Conditions de références environnementales pour l’évaluation de l’impact de l’exploitation de gaz non conventionnels : Traceurs géochimiques et méthodes de suivi avancés – G-Baseline

La composition chimique et isotopique de différents types de gaz et eaux du sous-sol constitue autant d’ « empreintes digitales » qui permettent de différencier les contaminations potentielles liées au développement des gaz et pétrole non conventionnels du fond géochimique. Cette tâche est complexe car ce « fond » peut comprendre des contaminations naturelles et des pollutions antérieures. Il s’agit notamment de distinguer les fuites potentielles de gaz et de fluides liés à la fracturation hydraulique d’émanations naturelles de gaz et de sources naturelles et d’autres types de contaminanations. Nous développons un cortège de traceurs environnementaux, notamment les signatures isotopiques des gaz (alcanes, CO2, …) et d’éléments chimiques dissous (C, S, O, Sr, B, Li, U, métaux lourds,…) qui permettra de faire la part des choses entre ces sources diverses. Ce travail se déroule sur des sites dans des provinces canadiennes (ex. Alberta) avec la superposition complexe d’un important passé d’exploitation de gaz et pétrole conventionnel avec une exploitation croissante de ressources non-conventionnelles. D’autres provinces (ex. Yukon) ont, comme la France, instauré un moratoire sur ces activités ce qui crée de bonnes conditions pour caractériser les conditions environnementales de référence. Le projet s’intéresse notamment aux analogues naturels, telles que des émanations de gaz rencontrées dans les schistes jurassiques alpins et des bassins du Sud-Est et aux fluides salins et eaux douces profondes du Bassin de Paris.

Le projet profite de l’accès à une grande variété de sites dans différents pays (Canada, France, Danemark, Argentine). Le Carbon Management Canada Field Research Site (CMC-FRS) nous a permis d’étudier les gaz et fluides des roches argileuses lors du forage de plusieurs puits jusqu’à 530 m de profondeur avec de nouvelles techniques d’échantillonnage et d’analyse (ex. spectrométrie laser) et de différencier notamment des gaz d’origine biogéniques et thermogéniques.
Des fluides de fracturation ont pu être obtenus de plusieurs sites (NW Alberta, Argentine) permettant d’obtenir leurs « signatures » chimiques et multi-isotopiques qui les distinguent de la plupart des eaux naturelles, condition sine qua non de leur détection dans l’environnement en cas de fuite.
Ces signatures sont comparées à celles d’eaux profondes, salines et douces, notamment du Bassin de Paris, avec un accent particulier sur les ressources d’eau potable stratégiques telles que la nappe de l’Albien.
Les ressources d’eau peu profondes sont étudiées en utilisant des réseaux d’observation dédiés et de bases de données dans l’Alberta. Une quantité importante de données sur le méthane libre et dissous a été obtenue et interprétée, notamment en matière d’origine des gaz et des conditions hydrogéochimiques de leur genèse, migration et transformations dans les aquifères peu profonds.
Le design, la mise en place et le suivi de puits d’observation dédiés ont été étudiés autour de forage destinés à la recherche (CMC-FRS, Alberta) et à l’exploration des ressources non conventionnelles, tels que les Alum shales au Danemark.
Les émanations naturelles de méthane sont à la fois une composante du fond géochimique et un analogue naturel permettant de tester des méthodes innovantes de détection et suivi. Sur des sites dans les Alpes françaises nous caractérisons les flux de gaz, leur composition chimique ainsi que leurs signatures isotopiques, sur le terrain, en laboratoire mobile et en laboratoire stationnaire.

Le résultat principal du projet sera une méthodologie basée sur des techniques de traçage et de monitoring innovantes pour la détection, la quantification et la modélisation de fuites de gaz, de fluides de formation mélangés aux fluides de fracturation dans les eaux de surface et souterraines. Au final, le projet produira, à destination des parties prenantes, des éléments d’aide à la décision sur les programmes de mesures pour définir et suivre la ligne de base environnementale dans le contexte de l’évaluation d’impacts des ressources énergétiques non conventionnelles au Canada et en Europe.

15 présentations à congres (Goldschmidt Conferences 2015 et 2016, Conference on Greenhouse Gas Control Technologies (GHGT); European Geosciences Union EGU 2015 et 2016; American Geophysical Union AGU Fall Meeting 2014 et 2015; Applied Isotope Geochemistry Conference AIG11; GSA Annual Meeting; CWN Hydraulic Fracturing Subsurface Impacts Workshop; Fugitive Gas Tracer Workshop- University of Ottawa, International Symposium on Isotope Hydrology, IAEA; Canada Special at IFAT: World’s leading trade fair for water sewage, waste and raw materials management, Munich)
et
5 articles de Rang A publiés (Science of the Total Environment, Hydrogeology Journal, Journal of Natural Gas Science and Engineering, Hydrology and Earth System Sciences, Procedia Earth and Planetary Sciences).
Ces publications portent sur le concept de l’utilisation des isotopes environnementaux dans les études d’impact des hydrocarbures non conventionnels, sur le contrôle redox de la genèse, de la migration et les transformations de méthanes dans les aquifères peu profonds, les sources et mécanismes d’émanations naturelles de gaz ainsi que des nouvelles méthodes d’observation de terrain, d’échantillonnage et de traçage des sources de gaz et fluides.

et
5 articles de Rang A publiés (Science of the Total Environment, Hydrogeology Journal, Journal of Natural Gas Science and Engineering, Hydrology and Earth System Sciences, Procedia Earth and Planetary Sciences).
Ces publications portent sur le concept de l’utilisation des isotopes environnementaux dans les études d’impact des hydrocarbures non conventionnels, sur le contrôle redox de la genèse, de la migration et les transformations de méthanes dans les aquifères peu profonds, les sources et mécanismes d’émanations naturelles de gaz ainsi que des nouvelles méthodes d’observation de terrain, d’échantillonnage et de traçage des sources de gaz et fluides.

L’expansion récente de l’industrie du gaz non conventionnel en Amérique du Nord et son émergence en Europe a généré des préoccupations du public concernant la protection des ressources en eau de surface et souterraines de la contamination par des fuites de gaz, de fluides de formation salins et des composés chimiques utilisés pour la fracturation hydraulique. La détermination de l’état initial, non impacté, est à la fois un défi scientifique et un prérequis indispensable pour toute évaluation précise et quantitative d’impact environnemental de l’exploitation de gaz naturels non-conventionnels.

Le projet Franco-Canadien NSERC-ANR vise à développer une méthodologie novatrice de caractérisation géochimique et isotopique du fond géochimique environnemental des eaux et gaz dans trois zones (1) au sein même de la formation réservoir, y compris des fluides de fracturation récupérés, (2) dans la zone intermédiaire des formations sus-jacentes, sur la base d’une meilleure connaissance des mécanismes de migration des gaz et saumures et (3) dans les aquifères peu profonds et les eaux de surface où la contamination peut être le résultat d’impacts divers, naturels ou anthropiques.

Le résultat principal du projet sera une méthodologie basée sur des techniques de traçage et de monitoring innovantes pour la détection, la quantification et la modélisation de fuites de gaz, de fluides de formation mélangés aux fluides de fracturation dans les eaux de surface et souterraines. Une telle approche est une condition clef pour tout développement de ressources énergétiques, acceptable sur le plan environnemental, au Canada et en Europe. Au final, le projet produira, à destination des parties prenantes, des éléments d’aide à la décision sur les programmes de mesures pour définir et suivre la ligne de base environnementale dans le contexte des ressources énergétiques non conventionnelles.