ABSTRACT: From 2022 to 2023, a series of hydraulic stimulation experiments were conducted at the Bedretto Underground Laboratory in Switzerland (BedrettoLab) to study the creation of an engineered geothermal reservoir in crystalline rock. A 400 m long stimulation borehole was divided into 14 intervals using a multi-packer system. During the volume characterization, an azimuthal rotation of borehole breakouts was observed, indicating a stress perturbation caused by a major fault zone intersecting the experimental volume. In this study, we present the seismo-hydromechanical observations from seven hydraulic stimulations in four selected intervals. This is the first systematic comparison of repeated stimulations in different intervals at the BedrettoLab. Two of these intervals are neighboring the fault zone, while the other two are located further away. We utilize data from a dense multiparameter monitoring network to show that the stress perturbation affects the reactivation of similarly oriented pre-existing fractures. In our example, the stress perturbation caused by the fault zone prevents the reactivation of structures in the nearby interval, while similar structures are clearly reactivated in the three other intervals. Reactivation pressures from pressure-flow rate plots agree with the pressures encountered at the onset of seismicity. Given that the prevailing fractures are well oriented for shear reactivation within the far field stress field, hydraulic shearing is considered the probable reactivation mechanism. 1 INTRODUCTION Interest in engineered geothermal systems (EGS) as a low emission, renewable energy source (Lu, 2018; Aghahosseini and Breyer, 2020) has grown since the late 2000s. In Central Europe, EGS reservoirs with sufficiently high temperatures are located at depths of several kilometers, where the permeability of the crystalline basement rocks is insufficient for geothermal energy extraction. Permeability enhancement is achieved through hydraulic stimulation, which can involve hydraulic shearing of natural fractures or shear zones, hydraulic fracturing of intact rock, or a combination of both (McClure and Horne, 2014). This permeability enhancement goes hand in hand with induced seismicity, which can reach damaging levels if large fault zones are reactivated (e.g. Deichmann and Giardini, 2009; Evans et al., 2012; Ellsworth et al., 2019). To address this challenge, several scaled-down in situ hydraulic stimulation experiments have been conducted at decameter scale in underground research laboratories in representative crystalline rock types (e.g. Amann et al., 2018; Zimmermann et al., 2019; Schoenball et al., 2020; Fu et al., 2021).

ABSTRACT: In the framework of Enhanced Geothermal Systems (EGS), hydraulic stimulations play an important role in increasing the permeability of the host rock, facilitating more efficient heat extraction. However, these stimulations unavoidably induce reactivation of faults and earthquakes. The induced seismicity serves as proxy for the enhanced fracture network's spatial extent, but at the same time could pose a risk to nearby populations if the earthquakes' magnitude is large. To address this challenge, understanding the coupled physical processes generating fault reactivation and seismicity is crucial, and the development of forecasting tools could help mitigating the risk. Numerous numerical simulators capable of modeling complex coupled processes exist, yet their computational demands hinder their application in real-time induced seismicity forecasting. In this work, we present the development of two distinct categories of models: the first category encompasses a simplified hybrid hydromechanical model tailored for real-time applications, while the second category comprises a more detailed 3D numerical model designed to advance the fundamental understanding of the physical processes at play. By applying these models to reproduce a hydraulic stimulation at the Bedretto Underground Laboratory, we demonstrate that we can simulate first-order observations (e.g. pressure changes, seismicity rate, strain) without introducing excessive complexity. 1 INTRODUCTION The global pursuit of sustainable and green energy solutions has intensified in response to the escalating challenges of climate change and the imperative to transition away from fossil fuels. Geothermal energy has emerged as a particularly promising alternative, drawing increased attention due to its dual capability to serve as both an energy and heating source (Coskun Avci et al., 2020). However, effective heat extraction faces challenges, as naturally occurring resources are scarce and substantial heat is found deep underground where the rock permeability and the matrix porosity are low. Enhanced Geothermal Systems (EGS) aim to improve the heat extraction efficiency, creating a more permeable fractured reservoir by hydraulically stimulating the hot dry rock (Majer et al., 2007; McClure and Horne, 2014). However, these stimulations are primarily responsible for inducing seismic events (Grigoli et al., 2017). While such events are in general small and help identify the spatial extent of the stimulated reservoir volume, single larger magnitude events may occur too. To control the occurrence of such events is the challenge, since they pose a safety risk for nearby populations. This risk is heightened, for instance, when the targeted fault zone is large and has accumulated high amounts of elastic strain (Grigoli et al., 2017). In order to shed light on the coupled physical processes generating seismicity during geothermal activities, hydraulic stimulation experiments have been conducted at the Bedretto Underground Laboratory for Geosciences and Geoenergies (BULGG) in Switzerland. The unique aspect of the BULGG lies in its dense monitoring system (Plenkers et al., 2023; Obermann et al., 2024), facilitated by the experimental scale of deca- to hectometers (Hertrich et al., 2021) as well as realistic stress conditions close to real targeted reservoirs due to its overburden of more than one kilometer (Gischig et al., 2020; Ma et al., 2022).

Abstract We performed a series of hydraulic stimulations at 1.1 km depth in the Bedretto underground laboratory, Switzerland, as part of an overall research strategy attempting to understand induced seismicity on different scales. Using an ultra‐high frequency seismic network we detect seismic events as small as M w < −4, revealing intricate details of a complex fracture network extending over 100 m from the injection sites. Here, we outline the experimental approach and present seismic catalogs as well as a comparative analysis of event number per injection, magnitudes, b ‐values, seismogenic index and reactivation pressures. In our first‐order seismicity analysis, we could make the following observations: The rock volume impacted by the stimulations in different intervals differs significantly with a lateral extent from a few meters to more than 150 m. In most intervals multiple fractures were reactivated. The seismicity typically propagates upwards toward shallower depth on parallel oriented planes that are consistent with the stress field and seem to a large extent associated with preexisting open fractures. This experiment confirms the diversity in seismic behavior independent from the injection protocol. The overall seismicity patterns demonstrate that multi‐stage stimulations using zonal isolation allow developing an extended fracture network in a 3D rock volume, which is necessary for enhanced geothermal systems. Our stimulations covering two orders of magnitude in terms of injected volume will give insights into upscaling of induced seismicity from underground laboratory scale to field scale.