Description complète

Ce travail de thèse sera une contribution dans le développement de nouvelles méthodes d’analyse et d’interprétation des données pétrophysiques et géophysiques, mieux adaptées à l’étude des structures volcaniques complexes et aux zones géothermales présentant un potentiel géothermique notable, comme dans la région de Vieux Habitants en Guadeloupe.

Le sous-sol est un milieu complexe, hétérogène, résultant, pour sa structure et son fonctionnement, de processus à la fois naturels et anthropiques. Les méthodes classiques d’investigation de la géophysique (sismique, électrique, gravimétrique, …) permettent une description de la structure 3D du sous-sol et un suivi de son évolution, en utilisant des techniques non destructives. Mais l’emploi de la géophysique se fait au prix d’un inconvénient : on ne voit les structures que par l’intermédiaire de leurs propriétés physiques. La nécessité d’étudier les relations entre les propriétés physiques des roches et l’ensemble des paramètres d’état (lithologie, porosité, contenu en fluide, pression, température …) permettant de définir et de prévoir le comportement de ces milieux se déduisent de cette considération générale. La Physique des roches permet donc d’introduire des relations physiques théoriques ou empiriques très utiles pour décrire le comportement des roches du sous-sol et pour écrire les solutions des problèmes directes (prédictions des données mesurées en fonction des paramètres du modèle théorique) utilisées dans la plupart des ‘workflows’ d’inversions sismiques ou autres utilisés en géophysique.

Dans la pratique, l’établissement de ces relations entre paramètres physiques nécessite l’élaboration de bases de données larges et représentatives sur les propriétés physiques des roches à partir de mesures de laboratoire effectuées si possible sous différentes conditions (degré de saturation, type de fluides saturants, pression, température, fréquence d’investigation, échelle de mesure, …). Dans le cas des roches volcaniques constituants les volcans ou les zones géothermales, il existe relativement peu de données de ce type de roche (Zamora et al., 1994 ; Bernard, 1999 ; Bernard et Zamora, 2000 ; Yven, 2001 ; Rabaute et al., 2003 ; Vanorio et al., 2005 ; Bernard et al., 2007 ; Bernard et Zamora, 2012) comparé aux roches sédimentaires qui ont été très largement étudiées dans le cadre de l’exploration pétrolière notamment.

Nous proposons donc, dans le cadre de cette thèse :

1. de mesurer en laboratoire différentes propriétés physiques des échantillons de roche provenant des forages d’exploration prévus dans la région de Vieux Habitants en Guadeloupe dans le cadre du projet GEOTREF et sur une sélection d’échantillons prélevés en surface représentative des roches de la zone d’intérêt. Il s’agira des propriétés sismiques (vitesse et atténuation des ondes P et S à plusieurs fréquences) et électriques (conductivité mesurée à différentes fréquences). On cherchera aussi à étudier les effets : du contenu et de la composition des fluides (saturant la roche), de la température, de la pression et de la fracturation afin de tenir compte des conditions in situ (études bibliographique et théorique + mesures en laboratoire si possible).La porosité, la densité, la perméabilité des échantillons seront également mesurées ; et leur microstructure caractérisée (compositions minéralogie et chimique ; surface spécifique ; géométrie des pores ; altération ; …) (moyens : observation de lames minces ; microscopie MEB et TEM ; DRX ; BET ; porosimétrie ; …) (L5.1.1 à T+33 ; L11.3 à T+36) ;
2. D’étudier les relations pouvant exister entre ces propriétés (densité-lithologie ; vitesse-lithologie ; vitesse-perméabilité ; porosité-perméabilité ; …) afin d’estimer les possibilités d’estimer un paramètre à partir des autres, notamment les paramètres difficilement accessibles sur le terrain tels que la perméabilité ou la porosité. Cette approche est largement utilisée en exploration pétrolière. Ces relations pourront aussi fournir des pistes pour des inversions conjointes de données géophysiques et leur interprétation ;
3. Ces données de laboratoire et les relations les liant seront utilisées pour améliorer l’interprétation des données de puits et permettre une reconnaissance fiable des faciès géologiques et des structures autour des zones de forage. On cherchera à établir une procédure automatique de définition des faciès pétrographiques et/ou structuraux intégrant les données de laboratoire et de puits (L5.2.2 à T+24).
   Les données VSP permettront par la suite d’intégrer une information 3D de profondeur et mieux définir les structures (drainantes et non drainantes) du réservoir (L5.3.2 à T+36) ;
4. A ce stade, on s’interrogera sur les paramètres physiques (vitesse, atténuation, conductivité électrique, perméabilité, densité, porosité …) – ou leur combinaison éventuellement – les plus pertinents pour détecter/discriminer les zones à plus fort potentiel géothermique. Le but ici étant de spécifier les mesures en laboratoire et les types de diagraphies permettant d’améliorer notablement la connaissance du réservoir géothermique (L5.2.2 à T+24). Une étude bibliographique détaillée sur ce sujet sera menée ;
5. Participer à la mise en place des mesures microsismiques sur la zone d’étude à Vieux Habitants en collaboration avec l’équipe d’Armines (L11.5 et L11.6) ;
6. Proposer des méthodes d’analyse des données géophysiques à plus grande échelle (sismique, microsismique, gravimétrique, magnétique, MT, électromagnétique …) intégrant au mieux les informations à plus petite échelle (échantillons, diagraphies, VSP) acquises durant ou avant ce projet (L11.7 à T+42 ; L11.8 à T+48) et permettant, par la suite, de mieux évaluer la ressource géothermique à Vieux Habitants (L11.9 à T+48).On étudiera aussi dans le cadre de cette thèse la possibilité de construire des modèles de réservoirs, à partir d’inversions conjointes de plusieurs jeux de données géophysiques de nature différente, basées sur des corrélations fortes entre les paramètres physiques à plus petite échelle. Cette approche a été utilisée avec succès dans de nombreuses études et récemment dans la tomographie du dôme de la Soufrière (Coutant et al., 2012).

Cette thèse bénéficiera de l’expérience et des moyens disponibles au sein de l’équipe LaRGE (UA) dans la caractérisation des matériaux et plus particulièrement des roches volcaniques (données acquises sur les roches de la Soufrière de Guadeloupe, de la Montagne Pelée et du Vésuve dans le cadre de projets antérieurs). Il aura également accès aux moyens d’analyse du Centre Commun de Caractérisation des Matériaux Antilles Guyane (C3MAG) qui est basé à l’Université des Antilles. Des contacts sont également en cours avec le laboratoire de Physique des Roches de l’université de Stanford afin d’échanger nos expériences dans l’utilisation des données de laboratoire pour une meilleure caractérisation du sous-sol. Des interactions seront également favorisées avec les thèses 2 et 11 afin d’assurer une bonne complémentarité des travaux prévus dans le cadre de ces thèses.