Sujet 16 – Thèse : Etude des processus d’altération hydrothermale à l’aide d’une approche isotopique couplée du bore, lithium et des chaînes de l’uranium

Encadrement : D. Lemarchand, S. Rihs (EOST / LHyGeS)
Equipe d’accueil : CNRS – Laboratoire d’Hydrologie et Géochimie de Strasbourg (LHyGeS)
Date de début : 1er octobre 2015
Nom du candidat : M. MOMBRU

Description complète

La circulation des eaux profondes provoque l’altération chimique des roches encaissantes par dissolution/transformation des minéraux primaires et néo-formation de phases secondaires. Dans un système hydrothermal, ces processus peuvent modifier fortement les paramètres hydrodynamiques du réservoir ainsi que la composition chimique de l’eau. À des fins d’exploitation des ressources géothermales, Il est particulièrement important de pouvoir caractériser les mécanismes, l’intensité et la durée des processus d’altération affectant les réservoirs hydrogéologiques. Classiquement, cette caractérisation se fait à partir de la composition chimique en élément majeur et trace des eaux hydrothermales. Cependant, les conclusions restent souvent partielles car de tels bilans chimiques ne fournissent qu’une vision des interactions actuelles mais aussi parce qu’ils peinent souvent à décrire avec suffisamment de précision la compétition entre réactions de dissolution et de précipitation. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de développer une méthodologie couplant les systèmes isotopiques du bore, du lithium, et des nucléides de la chaîne de l’uranium et de l’appliquer au site d’exploitation géothermale en Guadeloupe.

L’intérêt du couplage entre les isotopes du bore, du lithium et des déséquilibres radioactifs repose sur les informations complémentaires que chacun d’eux peut apporter. Le bore est un élément très mobile dont les isotopes sont particulièrement sensibles à l’intensité des processus d’altération (compétition en dissolution et précipitation) ainsi qu’à la nature des minéraux altérés (Lemarchand et al. 2012, Voinot et al. 2013). Les isotopes du lithium sont, quant à eux, de bons indicateurs de la température à laquelle s’effectuent les réactions et complètent également le bore dans la caractérisation des processus d’altération (Millot et al. 2010). Les déséquilibres des chaînes de l’uranium et du thorium permettent quant à eux de contraindre la cinétique et la durée de ces processus d’altération (Chabaux et al., 2008 ; Rihs et al., 2000 ; Rihs et al. 2011).

Le développement méthodologique proposé repose sur une expérimentation en laboratoire et une analyse d’échantillons naturels. Des expérimentations d’altération conduites dans différentes conditions de température et de pH seront menées afin de définir les mécanismes et la cinétique d’acquisition de la signature isotopique (B, Li, et déséquilibres radioactifs) du matériel primaire altéré et des phases secondaires créées. Les résultats expérimentaux seront confrontés aux échantillons de terrain (issus de forages préliminaires du projet Geotref, ou analogues de surface) du système géothermal actif de Guadeloupe.

Sujet 15 – Thèse : Cinématique des déformations dans la partie Nord de l’Arc des Petites Antilles

Encadrement : JF. Lebrun, M. Philippon; Y. Mazabraud (UA)
Equipe d’accueil : UA – (UMR GM)
Date de début : 1er février 2015
Nom du candidat : L. Legendre

Description complète

L’arc volcanique des Petites Antilles résulte de la subduction des plaques Nord et Sud Américaines sous la plaque Caraïbe générant une activité tectono-volcanique intense à l’origine de circulations hydrothermales. Cette thèse sera réalisée dans le cadre du projet GEOTREF qui vise à évaluer le potentiel géothermique de la partie Nord des Petites Antilles.

Cette évaluation passe par la reconnaissance et la caractérisation du champ de déformation finie dans cette région où deux arcs sont juxtaposés (arc volcanique ancien à l’Est et arc volcanique actif à l’Ouest).

Des travaux récents (thèse L. de Min, 2014) ont montré dans le bassin de Marie-Galante l’existence d’au moins 3 grandes familles de failles dont le timing et la cinématique restent à préciser. Le sujet consiste à étudier les déformations superficielles entre les îles de la Martinique et de St Martin, depuis l’Eocène jusqu’à l’Actuel. La chronologie des déformations sera contrainte à l’aide de la datation des formations volcaniques associées à ces structures.

Ce travail reposera sur un travail de terrain centré sur des zones clés permettant de contraindre l’évolution spatio-temporelle du champ de déformation fragile au niveau de l’arc volcanique ancien (St Martin, St Barthélemy et Antigua) et l’arc volcanique récent (Archipel Guadeloupéen, Dominique et Martinique). Au niveau de l’arc récent, ce travail reposera également sur l’analyse des résultats d’une campagne marine GEOTREF côtière à laquelle le candidat participera. Cette campagne vise à cartographier le prolongement en mer des principales structures observées à terre, ainsi qu’à échantillonner les appareils volcaniques sous-marins.

