuelles concernant la sismicité induite et les risques qui y sont associés dans des projets tels que l’exploitation de l’énergie géothermique profonde, la séquestration de CO2 ou encore l’enfouissement des déchets radioactifs. Dans le contexte de la sismicité induite, l’eau joue un rôle majeur en influençant les contraintes effectives, et donc la stabilité des failles. Si la sismicité induite par l’Homme est souvent observée dans les cas d’injection d’eaux usées ou de stimulation de réservoirs, la sismicité induite naturellement peut également être observée à la suite d’intense période de recharge, en particulier en zone karstique où l’effet de canalisation des conduits karstiques a une influence majeure sur la pression interstitielle. Ainsi, en combinant des données hydrogéologiques aux données de sismicité naturelle, il est possible d’obtenir des informations sur l’interaction de la circulation des fluides et la stabilité des failles. Pour atteindre ces objectifs, la phase initiale du projet consiste à identifier et à quantifier les mécanismes susceptibles de déclencher un séisme à la suite d’une recharge importante (événement pluvieux ou fonte des neiges) dans les régions karstiques. Les mécanismes identifiés sont 1) une augmentation de la charge verticale due à l’eau supplémentaire dans les conduits karstiques, 2) une augmentation de la pression interstitielle suite à une déformation poro-elastic résultant de la charge supplémentaire, 3) une augmentation massive de la pression interstitielle résultant de la connexion hydrogéologique directe entre l’eau infiltrée et la profondeur focale et 4) un processus de diffusion de pression. Ces mécanismes, qu’ils agissent seuls ou ensemble, influencent la pression interstitielle, mais le moment auquel ils agissent varie. La réponse de la pression suite à une augmentation de la charge hydraulique est instantanée pour les mécanismes 1 à 3, mais retardée pour le mécanisme 4. L’utilisation de données provenant de 3 études de cas ainsi que des solutions analytiques 1D permettant de calculer la variation de la pression interstitielle suite à une augmentation massive de la charge hydraulique permet d’identifier quel processus est le plus susceptible de générer un séisme à la suite de fortes précipitations. En parallèle à cette première phase du projet, un réseau de surveillance sismique et hydrogéologique est déployé dans le Jura Neuchâtelois afin de créer un catalogue sismique et de collecter les débits des principales sources karstiques de la région, utilisés comme indicateurs des variations du niveau des eaux souterraines. Ces deux ensembles de données sont ensuite combinés et un lien statistiquement significatif est trouvé entre des périodes de hautes eaux souterraines et l’activité sismique. Une analyse détaillée de l’activité sismique des différentes zones de faille étudiées ainsi que des événements induits par la pluie qui leur sont associés est réalisée. En utilisant les solutions analytiques mentionnées ci-dessus, les variations de pressions interstitielles sont calculées pour chaque zone de faille au moment de la rupture et une valeur seuil au-delà de laquelle un séisme est envisageable, est définie pour chaque faille. Bien que la majorité des failles étudiées montre une certaine activité à la suite d’intenses précipitations, les tremblements de terre ne se produisent pas de manière régulière. L’identification des évènements induits par la pluie, le seuil de détection des tremblements de terre ou encore les propriétés hydromécaniques des failles peuvent expliquer ce manque de cohérence. En intégrant ces connaissances au contexte géologique et hydrogéologique de la région, un modèle conceptuel hydromécanique est établi. Dans la dernière partie de ce travail, l’état des contraintes actuelles de la croûte superficielle est estimé à l’aide de deux méthodes distinctes et une gamme de valeurs et d’orientations, dont les résultats sont en accord avec des études antérieurs, sont présentées. En conclusion, ce travail souligne l’importance de prendre en compte le contexte hydrogéologique d’une région lors de discussion sur la sismicité induite par la pluie, car l’effet de la canalisation des conduits karstiques augmente considérablement la pression interstitielle en profondeur, et a par conséquent une influence majeure sur la valeur seuil identifiée. Cette étude contribue également à une meilleure compréhension de l’activité sismique aux abords du lac de Neuchâtel et de la manière dont le contexte géologique et hydrogéologique l’influence. ABSTRACT This study aims at assessing fault criticality in karstic regions through the analysis of hydrogeological and microseismic data, at enhancing the understanding of interactions between seismic activity and groundwater circulation and using this insight to estimate the present-day stress state of the shallow crust. These objectives are prompted by the present concerns regarding induced seismicity and its associated risks in projects involving for example deep geothermal energy exploitation, CO2 sequestration or radioactive waste disposal. In the context of induced seismicity, fluids play a major role by influencing the effective stresses and thus fault stability. While human-induced seismicity is often observed in cases of waste water injection or reservoir stimulation, naturally triggered seismicity following seasonal recharge can also be observed, especially in karstic areas where the channeling effect of karst conduits has a major influence on pore pressure. Thus, combining natural seismicity and hydrogeological data can inform on the interaction between fluid flow and fault rupture. To fulfill these goals, the initial phase involves the identification and the quantification of what mechanisms may trigger seismicity following an important recharge period (heavy precipitation or snow melt) in karstic regions. The identified mechanisms are 1) an increasing vertical load due to the additional water within the karst conduits, 2) poro-elastic deformation resulting from the additional load, 3) a massive pore pressure increase resulting from a direct hydrogeological connection between the infiltrated water and focal depth and 4) pressure diffusion process. These mechanisms, whether they act alone or together, influence the pore pressure, however the timing of their effectiveness varies. The response of the pore pressure to an increasing hydraulic head is instantaneous for mechanism 1-3 but delayed for 