Appel à projet 2015 LABEX G-EAU-THERMIE PROFONDE

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1 Appel à projet 2015 LABEX G-EAU-THERMIE PROFONDE Titre: Application des méthodes de corrélation du bruit sismique ambiant pour l imagerie et le suivi temporel des sites géothermiques de Soultz- Sous- Forêts et Rittershoffen Participants : EOST (Strasbourg) : Jérôme Vergne (PI), Maximilien Lehujeur, Jean Schmitthbhul IsTerre (Grenoble) : Michel Campillo, Gregor Hillers, Kandili Observatory (Istanbul) : Hayrullah Karabulut Budget demandé : Abstract This project is intended to move one step forward in the use of seismic ambient noise interferometry for the purpose of imaging and monitoring deep geothermal resources. This technique has numerous potential advantages over more traditional methods such as event-based tomography or active seismic sounding. Indeed, it does not rely on the occurrence of deterministic seismic sources and the resolution of the recovered velocity models mostly depends on the geometry of the network. Moreover, the intrinsic continuous nature of seismic noise allows monitoring subtle variations in underground elastic parameters over time using the coda of the correlations. Applicability and limitations of standard noise correlation techniques to the specific frequency band and context of geothermal fields in Northern Alsace is presently the main objective of Maximilien Lehujeur s PhD, which will end soon. He mostly worked on data from the permanent and temporary stations installed around Rittershoffen since This limited dataset is relevant for this feasibility study but precludes high definition imaging and monitoring. Here, we would like to take advantage of new datasets, soon available, to produce a detailed 3D velocity model of the upper crust under the Outre-Forêt region and to monitor the expected small variations of seismic velocity or diffracting character of the crust induced by hydraulic stimulations or circulation tests. More specifically, we will use the new data acquired by the 288 sensors of the EstOF experiment, which were deployed during September 2014, and the revived and reformatted dataset from the Soultz permanent network between 2003 and 2009, encompassing the GPK3/GPK4 stimulations. Both projects have been funded by the LabEx last year and the present proposal will valorize these efforts. Giving the most of these data requires the development and application of up-to-date techniques in noise correlation processing and analysis. For this, we intend to gather people from EOST and researchers from other institutes, especially H. Karabulut (Kandili Observatory, Istanbul) and M. Campillo and G. Hillers (both at IsTerre, Grenoble) who are among the most eminent specialists in this domain. Based on their involvement and expertise, we expect to develop a real synergy on geothermic-oriented applications of ambient noise correlation techniques and convert them into a standard tool for future projects. 1 / 6

2 Dossier scientifique Contexte Traditionnellement, l imagerie sismologique se base sur l enregistrement de sources sismiques ponctuelles et énergétiques pour en déduire des informations sur la structure traversée par le champ d onde. La disponibilité de ces sources et notre capacité à les caractériser (localisation, fonction source, ) sont les principaux facteurs limitant quant à la qualité des images tomographiques obtenues. En outre, l étude des variations temporelles du milieu (monitoring) impose de disposer de sources identiques se répétant à intervalles réguliers, ce qui, dans la pratique, est rarement le cas. Ces limitations sont aujourd hui en passe d être levées grâce à l utilisation d une source sismique disponible partout et en continu : le bruit sismique ambiant. Les travaux pionniers de Shapiro et Campillo (2004) ont démontré que la corrélation du bruit sismique enregistré par deux stations permettait d estimer la réponse élastique du milieu entre ces deux points. Dès lors la densité du réseau et la continuité du jeu de données deviennent les principales