From outcrop to fracture model. A multidisciplinary approach to characterize fracture networks from outcrop analogues in carbonates affected by extensional tectonics.

Fracture networks exert a primary role in the control of permeability and flow of geo-fluids (e.g hydrocarbons, ground water, hydrothermals fluid, etc.). Fracture parameters in the subsurface are usually characterised using borehole and seismic data, but these are affected by a scale gap. Well data are only sparse and partial and even the best seismic data cannot detect fractures shorter than ca 200 m. Km-scale outcrop analogues can help to fill this gap, allowing to collect huge amounts of of data at different scales. This PhD thesis investigates the fracture networks in carbonates of the Maltese Islands, located in the Pelagian Platform in the foreland of the Sicilian-Appenine-Maghrebian fold and thrust belt, that are world-class analogues of extensional fractured and faulted hydrocarbon reservoirs. Here a Late-Oligocene – Late Miocene carbonatic sequence composed by different types of carbonates is exposed. It is cross-cut by normal faults with a vertical displacement up to 210 meters, arranged in two main sets striking ENE-WSW and WNW-ESE. Moreover, Neptunian dykes associated with small normal faults (less than 5 meters of displacement) are present in the lower units. We applied a multidisciplinary approach that allowed us to carry out the following studies that are presented in the four chapters of these thesis. i) In the first chapter, we characterize the tectonic and geodynamic evolution of the Maltese Islands and Pelagian Platform from the Late Oligocene to the Pliocene and to understand the timing, kinematics and stress regime of the different fault and joint sets. ii) In the second chapter, we Investigate the fracture parameters and their impact on hydraulic connectivity and the architecture of the damage of the Qala fault (Gozo). The study was performed applying a new workflow that combines linear scanlines and scanareas collected on a large Digital Outcrop Model also using automatic methods for the extraction of fracture parameters. iii) In the third chapter, we investigate the control of the mechanical stratigraphy and in particular of the elastic properties of the rocks on the damage zone thickness combining petrographical, petrophysical, geomechanical and numerical modeling analyses. iv) In the fourth chapter, we characterize the Representative Elementary Volume of fracture network parameters extracted from the DOM study to drive Discrete Fracture Network modeling. This allows building DFN models on in order to build DFN model on a smaller scale with respect to the reservoir scale solving many numerical models.

I network di fratture hanno un ruolo fondamentale nel controllo della permeabilità e del flusso dei geo-fluidi (e.g. idrocarburi, acqua, fluidi idrotermali ecc.). Nel sottosuolo i parametri delle fratture vengono solitamente caratterizzati utilizzando dati di pozzo e dati sismici, i quali però sono divisi da un salto di scala. Infatti, i dati di pozzo sono sparsi e parziali mentre anche la sismica migliore non è in grado di identificare fratture con dimensione minori di 200 metri. Gli analoghi esumati con dimensioni chilometriche posso aiutare a colmare questo divario permettendo di raccogliere una grande quantità di dati a scale differenti. In questa tesi di dottorato abbiamo caratterizzato il network di fratture nei carbonati delle isole di Malta e Gozo, che si trovano all’interno della Piattaforma Pelagica nel foreland della catena Appeninico-Magrebide e sono degli spettacolari analoghi esumati di reservoir di idrocarburi fratturati sviluppatisi in ambienti tettonici estensionali. La stratigrafia delle isole maltesi è caratterizzata dalla presenza di differenti tipi di carbonati di età compresa tra il tardo Oligocene e il Miocene superiore., tagliati da due set di faglie normali (ENE-WSW e WNW-ESE) con rigetti verticali che possono raggiungere i 210 metri. Dicchi nettuniani associati a faglie normali con rigetto limitato (meno di 5 metri) sono inoltre presenti nelle unità più antiche. In questa tesi abbiamo utilizzato un approccio multidisciplinare che ci ha permesso di effettuare diversi tipi di studi che sono presentati nei quattro capitoli della tesi. i) Nel primo capitolo abbiamo ricostruito l’evoluzione tettonica e geodinamica delle isole di Malta e Gozo e della Piattaforma Pelagica a partire dal tardo Oligocene fino al Pliocene. Questo ci ha permesso inoltre di ricostruire l’età di formazione e la cinematica dei diversi set di faglie e fratture. ii) Nel secondo capitolo abbiamo caratterizzato i parametri delle fratture assieme al loro impatto sulla connettività idraulica e l’architettura della zona di danneggiamento legata alla faglia di Qala (Gozo). Per fare questo abbiamo applicato un nuovo workflow che combina scan-line lineari con scan-area applicate su modelli di affioramento digitali di dimensioni chilometri utilizzando inoltre metodi automatici per il calcolo dei parametri della fratturazione. iii) Nel terzo capitolo, abbiamo mostrato come la meccanica stratigrafica e in particolare le proprietà elastiche delle rocce giochino un ruolo fondamentale nel controllo dello spessore della damage zone. I risultati sono stati ottenuti combinando osservazioni di terreno con analisi petro-fisiche, petrografiche, geo-meccaniche e modelli numerici. iv) Nel quarto capitolo abbiamo utilizzato il Volume Elementare Rappresentativo del network di fratture caratterizzato durante lo studio effettuato nel capitolo due per realizzare modelli DFN ad una scala più piccola rispetto a quella del reservoir. Questo ci ha permesso di risolvere diversi problemi legati alla modellazione della fratturazione alla scala del reservoir.