Le candidat devra mettre en œuvre une analyse microtectonique et morpho-structurale détaillée du champ de failles à terre. Ce travail visera à contraindre le timing des déformations observées notamment grâce à la datation argon des roches volcaniques associées.

L’interprétation des lignes sismiques réflexion acquises lors de ce travail devra être réalisée.

Enfin, des corrélations entre les données acquises à terre et les données nouvellement acquises et existantes (campagnes KaShallow, Antithesis, Sismantilles, Aguadomar) en mer devront être établies. Ce travail devra aboutir à un modèle d’évolution cinématique à l’échelle de la partie nord de l’arc qui permettra de contraindre les rapports entre déformation et migration des fluides hydrothermaux. Des expériences analogiques pourront être également envisagées afin de tester la validité du modèle proposé.

Le sujet de thèse sera réalisé dans l’équipe Dynamique de la Lithosphère de Géosciences Montpellier sous la direction de J.F. Lebrun (PR UAG, Géophysique) et de Y. Mazabraud (MCF UAG, Sismotectonique) avec la collaboration de M. Philippon (MCF UAG, Tectonique) et P. Münch (PR UM2, Géochronologie). L’étudiant bénéficiera également des nombreuses collaborations avec les chercheurs de Géosciences Montpellier impliqués dans le chantier antillais (D. Arcay, J.J. Cornée, A. Heuret, S. Lallemand, B. Marcaillou, …). Le travail se fera en relation avec le consortium GEOTREF, en particulier avec les collègues de GéoAzur impliqué dans le projet GEOTREF portant cette thèse.

Sujet 14 – Thèse : L’énergie Géothermique : représentations, enseignements et contextes aux Antilles et dans la zone caraïbe

Encadrement : A. Delcroix, T. Forissier ; Y. Mazabraud (UA)
Equipe d’accueil : UA – Laboratoire du CRREF (EA 4538)
Date de début : 1er septembre 2015
Nom du candidat : C. Anjou

Description complète

De part et d’autre de la Caraïbe, la subduction des lithosphères Atlantique et Pacifique sous la plaque Caraïbe est associée à une activité volcanique et hydrothermale. L’énergie géothermique y est utilisée pour produire de l’électricité dans divers territoires de la zone (Mexique, El Salvador, Guadeloupe, Costa Rica) qui font aussi l’objet de prospections (Moya et Yock, 2007). Aux Petites Antilles, en Guadeloupe, le champ géothermique de Bouillante (Bouchot et al., 2011) est exploité depuis 1984. Dans le cadre d’un partenariat public-privé financé par les Investissements d’Avenir (programme AMI Géothermie de l’ADEME) et regroupant plusieurs laboratoires publics et des entreprises, une évaluation du potentiel géothermique d’autres zones (en Guadeloupe) va être réalisée. Le projet, portant sur la prospection géologique, géophysique et océanographique ainsi que l’étude de forages exploratoires inclue aussi cette thèse de didactique des sciences.

Le projet comprend un volet de didactique des sciences incluant une thèse qui s’inscrit dans le cadre des travaux antérieurs de didactique de la géologie, ayant essentiellement porté sur les représentations d’élèves (Orange, 2011) et la modélisation (Sanchez, 2008). La thèse, dont le sujet a été proposé à Mme Anjou, sera effectuée en Guadeloupe au sein du Centre de Recherches et de Ressources en Education et Formation (CRREF – EA 4538) de l’Université des Antilles, qui travaille à identifier, décrire, comprendre et quantifier les effets de contextes particuliers sur les apprentissages disciplinaires et dans la formation professionnelle. Des travaux récents portant sur la contextualisation didactique (Anciaux, Forissier et Prudent, 2013) et en particulier ceux sur la modélisation des effets de contextes dans les enseignements (Forissier, T., Bourdeau, J., Mazabraud, Y. et Nkambou R., 2013) serviront de base théorique.

L’approche didactique choisie s’inscrit dans la suite des travaux réalisés sur la contextualisation de l’éducation au développement durable (De Lacaze, 2015) et étudie les relations entre école et société à partir d’analyses croisées de conceptions (Giordan, 1998) d’acteurs sociaux et d’élèves.

La problématique porte sur les rapports entre contextes géothermiques et apprentissage à trois niveaux : celui des représentations d’apprenants, celui des situations didactiques et celui du système éducatif. L’enjeu scientifique réside dans l’identification et la modélisation des effets de contextes dans les représentations et les apprentissages liés à la géothermie. La dimension contextuelle étudiée dans cette thèse est de type environnemental. Nous souhaitons en premier lieu éclairer les relations entre les contextes géologiques locaux et les conceptions des apprenants. Une étude des interactions didactiques sur la géothermie sera également menée dans la perspective d’implémenter les modèles d’émergence d’effet de contexte élaborés sur d’autres objets de savoir de sciences naturelle (Forissier, T., Bourdeau, J., Mazabraud, Y. et Nkambou R, 2014). Enfin la dimension macrodidactique de l’enseignement de la géothermie sera étudiée afin de mettre en évidences les adaptations des systèmes éducatifs aux contextes géologiques et industriels. En termes de méthodologie, la thèse s’appuiera sur des recueils de conceptions d’élèves par questionnaires à partir d’échantillons représentatifs. Des analyses multivariées de type Analyse en composantes multiples seront menées. L’étude des interactions didactiques sera menée à partir d’enregistrement vidéo de séquences d’enseignement. Les relations entre systèmes éducatifs et contextes environnementaux seront décrites à partir d’entretiens semi directifs.

Le travail se déroulera en trois phases :

  • Une étude des conceptions sur la géothermie dans différents territoires de la zone dont la Guadeloupe, la Martinique et la Dominique ;
  • Une observation et une modélisation de l’émergence d’effets de contextes en situation d’apprentissage ou de médiation ;
  • Une étude macrodidactique des couplages entre politiques éducatives et énergétiques notamment sur les relations entre développement de la géothermie et maitrise de la demande en énergie.

L’ensemble de la thèse va permettre de spécifier une à une les relations entre les contextes environnementaux d’une part et les trois objets que sont les conceptions d’élèves, les interactions didactiques et les systèmes éducatifs d’autre part.

La finalité de cette thèse est de ré-éclairer les interactions entre ces trois objets au regard du rôle des contextes environnementaux.

Au-delà de cette finalité scientifique, l’enjeu de ce travail est de mettre à la disposition des gouvernances énergétiques des outils ainsi que des données sur la construction des représentations sociales de la géothermie des Antilles dans les Antilles.

Sujet 13 – Thèse : Evolution spatio-temporelle de l’hydrothermalisme dans la plaque supérieure de l’arc des Petites Antilles. Applications aux systèmes géothermaux

Encadrement : C. Vérati, JM. Lardaux (GéoAzur), JF. Lebrun (UA)
Equipe d’accueil : Université de Nice Sophia Antipolis (GéoAzur)
Date de début : 1er mars 2016
Nom du candidat : A. Favier

Description complète

Les zones de subduction sont un lieu majeur de localisation du volcanisme calco-alcalin différencié, souvent hydraté et très explosif. Ce sont aussi le siège d’importants transferts de fluides qui percolent la marge chevauchante du système de subduction. Ces fluides sont à l’origine d’altérations hydrothermales et de transformations métamorphiques (métamorphisme d’arc de type Haute- Température/basse-Pression) qui affectent les séries et les édifices volcaniques de la marge active. En liaison avec les transferts de fluides et de matière qui s’y déroulent, les zones de subduction sont un lieu privilégié de transfert de chaleur à l’origine d’une forte anomalie du flux thermique. Ces zones représentent donc un important potentiel géothermal. C’est le cas de la zone de subduction des Petites Antilles qui fait l’objet du sujet de thèse proposé.

Les données les plus récentes acquises sur la province volcanique de Guadeloupe (Basse-Terre, Les Saintes) montrent un lien fort entre tectonique, hydrothermalisme et localisation des systèmes géothermaux comme le montrent les études réalisées sur le seul système actif actuellement (système hydrothermal de nature épithermale de Soufrière/Bouillante daté à 250 ka).

Par ailleurs, à l’échelle de l’archipel de Guadeloupe (Désirade, Marie-Galante, Les Saintes, Basse- Terre, Grande-Terre), de nombreuses structures tectoniques auparavant considérées comme des structures actives actuelles, sont majoritairement d’anciennes structures héritées. L’héritage structural joue alors un rôle important sur le champ de déformation actuel et sur les processus de transferts des fluides hydrothermaux qui ont percolé et percolent encore aujourd’hui la plaque supérieure du système de subduction. En parallèle des paléo-champs hydrothermaux, métamorphisés dans le faciès des Schistes Verts, ont été identifiés, en particulier sur Les Saintes où les paléo-circulations des fluides sont guidées par des structures superposées actives depuis au moins 2 Ma. Ces systèmes fossiles sont une opportunité exceptionnelle pour caractériser (1) les processus et les vitesses des transferts des fluides hydrothermaux dans les zones de subduction, (2) les structures tectoniques induites par les processus de dissolution/cristallisation et les paragenèses métamorphiques associées et donc de pouvoir proposer des analogues, susceptibles d’être modélisés, aux systèmes géothermaux actuels. C’est l’étude de ces systèmes paléo-géothermaux qui est proposée dans le cadre cette thèse.

