LABEX G-EAU-THERMIE PROFONDE Appel à Projet 2015

LABEX G-EAU-THERMIE PROFONDE Appel à Projet 2015 Monitoring of a geothermal reservoir by hybrid gravimetry The project is devoted to the monitoring of a geothermal reservoir by hybrid gravimetry combining different types of gravimeters (permanent superconducting gravimeter, absolute ballistic gravimeter and micro-gravimeters). Using a repetition network will lead to the knowledge of the time and space changes in surface gravity which can be linked to the natural or anthropic activities of the reservoir. This methodology is applied to the sites of Soultz-sous-Forêts and Rittershoffen in Alsace. Report of activities in 2014 In 2014 we have realized different steps of this hybrid gravimetric approach namely (http://labexgeothermie.unistra.fr/img/pdf/hinderer_jacques-2.pdf) eight weekly repetitions of a network of 11 stations separated into 5 loops during july and august 2014 allowing to compute gravity double differences sensitive to various processes linked to the geothermal reservoir of Soultz-sous-Forêts, as well as 2 stations near Rittershoffen (ECOGI) precise leveling of the gravimetric sites of Rittershoffen (G. Ferhat) delivery of a user-friendly code Pygrav written in Python for the processing of the measurements which computes the space and time-variable gravity field in the micro-gravimetric network (CDD B. Hector) the processing of all existing data (2013 et 2014) using this code (CDD M. Calvo) a first modeling of surface gravity changes induced by geothermal density perturbations in the frame of the existing geological model of Soultz-sous-Forêt (CDD Y. Abdelfettah) Proposed activities in 2015 The 2015 project will be dedicated to the following points: the implementation of a new reference site at GPK1 with dedicated pillar and building for increased stability and larger access time periods the repetition of the microgravimetric measurements on the Soultz network with summer internships and the extension of the Rittershoffen network with the implementation of additional stations two repetitions of absolute gravity measurements at GPK1 the processing of the microgravimetric measurements using the monitoring branch of the PyGrav software developed in 2014 the delivery of a user-friendly processing software for the static branch (gravity differences corrected for drift, tide, altitude and terrain effects) of PyGrav software (3 month contract solicited) the forward modeling of surface gravity due to realistic density perturbations of geothermal origin in the Soultz and Rittershoffen context (extension of the one year fellowship shared with magnetotellurics project) 1

LABEX G-EAU-THERMIE PROFONDE Appel à Projet 2015 Suivi temporel par gravimétrie hybride d un réservoir géothermique Le projet consiste à effectuer un suivi d un réservoir géothermique par gravimétrie hybride combinant différent types de gravimètres (gravimètre permanent supraconducteur, gravimètre absolu balistique et micro-gravimètres) afin d obtenir sur un réseau de répétition une information spatiale et temporelle sur les variations de pesanteur en surface associées au fonctionnement naturel et anthropique du réservoir. Cette méthodologie est appliquée aux sites de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêts et Rittershoffen en Alsace. A/ Bilan d activités (2014) Les actions menées en gravimétrie dans le cadre du projet pendant l année 2014 ont été les suivantes : la réalisation de 8 répétitions hebdomadaires pendant les mois de juillet et d août 2014 d un réseau de 11 stations micro-gravimétriques autour du site du GEIE de Soultz-sous-Forêts grâce à 4 stages «ouvriers» (2 binômes 1A EOST) et de 2 stations à proximité du site d ECOGI (ancien pont derrière le site près de Rittershoffen et une station à Betschdorf, en l absence de point de mesure gravimétrique satisfaisant sur le site ECOGI lui-même) ; des mesures de nivellement de précision sur les stations gravimétriques de Rittershoffen (G. Ferhat avec un stagiaire) La mise à disposition d un code de traitement Pygrav sous Python qui traite les données gravimétriques répétées sur un réseau (CDD B. Hector) Le traitement de l ensemble des données gravimétriques disponibles (2013 et 2014) (CDD M. Calvo) Une première modélisation des effets de gravité en surface d origine géothermale (CDD de Y. Abdelfettah). I. Résultats scientifiques préliminaires Les résultats issus de l approche gravimétrique dans le suivi temporel du réservoir géothermal de Soultz et d ECOGI ont été présentés lors du colloque EGW 2014 à Karlsruhe (Allemagne) en octobre 2014 (http://labex-geothermie.unistra.fr/img/pdf/hinderer_jacques-2.pdf). Nous reprenons ci-dessous quelques points qui nous paraissent importants. I.1. Réseau gravimétrique Les sites de mesures de notre approche de gravimétrie hybride sont décrits, de façon schématique, dans la Fig. 1. La station STJ9 (Observatoire gravimétrique de Strasbourg) est le site de référence où nous avons des mesures permanentes à l aide d un gravimètre cryogénique (échantillonnage de 1 sec) doublées de mesures absolues répétées régulièrement (typiquement une fois par mois). GPK1 est notre point central pour le réseau de répétition micro-gravimétrique de 11 stations autour de Soultz (cf. Fig. 2). Enfin, deux points intermédiaires entre STJ9 et GPK1 ont été choisis autour du site d ECOGI (RITT). 2