4. Using data from 3 test sites and 1D analytical solutions to calculate pore pressure response to an increasing hydraulic head allows to determine, which process is more likely to trigger seismicity following heavy rainfalls. In parallel to this initial phase, a seismic and hydrogeological monitoring network is deployed in the Neuchˆatel Jura to create a seismic catalog and collect continuous flow rates from major karstic springs, which is used as proxy for groundwater level variations. These two data sets are then combined and a statistically significant link is found between high groundwater conditions and seismic activity. A detailed analysis of the seismic activity of the analyzed fault zones and their associated rain-triggered events, coupled with the afore-mentioned 1D analytical solutions is then performed. For each fault zone a triggering pore pressure increase is defined and used to determine the sensitivity of the faults to hydraulic head variations. Although the majority of the investigated faults show some activity following important precipitations, events do not occur on a regular basis. The identification of rain-triggered events, the detection threshold of seismic events as well as hydromechanical properties of the faults may explain this lack of consistency. Integrating this knowledge, together with the overall seismic activity of the region and the geological and hydrogeological context, a conceptual hydromechanical model for the study area is presented. Finally, the state of stress of the shallow crust is estimated using two distinct methods and a range of values and orientations is presented. As a conclusion, this study mainly stresses the importance of considering the hydrogeological context when discussing rain-triggered seismicity, as the channeling effect of karst conduits drastically increases the pore pressure at depth, and consequently has a major influence on the magnitude of the triggering pore pressure. This study also contributes to a higher understanding of the seismic activity near Lake Neuchˆatel and how it is influenced by the geological and hydrogeological context. - PublicationAccès libreModeling heat and fluid flow in discrete fracture networks: application to fluid-driven seismicity and engineered geothermal systems(2018)
Dans une étude numérique thermoélastique, je cherche à comprendre l’effet de l’injection de fluides froids dans un réservoir plus chaud et plus spécifiquement les changements des contraintes associées aux variations de température. Ces changements induisent des ruptures en cisaillement dans le réservoir. J’ai observé une influence très forte des propriétés hydrauliques du réservoir sur l’évolution des contraintes thermiques. De plus, j’ai trouvé que le changement des contraintes thermiques peut conduire à du cisaillement sur des fractures orientées non optimalement pour la rupture. Ces résultats suggèrent que les changements des contraintes thermiques devraient être pris en compte dans tous les modèles lors d’injections de fluides de longue durée dans des réservoirs fracturés.
J’utilise le modèle développé pour comprendre une séquence de tremblements de terre qui prit place à l’Ouest de Reno, Mogul, Nevada, aux États-Unis à la fin février 2008. Après 2 mois de séismes précurseurs répétés près d’une structure de faille inconnue préalablement, un tremblement de terre de magnitude 4.9 a eu lieu. Ici, je montre que la séquence de séismes précurseurs a pu être engendrée par l’intrusion de fluides à haute pression dans la structure de faille préexistante et j’ai trouvé une forte corrélation entre le front de pression et l’hypocentre des événements sismiques.
Finalement, je présente un algorithme simple et efficace pour générer des maillages hexahedraux à partir d’un modèle géologique utilisable par n’importe quels simulateurs numériques. En utilisant la méthode de «binary space partitioning» et d’«octree refinement» sur la géométrie importée, un maillage précis est créé. L’algorithme fournit une nouvelle méthode pour la création de maillages hexahedraux pour toutes configurations géologiques., Understanding the dynamics of naturally fractured systems and fractured reservoirs in terms of flow, heat transport and fracture stability (e.g. earthquakes) is important for a range of applications including geothermal systems, waste water injection and natural fluid-driven seismicity. Many numerical codes exist that can simulate aspects of these dynamics, but in general require either expensive licences or their utility is limited mostly to the developers. In this thesis I present an open source MATLAB package for efficient numerical simulations of the coupled processes in fractured systems. I take advantage of the embedded discrete fracture model that accounts for discrete fractures that are computationally efficient.
In a numerical thermo-elasticity study, I investigate the effect of cold fluid injection on the reservoir and the resulting thermal stress change on potential shear failure in the reservoir. I observe a strong influence of the hydraulic reservoir properties on thermal stress propagation. I also find that thermal stress change can lead to induced shear failure on non-optimally oriented fractures. The results suggest that thermal stress changes should be taken into account in all models for long-term fluid injections in fractured reservoirs.
Furthermore, I use the developed model to investigate an earthquake sequence that occurred in Mogul west of Reno, Nevada, USA in late February 2008. It culminated in a magnitude 4.9 main-shock after a foreshock-rich period of approximately 2 months on a previously unidentified fault structure. Here I show that the foreshock sequence may have been driven by a fluid pressure intrusion into this preexisting structure and find a strong correlation between high fluid pressure fronts and foreshock hypocenters.
Finally, I present a simple and efficient algorithm to generate hexahedral meshes from a geological model to be used in numerical simulation tools. Using binary space partitioning of the input geometry and octree refinement on the grid, a successive increase in accuracy of the mesh is achieved. The algorithm provides a new method for hexahedral mesh generation in geological settings. It generates high accuracy discretizations with cell counts suitable for state-of-the-art subsurface simulators. - PublicationMétadonnées seulement
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