Les Méthodes Géophysiques Gravimétrie Magnétisme Polarisation spontanée Sismique … Appliquées à la Géothermie

Introduction – Structure du globe  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 - Manteau : manteau « supérieur » et manteau « inférieur » - Noyau: noyau externe (2880 à 5150 km) et graine (5150 et 6370 km) limite inférieure = discontinuité du Moho frontière entre les 2 manteaux (660 km) = zone de transition discontinuité manteau-noyau = couche D’’ 2

Introduction – Structure du globe  Toutes ces discontinuités correspondent à des changements de densité ou de composition des matériaux terrestres La géothermie est multiforme (ce qui nuit sans doute à l’émergence d’un consensus des acteurs pour porter cette filière, que ce soit à l’échelon national ou européen). Il importe donc de bien comprendre la position de la géothermie dans le contexte des énergies renouvelables aujourd’hui. Trois situations bien différentes sont à distinguer, qui donneront lieu à des jeux d’acteurs relativement indépendants, et donc à des plans d’action séparés. C’est d’abord comme production de chaleur qu’est attendue une contribution de la géothermie. En effet, les technologies, que ce soit celle des réseaux de chaleur à partir de ressources géothermales profondes, ou celle des pompes à chaleur sur la ressource superficielle, sont assez mûres pour pouvoir être déployées à des coûts souvent moindres que ceux des autres énergies renouvelables. Ainsi, le projet de Programmation Pluriannuelle des Investissements du Ministère de l’Industrie attend une contribution de 900 ktep (1,05 millions d’équivalent logements) à l’horizon 2015 de la géothermie, ce qui en fera la deuxième source de chaleur renouvelable derrière la biomasse (devant les UIOM, le solaire thermique et les biogaz). Ensuite, le contexte insulaire volcanique rend très prometteuse la contribution de l’électricité géothermique dans les DOM insulaires : ces îles sont largement dépendantes de l’électricité d’origine fossile, dont les coûts s’envolent (pouvant dépasser 20 ct/kWh), et la géothermie est la seule énergie renouvelable susceptible de contribuer en base, à un prix compétitif, à la production d’électricité. Le cas de la technologie EGS, développée à Soultz, se place dans un horizon de temps différent : cette technologie offre des perspectives prometteuses à la géothermie, en permettant de produire de l’électricité et de la chaleur sur une grande partie du monde. Cependant, l’état de maturité de la technologie en fait encore un domaine de recherche de rupture. Une contribution significative pour la production d’électricité ne peut être attendue avant 2025, et reste encore difficilement chiffrable.

Introduction – Géothermie But de l’exploration  Localiser un champ géothermique  Evaluer sa nature  Déterminer sa dominante: vapeur ou eau  Définir de façon aussi précise que possible: Son emplacement Sa superficie Sa profondeur La gamme probable des T  Estimer l’ordre de grandeur de son potentiel énergétique ou calorifique  Interaction entre les différentes méthodes géophysiques 4

Introduction – Géothermie But de l’exploration  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  Absence d’indice en surface  étude de l’environnement géologique 5

Introduction – Géothermie Analyse de documents  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 6

Introduction – Géothermie Rôle du géologue  Etablir un modèle à 3D de la structure géologique d’une région thermique présumée (+ grande profondeur possible)  Déduire les sites des forages prometteurs  Modèle hypothétique suggérant quelles zones peuvent être perméables et contenir des fluides chauds  Observation + Déduction  Intérêt des autres disciplines 7

Introduction – Géothermie  Distinguer les anomalies Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte  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  Distinguer les anomalies  Champ géothermique: grand volume de vapeur et / ou d’eau retenu dans des roches perméables présente plusieurs anomalies par comparaison avec les normes environnantes  La géophysique est un outil puissant pour la détection des champs thermiques 8

Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien Géophysique : fondamentalement science qui consiste à chercher et à interpréter les anomalies de toute sorte  Nb techniques variables en fiabilité et en coût  La – chère, parmi les + simples et + utiles: le thermomètre - Géothermographe - Sonde Amerada - Thermocouple - Thermistance...  Déduire les gradients de T et, à l’aide du géologue, les volumes du flux de chaleur  Preuve indirecte de points chauds locaux plus profonds 9

Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien Mesure de la résistivité électrique Mesure de la gravité 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  Tout un arsenal...  Mise en oeuvre réfléchie 10

Introduction – Géothermie Rôle du géophysicien Mesure de la résistivité électrique Mesure de la gravité 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  Tout un arsenal...  Mise en oeuvre réfléchie Quelle méthode est la mieux adaptée pour résoudre les pb particuliers rencontrés? 11

Méthodes géophysiques - Définitions Géo-physique ou physique de la Terre : étude des propriétés physiques du globe terrestre 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...) Distinction entre méthodes dites potentielles (étude des champs de pesanteur, magnétique, électrique...) et méthodes portant sur la propagation des ondes (sismologie, sismiques...) Distinction entre physique du globe et physique appliquée pour des raisons d’échelles, elles-mêmes distinctes de la géodynamique Repérage dans l’espace et le temps 3 mots clés: dynamique, structure et pb d’échelle 12

Méthodes géophysiques - Définitions Appréhender un certain nombre de problèmes grande échelle, relatifs à la structure interne de la Terre et à son comportement dynamique Volcanisme Densité, susceptibilité magnétique, aimantation, résistivité, conductivité électrique, élasticité, radioactivité …  propriétés physiques des roches étudiées lors des investigations géophysiques Complémentarité des méthodes: - Signaux générés par les variations de ces propriétés physiques, latéralement et en profondeur - Méthodes d’interprétation similaires Orogénèse Géothermie 13

Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion d’échelle Toute étude géophysique se définit dans un espace qui dépend de l’objet d’étude (source) 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 Études portant sur les propriétés des milieux : études en champs proche Études portant sur des effets : études en champs lointain 14

Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion d’anomalie Écart entre la valeur mesurée d’un certain paramètre et la valeur théorique de ce même paramètre en ce point 15

Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Mesure et précision sur la mesure Une mesure n’a d’intérêt que si l’on connaît sa marge d’erreur  métrologie : science portant sur la qualité des mesures Procéder à un calcul d’erreur Résolution des appareils  précision de la mesure (influencée par des facteurs externes)  obtenir le meilleur rapport signal/bruit dans les données La précision et le nombre des mesures dépend de l’objectif à atteindre Considérer la qualité de la distribution spatiale des données 16

Méthodes géophysiques – Mesures et interprétations Notion de modèle (direct ou inverse) Objets étudiés difficilement accessibles  comparaison entre anomalie observée et théorique, coïncidence ou non A partir des observations de surface, établir une structure théorique qui rendra compte au mieux de l’ensemble des observations  MODELE (évolutif) Infinité de modèles pouvant rendre compte des observations  non-unicité du modèle 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 1 et 2 (2>1) respectivement, produisant la même anomalie de Bouguer (g) en surface 17

