LABEX G EAU THERMIE PROFONDE Call for Project 2014 2015 Magneto Telluric Monitoring of geothermal reservoir ( SMT Géothermie ) Project proposed by Pascal SAILHAC IPGS English Abstract Among the innovative methods that can contribute to improving the characterization and monitoring of geothermal reservoirs, the project SMT Géothermie focuses on the magneto telluric (MT). Basically, SMT Géothermie aims at using time series of the magnetic and electrical fields to image and follow geothermal activity. The main method is MT which is based on the diffusion of EM waves within the Earth and is related to the electrical conductivity at depth, a proxy for porosity, underground water chemical properties and temperature. Besides, the magnetic and electrical fields might appear to be influenced by electro kinetic phenomena and exhibit so called seismoelectromagnetic signals which could help in the characterization of underground flows and in the assessment of micro seismic hazard. In 2014, a continuous 7 months MT monitoring experiment has been done at ECOGI site, at one site near Rittershoffen; as well, five other sites have been measured twice (time lapse experiment). Besides, the project allowed us improving MT processing to get impedance and phase tensor estimates at low frequencies (1 100s): applied to monitoring MT data of July August 2014 has shown interesting time variations of the phase tensor. We also started modeling: the idea was to consider magnetic and gravity time series as resulting from equivalent sources at depth, either magnetic dipoles or electric dipoles, then discuss possible sources in terms of electric conductivity anomalies (through vortex or galvanic effects) or streaming flows (through electrokinetics); the first step has been to use volume integrals that account for vortex and galvanic effects: this provided sensitivity maps from a simple square box of conductivity anomaly at depth. In order to take into account more complex realistic structures, we started using the program SAMAYA that is based on a finite elements modeling code. In 2015, we will repeat a few MT measurements and process all the data acquired in 2014 in order to exhibit clear time series of MT parameters that may be modified by geothermal changes. Following the processing task, the focus of the project will turn on the modeling with the aim of estimating the sensitivity to geothermal changes in a realistic model of the Soultz Rittershoffen area. Yassine Abdelfettah is already involved in this work and shall continue; after some forward modeling using the program SAMAYA, he will use ModEM that is the only 3D forward and inverse modeling program that is really dedicated to MT and freely distributed for academic purpose. The other way of modeling based on equivalent sources and volume integrals will be continued as part of a Master Research project that will also include signal analysis of 2014 data searching for possible correlation between EM and seismic signals. Means operation include financing publishing and modeling works, one experimented research worker, and a trainee Master Research.
LABEX G EAU THERMIE PROFONDE Appel à Projet 2014 2015 Suivi Magnéto Tellurique d un réservoir géothermique «SMT Géothermie» A/ Bilan d activités (2014) L année 2014 est la deuxième année du projet ; suite au soutient du LABEX (à hauteur de 25 k en 2013 et 59 k en 2014), nous commençons à obtenir des résultats : Outils de traitement : Développés lors des stages de Hugo Larnier au printemps 2013 puis de Timothé Tartrat au printemps 2014, leur application aux données acquises à Rittershoffen en 2013 a permis de préciser qu une résolution temporelle d une journée ne permettait pas de garantir une très bonne qualité des tenseurs de phase magnétotellurique en deçà de 10 Hz, obligeant ainsi à une résolution temporelle de plusieurs jours pour des applications en géothermie profonde (présenté aux congrès internationaux EMIW à Weimar Sailhac