Etude structurale et dynamique de réservoirs hydrothermaux haute enthalpie ; exemple de la géothermie en Islande

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1 Etude structurale et dynamique de réservoirs hydrothermaux haute enthalpie ; exemple de la géothermie en Islande Financement : Bourse issue d un projet Européen (HITI- High Temperature Instruments) 50 % acquise. Demande de bourse BRGM ou ADEME pour le complément 50 %. Début : 01/09/2007 Encadrement : P. Pezard (HDR) et B. Ildefonse (HDR). Thématique : Géothermie et hydrothermalisme. Détail : Ce sujet de thèse a pour but d étudier in situ et en laboratoire le fonctionnement physico-chimique des systèmes géothermiques en vue de leur exploitation future. Il est associé à un projet Européen «HITI» (voir ci-dessous) dont le but est de caractériser des réservoirs géothermiques profonds (sous conditions supercritiques). Nous désirons aussi l associer au pôle de compétitivité «DERBI» localisé en région «Languedoc - Roussillon», et dont la géothermie constitue l un des axes de recherche. Profil candidat : Pétrophysique, géophysique, pétrologie, géologie. Domaine scientifique : Géosciences. Mots clés : Géothermie, volcanisme, Islande, croûte océanique, transferts de chaleur, réservoir et fluides supercritiques, géophysique en forage, résistivité électrique, pétrophysique. Objectifs : L objectif du travail de thèse est de parvenir à une caractérisation in situ, aussi bien structurale que dynamique, du fonctionnement des réservoirs géothermaux haute enthalpie. Pour cela, on s appuiera à la fois sur des mesures et images géophysiques en forage, des mesures pétrophysiques en laboratoire, ainsi que sur le programme de recherche IDDP qui vise, par forage à environ 5 km, l exploitation géothermale de réservoirs supercritiques. S inscrivant dans le contexte d un projet Européen FP6 «HITI», en association avec une équipe Islandaise (voir ci-dessous), ce projet se focalisera sur les systèmes géothermiques islandais, et notamment la région de Krafla, au NE de l Islande. A partir des mesures et échantillons produit par le projet IDDP, et en utilisant les méthodologies développées en Oman et dans l'océan, nous proposons d'étudier de façon multidisciplinaire le fonctionnement de la zone de recharge des réservoirs hydrothermaux en régime supercritique. Une approche géochimique et pétrologique permettra de déterminer la température du réservoir et la composition des fluides, d'identifier les chemins de percolation, et de décrire les paragenèses subies par l'encaissant. Une approche par géophysique en forage, après réduction de la température locale par foration, permettra de décrire in situ la porosité (principalement liée à la fracturation) du réservoir, la salinité du fluide poral, et de confronter failles, fractures et microstructure à la thermicité in situ et au champ de contraintes observé dans le puits à l'aide des déformations induites. Une approche pétrophysique en laboratoire permettra à la fois de caler les mesures en forage et de préciser le fonctionnement à la fois mécanique, thermique et hydrodynamique du réservoir hydrothermal à haute température (T> 400 C). Enfin, une approche géophysique permettra de mieux contraindre les circulations au sein du réservoir, de replacer le puits