limitations impactant la qualité de l image reconstruite. De plus, le caractère intrinsèquement continu du bruit sismique autorise l observation de variations temporelles des paramètres élastiques dans la croûte notamment via l étude des infimes variations de la coda des corrélations (Brenguier et al., 2008). Ces approches ont été appliquées avec succès à des échelles spatiales très variées, depuis celle du globe (Poli et al., 2012) jusqu à celle de l échantillon (Lobkis et Weaver, 2001). Il a également été possible de mettre en évidence des variations temporelles des vitesses crustales de l ordre du dixième de pourcent induites par toute une variété de processus : séisme (Brenguier et al., 2008b), éruption volcanique (Brenguier et al., 2008), marée terrestres (Hillers et al., sous presse), variation de hauteur de nappe (Hillers et al., 2014), Pour le domaine de la géothermie profonde, l utilisation du bruit sismique ambiant apparaît donc comme un outil prometteur qui permettrait de réaliser, à moindre frais, des images tomographiques pour l exploration des réservoirs ainsi qu un monitoring des perturbations du milieu induites lors de la mise en œuvre des forages et de la circulation du fluide géothermique. Etudes en cours dans le contexte de la géothermie profonde Jusqu à récemment, il existait relativement peu d études se concentrant sur l application des techniques basées sur la corrélation de bruit pour l imagerie et le suivi de réservoirs géothermiques profonds. Cette situation a récemment évolué et plusieurs études sont maintenant en cours pour imager des sites géothermaux, notamment en zones volcaniques (Bouillante/Guadeloupe, Campi- Flegrei/Italie, West-Java/Indonesie,.), ou pour étudier les perturbations du sous-sol, par exemple causées par les stimulations effectuées à Bâle (Hillers et al., en révision). Dans la zone de Soultz-Sous- Forêts, Calo et al. (2013) ont obtenu une première image tomographique à partir de mesures de vitesses de groupe entre les stations du réseau permanent et quelques stations temporaires dédiées. L image obtenue est cependant spatialement limitée et faiblement résolue. Analyser le potentiel et les limites des méthodes d imagerie et de monitoring par corrélation de bruit dans le contexte de la géothermie profonde a été la motivation principale de la thèse de doctorat de Maximilien Lehujeur débutée en Mars L objectif principal était d étudier l applicabilité de ces méthodes dans la gamme de fréquence utile pour l étude de réservoirs géothermiques (~5s 5 Hz). Dans cette bande de fréquence le bruit sismique présente de fortes variabilités spatiotemporelles, notamment causées par la directivité du bruit d origine océanique et l activité humaine environnante. Un des résultats majeurs de ce travail a été la mise en évidence d artefacts, liés à cette variabilité des sources de bruit, et affectant à la fois les mesures de vitesse de phase et la stabilité de la coda des corrélations (Lehujeur et al., sous presse). Maximilien développe actuellement des méthodes pour s affranchir de ces effets et pour obtenir un nouveau modèle de vitesse de la région à partir des données disponibles depuis Toutefois, comme dans l étude de Calo et al. (2013), cette mise en œuvre opérationnelle reste limitée par le peu de stations disponibles en dehors de l environnement proche des sites de forage. Malgré l ajout de quelques stations temporaires en 2013, nous ne disposions, jusqu à récemment, que d un faible nombre de couples de stations suffisamment espacés pour étudier des longueurs d ondes sensibles aux vitesses dans la gamme de profondeur du réservoir géothermique (figure 1a-c). 2 / 6

3 Dernièrement, Maximilien a également débuté une analyse préliminaire de la variation temporelle de la coda des corrélations de bruit pour quelques couples de stations permanentes autour du site de Rittershoffen. Une diminution de vitesse de l ordre de 0.4% semble se produire au moment du forage de GRT1 (figure 2). Mais, étonnamment, cette perturbation n est visible que dans une gamme de fréquence réduite (3-6 Hz) et aucun signal n est associé à la phase de stimulation. Des investigations sont en cours pour confirmer cette observation et vérifier qu il ne s agit pas d un artefact. a) b) c) d) Figure 1 : a) Localisation des stations permanentes (rouge) et semi permanentes installées par le KIT (violet) et l EOST (rose) dans la région de Soultz-Sous-Forêts et Rittershoffen (punaises). b) Localisation des stations de l expérience EstOF. c-d) Fonctions de corrélation du bruit sismique ambiant filtrées dans la bande Hz, ordonnées en fonction de la distance intra couple et moyennées par tranches de 300m de distance : (c) pour l ensemble des données des stations permanentes depuis 2012 ; (d) pour une seule journée du réseau EstOF De nouveaux jeux de données disponibles La limitation du dispositif instrumental actuel pour l imagerie par corrélation de bruit du sous sol du Nord de l Alsace a été l une des principales motivations du projet EstOF-250 (Expérience sismologique temporaire dans l Outre Forêt avec 250 stations) financé en grande partie grâce au précédent appel d offre LabEx. Durant le mois de septembre 2014, un réseau de 288 stations 3 / 6

4 sismologiques miniatures de type 1 a été déployé dans la région (figure 1b) et le taux de recouvrement avoisine les 99%. Une analyse très préliminaire d un seul jour de données, montre déjà les ondes de surface des fonctions de Green empiriques à travers tout le réseau (figure 1d). Nous sommes donc relativement confiant quant au potentiel de ce jeu de données pour la réalisation d un modèle de vitesse par cette technique sous toute la zone couverte et jusqu à une profondeur de ~5km. D autre part, le projet LabEx «Data Backup of Soultz-Sous-Forêts network since 2003» devrait fournir d ici peu les données continues acquises depuis 2003 par le réseau permanent de Soultz-Sous- Forêts dans un format standard (miniseed) aisément intégrables aux routines développées actuellement par M. Lehujeur ou via d autres outils dédiés (eg. MsNoise, Lecocq et al., 2014). Ce jeu de données permettra d analyser les perturbations de la coda des corrélations de bruit ambiant pour déterminer les variations temporelles des paramètres élastiques du sous-sol lors des stimulations des puits GPK3 et GPK4 effectuées entre 2003 et 2005 ainsi que pendant les phases d exploitations postérieures. Bien appliquée, cette technique peut mettre en évidence des variations relative de vitesse de l ordre du dixième de pourcent, soit plus d un ordre de grandeur inférieur à la résolution des tomographies successives basées sur les temps d arrivée des séismes induits (Calo et Dorbath, 2013). Figure 2 : (haut) Estimation des variations relatives de vitesse dans l environnement du site de Rittershoffen par la méthode d étirement de la coda des fonctions de corrélation sur le couple RITT-BETS calculées pour des périodes glissantes d une semaine. (bas) Evolution du coefficient de corrélation avec la trace de référence pour la partie causale (noir) et acausale (vert). Les traits pointillés indiquent les périodes de forage de GRT1 et GRT2 (noir) et les périodes de stimulation chimique (vert) et hydraulique (bleu) de GRT1. Travaux prévus et collaborations proposées Nous souhaiterions tirer partie de ces jeux de données uniques à l échelle d un réservoir géothermique pour y appliquer les techniques d imagerie et de monitoring par corrélation de bruit sismique ambiant et aboutir à des outils opérationnels transférables sur de futurs projets. Grâce à la thèse de Maximilien Lehujeur, les techniques standards de calcul et d analyse des corrélations de bruit sont maintenant relativement bien maîtrisées à l EOST. Leur application aux nouvelles données sera principalement effectuée dans le cadre du post-doctorat de Maximilien financé par l ADEME. Cependant il nous paraît également opportun de mettre en œuvre, sur ces nouveaux jeux de données, d autres méthodologies plus récentes et mieux adaptées, mais qui ont souvent été développées dans d autres contextes. Pour cela, nous proposons d initier, dans le cadre ce projet LabEx, de 1 Equipement unique constitué d un géophone 10Hz, d un numériseur 24bits, d un stockage local et d une batterie Lithium-Ion, pouvant être entièrement enterré. Ces équipements ont été loués auprès de la société FairfieldNodal. 4 / 6

