Propriétés électriques des roches volcaniques altérées : observations et interprétations basées sur des mesures en laboratoire, terrain et forage au volcan Krafla, Islande.

Electrical properties of hydrothermally altered rocks : observations and interpretations based on laboratory, field and borehole studies at Krafla volcano, Iceland.

• Auteur / Autrice : Léa Lévy
• Direction : Pierre Briole, Freysteinn Sigmundsson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 15/02/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Háskóli Islands
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cosenza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Briole, Freysteinn Sigmundsson, Philippe Cosenza, Lee Slater, Jean-François Girard, Ólafur G. Flóvenz, Sophie Violette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lee Slater, Jean-François Girard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Géothermie

Conductivité électrique

Smectite

Pyrite

Polarisation provoquée

Inversion géophysique

Geothermal energy

Electrical conductivity

Smectite

Pyrite

Induced polarization

Geophysical inversion

Résumé

Afin de cartographier la structure souterraine des volcans et détecter des ressources géothermiques de haute température, on utilise souvent l’imagerie de résistivité électrique. La résistivité électrique des volcans est affectée par plusieurs facteurs: volume et salinité de l’eau interstitielle, abondance de minéraux conducteurs, température de la roche et présence de magma. Ce travail de thèse tente de contraindre l'interprétation des structures de résistivité électrique autour des volcans actifs, afin de développer des outils innovants pour l'exploration des ressources géothermiques. La contribution des minéraux conducteurs est au cœur de la thèse: conducteurs ioniques solides (minéraux argileux, en particulier la smectite) ou semi-conducteurs électroniques (pyrite, oxydes de fer), mais l’influence de la porosité, de la salinité, de la température et de la présence de magma est aussi étudiée. La thèse utilise le volcan Krafla comme terrain d’étude pour affiner les interprétations des structures de résistivité électriques, du fait de la disponibilité de carottes, de données, de bibliographie et d’infrastructure. La smectite et la pyrite sont formées par altération hydrothermale des roches volcaniques et témoignent ainsi des convections hydrothermales. Les oxydes de fer en revanche sont plutôt formés lors de la cristallisation du magma et sont dissous lors des circulations hydrothermales. La contribution de la smectite à la conductivité électrique de roches volcaniques, saturées en eau à différentes salinités, est d'abord étudiée en laboratoire (à température ambiante) par spectroscopie d’impédance électrique « résistivité complexe ». Des variations non linéaires de la conductivité électrique à 1 kHz avec la salinité sont observées et discutées. La conduction interfoliaire est suggérée comme un mécanisme important par lequel la smectite conduit le courant électrique. L'influence de la pyrite et des oxydes de fer sur les effets de polarisation provoquée est ensuite analysée en utilisant l'angle de phase de l'impédance, qui dépend de la fréquence. Un angle de phase maximal supérieur à 20 mrad est attribué à la pyrite si la roche est conductrice et aux oxydes de fer si la roche est résistive. L'angle de phase maximal augmente d'environ 22 mrad pour chaque pourcent de pyrite ou d'oxyde de fer. Ces résultats de laboratoire en domaine fréquentiel sont appliqués à l’interprétation de tomographies de résistivité complexe sur le terrain en domaine temporel. Smectite, pyrite et oxydes de fer ont pu être identifiés jusqu'à 200 m de profondeur. La température in-situ, plus élevées qu’en laboratoire, semble augmenter la conductivité de la smectite. De manière générale, la tomographie de résistivité complexe est recommandée comme méthode complémentaire aux sondages électromagnétiques pour l'exploration géothermique.

Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for hightemperature geothermal resources. The electrical resistivity of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of magma. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures around active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of geothermal resources. I focus on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides), but I also investigate the effects of porosity, salinity, temperature and presence of magma. I use Krafla volcano as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. Smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks and thus witness hydrothermal convection. On the other hand, iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma and dissolved by hydrothermal fluids. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic rocks saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy “complex resistivity”. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and discussed. Interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on induced polarization effects is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. A maximum phase-angle higher than 20 mrad is attributed to pyrite if the rock is conductive and to ironoxides if the rock is resistive. The maximum phase-angle increases by about 22 mrad for each additional per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to 200 m. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration.