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Ressources géothermales des zones faillées d’échelle crustale : exploration de nouveaux systèmes pour une géothermie compétitive – GERESFAULT

Potentiel géothermique des zones de failles crustales : exploration de nouveaux systèmes pour une production d'électricité géothermale compétitive

Les zones de failles crustales (ZFC) correspondent à des anomalies de perméabilité de la croûte. Au lieu de rechercher des anomalies de température, puis de fracturer artificiellement la roche, ce projet s'attache à étudier les zones fortement perméables, où les fluides profonds et chauds remontent naturellement en subsurface. Par une approche multidisciplinaire sur la ZFC de Pontgibaud (Massif Central), la compréhension de ce système hydrothermal sera appliquée aux ZFC européennes.

Caractériser les Zones de Failles Crustales (ZFC) comme nouveaux sytèmes géothermiques à haute température, en France (ZFC de Pontgibaud, Massif Central) et en Europe.

L’objectif de GERESFAULT est de participer à l’augmentation de la quantité d’énergie extraite du sous-sol en France et en Europe, en explorant de nouveaux systèmes géothermiques : les zones de failles crustales. Habituellement, l’exploration géothermique s’intéresse aux régions connues pour leurs températures élevées à faible profondeur. Au contraire, GERESFAULT se focalise sur l’exploration des zones faillées fortement perméables (permettant de fort débits naturels) qui s’enracinent en profondeur vers la transition fragile-ductile (350-400°C). La forte perméabilité de ces structures se traduit par la remontée de fluides chauds et profonds jusqu’à un niveau accessible économiquement, de l’ordre de 2-3 km de profondeur.<br /><br />La faille de Pontgibaud (Massif Central) est un cas d’étude exceptionnel sur lequel TLS-Geothermics, compagnie d’exploration, acquiert des connaissances depuis plus de quatre ans (Géologie, Géochimie, Géophysique), pour démontrer ce nouveau concept. Dans ce cadre, GERESFAULT propose une nouvelle approche d’exploration du potentiel géothermique des zones de failles crustales au-travers d’une combinaison multi-échelles associant la géologie, la pétrophysique expérimentale, la géophysique et la modélisation numérique.<br /><br />L'enjeu principal consiste donc à comprendre la dynamique de ces systèmes hydrothermaux à partir de leur caractérisation géologique, géométrique, géophysique, pétrophysique et au-travers des modélisations numériques permettant de reproduire les données mesurées. Des simulations de production d'électricité pourront alors être menées, et le concept pourra ensuite être extrapolé aux différentes ZFC européennes.

Approche terrain: analyses structurales pour définir l'architecture de la zone de failles de Pontgibaud et de son encaissant; géologie (lithologie, échantillonnage, radiométrie in situ pour quantifier la production de chaleur); mesures géophysiques (magnétisme, électro-magnétisme, radiométrie aéroportée) pour délimiter l'enveloppe possible du réservoir géothermal. Une modèle final 3D à l'échelle crustale sera construit et numérisé.

Approche Laboratoire : mesures sur échantillons de la densité, la conductivité thermique, la chaleur spécifique, la perméabilité et la conductivité électrique. Mesures à pression et température ambiantes et mesures à haute-pression correspondant à quelques kilomètres de profondeur.

Modélisation géophysique et transfert d'échelle : à partir des mesures au laboratoire et à partir des mesures géophysiques aéroportées, un transfert d'échelle sera défini. Des lois de mises à l'échelle, du laboratoire à la roche et de la roche à la croute seront établies, en particulier avec la théorie de la percolation.

La modélisation numérique des processus physiques mis en jeu sera appliquée aux 3 échelles : la zone de faille, la croûte et la lithosphère. Les processus hydrothermaux seront modélisés à l'échelle de la faille avec Comsol Multiphysics,. Les processus crustaux seront modélisés avec le code Compass, et les processus lithosphériques examinés avec le code pTatin3D.

Enfin, des simulations de production d'électricité à Pontgibaud seront menées à partir de simulation d'écoulements entre deux forages. L'extrapolation de l'ensemble de la méthodologie aux zones de failles crustales européennes sera guidée par les bases de données européennes telle que la base de données structurales disponible sur onegeology.org.