5 nouvelles collaborations. En particulier, nous souhaitons impliquer et bénéficier de l expertise de deux chercheurs d ISTerre qui sont parmi les plus éminents spécialistes du domaine : - Michel Campillo, professeur, qui est à l origine des premières applications de la corrélation de bruit sismique ambiant à l étude de la Terre (Shapiro et Campillo, 2004) et qui n a cessé depuis de développer cette thématique aussi bien d un point de vue théorique qu appliqué. - Gregor Hillers, Heisenberg fellow, qui est spécialisé dans le monitoring des perturbations du milieu induites par différents phénomènes et en particulier les circulation de fluides. Gregor a notamment appliqué les approches basées sur la coda des corrélations de bruit au site géothermique de Bâle (Hillers et al., en révision) et aux forages de la faille de Chelungpu à Taïwan (Hillers et al., 2012 ; Hillers et al., 2014) D autre part, nous proposons d impliquer également dans ce projet : - Hayrullah Karabulut (Kandili Observatory - Istambul) qui visitera l EOST à partir de Juin Hayrullah travaille actuellement à l application des techniques de corrélation de bruit sur la zone de la faille Nord Anatolienne. Il a notamment mis en évidence des variations saisonnières dans la coda des corrélations dont l origine reste mal comprise. Son expérience sur un autre jeu de données dans un contexte différent apportera un éclairage intéressant. Durant son séjour, Hayrullah se propose de consacrer deux mois à l analyse des nouvelles données du présent projet. Les deux principaux axes de recherche qui seront menés dans le cadre de ces collaborations concernent : 1) Le création d un modèle de vitesse 3D dans la région de l Outre Forêt à partir des données de l expérience EstOF. Au delà des approches standards basées sur l estimation des vitesses de groupe/phase des ondes de surface, nous proposons de tirer partie de la densité et de l homogénéité du réseau pour appliquer différentes approches qui permettront de mieux s affranchir de l hétérogénéité des sources de bruit et d obtenir des contraintes supplémentaires sur le milieu : techniques de filtrage d antenne entre sous réseaux (Boué et al., 2014), corrélations de coda de corrélations - C 3 (Sthely et al., 2008), recherche d ondes de volumes réfléchies (Poli et al., 2012),... Le modèle de vitesse obtenu sera intégré à Seiscomp3 et utilisé, dans le cadre d un autre projet LabEx 2 pour (re)localiser la sismicité induite et naturelle de la région via l algorithme NonLinLoc. 2) Le développement et l application d outils de monitoring pour la détermination des variations temporelles du sous-sol pendant les phases de stimulation, de test de circulation et d exploitation sur les sites de Soultz-Sous-Forêts et de Rittershoffen. Nous chercherons notamment à mesurer et à localiser des variations de vitesse apparente mais également des variations des propriétés diffractantes du milieu à partir de la décohérence du champ d onde (Obermann et al., 2013). Les effets attendus étant potentiellement de faible ampleur, une attention particulière sera portée aux différentes techniques d analyse de la coda et à l influence de phénomènes externes (variation de la hauteur des nappes, variation temporelle du contenu spectral des sources de bruit, ). 2 Lengliné et al., «Improvement of methods for the analysis of induced seislmicity and its geomechanical interpretation, application to GRT1», soumis à l appel d offre LabEx / 6