Dans le cadre de la thèse devront être réalisés :

  • Des études structurales des principales zones hydrothermalisées de la Basse-Terre de Guadeloupe et en particulier : Les Saintes, Vieux-Habitants, Le col des Mamelles, le Complexe Basal de la Basse Terre (Deshaies, Sainte-Rose). Il s’agira de préciser les contextes tectoniques et cinématiques qui contrôlent les transferts des fluides hydrothermaux et les transformations métamorphiques associées.
  • Sur chaque zone cible, des analyses géochimiques, minéralogiques et pétrologiques des lithologies affectées par l’hydrothermalisme et le métamorphisme d’arc. Les principaux faciès métamorphiques et hydrothermaux seront échantillonnés dans le but de déterminer le type d’altération hydrothermale et la nature des paragenèses métamorphiques. Un effort particulier sera porté sur les relations cristallisations/déformations (ductile et fragile) et la naissance de structures schisteuses en contexte volcanique hydrothermal.
  • Sur les sites les plus favorables, des analyses quantitatives des paramètres intensifs (P et T) de l’hydrothermalisme seront menées, couplées à une caractérisation des fluides hydrothermaux.
  • Un échantillonnage systématique des paragenèses favorables aux méthodes de datations des phases hydrothermales par la méthode 40Ar/39Ar afin d’acquérir des données temporelles sur la durées des processus hydrothermaux.

Au-delà du système géothermal de Guadeloupe, une extension des études est possible sur des contextes similaires.

Les différents types de données obtenues devront être combinés dans un modèle général de fonctionnement des systèmes hydrothermaux fossiles permettant de proposer des analogues aux systèmes géothermaux actifs et de tester le potentiel géothermique des petites Antilles.

Références Bibliographiques :

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Bird D.K. & Spieler A.R., 2004, Epidote in geothermal system, Review in Mineralogy and Geochemistry, 56, 235-300.

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Boudon, G., Semet, M.P., Vincent, P.M., 1989, The Evolution of la Grande Découverte (la Soufrière) volcano, Guadeloupe (F.W.I.), in: J. Latter (Ed.), Volcanic Hazards: Assessment and Monitoring. IAVCEI Proceedings in Volcanology, Berlin, 1989, pp. 86–109.

Bouchot, V., Sanjuan, B., Traineau, H., Guillou-Frottier, L., Thinon, I., Baltassat, J.M., Fabriol, H., Bourgeois, B., Lasne, E, 2010. Assessment of the Bouillante geothermal field (Guadeloupe, French West Indies): toward a conceptual model of the high temperature geothermal system, in WGC-2010 – World Geothermal Congress – Bali – Indonesia – 25-30/04/2010.

Calcagno, P., Bouchot, V., Thinon, I., Bourgine, B., 2012, A new 3D fault model of the Bouillante geothermal province combining onshore and offshore structural knowledge (French West Indies), Tectonophysics, 526–529,185–195.

Corsini, M., Lardeaux, J.M., Verati, C., Voitus, E. & Balagne, M., 2011, Discovery of Lower Cretaceous synmetamorphic thrust tectonics in French Lesser Antilles (La Désirade Island, Guadeloupe): Implications for Caribbean geodynamics, Tectonics, 30, TC4005.

Feuillet N., Manighetti, I., Tapponnier, P., 2002, Arc parallel extension and localization of volcanic complexes in Guadeloupe, Lesser Antilles. Journal of Geophysical Research, 107, B12, 2331.

Jacques D., Maury R.C., & Bellon H. (1984). – Géologie et géochronologie des îles des Saintes, Guadeloupe. C. R. Acad. Sci. Paris, serie II, 299, 11, 721-726.

Lardeaux J-M., Munch P., Corsini M., Cornee J-J., Verati C., Leticee J-L., Lebrun J-F., Fietzke J., Mazabraud Y. & Randrianasolo A. (2013), La Désirade Island (Guadeloupe, French West Indies): a key target for deciphering the role of reactivated tectonic structures in Lesser Antilles arc building, in: Lebrun, J.-F., Marcaillou, B. (Eds.), Bulletin de la Société Géologique de France, Special Issue – “Caribbean Geosciences”, v. 184, p. 21-34.

Mathieu L., Van Wyk De Vries B., Mannessiez N., Mazzoni N., Savry C. & Troll V.R. (2013) – The structure and morphology of the Basse Terre Island, Lesser Antilles volcanic arc, Bulletin of Volcanology, 75, 700.

Munch P., Cornee J-J., Lebrun J-F., Quillevere F., Verati C., Melinte-Dobrinescu M., Demory F., Smith B., Jourdan F., Lardeaux J-M., De Min L., Leticee J-L. & Randrianasolo A. (2014) – Pliocene to Pleistocene vertical movements in the forearc of the Lesser Antilles subduction: insights from chronostratigraphy of shallow-water carbonate platforms (Guadeloupe archipelago), Journal of the Geological Society, London, 171, 329–341.

