Les Méthodes Géophysiques Appliquées à la Géothermie Gravimétrie Magnétisme
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Les Méthodes Géophysiques Gravimétrie Magnétisme Polarisation spontanée Sismique … Appliquées à la Géothermie Introduction – Structure du globe ¾ Etude des ondes sismiques : caractériser les grandes discontinuités et définir les grandes enveloppes de la Terre. - Croûte terrestre ~ 30 km sous les continents - Croûte océanique ~ 6 km sous les océans limite inférieure = discontinuité du Moho - Manteau : manteau « supérieur » et manteau « inférieur » frontière entre les 2 manteaux (660 km) = zone de transition - Noyau: noyau externe (2880 à 5150 km) et graine (5150 et 6370 km) discontinuité manteau-noyau = couche D’’ Introduction – Structure du globe ¾ Toutes ces discontinuités correspondent à des changements de densité ou de composition des matériaux terrestres Introduction – Géothermie But de l’exploration ¾ Localiser un champ géothermique ¾ Evaluer sa nature ¾ Déterminer sa dominante: vapeur ou eau ¾ Définir de façon aussi précise que possible: -Son emplacement -Sa superficie -Sa profondeur -La gamme probable des T ¾ Estimer l’ordre de grandeur de son potentiel énergétique ou calorifique Ö Interaction entre les différentes méthodes géophysiques Introduction – Géothermie But de l’exploration ¾ La majorité se trouve à proximité de manifestations superficielles d’activité thermique: les fluides chauds peuvent s’échapper suivant des failles et fissures depuis une source assez éloignée des manifestations observées en surface -Ceinture sismique, zone volcanique -Gradients de T anormalement élevés ¾ Absence d’indice en surface Ö étude de l’environnement géologique Introduction – Géothermie Analyse de documents ¾ Rassembler et résumer l’ensemble des données physiques et chimiques locales disponibles : -Topographie -Géologie -Météorologie -Hydrogéologie -Observations de sources chaudes -Geysers et fumerolles -Mesures géophysiques et géochimiques Introduction – Géothermie Rôle du géologue ¾ Etablir un modèle à 3D de la structure géologique d’une région thermique présumée (+ grande profondeur possible) ¾ Déduire les sites des forages prometteurs Ö Modèle hypothétique suggérant quelles zones peuvent être perméables et contenir des fluides chauds Ö Observation + Déduction Ö Intérêt des autres disciplines Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte ¾ Mesurer le plus précisément possible plusieurs propriétés physiques en de nbx endroits, détecter des anomalies, les exprimer graphiquement sous la forme d’isotherme, d’isogals, d’isorésistivité ou autre courbe équipotentielle Ö Distinguer les anomalies ¾ Champ géothermique: grand volume de vapeur et / ou d’eau retenu dans des roches perméables présente plusieurs anomalies par comparaison avec les normes environnantes Ö La géophysique est un outil puissant pour la détection des champs thermiques Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte ¾ Nb techniques variables en fiabilité et en coût ¾ La – chère, parmi les + simples et + utiles: le thermomètre - Géothermographe - Sonde Amerada - Thermocouple - Thermistance... ¾ Déduire les gradients de T et, à l’aide du géologue, les volumes du flux de chaleur Ö Preuve indirecte de points chauds locaux plus profonds Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien -Mesure de la résistivité électrique -Mesure de la gravité ¾ Tout un arsenal... ¾ Mise en oeuvre réfléchie -Méthode magnétique -Sismique, réflexion et réfraction -Techniques électromagnétiques -Techniques de micro-ondes -Interférences de fréquence radio -Mesures du bruit -Microsismicité -Mesures des ondes AMT -Balayage aérien des radiations infrarouges Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien -Mesure de la résistivité électrique -Mesure de la gravité ¾ Tout un arsenal... ¾ Mise en oeuvre réfléchie -Méthode magnétique -Sismique, réflexion et réfraction -Techniques électromagnétiques -Techniques de micro-ondes Quelle méthode est la mieux adaptée pour résoudre les pb particuliers rencontrés? -Interférences de fréquence radio -Mesures du bruit -Microsismicité -Mesures des ondes AMT -Balayage aérien des radiations infrarouges Méthodes géophysiques - Définitions Géo-physique ou physique de la Terre : étude des propriétés physiques du globe terrestre ¾ Objectif : déduire les propriétés physiques et la constitution de la Terre (et autres planètes) à partir des phénomènes physiques associés (flux de chaleur, champ géomagnétique...) ¾ Distinction entre méthodes dites potentielles (étude des champs de pesanteur, magnétique, électrique...) et méthodes portant sur la propagation des ondes (sismologie, sismiques...) ¾ Distinction entre physique du globe et physique appliquée pour des raisons d’échelles, ellesmêmes