- Les résultats issus des travaux de terrain suggèrent que la fusion partielle des roches métasédimentaires du secteur de Pontgibaud sont liées génétiquement aux migmatites par fusion partielle et aux plutons granitiques par extraction des magmas, ce qui permet de proposer un modèle pour la structure de croûte Varisque dans le secteur de Pontgibaud avec une redistribution des éléments producteurs de chaleur depuis la zone de fusion partielle en profondeur vers la partie superficielle de la croûte.
- Les résultats obtenus sur le bassin du Malzieu mettent en avant l’influence de la largeur des zones faillées sur le potentiel convectif des circulations hydrothermales.
- Les résultats obtenus avec les clinopyroxènes suggèrent une dynamique magmatique marquée par la présence de paléo-chambres magmatiques autour de 45 km dans le manteau, à la base de la croûte à 30 km et au sein de la croûte autour de 10 km.
- L'étude statistique comparée entre données radiométriques au sol et données aéroportées a montré l'influence de l'échelle de mesure sur la distribution observée des éléments radiogéniques. Cette étude montre également des différences en valeurs absolues importantes qui ne sont pas liées au facteur d'échelle, mais peuvent être associées à la présence d'une couverture de sol (matière organique) qui contrôle la mesure aéroportée, et qu'il convient donc de comprendre pour interpréter correctement les cartes de concentrations K, Th et U issues des données aéroportées.
- Des expériences pilotes au laboratoire ont montré que la perméabilité d’une fracture dans un granite ne diminue pas au-dessous de celle de l’encaissant, après un glissement significatif sur la fracture, et donc ne représente pas une barrière à l’écoulement des fluides.
- Les modèles thermo-mécaniques ont montré que 1/ la dynamique mantellique permet de maintenir l'isotherme 1300°C à faible profondeur et limite donc le refroidissement conductif et que 2/ la localisation des sources de chaleur radiogénique dans la croûte contrôle la localisation de la déformation et pourrait avoir un feedback positif sur le potentiel géothermique en permettant la remontée locale du manteau.
- La modélisation numérique des circulations hydrothermales au voisinage d’une zone de failles crustales confirme que 1/ les anomalies thermiques sont plus importantes et moins profondes quand la zone de failles est verticale, et que 2/ un régime tectonique en strike-slip favorisera une forte amplitude des anomalies thermiques et leur diffusion latérale.
- Mise au point de solutions numériques pour propager les propriétés électriques du cm/dm au km
- Mise au point d'une nouvelle méthodologie d'analyse de sensibilité CPSO/Baysien applicable à de nombreuses problématiques (article en cours).

- Une mission de terrain impliquant plusieurs des partenaires sera réalisée au printemps 2022 afin de contraindre le modèle géologique 3D (géométrie et pétrophysique).
- La méthodogie utilisée pour le bassin du Malzieu sera appliquée (stage de 6 mois en 2022) au système hydrothermal de Chaudes-Aigues (Cantal).
- Estimations thermo-barométriques et acquisition de données géochronologiques.
- Pour compléter les analyses sur clinopyroxènes, des analyses sur amphiboles seront réalisées sur les différents appareils volcaniques.
- Une autre mission de terrain sera réalisée en 2022 pour compléter les mesures au sol et préciser les relations entre concentrations en K, Th et U dans les roches et les sols.
- Les données expérimentales sur la perméabilité (post-doc en 2022) seront utilisées pour les modèles de circulation de fluide à grande échelle dans les réservoirs fracturés.
- Les modélisations numériques à l’échelle lithosphérique, avec le code Ptatin3D, sont en cours de développement. Toutefois, le post-doc s’achevant mi-janvier 2022, un premier manuscrit sur les modèles 2D devra être rédigé.
- Les modélisations à l’échelle crustale avec le code Compass devraient débuter au printemps 2022 avec le recrutement d’un post-doc.
- Les mesures de conductivité électrique seront réalisées sur des échantillons de Pontgibaud et seront comparées aux mesures de perméabilité (projet entre l’ISTO et l’ITES pour 2022).
- Les méthodologies numériques concernant les transferts d’échelle vont être appliquées à des modèles géologiques et pétrophysiques élaborés par les autres taches.

Guillou-Frottier L., H. Duwiquet, G. Launay, A. Taillefer, V. Roche, G. Link. On the morphology and amplitude of 2D and 3D thermal anomalies induced by buoyancy-driven flow within and around fault zones, Solid Earth, 11, 1571-1595, 2020. doi.org/10.5194/se-11-1571-2020

Duwiquet H., L. Guillou-Frottier, L. Arbaret, M. Bellanger, T . Guillon, M.J. Heap. Crustal Fault Zones (CFZ) as Geothermal Power Systems: A Preliminary 3D THM Model Constrained by a Multidisciplinary Approach. Geofluids, 2021, article ID 8855632, 24 p., 2021.
doi.org/10.1155/2021/8855632

Duwiquet H., L. Guillou-Frottier, M. Bellanger, L. Arbaret, M.J. Heap. Crustal Fault Zones: New targets for geothermal exploration? Insights from the Pontgibaud Fault Zone in the French Massif Central. Proceedings, World Geothermal Congress 2020, Reykjavik, Iceland, April 26 – May 2, 2020, 10p.

Ars, J-M., P. Tarits, S. Hautot, M. Bellanger, O. Coutant, M. Maia. Geothermal Exploration With Ambient Noise Tomography, Gravity Data And a 3-D MT Resistivity Model In a Joint Inversion Approach. World Geothermal Congress 2020, Reykjavik, Iceland, April 26 – May 2, 2020, 7p.

Duwiquet H., L. Guillou-Frottier, L. Arbaret, T. Guillon, M. Bellanger, M.J. Heap. Characterization of Crustal Fault Zones as geothermal power systems: a multidisciplinary approach. Réunion des Sciences de la Terre, RST 2021, Lyon, November 01-05.