Fig. 1. Localisation des sites de mesures de gravimétrie du projet Labex. PYR2 KUTZENHAUSEN GPK1 PYR1 SOULTZ GPK2 PYR3 HOHWILLER FARM PYR4 CHAPEL Fig. 2. Localisation des stations de mesure du réseau de Soultz. 3

L échelle du réseau de répétition est kilométrique. Onze stations réparties en 5 boucles de 4 ou 5 stations ont été choisies (cf. tableau 1) avec la contrainte d avoir une station commune à (au moins) deux boucles. Pour l instant, nous n avons que deux sites à Rittershoffen, l un proche du site d ECOGI (ancien pont) et un autre à Betschdorf. Loop 1 GPK1 Pyr1 - Pyr2 - Kutzenhausen church GPK1 Loop 2 GPK1 Kutzenhausen church Pyr3 Soultz church GPK1 Loop 3 GPK1 Soultz church Pyr4 farm GPK1 Loop 4 GPK1 chapel- farm GPK2 GPK1 Loop 5 GPK1 Soultz church Hohwiller church GPK1 Tableau 1. Boucles du réseau de stations micro-gravimétriques de Soultz. I.2. Résultats du traitement des données gravimétriques Fig. 3. Simple différences de gravité (en milligal) par rapport à la station de référence GPK1 (code 0) des 11 stations du réseau de Soultz (1 à 11) et des 2 stations d ECOGI (12-13). 4

Le calcul des différences simples par rapport à une référence commune montre principalement les effets liés à la topographie (différence d altitude) et de structure géologique (densité) (cf. Fig.3) avec des amplitudes de l ordre de quelques milligal. Tous les écarts sont compris entre 0 et -17 milligals. Fig. 4. Double différences de gravité (en microgal) par rapport à la station de référence GPK1 (code 0) des 11 stations du réseau de Soultz (1 à 11) et des 2 stations d ECOGI (12-13). La répétition temporelle en 2013 et 2014 à un rythme hebdomadaire pendant l été des mesures sur ce réseau conduit au calcul des doubles différences (par rapport au temps et par rapport à l espace) en gravité : 5

où x 0 est une station de référence et t 0 un temps de référence. Les variations trouvées sont, quant à elles, beaucoup plus faibles (en dizaines de µgal) (cf. Fig. 4) et sont liées en principe à la déformation verticale, à la redistribution des eaux souterraines (humidité du sol + niveaux d aquifère) et au fonctionnement du réservoir géothermal. Fig. 5. Evolution temporelle des doubles différences de gravité (en µgal) en 2013 et 2014 (haut) ; zoom sur 2014 (bas). Les écart-types (SD) pour chaque campagne sont indiqués dans la partie supérieure et le rectangle bleu représente notre zone d incertitude (à ± 1 SD) des variations de gravité. 6