distinctes de la géodynamique ¾ Repérage dans l’espace et le temps ¾ 3 mots clés: dynamique, structure et pb d’échelle Méthodes géophysiques - Définitions ¾ Appréhender un certain nombre de problèmes grande échelle, relatifs à la structure interne de la Terre et à son comportement dynamique Volcanisme ¾ Densité, susceptibilité magnétique, aimantation, résistivité, conductivité électrique, élasticité, radioactivité … Ö propriétés physiques des roches étudiées lors des investigations géophysiques Orogénèse ¾ Complémentarité des méthodes: - Signaux générés par les variations de ces propriétés physiques, latéralement et en profondeur - Méthodes d’interprétation similaires Géothermie Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion d’échelle ¾ Toute étude géophysique se définit dans un espace qui dépend de l’objet d’étude (source) ¾ Notion de longueur d’onde (sources perturbatrices d’autant plus superficielles que la longueur d’onde du signal est petite) et de fréquence du signal ¾ Études portant sur les propriétés des milieux : études en champs proche ¾ Études portant sur des effets : études en champs lointain Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion d’anomalie ¾ Écart entre la valeur mesurée d’un certain paramètre et la valeur théorique de ce même paramètre en ce point Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Mesure et précision sur la mesure ¾ Une mesure n’a d’intérêt que si l’on connaît sa marge d’erreur Ö métrologie : science portant sur la qualité des mesures ¾ Procéder à un calcul d’erreur ¾ Résolution des appareils ≠ précision de la mesure (influencée par des facteurs externes) Ö obtenir le meilleur rapport signal/bruit dans les données ¾ La précision et le nombre des mesures dépend de l’objectif à atteindre ¾ Considérer la qualité de la distribution spatiale des données Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion de modèle (direct ou inverse) ¾ Objets étudiés difficilement accessibles Ö comparaison entre anomalie observée et théorique, coïncidence ou non ¾ A partir des observations de surface, établir une structure théorique qui rendra compte au mieux de l’ensemble des observations Ö MODELE (évolutif) ¾ Infinité de modèles pouvant rendre compte des observations Ö non-unicité du modèle ¾ Nombre de modèles réalistes d’un point de vue géologique toutefois restreint Exemple de non-unicité de la modélisation, considérant deux sources 1 et 2, localisées à une profondeur z1 et z2 (z2>z1), de rayon r1 et r2 (r2<r1) et de densité ρ1 et ρ2 (ρ2>ρ1) respectivement, produisant la même anomalie de Bouguer (Δg) en surface Géothermie et géophysique La géothermie est l’exploitation de la chaleur contenue dans le sous-sol, comme source d’énergie pour produire de la chaleur ou de l’électricité ¾ Flux de chaleur continental: la planète libère en moyenne 60mW/m² (20 à 250 mW/m²) ¾ Anomalies thermiques : flux de plusieurs 100 aines de mW/m² Ö Exemples à Wairakei en Nouvelle Zélande ¾ Causes des variations - nature des roches sous-jacentes - histoire géologique de la région - structure de la croûte sous-jacente Ö Expressions géophysiques associées Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol ¾ Exemple: 2 forages A et B (T ° > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes) Ö élévation locale de la température - Couverture sédimentaire (isolant thermique) Ö réchauffe le milieu - Intrusion magmatique en cours de refroidissement Ö même type de géotherme - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles Ö stockage des températures élevées à faible profondeur Géothermie et géophysique Chaleur : 7 M de logements chauffés par géothermie dans le monde Domaine de recherche Electricité : 10 centrales nucléaires dans le monde (zones volcaniques) Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal ¾ Formations caractéristiques d’un système géothermal ¾ Paramètres géophysiques variables en fonction de la nature de ces formations: - Résistivité Ö Méthodes électriques, électromagnétiques - Densité Ö Méthode gravimétrique - Aimantation Ö Méthode magnétique - Vitesse sismique Ö Sismique réflexion, réfraction Model géoélectrique conceptuel d’un réservoir géothermal (d’après Johnston et al., 1992) Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal - Couche superficielle résistante (~50 m; 2.5 -10 ohm.m, T < 150°C) Ö Forte densité ; Aimantation > 0 - Couche à smectite majoritaire (< 2.5 ohm.m, T < 200°C) Ö Faible densité - Aimantation > 0 ou ~ 0 - Couche intermediaire : interstratification illite-smectite + chlorite (< 50% ; < 20 ohm.m, 200 < T < 240°C) Ö Faible densité - Aimantation ~ 0 Model géoélectrique conceptuel d’un réservoir géothermal (d’après Johnston et al., 1992) - Couche à chlorite majoritaire (> 20 ohm.m, T> 240°C) Ö Forte densité - Aimantation < 0