Jolivet L., C. Allanic, T. Becker, N. Bellahsen, J. Briais, A. Davaille, C. Faccenna, C. Homberg, E. lasseur, B. Romanowicz. Continental rifts and mantle convection: Insights from the East African Rift and a new model of the West European Rift System. Réunion des Sciences de la Terre, RST 2021, Lyon, November 01-05

L’objectif de GERESFAULT est de participer à l’augmentation de la quantité d’énergie extraite du sous-sol en France et en Europe, en explorant de nouveaux systèmes géothermiques : les zones de failles crustales. Habituellement, l’exploration géothermique s’intéresse aux régions connues pour leurs températures élevées à faible profondeur. Si le milieu n’est pas suffisamment perméable, des techniques artificielles permettent d’augmenter (avec plus ou moins de réussite) la capacité des fluides crustaux à circuler dans le milieu chaud, créant ainsi des « Enhanced Geothermal Systems ». Au contraire, GERESFAULT se focalise sur l’exploration des zones faillées fortement perméables (permettant de fort débits naturels) qui s’enracinent en profondeur vers la transition fragile-ductile (350-400°C). La forte perméabilité de ces structures se traduit nécessairement par la remontée de fluides chauds et profonds jusqu’à un niveau accessible économiquement, de l’ordre de 2-3 km de profondeur.

La faille de Pontgibaud (Massif Central) est un cas d’étude exceptionnel sur lequel TLS-Geothermics, compagnie d’exploration, acquiert des connaissances depuis plus de trois ans (Géologie, Géochimie, Géophysique), pour démontrer ce nouveau concept. Dans ce cadre, GERESFAULT propose une nouvelle approche d’exploration du potentiel géothermique des failles crustales au-travers d’une combinaison multi-échelles associant la géologie, la pétrophysique expérimentale, la géophysique et la modélisation numérique. La cohérence et l’intégration des résultats, d’une échelle à l’autre seront particulièrement étudiées puisque les résultats issus de la pétrophysique expérimentale et les modèles géologiques vont contraindre les modèles hydrothermaux numériques 3D, de l’échelle de la faille à celle de la lithosphère.

L’apport des données géophysiques acquises par TLS-Geothermics permettra au projet de commencer la construction d’un modèle géologique numérique statique en 3D, qui sera contraint par de nouvelles acquisitions sur le terrain. La disponibilité de carottes de forage et l’échantillonnage sur le terrain permettront l’acquisition de nouvelles propriétés pétrophysiques (porosité, perméabilité, densité, conductivité électrique, production de chaleur, conductivité thermique). Les problèmes d’échelle associés aux transferts entre les différentes approches seront abordés au travers de la modélisation géophysique et de la théorie de la percolation.

La modélisation numérique du système hydrothermal sera réalisée à l’échelle de la zone faillée mais également à l’échelle crustale, pour laquelle un logiciel spécifiquement dédié aux systèmes géothermiques (code open-source « ComPASS ») sera utilisé. Enfin, une approche géodynamique de grande échelle qui inclura l’histoire du retrait des fosses de subduction sur les 40 derniers millions d’années devrait aboutir à la prédiction de zones anormalement chaudes et perméables, à l’échelle de l’Europe. Cette approche innovante a récemment démontré son potentiel prédictif. Une vision européenne de ces processus devrait permettre de contraindre l’évaluation du potentiel géothermique à l’échelle de l’Europe.

Durant les 4 années de GERESFAULT, un forage de 3 km de profondeur est prévu - indépendamment de GERESFAULT. Les premiers résultats du projet serviront à affiner la cible géothermale, tout comme l’utilisation des données du forage permettront de mieux contraindre les paramètres clés du système hydrothermal (zones productives et distribution des températures). GERESFAULT reste toutefois indépendant de la réalisation ou non du forage.
Pour atteindre les objectifs du projet, l’équipe est composée de 9 partenaires, dont 3 industriels. En dehors des 26 scientifiques impliqués, il est prévu 4 masters, 4 post-docs et un ingénieur de recherche. Une thèse financée par un partenariat entre TLS-Geothermics, le BRGM et l’ISTO a commencé en mars 2019 et correspond en partie à l’une des sous-tâches de GERESFAULT.

Coordination du projet

Laurent Guillou-Frottier (BUREAU DE RECHERCHE GEOLOGIQUE ET MINIERE)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPGS IPGS Institut de Physique du Globe de Strasbourg (UMR 7516)
BRGM BUREAU DE RECHERCHE GEOLOGIQUE ET MINIERE
TLS TLS GEOTHERMICS
CNRS-ISTO Institut des sciences de la Terre d'Orléans
ISTEP Institut des sciences de la Terre Paris
STORENGY STORENGY
IMAGIR IMAGIR
UBO-LGO Université Bretagne Occidentale (UBO), Laboratoire Géosciences Océan (LGO)
GET Géosciences Environnement Toulouse

Aide de l'ANR 767 563 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2020 - 48 Mois

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