et al. 2014, et EGW à Karlsruhe Abdelfettah et al. 2014). En second lieu, une nouvelle interface au code de traitement robuste a été développée à l aide de Python et Octave par Hugo Larnier en 2014, accélérant et facilitant l utilisation. Enfin, un nouveau programme utilisant des bases d ondelette a aussi été développé et comparé avec des programmes classiques de traitement robuste (Chave et Egbert), celui ci permet un traitement MT sans la traditionnelle station de référence, même en environnement bruité (Larnier et al. 2014, 2015). Nouvelles expériences de «Suivi Magnéto Tellurique» en 2014 : contrairement à 2013, nous avons mis en place des mesures avant les principales expériences prévues sur le site d ECOGI et l implantation du second forage en 2014. Nous n avons pas réalisé de suivi PS (potentiel spontané), mais un enregistrement MT quasi continus (24h/24 à 512 Hz) de mai à décembre près de Rittershoffen (à RITT à l Est de GRT1) et au site «remote» du Welschbruch dans les Vosges (Observatoire géomagnétique) : une partie du traitement a été réalisé, d abord sur la période de juillet août pendant laquelle ont eu lieu deux expériences d injection à GRT1 ; la figure page suivante illustre le tenseur d impédance et les variations du tenseur de phase MT durant cette période (l information détaillée est limitée par une clause de confidentialité avec ES et fait l objet d un article en préparation : Abdelfettah et al.). Nous avons aussi réalisé une expérience de «time lapse» sur cinq sites de mesure distribués dans différentes directions autour de celui de GRT1 : avec deux campagnes de mesure (fin juillet début aout, et début décembre) séparées par une phase de production artésienne suivie d une circulation entre puits, ces données «time lapse» MT devraient aider après traitement complet, à préciser s il est possible de détecter une variabilité temporelle sur différents sites. Modélisation et analyse de sensibilité : Le stage de Timothé Tartrat a permis aussi de développer un programme de modélisation directe par formulation intégrale volumique. Ce programme permet de calculer des cartes d anomalies des champs électriques et magnétiques ainsi que des tenseurs MT dans le cas de structures électriques simples. Afin de permettre d envisager la modélisation de structures complexes, Yassine Abdelfettah s est tourné vers le code libre «SAMAYA» (Gupta et al. 1989) basé sur des éléments finis compacts (issu d un large projet de modélisation électromagnétique P223 dont nous avions déjà utilisé la partie dédiée à l aéroporté pendant la thèse de Julien Guillemoteau) ; l application en MT est encore en cours avec des résultats attendus au printemps 2015.
MT tensor on August 4th, 2014 (Reference day): Apparent resistivity and phase versus frequency Fig. Premier résultats de suivi MT du site de RITT sur la période de juillet août 2014 (traitements sur 3 jours) : en haut, composantes principales du tenseur le 4 août avec résistivité apparente et phase (en fonction de la fréquence de 0.01 à 250 Hz) ; en dessous, variations de l amplitude du tenseur de différence de phase MT (en temps fréquence).
B/ Projet pour la poursuite du projet (2015) Les acquisitions MT mises en place en 2014 ont continué jusqu en décembre ; aussi leur traitement n a fait que commencer et fera l objet d une grande partie des travaux de Yassine Abdelfettah au printemps 2015 (son CDD d un an a débuté en mai 2014). En complément du traitement des données de 2014, l interprétation passe par une amélioration de nos travaux de modélisation et une analyse de sensibilité qui permettront d évaluer précisément l application du suivi magnéto tellurique dédié à la géothermie profonde. Aussi, nous envisageons de poursuivre en abordant les taches suivantes : Traitement des données acquises en 2014 CDD Y. Abdelfettah + P. Sailhac + H. Larnier + A. Chambodut Seule une partie des données de 2014 ont été abordées dans le traitement. Sur les données du site de RITT, il