Les Méthodes Géophysiques. Gravimétrie Magnétisme Polarisation spontanée Sismique. Appliquées à la Géothermie

Transcription

1 Les Méthodes Géophysiques Gravimétrie Magnétisme Polarisation spontanée Sismique Appliquées à la Géothermie

2 Introduction Structure du globe Etude des ondes sismiques : caractériser les grandes discontinuités et définir les grandes enveloppes de la Terre. - Croûte terrestre ~ 30 km sous les continents - Croûte océanique ~ 6 km sous les océans limite inférieure = discontinuité du Moho - Manteau : manteau «supérieur» et manteau «inférieur» frontière entre les 2 manteaux (660 km) = zone de transition - Noyau: noyau externe (2880 à 5150 km) et graine (5150 et 6370 km) discontinuité manteau-noyau = couche D

3 Introduction Structure du globe Toutes ces discontinuités correspondent à des changements de densité ou de composition des matériaux terrestres

4 Introduction Géothermie But de l exploration Localiser un champ géothermique Evaluer sa nature Déterminer sa dominante: vapeur ou eau Définir de façon aussi précise que possible: -Son emplacement -Sa superficie -Sa profondeur -La gamme probable des T Estimer l ordre de grandeur de son potentiel énergétique ou calorifique Interaction entre les différentes méthodes géophysiques

5 But de l exploration La majorité se trouve à proximité de manifestations superficielles d activité thermique: les fluides chauds peuvent s échapper suivant des failles et fissures depuis une source assez éloignée des manifestations observées en surface -Ceinture sismique, zone volcanique -Gradients de T anormalement élevés Introduction Géothermie Absence d indice en surface étude de l environnement géologique

6 Introduction Géothermie Analyse de documents Rassembler et résumer l ensemble des données physiques et chimiques locales disponibles : -Topographie -Géologie -Météorologie -Hydrogéologie -Observations de sources chaudes -Geysers et fumerolles -Mesures géophysiques et géochimiques

7 Introduction Géothermie Rôle du géologue Etablir un modèle à 3D de la structure géologique d une région thermique présumée (+ grande profondeur possible) Déduire les sites des forages prometteurs Modèle hypothétique suggérant quelles zones peuvent être perméables et contenir des fluides chauds Observation + Déduction Intérêt des autres disciplines

8 Introduction Géothermie Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte Mesurer le plus précisément possible plusieurs propriétés physiques en de nbx endroits, détecter des anomalies, les exprimer graphiquement sous la forme d isotherme, d isogals, d isorésistivité ou autre courbe équipotentielle Distinguer les anomalies Champ géothermique: grand volume de vapeur et / ou d eau retenu dans des roches perméables présente plusieurs anomalies par comparaison avec les normes environnantes La géophysique est un outil puissant pour la détection des champs thermiques

9 Introduction Géothermie Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte Nb techniques variables en fiabilité et en coût La chère, parmi les + simples et + utiles: le thermomètre - Géothermographe - Sonde Amerada - Thermocouple - Thermistance... Déduire les gradients de T et, à l aide du géologue, les volumes du flux de chaleur Preuve indirecte de points chauds locaux plus profonds

10 Introduction Géothermie Rôle du géophysicien -Mesure de la résistivité électrique -Mesure de la gravité Tout un arsenal... Mise en oeuvre réfléchie -Méthode magnétique -Sismique, réflexion et réfraction -Techniques électromagnétiques -Techniques de micro-ondes -Interférences de fréquence radio -Mesures du bruit -Microsismicité -Mesures des ondes AMT -Balayage aérien des radiations infrarouges

11 Introduction Géothermie Rôle du géophysicien -Mesure de la résistivité électrique -Mesure de la gravité Tout un arsenal... Mise en oeuvre réfléchie Quelle méthode est la mieux adaptée pour résoudre les pb particuliers rencontrés? -Méthode magnétique -Sismique, réflexion et réfraction -Techniques électromagnétiques -Techniques de micro-ondes -Interférences de fréquence radio -Mesures du bruit -Microsismicité -Mesures des ondes AMT -Balayage aérien des radiations infrarouges

12 Méthodes géophysiques - Définitions Géo-physique ou physique de la Terre : étude des propriétés physiques du globe terrestre Objectif : déduire les propriétés physiques et la constitution de la Terre (et autres planètes) à partir des phénomènes physiques associés (flux de chaleur, champ géomagnétique...) Distinction entre méthodes dites potentielles (étude des champs de pesanteur, magnétique, électrique...) et méthodes portant sur la propagation des ondes (sismologie, sismiques...) Distinction entre physique du globe et physique appliquée pour des raisons d échelles, ellesmêmes distinctes de la géodynamique Repérage dans l espace et le temps 3 mots clés: dynamique, structure et pb d échelle