2 dans son contexte crustal et ainsi d analyser à plus grande échelle la relation entre fracturation, circulations et contraintes. Approche pétrophysique et par géophysique en forage Une démarche intégrée a été développée à partir de l'analyse combinée de carottes et de profils géophysiques en forage venant du Site DSDP/ODP 504, et donc sur un système fossile de basse température (de 20 à 300 C environ). Cette démarche, basée sur l'analyse des propriétés électriques a permis de relier structures aussi bien lithologique que tectonique, circulations de fluides et champ de contrainte in-situ [Pezard et al., 1992; Pezard, 2000]. Nous proposons de développer cette approche sur les nouveaux sites de forage IDDP à haute température (> 400 C) et plus grande profondeur dans la croûte. En particulier, nous proposons l'analyse des propriétés électriques, à la fois in situ et sur carottes [Pezard, 1990; Ildefonse et Pezard, 2001]. La résistivité électrique des roches peut être mesurée à l échelle du réservoir géothermique, en forage (e.g. Pezard, 1990) ou à plus grande échelle (Flovenz,et al., 1985). Elle dépend de la température, de la présence de fluides, de la porosité de la roche, de la topologie de l espace poreux (e.g. Archie, 1942), ainsi que de la présence de minéraux argileux du fait de l altération hydrothermale. La résistivité électrique peut donc donner des informations majeures concernant la nature du réservoir géothermique, à condition que cette propriété et ses variations en fonction des conditions physico-chimiques soit bien connue. Les mesures sur carottes sont réalisées non seulement en fonction de la salinité du fluide saturant pour mettre en lumière la composante surfacique de la conduction électrique, particulièrement importante dans les édifices volcaniques du fait de l'altération, mais aussi en fonction de la température. Le comportement de ces propriétés jusqu'à des températures moyennes (T < 300 C) permettra en retour d'analyser les mesures en forage et, à plus haute température, de mieux comprendre les relations entre fracturation (volume transmissif), nature du fluide saturant et conductivité électrique, et donc d'interpréter de façon plus pertinente le fonctionnement du réservoir à partir des cartes de résistivité enregistrées depuis la surface. Structure du réservoir et contraintes in situ Afin de mieux contraindre les circulations au sein du réservoir hydrothermal, nous proposons de replacer le puits dans son contexte crustal à échelle kilométrique et ainsi d analyser la relation entre la fracturation, circulations et champ de contraintes. Celui-ci peut être étudié à la fois en forage, à partir des déformations du puits, ou à échelle régionale, à l'aide des séismes peu profonds. Nous proposons donc d utiliser la sismicité naturelle de la zone située à proximité du forage ainsi que la déformation des forages analysés afin d'obtenir une meilleure connaissance des chemins d alimentation du réservoir géothermal. Les éventuelles déformations des parois de forage, telles les fentes de tensions induites ou les breakouts, seront confrontées au champ de contraintes régional déjà analysé par inversion des mécanismes au foyer de séismes à proximité du forage et en fonction de la profondeur. Dans le cadre du projet HITI, dont l objectif est d étudier les sites géothermiques de très haute enthalpie, et ce jusqu aux conditions supercritiques de l eau (T> 374 C, P> 220 bars), nous envisageons de mettre en oeuvre l approche innovante présentée ci-dessus dans le cadre de deux études de cas. Elles seront centrées sur deux forages situés dans la région de Krafla, au NE de l Islande. La première concernera un puit existant, encore ouvert et donc accessible à de nouvelles mesures, avec carottes et mesures géophysiques in situ. La seconde sera centrée sur le puits IDDP, dès qu il sera accessible. Contexte, exposé des motifs : Le volcanisme libère plus de la moitié de la chaleur dégagée par le globe terrestre et est le moteur de l'hydrothermalisme. En mer, il contrôle la chimie de l'océan et donne naissance à des formes de vie extrêmes encore inconnues voici