Les valeurs des écarts-types (SD) représentés sur la figure 5 sont indiquées dans les tableaux 2 et 3. L analyse statistique des campagnes de 2013 et 2014 appelle deux remarques : les valeurs de l écart-type en 2013 sont d un ordre de grandeur plus fort qu en 2014 les valeurs de l écart-type de 2014 sont faibles et varient entre 2.6 et 6.8 µgal. 2013 Station Survey 1 (2/7/2013) Survey 2 (8/7/2013) Survey 3 (16/7/2013) Survey 4 (23/7/2013) Average SD 55.67 46.06 40.80 43.82 Tableau 2. Ecart-type moyen (en µgal) des campagnes de gravimétrie en 2013 2014 Station Survey 1 (1/7/2014) Survey 2 (15/7/2014) Survey 3 (23/7/2014) Survey 4 (5/8/2014) Survey 5 (11/8/2014) Survey 6 (18/8/2014) Average SD 2.61 3.23 5.85 6.58 5.76 5.56 Tableau 3. Ecart-type moyen (en µgal) des campagnes de gravimétrie en 2014. Comme le protocole de mesures (nombre de stations par boucle, nombre de boucles, temps imparti à la mesure en chaque station, conditions d environnement) est identique, cette différence notoire est attribuée à l instrument lui-même qui est différent entre les deux années. Le CG5 utilisé en 2013 appartenant à l EOST est le seul disponible et était connu pour son manque de convergence des mesures et sa dérive peu stable. L instrument utilisé en 2014 est neuf et visiblement de meilleure qualité. Suite à notre étude, le CG5 de 2013 a d ailleurs été renvoyé chez le constructeur Scintrex pour réparation. Si on trace la zone d incertitude autour de la référence 0 (zone rectangulaire bleue de la fig. 5), on constate que l ensemble des variations observées sur le réseau de Soultz (à quelques exceptions près) est comprise dans cette zone et est donc non significative. En d autres termes, nous n observons pas de variations de gravité dans ce réseau qui dépasse notre précision de mesure. Par contre, les stations 12 et 13 autour de Rittershoffen sortent de cette zone et montrent une variation relative qui peut atteindre 25 µgal par rapport à GPK1 (campagne du début août 2014). Ce résultat est à prendre avec précaution car la boucle de Rittershoffen est la plus longue en distance et en temps de notre étude et peut donc être plus affectée par les erreurs d élimination de la dérive de l instrument. De nouvelles mesures ont été effectuées cet automne sur les stations 12 et 13 pour savoir s il existe réellement une corrélation entre nos variations de pesanteur et les différents tests qui ont commencé sur ECOGI au début du mois d août 2014 sur le second puits (communication personnelle ES-G). II. Modélisation gravimétrique des effets géothermaux Parallèlement à notre activité de mesures, un autre aspect important de notre projet qui a été développé en 2014 est la modélisation des effets de gravité de surface potentiellement induits par un réservoir géothermique. 7

Les approches simplistes sont de type point massique (Mogi) : g G M/d 2, où on suppose l anomalie de masse M concentrée en un point à une profondeur donnée d, ou de type plateau de Bouguer : g (µgal) 42 M / A, où M est en Tonnes et la surface A en m 2, cette dernière relation étant, quant à elle, indépendante de la profondeur. Nous avons choisi une autre approche beaucoup plus réaliste que les approches simplistes précitées. L objectif est de se mettre dans les conditions réelles et cela depuis le modèle géologique utilisé jusqu au calcul de l effet gravimétrique. Cette approche consiste à prendre le modèle géologique 3D de la région d étude, effectuer sa discrétisation en éléments finis (tétraèdres) puis de calculer son effet gravimétrique en utilisant les densités moyennes des structures géologiques. Le modèle géologique est ensuite perturbé suivant le type de stimulation hydraulique à prendre en compte (débit, durée, type d eau injectée, profondeur d injection, etc). A la fin, une différence est calculée entre la réponse gravimétrique du modèle initial et sa réponse après stimulation. Fig. 6. Modèle géologique préexistant de Soultz-Sous-Forêt (Baillieux et al., 2012) sans le remplissage Tertiaire et sans le socle. Le modèle local extrait est utilisé pour estimer l effet gravimétrique en surface due à une perturbation de masse de 173 MT à 2 km de profondeur. La discrétisation en tétraèdres est 8

