Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques

Synthèse bibliographique
des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales
Rapport final
BRGM/RP-52430-FR
octobre 2004

Synthèse bibliographique
des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales
Rapport final
BRGM/RP-52430-FR
octobre 2004
Étude réalisée dans le cadre du projet de recherche
Géothermie Haute Enthalpie dans les DOM (GHEDOM) – ENER-04
et suivant la convention n° 02 05 035 établie entre le BRGM et l’ADEME
H. Serra, B. Sanjuan
Vérificateur :
Original signé par :
Albert GENTER
Approbateur :
Original signé par :
Anne-Marie FOUILLAC
Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.

Mots clés : Géothermomètre chimique, Source thermale, Forage, Bouillante, Fluide
géothermal.
En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :
Serra H., Sanjuan B. (2004) - Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales. BRGM/RP-52430-FR, 79 p., 4 ann.
© BRGM, 2004, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales
BRGM/RP-52430-FR – Rapport final 3
Synthèse
ette étude de synthèse bibliographique, réalisée dans le cadre du projet de
recherche Géothermie Haute Enthalpie dans les DOM (GHEDOM, ENER-04) et
suivant la convention n° 02 05 035, établie entre le BRGM et l’ADEME, a pour but de
faire le point sur l’ensemble des géothermomètres chimiques.
Ces outils, couramment utilisés en prospection géothermique, sont basés sur des
méthodes géochimiques, qui permettent d’estimer la température d’un réservoir
géothermique, à partir de la composition chimique des eaux, qui remontent en surface,
généralement après refroidissement. Toutes les méthodes ont pour base l’hypothèse
que les eaux ont atteint l’équilibre avec les roches du réservoir dans les conditions de
température et de pression de ce réservoir, et que cet état d’équilibre n’est pas
masqué par les variations de composition chimique des eaux, au cours de leur
remontée et de leur refroidissement depuis le réservoir vers la surface (Michard, 2002).
Les géothermomètres « classiques » sont ceux à silice (Fournier, 1977), les
géothermomètres Na/K (White, 1965 ; Ellis, 1969 ; Fournier et Truesdell, 1973 ;
Truesdell, 1975 ; Fournier, 1979), le géothermomètre Na-K-Ca (Fournier et Truesdell,
1973). On citera, également, le géothermomètre « isotopique » SO42- - H2O (Lloyd,
1968 ; Mizutani et Rafter, 1969 ; Robinson, 1973 ; Pearson et Rightmire, 1980) et le
géothermomètre CO2 (Arnórsson et al., 1983 ; Giggenbach, 1988).
Différents processus pouvant affecter la composition chimique des eaux chaudes
profondes, au cours de leur remontée et de leur refroidissement depuis le réservoir
géothermique vers la surface, les géothermomètres chimiques doivent être manipulés
avec précaution en fonction du milieu géologique où ils sont appliqués et en fonction
des gammes de température estimées. Ce rapport décrit, de la façon la plus
exhaustive possible, les recommandations à suivre pour utiliser ces géothermomètres.
Les relations géothermométriques classiques ont parfois été révisées en tenant
compte de différents points d'application comme, par exemple, le géothermomètre
SiO2 (Schoeller et Schoeller, 1977 ; Michard, 1979 ; Fournier et Potter, 1982 ;
Ragnarsdóttir et Walther, 1983 ; Arnórsson et al., 1983 ; Giggenbach et al., 1983 ;
Giampaolo et al., 1992 ; Arnórsson, 2000), le géothermomètre Na/K (Michard, 1979 ;
Tonani, 1980 ; Arnórsson et al., 1983 ; Nieva et Nieva, 1987 ; Giggenbach, 1988 ;
Kharaka et Mariner, 1989 ; Arnórsson, 2000) et le géothermomètre Na-K-Ca (Fournier
et Truesdell, 1973, 1974 ; Páces, 1975 ; Benjamin et al., 1983).
Face à certains problèmes d’application des géothermomètres « classiques », d’autres
géothermomètres, plus empiriques et plus récents, ont fait leur apparition. Il s’agit,
notamment, de géothermomètres utilisant le lithium ou des rapports de cations avec le
lithium : Na/Li (Fouillac et Michard, 1981 ; Kharaka et al., 1982 ; Michard, 1990), Mg/Li
(Kharaka et al., 1985 ; Kharaka et Mariner, 1989 ; Giggenbach, 1988).
C

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D’autres relations thermométriques ont été définies en utilisant des rapports de cations
par rapport au potassium :
- Ca/K² (Fournier et Truesdell, 1973 ; Michard, 1990) ;
- Mg/K² (Giggenbach et al., 1983 ; Giggenbach, 1988 ; Michard, 1990) ;
- Fe/K² (Michard, 1990 ; Alaux-Négrel, 1991) ;
- Sr/K² (Michard, 1990) ;
- Mn/K² (Michard, 1990) ;
mais aussi des facteurs de cations par rapport au potassium :
- F*K ( Michard, 1990) ;
- W*K² (Michard, 1990 ; Alaux-Négrel, 1991) ;
- Mo*K² (Alaux-Négrel, 1991) ;
- U*K (Alaux-Négrel, 1991) ;
et par rapport au sodium : Rb/Na et Cs/Na (Michard, 1990).
Les erreurs engendrées par les estimations de températures en utilisant les
géothermomètres sont, également, abordées. Une comparaison entre valeurs de
température estimées à partir des géothermomètres chimiques et valeurs réellement
mesurées, sur différents champs géothermiques mondiaux, est présentée.
Très souvent, ces erreurs ou problèmes d’application des géothermomètres sont liés à
des processus de mélange d’eaux d’origine différente, qui viennent perturber l’état
d’équilibre eau - roche existant en profondeur, dans le réservoir géothermique ; des
caractéristiques chimiques, qui permettent de différencier les eaux géothermales
d’eaux mélangées, sont discutées. Un modèle de mélange d’eaux chaude et froide
destiné à estimer les proportions de chacun des pôles est, également, décrit.
Malgré leurs imperfections, les géothermomètres chimiques demeurent des outils
précieux pour la prospection géothermique. Néanmoins, ces outils doivent être
appliqués avec précaution et par des spécialistes en géochimie des fluides, qui
tiennent compte de :
- l’ensemble des résultats obtenus à partir des analyses chimiques et isotopiques des
eaux thermales étudiées et des principales conclusions associées ;
- l’évolution de ces eaux, qui peuvent subir différents processus de perturbation
(processus de mélange avec des eaux superficielles plus froides, processus de
dissolution ou précipitation de minéraux, processus de dégazage, etc.), au cours de
leur remontée depuis le réservoir géothermique vers la surface.