y a en fait plus de 7 mois de mesures en continu : de manière similaire à ce qui a été fait sur la période juillet août avec le calcul des tenseurs d impédance MT et des variations temporelles du tenseur des différences de phase (fig. page précédente), nous souhaitons fournir une chronique complète. L évolution temporelle des paramètres MT pourront alors être étudiés de manière empirique par comparaison avec des événements connus sur le site d ECCOGI et des incertitudes liées aux autres activités anthropiques (ex. travaux agricoles). Les données de chaque site «timelapse» sont aussi à analyser de la même manière pour préciser d éventuelles variations spatiales. Ce travail de traitement des données de 2014 occupera les 4 prochains mois du travail de Yassine Abdelfettah ; il fera aussi l objet d une publication dont la rédaction a commencé. Modélisation MT (et Gravi) par une approche numérique 3D CDD (Yassine Abdelfettah) + P. Sailhac + E. Schill + H. Larnier (+J. Hinderer + col. Externes P. Tarits et J. Ledo) En termes de modélisation et d analyse de sensibilité, nous prévoyons un nouvel investissement permettant de poursuivre et d arriver à préciser les distributions spatiale et temporelle des grandeurs magnétotélluriques en réponse à des événements géothermiques issus de stimulation ou circulation dans des fractures en profondeur. Dans un premier temps (printemps 2015), on utilisera le programme SAMAYA sur lequel Yassine Abdelfettah a déjà commencé à travailler ; ensuite nous souhaitons prendre en mains le programme ModEM (Egbert and Kelbert, 2012; Kelbert et al., 2014) qui est aujourd hui le seul programme de modélisation et d inversion 3D vraiment dédié à la MT (et libre pour une utilisation académique). Nous pourrons ainsi considérer un milieu électrique 2D (issus du modèle de Geiermann & Schill 2010) et aborder numériquement le modèle direct 3D permettant d estimer plus précisément les perturbations du tenseur d impédance, ainsi que de phase, consécutives à des modifications de la distribution de conductivité en profondeur dans le voisinage de la faille d Hermersweiller. Cette partie modélisation bénéficiera d une collaboration avec Juanjo Ledo (Univ. de Barcelone) pour partager son expérience de ModEM (cf. missions à Barcelone), et avec Pascal Tarits (Univ. Brest) en terme de modélisation jointe MT Gravi. Réitération ponctuelle de mesures MT CDD (Yassine Abdelfettah) + P. Sailhac + H. Larnier + A. Chambodut + P. D. Matthey + S. Held + E. Schill La sensibilité des expériences de suivi MT à des événements indépendants de ceux du site ECOGGI est une issue importante, il s agit de comprendre les facteurs d incertitude et d erreur de diagnostique dans les traitements liés au choix de la station «remote» ou aux bruits anthropiques aux stations locales. Nous souhaitons renouveler une fois (10 jours en 2015) les mesures temporaires réalisées en 2014, et aussi préciser le tenseur local du site du Welschbruch par traitement avec des mesures MT acquises à l observatoire de Chambon la Forêt (mesures simultanées en mars 2015).
Analyse et modélisation d événements transitoires : induction et électrocinétisme Master M2R (2015 2016) + P. Sailhac + H. Larnier + CDD (Yassine Abdelfettah) + E. Schill La modélisation directe par formulation intégrale volumique de Timothé Tartrat demande à être complétée afin de simuler précisément l amplitude des signaux magnétotelluriques. Ce programme pourrait aussi intégrer des sources dipolaires d origine électrocinétique voire sismo électrique. On pourra alors modéliser les données PS de 2013 ; nous pourrons aussi considérer les données MT de 2014, par l utilisation des résidus du champ magnétiques entre le site de RITT et des sites plus lointains et leur corrélation avec des enregistrements sismologiques. Participants IPGS Nom Prénom Emploi actuel Rôle/Responsabilité dans le projet SAILHAC Pascal MdC UdS Porteur du projet / Traitement et modélisation CHAMBODUT Aude Physicienne