13 Méthodes géophysiques - Définitions Appréhender un certain nombre de problèmes grande échelle, relatifs à la structure interne de la Terre et à son comportement dynamique Densité, susceptibilité magnétique, aimantation, résistivité, conductivité électrique, élasticité, radioactivité propriétés physiques des roches étudiées lors des investigations géophysiques Volcanisme Orogénèse Complémentarité des méthodes: - Signaux générés par les variations de ces propriétés physiques, latéralement et en profondeur Géothermie -Méthodes d interprétation similaires

14 Méthodes géophysiques Mesures et interprétations Notion d échelle Toute étude géophysique se définit dans un espace qui dépend de l objet d étude (source) Notion de longueur d onde (sources perturbatrices d autant plus superficielles que la longueur d onde du signal est petite) et de fréquence du signal Études portant sur les propriétés des milieux : études en champs proche Études portant sur des effets : études en champs lointain

15 Méthodes géophysiques Mesures et interprétations Notion d anomalie Écart entre la valeur mesurée d un certain paramètre et la valeur théorique de ce même paramètre en ce point

16 Méthodes géophysiques Mesures et interprétations Mesure et précision sur la mesure Une mesure n a d intérêt que si l on connaît sa marge d erreur métrologie : science portant sur la qualité des mesures Procéder à un calcul d erreur Résolution des appareils précision de la mesure (influencée par des facteurs externes) obtenir le meilleur rapport signal/bruit dans les données La précision et le nombre des mesures dépend de l objectif à atteindre Considérer la qualité de la distribution spatiale des données

17 Méthodes géophysiques Mesures et interprétations Notion de modèle (direct ou inverse) Objets étudiés difficilement accessibles comparaison entre anomalie observée et théorique, coïncidence ou non A partir des observations de surface, établir une structure théorique qui rendra compte au mieux de l ensemble des observations MODELE (évolutif) Infinité de modèles pouvant rendre compte des observations non-unicité du modèle Nombre de modèles réalistes d un point de vue géologique toutefois restreint Exemple de non-unicité de la modélisation, considérant deux sources 1 et 2, localisées à une profondeur z1 et z2 (z2>z1), de rayon r1 et r2 (r2<r1) et de densité ρ1 et ρ2(ρ2>ρ1) respectivement, produisant la même anomalie de Bouguer (Δg) en surface

18 Géothermie et géophysique La géothermie est l exploitation de la chaleur contenue dans le sous-sol, comme source d énergie pour produire de la chaleur ou de l électricité Flux de chaleur continental: la planète libère en moyenne 60mW/m² (20 à 250 mw/m²) Anomalies thermiques : flux de plusieurs 100 aines de mw/m² Exemples à Wairakei en Nouvelle Zélande Causes des variations - nature des roches sous-jacentes - histoire géologique de la région - structure de la croûte sous-jacente Expressions géophysiques associées

19 Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol Exemple: 2 forages A et B (T > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes) élévation locale de la température - Couverture sédimentaire (isolant thermique) réchauffe le milieu - Intrusion magmatique en cours de refroidissement même type de géotherme - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles stockage des températures élevées à faible profondeur

20 Géothermie et géophysique Chaleur : 7 M de logements chauffés par géothermie dans le monde Domaine de recherche Electricité : 10 centrales nucléaires dans le monde (zones volcaniques)

21 Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal Formations caractéristiques d un système géothermal Paramètres géophysiques variables en fonction de la nature de ces formations: Model géoélectrique conceptuel d un réservoir géothermal (d après Johnston et al., 1992) - Résistivité Méthodes électriques, électromagnétiques - Densité Méthode gravimétrique - Aimantation Méthode magnétique - Vitesse sismique Sismique réflexion, réfraction

22 Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal - Couche superficielle résistante (~50 m; ohm.m, T < 150 C) Forte densité ; Aimantation > 0 - Couche à smectite majoritaire (< 2.5 ohm.m, T < 200 C) Faible densité - Aimantation > 0 ou ~ 0 - Couche intermediaire : interstratification illite-smectite + chlorite (< 50% ; < 20 ohm.m, 200 < T < 240 C) Faible densité - Aimantation ~ 0 Model géoélectrique conceptuel d un réservoir géothermal (d après Johnston et al., 1992) - Couche à chlorite majoritaire (> 20 ohm.m, T> 240 C) Forte densité - Aimantation < 0