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C. Verati, P. Patrier-Mas, J.M. Lardeaux and V. Bouchot, 2014, Timing of geothermal activity in an active island-arc volcanic setting: preliminary 40Ar/39Ar data from Bouillante geothermal field (Guadeloupe, French West Indies), from Jourdan, F., Mark, D. F. & Verati, C. (eds), Advances in 40Ar/39Ar Dating: from Archaeology to Planetary Sciences. Geological Society, London, Special Publications, 378, 285-295.

Verati C., Mazabraud Y., Lardeaux J-M., Corsini M., Schneider D., Voitus E., Zami F., 2016, Tectonic evolution of Les Saintes archipelago (Guadeloupe, French West Indies): relation with the Lesser Antilles arc system, Bull. Soc. géol. Fr., in press.

Zami F., Quidelleur X., Ricci J., Lebrun J-F., & Samper A., (2014) – Initial sub-aerial volcanic activity along the central Lesser Antilles inner arc: New K–Ar ages from Les Saintes volcanoes, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 287, 12–21.

Sujet 11 – Thèse : Caractérisation pétrographique et minéralogique de réservoir géothermique fracturé de haute température

Encadrement : B. Ledésert, R. Hebert (GEC)
Equipe d’accueil : Laboratoire Géosciences et Environnement Cergy (GEC)
Date de début : 1er octobre 2015
Nom du candidat : G. Beauchamps

Description complète

Le sujet de thèse proposé consiste en des travaux de recherche visant à caractériser au mieux le/les réservoir(s) afin de réduire les risques d’exploitation de la géothermie haute température (forages secs par exemple).

Le travail comportera plusieurs parties : travail de terrain, travail de laboratoire pour l’acquisition de données à partir des échantillons prélevés sur le terrain, travail de laboratoire pour la corrélation des données de forage avec les données de terrain.

Concernant le travail de terrain : cartographie, pétrographie (reconnaissance macroscopique des roches et de leurs produits d’altération), relevé de fractures et failles, prélèvement d’échantillons, participation probable aux travaux de forage (description des échantillons, prélèvements)

Sur le travail de laboratoire :

  • Etude pétrographique des échantillons de surface et de forages : microscopie optique (microscope polarisant et par réflexion), microscopie électronique (MEB, MET si nécessaire), caractérisation pétrophysique.
  • Caractérisation minéralogique : diffraction de rayons X et microscopie s. l.
  • Analyse géochimique : sur roche totale (Calcimétrie, ICP AES, ICP MS si besoin) et ponctuelle (microsonde électronique WDS, EDS couplée au MEB)

Corrélation des données obtenues sur le terrain et en laboratoire avec les données de forage telles que diagraphies, données de flux afin de déterminer les zones les plus perméables du réservoir.

Sujet 10 – Post-Doctorat : Modélisation monodimensionnelle des écoulements liquide-vapeur avec changement phase : application aux écoulements dans les puits d’une installation géothermique

Encadrement : C. Colin (IMFT), W. Bergez (ENSET)
Equipe d’accueil : IMFT – Groupe Interfaces
Date de début : 1er novembre 2015
Nom du candidat : L. Thiagalingam

Description complète

Le post-doc sera chargé de la mise au point d’un modèle d’écoulement diphasique et de transfert de chaleur dans le puits (modèle filaire prenant  formes équationnelles selon le régime thermo-hydraulique le long du puits).

L’outil numérique sera basé sur la modélisation d’écoulements diphasiques en conduite verticale, avec transfert de chaleur entre les parois et le fluide pour un champ thermique donné dans le sous-sol, et avec prise en compte du changement de phase dans le puits (dépressurisation lors de la remontée du fluide).

Ce travail se fera en parallèle avec une thèse qui se déroulera à l’IMFT dans le groupe milieux poreux GEMP (encadrement : R. Ababou & M. Marcoux) sur la modélisation des réservoirs, en particulier les transferts dans les milieux fracturés.

En fonction de l’avancement des travaux, un couplage avec les modèles de réservoir pourra être envisagé, à travers la détermination des relations entre les paramètres d’entrée pour le puits (température, pression, débit, …) et les paramètres géologiques du massif considéré.