Adjointe Observatoire magnétique, traitement et interprétation géomagnétique ABDELFETTAH Yassine CDD contractuel LABEX Acquisition, Traitement et Modélisation LARNIER Hugo Doctorant Financement Ministère Développements méthodologiques en MT MATTHEY Pierre Daniel IR UdS Acquisition, alimentation et connectique Participants KIT Nom Prénom Emploi actuel Rôle/Responsabilité dans le projet SCHILL (INE) Eva Prof. Méthodes de suivi géophysique HELD (AGW) Sebastian Doctorant Campagne mesure MT Budget Budget 2013 2014 : Prévu (62.24 k = 59+3.24) Budget 2013 2014 : Réalisé (déc. 2014) A/ Equipement 1 Stations MT METRONIX (sans sonde magnétique) 22000 10 Electrodes impolarisables 1500 Batteries, connectique et autres accessoires 3500 Sous total équipement 25000 B/ Mission Installation des stations de suivi MT 800 Sous total mission 800 C/ Personnel CDD chercheur contractuel 1 an à mi temps 32500 (Yassine Abdelfettah coût total 65k, 50% KIT, 50% LABEX) Sous total personnel 32500 Total Appel à Projet 2013 2014 59.00 k Reliquats 2012 2013 3.24 k 10 électrodes impolarisables 1500 Stage M2R (Timothé Tartrat EOST 3A et M2R STU) 1740 TOTAL disponible 62.24 k A/ Equipement 1 Stations MT METRONIX (sans sonde magnétique) 21022 Batteries, connectique et autres accessoires 1200 Sous total équipement 22222 B/ Mission Suivi MT 2013 : Véhicules Juin/Juillet 560 Congrès Weimar EMIW 2014 Aout 400 Suivi MT 2014 : Véhicules Avril/Sept. 1330 Suivi MT 2014 : Repas (et petit fonctionnement) 1030 Sous total mission 3320 C/ Personnel et formation CDD chercheur mi temps (Yassine Abdelfettah) 32500 Stage M2R (Timothé Tartrat EOST 3A et M2R STU) 1802 Sous total personnel et formation 34302 TOTAL 59.84 k Reliquats utilisables en 2015 2.40 k Suivi MT 2014 : Véhicules Oct./Dec. 1000 Connectique et autres accessoires (Remplacement) 1400
Budget prévisionnel pour 2014 2015 Le budget prévu pour la poursuite du projet comporte deux colonnes : à gauche on trouve les dépenses prévues sur les reliquats du projet 2013 2014 (2.4k ), à droite se trouvent celles prévues dans le cadre du nouvel appel à projet LABEX 2014 (59k ) dont 32.5k correspondent à la prolongation de l emploi d un chercheur contractuel qui travaillera aussi sur le projet de suivi par gravimétrie hybride. On remarquera qu il continuera à être financé à 50% par le KIT afin de travailler en partenariat sur nos projets de suivi géophysique MT Gravi. A/ Equipement Connectique et autres accessoires (remplacement/réparation) 1400 Batterie, connectique et autres accessoires 750 Sous total équipement 1400 750 B/ Fonctionnement Suivi MT 2014 : Véhicules Oct./Dec. (facturation début 2015) 1000 Formation au logiciel d inversion ModEM à Barcelone (1 semaine) 3000 Répétition des points de mesure MT de 2013 et 2014 (10 jours) 2000 Mesures MT de la «remote» Welschbruch comparées avec Chambon la Forêt (véhicule) 1000 Réunions de travail KIT EOST 500 Frais de publication 3000 Sous total mission 1000 9500 C/ Personnel et formation Stage M2R en 2015 2016 (EOST 3A et M2R STU) 2050 CDD chercheur contractuel 1 an à mi temps (Yassine Abdelfettah) (coût total 65000, 50% KIT, 50% LABEX)* 32500 Sous total personnel et formation 34550 TOTAL (reliquats) 2.4 k TOTAL (appel à projet 2013 2014) 44.8 k * : CDD en commun avec le projet de suivi temporel par gravimétrie hybride de J. Hinderer Références bibliographiques du projet (issues de travaux soutenus par SMT Géothermie ) Abdelfettah, Y., Sailhac, P., E. Schill, H. Larnier, Preliminary magnetotelluric monitoring results at Rittershoffen. 3rd European Geothermal Workshop, 15 16 Oct. 2014 Karlsrhue, Extended abstract 4p. Larnier H., Apport de données d observatoire pour l interprétation de sondages magnétotelluriques. Rapport de stage Master 2 STE, Université de Strasbourg, 20p (2013). Larnier H., P. Sailhac, A. Chambodut, New wavelets application to reduce bias in magnetotelluric data processing. Earth Planets Space 66 (2015), submission expected in January.