également montrée (haut) ; variation de gravité en surface (en milligal) résultante de cette perturbation de masse sur une échelle locale. Le carré noir montre le prolongement en surface de la position réelle du volume perturbé en profondeur. Les points montrent les stations gravimétriques simulées (bas). Les conditions réelles sont également prises en compte dans notre modélisation, comme par exemple, le fait de mettre les stations de mesures sur la surface topographique, d utiliser les vraies valeurs de densité ainsi que le modèle géologique réel. L incertitude de la réponse gravimétrique calculée ne dépasse pas le µgal. Ce formalisme est général et applicable à tout système géothermique. A titre d exemple, la figure 6 montre une modélisation de la variation de g en surface résultant de l injection d eau à une profondeur de 2 km à un débit de 20l/s pendant 100 jours. Le modèle géologique statique utilisé est extrait du modèle de Baillieux (2012) dérivé de données sismiques et de puits de forage et consiste en 6 couches 30 x 20 x 5 km 3. On constate qu en restant sur des anomalies de densité à grande profondeur qui soient réalistes pour les sites de Soultz et Rittershoffen, la variation prédite est très faible et inférieure au µgal, donc a priori inobservable en microgravimétrie. Notons que cette amplitude de prédiction très faible pour Soultz est en accord avec l absence de variations observées significatives sur ce site, où aucune activité n a eu lieu depuis le début de l été 2013 quand nous avons commencé notre suivi gravimétrique. III. Mise au point du programme de calcul PyGrav Afin de faciliter le traitement des mesures de gravité sur le réseau de répétition, un programme a été développé (CDD B. Hector) au cours du premier semestre 2014. Pour l instant seule la branche Suivi temporel (Monitoring) est opérationnelle. Ce programme a été écrit sous Python et permet, à partir des fichiers bruts du gravimètre Scintrex CG5, de corriger de la marée lunisolaire et de la pression atmosphérique et d éliminer, par une méthode de minimisation par moindres carrés, la dérive instrumentale. La première étape conduit aux différences de g simples puis, lors des répétitions du réseau, aux doubles différences de g. L architecture du programme PyGrav est données dans la figure 7 et un exemple de fenêtre graphique traçant les points de gravité, leur erreur, ainsi que les tilts X et Y, dans la figure 8. Une sélection de valeurs à conserver peut être faite soit manuellement soit automatiquement (rejet des points d erreur supérieure à un seuil ou avec des tilts supérieurs à un seuil, ou n ayant pas la longueur de mesures voulue, etc ). 9

Fig. 7. Organigramme du programme PyGrav Fig. 8. Exemple de fenêtre graphique dans PyGrav 10

IV. Références Communications Hinderer, J., 2014. Hybrid gravimetry: on recent scientific achievements, Progress in Geodesy Research Symposium, Wuhan, China, April 2014 (invited). Hinderer, Jacques, Marta Calvo, Basile Hector, Umberto Riccardi, Gilbert Ferhat, Yassine Abdelfettah & Jean-Daniel Bernard, 2014. Monitoring of geothermal reservoirs by hybrid gravimetry, EGW 2014, Karlsruhe, November 2014. Ferhat, Gilbert, Gilles Ménard, Jean-Philippe Malet, Jacques Hinderer, 2014. Vertical ground deformation monitored by precise leveling: Ubaye, Southern Alps & geothermal exploitations sites Soultz-sous-Forêts & Rittershoffen, Alsace, G2 Workshop, Strasbourg, November 2014. Rapport DUBOIS Frédéric, NARDY Arthur, SACHET Cédric, DESCHEPPER Baptiste, 2014. Rapport de stage sur les mesures microgravimétriques autour du site de géothermie profonde de Soultz-Sous-Forêts Article Hinderer, Jacques, Marta Calvo, Basile Hector, Umberto Riccardi, Gilbert Ferhat, Yassine Abdelfettah & Jean-Daniel Bernard, 2014. Monitoring of geothermal reservoirs by hybrid gravimetry, Geothermal Energy, to be submitted. V. Bilan financier (2014) Fonds projet Montant restant 2014 16 000,00 244,30 Dépenses Restant Masse Fonctionnement 4 000,00 4 200,31-200,31 Masse investissement 0,00 0,00 0,00 Masse personnel 12 000,00 11 555,39 444,61 11

B/ Proposition d actions en 2015 Après deux ans de suivi temporel du réservoir géothermal de Soultz et de Rittershoffen par gravimétrie hybride, nous proposons de poursuivre notre investigation par les actions suivantes : Mesures de gravité Il y a une nécessité de poursuivre les campagnes de micro-gravimétrie en 2015 pour plusieurs raisons. D une part, nous avons vu que des raisons instrumentales expliquent un suivi en 2013 très peu précis au contraire du suivi de 2014 de l ordre de 5 µgal ; il nous faut confirmer ce faible niveau d incertitude et voir aussi l éventuelle variation sur une durée de 12 mois. D autre part, nous n avons de variations significatives de g à Rittershoffen qu en 2014 et de plus uniquement sur deux stations ; il est nécessaire d étendre le réseau autour d ECOGI en implantant entre 2 et 4 nouvelles stations en plus des deux existantes. Une autre raison est que nous espérons un redémarrage des activités du site de Soultz en 2015, alors que nos deux saisons de mesures correspondent à un site en arrêt. De même, des phases de test vont se présentées sur le site d ECOGI en 2015 dans la continuité de ce projet industriel et nous essaierons de caler certaines de nos campagnes en fonction d un calendrier connu de tests. La qualité d un réseau de micro-gravimétrie dépend aussi de la stabilité du point de référence (en l occurrence GPK1). Nous utilisons actuellement le local de stockage mais de nombreux objets massifs sont souvent déplacés à proximité immédiate du notre point de référence (cf. Fig. 9). Par conséquent, nous proposons: Fig. 9. Point de référence GPK1 à l intérieur du local de stockage du GEIE. 1/ l installation d un pilier et d un abri sur le site du GEIE (à proximité du local de stockage de GPK1) qui permette des mesures de référence en gravité plus stables que le local de stockage et aussi une plus grande plage de mesures en début et fin de journée notamment en été 2/ la reconduction de 2 mesures de gravité absolue (FG5) à GPK1 pour le suivi à long terme de la stabilité du site de référence 3/ la poursuite des mesures de gravité relative (CG5) sur le réseau de 11 stations microgravimétriques de Soultz-sous-Forêts 12