Sujet 9 – Thèse : Modélisation des écoulements et transferts de chaleur en milieu géologique poreux fracturé (application à la géothermie profonde)

Encadrement : R. Ababou, M. Marcoux (IMFT)
Equipe d’accueil : IMFT
Date de début : 1er octobre 2015
Nom du candidat : T. Rajeh

Description complète

Recherche sur les propriétés effectives d’un réservoir poreux fracturé dans le contexte de la géothermie profonde haute température :

  • Analyse/génération de milieux fracturés 3D (systèmes statistiques de fractures).
  • Calcul des coefficients équivalents de perméabilité, de conductivité thermique, et d’échange matrice/fractures (théories de montée d’échelle ou upscaling, mise en œuvre numérique et validation).
  • Modélisation : simulation numérique 3D (volumes finis) des transferts couplés hydrauliques et thermiques dans un réservoir géothermique équivalent double-milieu, pouvant inclure une interface pour le couplage puits/réservoir en mode exploitation (la thermo-hydraulique dans le puits n’est pas étudiée dans cette thèse mais fait l’objet d’une autre tâche au sein du même projet).

Cette recherche se déroulera à l’IMFT (Toulouse) dans le cadre du projet de R&D en géothermie profonde haute température « GEOTREF » pour la génération d’électricité.

Sujet 8 – Thèse : Approche stochastique de la tomographie des microséismes

Encadrement : M. Noble, A. Gesret (Armines)
Equipe d’accueil : MINES ParisTech, Centre Géosciences
Date de début : 1er octobre 2015
Nom du candidat : K. Luu

Description complète

Le monitoring de la sismicité induite est la seule méthode permettant de suivre l’évolution de la fracturation au sein d’un réservoir. Bien que les sites soient de plus en plus instrumentés, la relation entre la fracturation et la sismicité n’est pas bien comprise. Afin de progresser dans la compréhension des phénomènes mis en jeu, il est primordial de localiser précisément les événements sismiques et de quantifier les incertitudes pour bien contraindre la géométrie des fractures. De même, les mécanismes au foyer estimés doivent être fiables pour contraindre le mode de rupture de la fracture. D’un point de vue théorique, la procédure de traitement de données microsismiques et la localisation des évènements sont bien établies depuis de nombreuses années. La réalité est tout autre, la précision ou l’incertitude de la position d’un évènement sismique dépend de plusieurs facteurs : la géométrie du réseau d’acquisition, de l’incertitude sur les temps pointés, et de l’incertitude sur le modèle de vitesse (e.g. Stabile et. al., 2013). De manière usuelle, les évènements sont localisés en tenant compte de la géométrie du réseau d’acquisition et de l’incertitude sur le pointé, mais l’incertitude de localisation due à l’incertitude sur le modèle de vitesse est en général négligée. Il est primordial de proposer de nouvelles approches qui permettent de mieux contraindre le modèle de vitesse et surtout de quantifier les incertitudes sur ce modèle, incertitudes qui peuvent alors être propagées aux incertitudes de localisation des séismes (Gesret et. al., 2015). L’objectif de cette thèse sera d’adapter un algorithme existant de tomographie stochastique (qui permet d’estimer les incertitudes du modèle de vitesse) au cas de la microsismicité où les positions des sources sismiques ne sont pas connues. Cela permettra d’améliorer le modèle de vitesse, et de quantifier les incertitudes associées à ce modèle de vitesse ainsi que les incertitudes de localisation.

Dans un premier temps, un état de l’art des différentes méthodes de localisation existantes sera rédigé avant de comparer deux approches : la localisation absolue et la localisation relative. Des tests synthétiques seront menés pour deux types de réseaux : stations déployées en profondeur et stations déployées en surface. Ces exemples devront permettre de valider la robustesse des localisations absolues et relatives quand le modèle de vitesse est incertain.

L’approche de tomographie stochastique, qui consiste à quantifier l’information apportée par les données sur la connaissance a priori du modèle de vitesse, nécessite une réflexion sur la paramétrisation du modèle de vitesse ; en effet le nombre de paramètres doit être raisonnable afin de limiter le temps de calcul. Nous proposons ici d’utiliser comme information a priori les résultats issus des autres méthodes de prospection géophysique. Cette intégration de l’information a priori issue des autres méthodes devrait permettre de proposer une paramétrisation physique du modèle de vitesse et d’obtenir un modèle de vitesse plus précis que par tomographie classique. L’algorithme de tomographie stochastique sera adapté aux données de sismique passive avec une inversion simultanée de la position des séismes et du modèle de vitesse. L’approche sera d’abord testée sur les données de sismicité de l’expérimentateur de Vauvert, si elles sont disponibles. Dans un second temps, la tomographie stochastique des microséismes sera appliquée à la sismicité locale enregistrée dans la région de Vieux Habitants et enfin à la sismicité générée par l’injection. Si le nombre de séismes est suffisamment dense en temps et en espace, une inversion 4D sera réalisée (tomographie réalisée à plusieurs pas de temps). Une fois les incertitudes de localisation estimées de manière fiable, la méthodologie pour propager les incertitudes du modèle de vitesse à la détermination des mécanismes au foyer pourra être développée.