Larnier H., P. Sailhac, A. Chambodut, Induction of geomagnetic pulsation characterized using continuous wavelet transform. 22 nd Electromagnetic Induction Workshop EMIW 2nd European Geothermal Workshop, 24 30 August 2014 Weimar, Extented Abstract 4p. Sailhac, P., H. Larnier, P. D. Matthey, E. Schill, A. Chambodut, Testing geothermal monitoring using MT and SP at Rittershoffen. 2nd European Geothermal Workshop, 24 25 Oct. 2013 Strasbourg, Extended abstract 4p. Sailhac, P., T. Tartrat, H. Larnier, E. Schill, A., Preliminary results of MT monitoring following a stimulation experiment at Rittershoffen in Soultz geothermal area, France. 22 nd Electromagnetic Induction Workshop EMIW 2nd European Geothermal Workshop, 24 30 August 2014 Weimar, Abstract 2p. Tartrat, T., Monitoring d un site géothermique à l aide de données magnétotelluriques, Rapport de stage Master 2 STE, Université de Strasbourg, 30p (2014). Autres références bibliographiques utiles (auteur en gras : porteur du projet) Bordes, C., Etude expérimentale des phénomènes transitoires sismo électromagnétiques, thèse de doctorat, Université Joseph Fourier, soutenue le 15 Dec. 2005, 182p. Boukerbout, H., G. Gibert, P. Sailhac, Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform: application to VLF data, Geophys. Res. Lett. (2003), 95 101. Darnet, M., Caractérisation et suivi de circulations de fluides par la mesure de Potentiels Spontanés (PS), Thèses de doctorat, Université Louis Pasteur, soutenue le 24 Nov. 2003. 204p. Darnet, M., P. Sailhac, G. Marquis, Geophysical investigation of antique iron furnaces: insights from modelling magnetic and VLF data, Near Surface Geophysics (2004), 95 101. Darnet, M., G. Marquis, P. Sailhac, Hydraulic stimulation of geothermal reservoirs: fluid flow, electric potential and microseismicity relationships, Geophys. J. Int. (2006), doi:10.1111/j.1365 246X.2006.03026.x Egbert, G. D. & A. Kelbert, Computational recipes for electromagnetic inverse problems. Geophys. J. Int. 189 (2012), 251 267. doi: 10.1111/j.1365 246X.2011.05347.x Falgas, E., G. Marquis, P. Sailhac, J. Ledo, P. Queralt, M. Béhaegel, Aquifer imaging using CSAMT and ERT, EAGE Near Surface Conf., Palermo, Ext. Abstr. P038, 2005. Geiermann, J., E. Schill, 2 D Magnetotellurics at the geothermal site at Soultz sous Forêts: Resistivity distribution to about 3000m depth, C. R. Geoscience 342 (2010) 587 599. Gupta, P.K., A.P. Raiche, F. Sugeng, Three dimensional time domain electro magnetic modelling using a compact finite element frequency stepping method, Geophys. J. Int. 96 (1989), 457 468. Haartsen M.W., S.R. Pride, Electroseismic waves from point sources in layered media, J. Geophys. Res. 102 (1997) 24,745 24,769. Kelbert, A., N. M. Meqbel, G. D. Egbert & K. Tandon, ModEM: A modular system for inversion of electromagnetic geophysical data, Comp. Geosci. 66 (2014), 40 53, ISSN 0098 3004, http://dx.doi.org/10.1016/j.cageo.2014.01.010. Marquis, G., M. Darnet, P. Sailhac, A.K. Singh, A. Gérard, Surface self potential variations induced by deep hydraulic stimulation: an example from the Soultz HDR site. Geophys. Res. Lett. 29 (2002) n 14, 7.1 7.4. Michel S., J. Zlotnicki, Self potential and magnetic surveying of La Fournaise volcano (Réunion Island): Correlations with faulting, fluid circulation and eruption, J. Geophys. Res. 103 (1998) 17,845 17,857. Peakock J.R., S Thiel, G.S. Heinson, P. Ried, Time lapse magnetotelluric monitoring of an enhanced geothermal system, Geophysics 78 (2012) B121 130. Spichak, V., O. Zakharova, The application of an indirect electromagnetic geothermometer to temperature extrapolation in depth, Geophysical Prospecting 57 (2009) 653 664.
Strahser, M., L. Jouniaux, P. Sailhac, P. D. Matthey, M. Zillmer, Dependence of seismoelectric amplitudes on water content, Geophys. J. Int. 187 (2011) 1378 1392. Wawrzyniak, P., Suivi temporel magnétotellurique : application à un réservoir volcanique. Thèses de doctorat, Université de Strasbourg. Soutenue le 9 Mai 2011. 146p Wawrzyniak, P., P. Sailhac, G. Marquis, Robust error on Magneto Telluric impedance estimates. Geophys. Prospect., (2013), doi: 10.1111/j.1365 2478.2012.01094.x Zlotnicki J., Y. Sasai, P. Yvetot, Y. Nishida, M. Uyeshima, F. Fauquet, H. Utada, Y. Takahashi, G. Donnadieu, Resistivity and self potential changes associated with volcanic activity: The July 8, 2000 Miyake jima eruption (Japan), Earth Plan. Sci. Lett. 206 (2003) 139 154.