4/ l extension du réseau microgravimétrique de Rittershoffen à 4 ou 6 stations et le calage de certaines campagnes au calendrier des activités du site d ECOGI. L ensemble de ces mesures seront assurées notamment par deux stages étudiant pendant l été 2014 (1A /M1) et par l équipe de gravimétrie de l EOST en dehors de cette période. Modélisation et traitement des données En plus de ces actions de mesures, nous poursuivrons notre effort de modélisation des effets de variations spatio-temporelles de gravité attendus dans la limite des connaissances actuelles du fonctionnement des réservoirs de Soultz et de Rittershoffen. En particulier, nous quantifierons de façon plus précise les effets en gravité sur la base des informations fournies par ES-G lors des différentes phases de test d ECOGI. Ceci pourra se faire dans le cadre de la prolongation du contrat de Y. AbdelFettah (CDD de 1 an à 50 % présentée par P. Sailhac dans son projet d investigation magnéto-tellurique). Un autre aspect qui sera étudié est la modélisation des effets de gravité en profondeur en se rapprochant des sources perturbatrices. Nous prendrons également contact avec les constructeurs de gravimètres de forage (Scintrex, LaCoste Romberg) pour voir dans quelles conditions une expérience de mesures en forage peut être envisagée. La mise au point de la branche statique du logiciel PyGrav, prenant en compte les corrections d altitude et de terrain avant le calcul de l anomalie de Bouguer, reste à faire. Ceci pourra se faire en combinant le savoir-faire de Y. Abdelfettah et les compétences en langage Python d un CDD en informatique. Participants Nom Prénom Emploi actuel Rôle/Responsabilité dans le projet HINDERER Jacques DR CNRS Porteur du projet/coordination Gravimétrie hybride ROSAT Séverine CR CNRS Traitement des données de gravimétrie (marées, bruit sismique et subsismique) BOY Jean-Paul Physicien- Adjoint Modélisation des surcharges hydrologiques, atmosphériques et océaniques-modèles de marée ROGISTER Yves MdC UdS Modélisation gravito-élastique du réservoir LITTEL Fréderic AI CNRS Responsable technique des gravimètres supraconducteurs de l OGS BERNARD Jean-Daniel IE UdS Responsable technique du gravimètre absolu FG5#206 X CDD 3 mois Mise au point de la branche statique du logiciel PyGrav ABDELFETTAH* Yassine CDD 1 an Modélisation gravimétrique directe et (25 %) inverse ; approche jointe gravimétrie-mt * CDD partagé avec le projet MT de P. Sailhac 13

Demande budgétaire 2015 A/ Logistique Installation d un pilier et d un abri sur le site du GEIE 10 000 comprenant l achat d un abri, les travaux de maçonnerie (pilier) et d installation électrique B/ Missions de mesures Missions Soultz gravimètre absolu FG5 2 missions (3 jours x 2 personnes) 960 Missions Soultz Scintrex CG5 2 stages d été (4 personnes x 2 mois) 4200 comprenant les per diem des missions sur le terrain + frais de véhicule personnel 4 missions (3 jours x 2 personnes) 1920 Sous-total Missions de mesures 7080 C/ Personnel CDD 3 mois (coût 3010 /mois)* 9030 Sous-total personnel 9030 Total demandé 26 110 * la demande de CDD d un an en modélisation gravimétrique/mt concernant Y. Abdelfettah est chiffrée intégralement dans la demande de P. Sailhac. 14