Ces méthodologies devraient permettre de participer au dimensionnement du réseau de stations en sub-surface afin de disposer les capteurs de manière à diminuer les incertitudes. En effet, un algorithme de planification de réseau pourrait être développé afin de déterminer la configuration optimale des capteurs pour atteindre les objectifs fixés en termes de sensibilité de détection, de précision de localisation des événements microsismiques et de détermination des mécanismes au foyer. Cet outil de planification se baserait sur des algorithmes de modélisation 3D très peu coûteux en temps de calcul (Noble et. al., 2014) qui permettent de tester et d’évaluer de nombreuses configurations de réseau.

Sujet 7 – Thèse : Exploitation des données de micro-sismique induite en vue de caractériser l’architecture du réseau de fractures

Encadrement : D. Bruel, F. Pellet (Armines)
Equipe d’accueil : MINES ParisTech, Centre Géosciences, Equipe Systèmes Hydrologiques et Réservoirs (SHR)
Date de début : 1er octobre 2015
Nom du candidat : DT. NGO

Description complète

Le sujet proposé fait partie des travaux du premier volet – Recherche & Développement, lots 6&7 – du projet GEOTREF et a pour principal objectif d’établir une méthodologie de construction de réseaux de failles et de fractures qui améliore les algorithmes en cours dans le domaine de la modélisation de réservoir. Les méthodes courantes visent à reconstruire un objet géométrique 3D formé d’éléments simples, 2D, par des méthodes statistiques visant à reproduire des observations (forage, affleurements), où à minimiser un critère purement géométrique (trouver des portions de plans passant au mieux par les points localisés), dont les principes peuvent être trouvés par exemple dans Chiles et de Marsily (1993). Ces méthodes ont le plus souvent pour but de qualifier une échelle spatiale au-delà de laquelle des propriétés équivalentes peuvent être obtenues et transférées à des outils classiques de simulation de réservoir, par exemple selon une approche de double milieu poreux. La détermination pratique de cette échelle et la question du traitement des grandes structures découpant les réservoirs en compartiments et de l’organisation des fractures autour de ces grandes structures reste la plupart du temps en suspens, et dans les logiciels conventionnels les grandes structures sont souvent incluses a posteriori.

Les méthodologies classiques de construction de réseau de fractures discrètes n’utilisent pas encore ni le fait que l’activité micro-sismique naturelle puisse renseigner sur les processus géomécaniques à l’oeuvre dans le réservoir, ni le fait que l’interprétation d’un micro séisme, naturel ou induit, délivre de l’information sur le mécanisme de rupture, sens des glissements, orientation des contraintes. Ces informations sont pourtant de première importance pour les usages prévus de ces modèles de réseau de fractures dans le cadre du projet GEOTREF, car la bonne compréhension des aspects hydro-mécaniques puis thermo-hydro-mécaniques seront la clé du succès du développement des forages et des réservoirs poreux-fracturés pour la géothermie de haute énergie.

Le sujet vise donc à construire et évaluer un générateur de structures 3D aléatoires qui respecte certains critères géométriques et mécaniques que l’on définira. La littérature récente (Mäkel, 2007) souligne l’intérêt des considérations d’ordre mécanique et dynamique pour une meilleure représentation de l’architecture d’un réseau de discontinuité à l’actuel et des propriétés de connectivité qui en découlent. Paluszny et Matthai (2010) montrent comment générer un réseau de fracture 2D en élasticité linéaire qui itérativement se développe. Ainsi les fractures grandissent ou pas et interagissent entre elles, jusqu’à former un réseau percolant dont ils peuvent obtenir des propriétés hydrauliques équivalentes. Le principe est repris de manière simplifiée sans résolution effective du problème mécanique pour traduire l’attraction ou la répulsion entre fractures voisines par Bonneau et al. (2013). Dans le même temps, à partir de défauts disposés aléatoirement en 3D, Davy et al. (2013) discutent les critères de croissance et d’arrêt des fractures, tout en respectant un objectif de loi de distribution des longueurs de type puissance, fixé a priori. Un avantage des algorithmes de génération de réseau par prise en compte d’une procédure de croissance itérative est qu’ils tendent naturellement à faire apparaitre les éléments structurants les plus grands au début du processus, le réseau se peuplant davantage en petits éléments au fur et à mesure que les interactions se développent. Parce que les réservoirs ainsi simulés respecteront mieux a priori le contexte mécanique global, l’incertitude sur la caractérisation des paramètres hydrauliques, temps de percée de traceurs et surfaces d’échange thermique des réservoirs développés devrait être mieux quantifiée.