3 moins de trente ans. A terre, il est le moteur de la géothermie haute enthalpie considéré comme une source d'énergie inépuisable à échelle humaine. Actuellement, seuls des systèmes de basse ou moyenne enthalpie sont exploités dans le domaine de la géothermie, et l'exploration des processus associés à la présence de fluides supercritiques (T > 400 C) reste à ce jour confinée à l'étude de systèmes fossiles. Alors que l'exploitation de tels systèmes était jusqu'à présent considérée comme impossible, les progrès technologiques montrent qu'il est maintenant envisageable de les forer [Thorhallson et al., 2003] et d'en produire une quantité d'énergie au moins dix fois supérieure à celle extraite des systèmes actuels. En Islande, la récurrence des séismes à 5 km sous les zones volcaniques actives (Reykjanes, Hengill, Krafla) laisse penser qu'une circulation hydrothermale existe à des températures compatibles avec un fonctionnement supercritique du réservoir géothermal [Tsuchiya and Bignall, 2002]. C'est pourquoi le gouvernement islandais associé à plusieurs groupes industriels propose d'atteindre de tels réservoirs dans le cadre du projet IDDP ("Iceland Deep Drilling Project"). IDDP est soutenu par ICDP, la NSF, ainsi que le consortium islandais SAGA, ce qui va permettre de débuter en 2008 un premier forage situé dans la région NE de Krafla.. Géosciences Montpellier est associé à IDDP par l'intermédiaire de P. Pezard, membre du comité de pilotage depuis IDDP ouvre donc, pour la première fois, la porte à l'exploration directe des zones de réaction à proximité des chambres magmatiques. Les processus physico-chimiques de très haute température dans ces zones n'ont été explorés que sur des systèmes fossiles comme l'ophiolite d'oman. Ils sont par ailleurs la clé du fonctionnement des zones de recharge de l'hydrothermalisme [Norton et Dutrow, 2001, Nicolas et Mainprice, 2005]. Nous proposons d'étudier le fonctionnement du réservoir hydrothermal et, tout particulièrement, la relation entre thermicité, porosité (fracturation), champ de contraintes et écoulements à partir de l'analyse des carottes, de mesures géophysiques en forage et d'une analyse tomographique de la structure superficielle de la croûte à proximité du site de forage. L'étude de ce thème prolonge une activité initiée au laboratoire de Tectonophysique avec les travaux mené sur l'ophiolite d'oman par A. Nicolas et ses collaborateurs depuis le début des années 2000, ainsi que les travaux basés sur les forages océaniques de P. Pezard et B. Ildefonse depuis Focalisée principalement sur IDDP, cette activité pourra être complétée par ailleurs en s'appuyant sur l'étude des ophiolites, ou de campagnes de forage en mer (IODP; Puits 1256D). Une caractéristique commune à nombre de ces projets est la mise en œuvre conjointe des approches pétrologique, pétrophysique, géophysique, microstructurale et géochimique, et de chantiers à terre ou en mer. Cette thèse sera co-financée par le projet Européen HITI : «HIgh Temperature Instruments for supercritical geothermal reservoir characterization and exploitation» (débuté le 01 Janvier 2007) qui s inscrit dans le FP6 - priorité 6 développement durable, changement globaux et écosystèmes. Ce projet, porté par Philippe Pezard (Géosciences Montpellier), a pour but de caractériser les propriétés physiques des roches à haute température et en présence de fluides (Température> 300 C, profondeur de 5 km) afin de permettre l exploration de réservoirs géothermiques de très haute enthalpie. Ce projet est en étroite association avec le projet Islandais IDDP («Iceland Deep Drilling Project») (Elders et al., 2003) dont le but est de produire de l électricité de façon beaucoup plus efficace en exploitant des réservoirs très profonds. Ce projet prévoit le forage d un puits à 5 km de profondeur, à des températures supérieures à 300 C C et où les conditions seront proches des conditions supercritiques de l eau (Steingrimsson et al, 1990). Dans ces conditions, la puissance délivrée par une exploitation géothermique peut être multipliée par 10 par rapport aux exploitations actuelles.