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  Flux de chaleur continental: la planète libère en moyenne 60mW/m² (20 à 250 mW/m²)  Anomalies thermiques : flux de plusieurs 100 aines de mW/m² Exemples à Wairakei en Nouvelle Zélande  Causes des variations - nature des roches sous-jacentes - histoire géologique de la région - structure de la croûte sous-jacente  Expressions géophysiques associées La géothermie est multiforme (ce qui nuit sans doute à l’émergence d’un consensus des acteurs pour porter cette filière, que ce soit à l’échelon national ou européen). Il importe donc de bien comprendre la position de la géothermie dans le contexte des énergies renouvelables aujourd’hui. Trois situations bien différentes sont à distinguer, qui donneront lieu à des jeux d’acteurs relativement indépendants, et donc à des plans d’action séparés. C’est d’abord comme production de chaleur qu’est attendue une contribution de la géothermie. En effet, les technologies, que ce soit celle des réseaux de chaleur à partir de ressources géothermales profondes, ou celle des pompes à chaleur sur la ressource superficielle, sont assez mûres pour pouvoir être déployées à des coûts souvent moindres que ceux des autres énergies renouvelables. Ainsi, le projet de Programmation Pluriannuelle des Investissements du Ministère de l’Industrie attend une contribution de 900 ktep (1,05 millions d’équivalent logements) à l’horizon 2015 de la géothermie, ce qui en fera la deuxième source de chaleur renouvelable derrière la biomasse (devant les UIOM, le solaire thermique et les biogaz). Ensuite, le contexte insulaire volcanique rend très prometteuse la contribution de l’électricité géothermique dans les DOM insulaires : ces îles sont largement dépendantes de l’électricité d’origine fossile, dont les coûts s’envolent (pouvant dépasser 20 ct/kWh), et la géothermie est la seule énergie renouvelable susceptible de contribuer en base, à un prix compétitif, à la production d’électricité. Le cas de la technologie EGS, développée à Soultz, se place dans un horizon de temps différent : cette technologie offre des perspectives prometteuses à la géothermie, en permettant de produire de l’électricité et de la chaleur sur une grande partie du monde. Cependant, l’état de maturité de la technologie en fait encore un domaine de recherche de rupture. Une contribution significative pour la production d’électricité ne peut être attendue avant 2025, et reste encore difficilement chiffrable. 18

Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol  Exemple: 2 forages A et B (T ° > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes)  élévation locale de la température - Intrusion magmatique en cours de refroidissement  même type de géotherme - Couverture sédimentaire (isolant thermique)  réchauffe le milieu - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles  stockage des températures élevées à faible profondeur 19

Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol  Exemple: 2 forages A et B (T ° > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes)  élévation locale de la température - Couverture sédimentaire (isolant thermique)  réchauffe le milieu - Intrusion magmatique en cours de refroidissement  même type de géotherme - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles  stockage des températures élevées à faible profondeur 20

Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol  Exemple: 2 forages A et B (T ° > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes)  élévation locale de la température - Couverture sédimentaire (isolant thermique)  réchauffe le milieu - Intrusion magmatique en cours de refroidissement  même type de géotherme - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles  stockage des températures élevées à faible profondeur 21

Géothermie et géophysique Réservoir de chaleur du sous-sol  Exemple: 2 forages A et B (T ° > dans B) - Massif granitique (ou unité géologique qui produit + de chaleur que les roches encaissantes)  élévation locale de la température - Couverture sédimentaire (isolant thermique)  réchauffe le milieu - Intrusion magmatique en cours de refroidissement  même type de géotherme - Circulations de fluides crustaux piégés dans un réseau de failles  stockage des températures élevées à faible profondeur 22

Géothermie et géophysique Chaleur : 7 M de logements chauffés par géothermie dans le monde Electricité : 10 centrales nucléaires dans le monde (zones volcaniques) Domaine de recherche 23

Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal Formations caractéristiques d’un système géothermal Paramètres géophysiques variables en fonction de la nature de ces formations: Résistivité  Méthodes électriques, électromagnétiques Densité  Méthode gravimétrique Aimantation  Méthode magnétique Vitesse sismique  Sismique réflexion, réfraction Model géoélectrique conceptuel d’un réservoir géothermal (d’après Johnston et al., 1992) 24

Géothermie et géophysique Modèle de réservoir géothermal Couche superficielle résistante (~50 m; 2.5 -10 ohm.m, T < 150°C)  Forte densité ; Aimantation > 0 Couche à smectite majoritaire (< 2.5 ohm.m, T < 200°C)  Faible densité - Aimantation > 0 ou ~ 0 Couche intermediaire : interstratification illite-smectite + chlorite (< 50% ; < 20 ohm.m, 200 < T < 240°C)    Faible densité - Aimantation ~ 0 Couche à chlorite majoritaire (> 20 ohm.m, T> 240°C)  Forte densité - Aimantation < 0 Model géoélectrique conceptuel d’un réservoir géothermal (d’après Johnston et al., 1992) 25