Le travail se place donc à l’aval des tâches d’acquisition, de localisation et d’interprétation des évènements micro-sismiques, et doit aboutir à la caractérisation du régime géomécanique au voisinage des grandes structures du réservoir, puis à la caractérisation hydraulique du milieu fracturé obtenu (sa connectivité, sa perméabilité, son anisotropie) en vue de déterminer un milieu équivalent, et spécifique à un site de démonstration (Cf. application au lot de démonstration en Guadeloupe). Il nécessitera le développement de codes numériques de calcul à partir de librairies préexistantes ou à créer, dans un langage approprié, interfaçable avec d’autres plateformes de calcul.

La collaboration avec les scientifiques responsables des actions menées en parallèle dans GEOTREF sera importante. Elle contribuera à l’effort actuellement engagé pour développer une filière de production d’énergie décarbonée, combinée à une offre logicielle nouvelle, applicable en routine dans le contexte volcanique des Caraïbes. Ce travail ne nécessite pas de connaissances préalables en géophysique, mais l’étudiant devra avoir des bases en géologie et géomécanique, des connaissances en mathématiques ou statistique, ainsi qu’une première expérience de développement de programme de calcul.

Sujet 6 – Thèse & Post-Doctorat : Apport des données micro-sismiques dans l’étude de la mécanique et de la dynamique des systèmes fissurés lors de changements de température et de pression

Encadrement : Y. Guéguen, J. Fortin (ENS)
Equipe d’accueil : ENS – Laboratoire de Géologie de l’ENS- UMR 8538
Date de début : 1er janvier 2016
Nom du candidat : L. Zhi (thèse) et A. Nicolas (Post-Doctorat)

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Les fluides ont un rôle important dans le déclenchement de séismes dans les champs géothermiques, en effet les variations de pression de fluide peuvent modifier les contraintes normales sur des failles

Livrable 1.1.6 – Catalogue des sujets de thèse et post-doc détaillés

KIDOVA – 19/11/2015 14/27

Pré-existantes et par conséquent les réactiver. Si les variations de pression de fluide et la sismicité peuvent être enregistrées sur le terrain, le lien entre ces deux paramètres n’est pas très bien connu. Ce projet vise donc, à étudier, au laboratoire où toutes les conditions de pression et température sont fixées, le couplage entre variation de la pression de fluide, changement de perméabilité et micro-sismicité induite.

  1. Contexte

Ce sujet de s’intègre dans le projet GEOTREF dont le but est in fine d’exploiter l’énergie géothermale dans les réservoirs fracturés des iles de la Guadeloupe et de la Martinique. Les roches réservoirs sont dans cette étude des roches basaltiques (basalte, andésite…).

Le projet GEOTREF vise à étudier le potentiel géothermique des Antilles

Le projet GEOTREF vise à étudier le potentiel géothermique des Antilles

  1. Programme d’étude

La méthodologie qui sera suivie peut se diviser en trois grandes parties :

  1. Une première série d’expériences sera effectuées pour caractériser la réponse élastique et l’atténuation sismique d’un basalte intact et thermo-fracturé, sous pression et avec différente nature de fluide de pore (eau, gaz). En particulier, nous chercherons à caractériser la vitesse des ondes aux mêmes fréquences que pour la sismique (gamme 0.1 à 50 Hz). Ces données obtenues aux fréquences sismiques pourront alors être comparées aux données obtenues sur le terrain par l’équipe de Géophysique de l’Ecole des Mines.
  2. Ensuite une série d’expériences sera faite en condition triaxiales sur des échantillons cylindriques. En particulier, nous étudierons l’effet de l’injection de fluide sur le développement de la microsismicité et sur les changements de perméabilité. Il s’agit de la part la plus importante de ce projet de recherche. Ce genre d’expérience a été faite il y a plusieurs années sur un grès de Fontainebleau (Figure 2). Cependant, en fonction de la perméabilité (et donc de la diffusivité hydraulique) des roches étudiées (basalte, andésite …), il est fort probable que le comportement soit très différents.
  3. Enfin, les résultats expérimentaux seront intégrés dans un logiciel développé à l’Ecole des Mines pour simuler le comportement hydro-mécanique des réservoirs géothermiques. Cette dernière partie sera faite en collaboration avec Dominique Bruel de l’Ecole des Mines.
Sismicité induite par injection de fluide dans un grès de Fontainebleau. D’apres Schubnel, A., Thompson, B.D., J. Fortin, Guéguen, Y., and Young , R.P. , 2007. Fluid-induced rupture experiment on Fontainebleau sandstone: premonitory activity, rupture propagation and aftershocks. Geophys. Res. Letters, 34, L19307, doi:10.1029/2007GL031076.s

Sismicité induite par injection de fluide dans un grès de Fontainebleau. D’apres Schubnel, A., Thompson, B.D., J. Fortin, Guéguen, Y., and Young , R.P. , 2007. Fluid-induced rupture experiment on Fontainebleau sandstone: premonitory activity, rupture propagation and aftershocks. Geophys. Res. Letters, 34, L19307, doi:10.1029/2007GL031076.s