4 Notre contribution, par l intermédiaire de cette thèse, sera de caractériser à partir de mesures pétrophysiques sur carottes et géophysiques in situ, en forage, les propriétés du réservoir ainsi que sa dynamique. Dans un contexte régional, ce projet sera lié au pôle de compétitivité «DERBI», qui comporte, parmi d autres projets de développement d énergie renouvelable, un volet géothermie. Notre laboratoire (équipe «Subsurface», Philippe Pezard) est présent avec l analyse de mesures en forages pour de futurs sites d exploitation géothermique basse enthalpie. Dans ce contexte, le développement de nouvelles méthodes de caractérisation in situ des réservoirs géothermiques peut avoir un impact important à basse température. Méthode : Le travail de thèse se développera à deux échelles complémentaire. En laboratoire, il consistera essentiellement en un travail de pétrophysique qui aura pour but de mesurer certaines propriétés physiques clé des roches, telles la porosité, ou la résistivité électrique à basse température (T< 100 C) et pression atmosphérique. Pour cela, le laboratoire dispose des moyens nécessaires comme une série d impédance-mètres (Hoyki, Solartron). L analyse des données de terrain images et mesures géophysiques recueillies in situ, en forage, se fera également à Montpellier à l aide des différents logiciels d analyse d image adaptés (GeoFrame, WellCad) ou de modélisation numérique (RtEvrest, WellHeat). Résultats attendus : Le premier résultat attendu est d ordre méthodologique, pour l analyse intégrée de la structure et de la dynamique des réservoirs hydrothermaux, de basse à très haute enthalpie. Un résultat fondamental serait l obtention, comme résultat de l analyse de la résistivité électrique in situ et en laboratoire, d information concernant les variations in situ de salinité du fluide poral d un système hydrothermal, mettant notamment en lumière les zones de réaction et, par exemple, d extraction de métaux. Cette nouvelle méthode servira de base à l analyse de systèmes de plus basse enthalpie, comme ceux exploités ou en cours d étude en région «Languedoc Roussillon». Ces données seraient également utiles dans d autres domaines, comme celui la prospection pétrolière HPHT. Références bibliographiques : Archie, G.E. (1942). The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Journal of Petroleum Technology, 5, 1-8. Elders, W.A., Fridleifsson, G.O. and Saito, S. (2003). The Iceland Deep Drilling Project: Its global significance, International Geothermal Conference, Reykjavík, Flovenz, O.G., Georgsson, L.S., and Arnason, K. (1985). Resistivity structure of the upper crust in Iceland. Journal of Geophysical Research, Vol. 90, Ildefonse, B. et Pezard, P.A. (2001). Electrical properties of slow-spreading ridge gabbros from ODP site 735, Southwest Indian Ridge, Tectonophysics, 330, Nicolas, A., and Mainprice, D. (2005). Burst of high-temperature seawater injection throughout accreting oceanic crust: a case study in Oman ophiolite. Terra Nova, 17: Norton D. et B. Dutrow (2001). Complex behavior of magma-hydrothermal processes: role of supercritical fluid. Geochimica et Cosmochimica Acta, 65, Pezard P.A., Lovell M.A. and the Scientific Party of ODP Leg 126 (1990). Electrical Images of the Earth Crust. EOS, 71/20: Pezard, P.A., (1990). Electrical properties of mid-ocean ridge basalts, with implications for the structure of the upper oceanic crust in Hole 504B. Journal of Geophysical Research, Vol. 95, B6, Pezard P.A., Anderson R.N., Ryan W.B.F., Becker K., Alt J.C., Gente P. (1992). Accretion, Structure, and Hydrology of Intermediate Spreading-Rate Oceanic Crust from Drillhole Experiments and Seafloor Observations. Mar. Geophys. Research, 14: Pezard P.A. (2000). Seismic layer 2/3 boundary: A stress change? In Dilek, Y., Moores, E., Elthon, D., Nicolas, A. (Ed.), Ophiolites and oceanic crust: new insignts from field studies and ocean drilling (Geological Society of America Memoir/Special Publication), Penrose Volume ( ).

5 Steingrimsson B., Gudmundsson A., Franszon H. and Gunnlaugsson E., Evidence of a supercritical fluid at depth in the Nesjavellir field. Proceedings, 15th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University. Stanford, California, January 23-25, pp SGP-TR-30. Thorhallson, S., M. Mattiasson, G. Gislason, K. Ingason, B. Palsson, et G.O. Fridleifsson (2003). Part II. Drilling Technology. In: Iceland Deep Drilling Project, Feasibility Report, G.O. Fridleifsson (Ed). Orkustofnun, OS-2003/007, Reykjavik, 76 p. (& Appendix on casing design 45 p.). Tsuchiya N. et G. Bignall (2002). Deep-Seated, Supercritical Fluid-Rock Interactions in the Icelandic Rift-Zone. Presentation at the second IDDP/ICDP workshop, Nesjavellir, Iceland, October 2002.

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