6 Budget demandé La demande budgétaire vise principalement à apporter le financement nécessaire au développement des collaborations et à leur valorisation scientifique sous forme de publications et de participation à un congrès international. Le financement d un stage de Master 2 est également demandé pour la période Février-Juin Le sujet sera défini ultérieurement en fonction de l avancement des travaux. Réunions de travail entre Strasbourg et IsTerre (4x2j pour 2 pers.) : Transport (avion ou train) AR = 250 x 2 pers. x 4 - Hotel et repas = 100 x 2 pers. x 4 Per-diem H. Karabulut = 2 mois x 100 /jour 6000 Financement stage M2 = x 5 mois publications type JGR = 2 x congrès AGU 2500 Petit matériel informatique (disques USB externe) 200 Participation Centre de Données Sismologique de l EOST (espace disque pour 1000 le stockage et le calcul, gestion des données) TOTAL Bibliographie citée (Personnes impliquées dans le projet en surligné) Boué, P., P. Roux, M. Campillo, and X. Briand Phase Velocity Tomography of Surface Waves Using Ambient Noise Cross-Correlation and Array Processing: Cross-correlation and double beamforming Journal of Geophysical Research: Solid Earth, January, n/a n/a. doi: /2013jb Brenguier, F, N. M. Shapiro, M. Campillo, V. Ferrazzini, Z. Duputel, O. Coutant, and A. Nercessian Towards Forecasting Volcanic Eruptions Using Seismic Noise. Nature Geoscience 1 (2): doi: /ngeo104. Brenguier, F., M. Campillo, C. Hadziioannou, N. M. Shapiro, R. M. Nadeau, and E. Larose. 2008b. Postseismic Relaxation Along the San Andreas Fault at Parkfield from Continuous Seismological Observations. Science 321 (5895): doi: /science Calo, M., X. Kinnaert, and C. Dorbath Procedure to Construct Three-Dimensional Models of Geothermal Areas Using Seismic Noise Cross- Correlations: Application to the Soultz-Sous-Forets Enhanced Geothermal Site. Geophysical Journal International 194 (3): doi: /gji/ggt205. Calo, M., and C. Dorbath Different Behaviours of the Seismic Velocity Field at Soultz-Sous-Forets Revealed by 4-D Seismic Tomography: Case Study of GPK3 and GPK2 Injection Tests. Geophysical Journal International 194 (2): doi: /gji/ggt153. Hillers, G., M. Campillo, Y.-Y. Lin, K.-F. Ma, and P. Roux Anatomy of the High-Frequency Ambient Seismic Wave Field at the TCDP Borehole. Journal of Geophysical Research 117 (June): 19 PP. doi: /2011jb Hillers, G., Retailleau, L., Campillo, M., Inbal, A., Ampuero, J.-P., Nishimura, T. In-situ observations of velocity changes in response to tidal deformation from analysis of the high-frequency ambient wave field.» Journal of Geophysical Research(sous presse) Hillers, G., M. Campillo, and K.-F. Ma Seismic Velocity Variations at TCDP Are Controlled by MJO Driven Precipitation Pattern and High Fluid Discharge Properties. Earth and Planetary Science Letters 391 (April): doi: /j.epsl Hillers G., S. Husen, A. Obermann, T. Planes, E. Larose, and M. Campillo, Aseismic transient deformation induced by the 2006 Basel EGS stimulation observed with ambient seismic noise, Geophysics, (en révision) Lecocq, T., C. Caudron, and F. Brenguier MSNoise, a Python Package for Monitoring Seismic Velocity Changes Using Ambient Seismic Noise. Seismological Research Letters 85 (3): doi: / Lobkis, Oleg I., and Richard L. Weaver On the Emergence of the Green s Function in the Correlations of a Diffuse Field. The Journal of the Acoustical Society of America 110 (6): doi: / Lehujeur, M., J. Vergne; J. Schmittbuhl, A. Maggi.»Characterization of ambient seismic noise near a deep geothermal reservoir and implications for interferometric methods : a case study in northern Alsace, France.» Geothermal Energy, GEEN-D R3 (sous presse) Obermann, A., T. Planès, E. Larose, and M. Campillo Imaging Preeruptive and Coeruptive Structural and Mechanical Changes of a Volcano with Ambient Seismic Noise. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 118 (12): doi: /2013jb Poli, P., M. Campillo, H. Pedersen, and LAPNET Working Group Body-Wave Imaging of Earth s Mantle Discontinuities from Ambient Seismic Noise. Science 338 (6110): doi: /science Shapiro, NM, M. Campillo, Emergence of Broadband Rayleigh Waves from Correlations of the Ambient Seismic Noise. Geophys. Res. Lett 31 (7): Stehly, L., M. Campillo, B. Froment, and R. L. Weaver Reconstructing Green s Function by Correlation of the Coda of the Correlation ( C 3 ) of Ambient Seismic Noise. Journal of Geophysical Research 113 (B11). doi: /2008jb / 6