Les zones de failles crustales comme systèmes géothermiques électrogènes. Apport des modélisations numériques et confrontation aux systèmes naturels

Crustal Fault Zones as geothermal power systems. Contribution of numerical modelling and comparison with natural systems

• Auteur / Autrice : Hugo Duwiquet
• Direction : Laurent Guillou-Frottier, Laurent Arbaret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers. Géoressources
• Date : Soutenance le 27/01/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gaillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roland N. Horne, Albert Genter, Mathieu Bellanger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Ledru, Frédéric Victor Donzé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Énergie géothermique

Multiphysique

Imagerie tridimensionnelle en géologie

Failles (géologie)

Massif central (France)

Techniques géothermiques

Mots clés libres

Zone de Failles Crustales

Exploration

Systèmes géothermaux de Haute Température

Approche multidisciplinaire

Modélisations multiphysiques

Crustal Fault Zones

Exploration

High Temperature geothermal system

Multidisciplinary approach

Multiphysics modelling

Résumé

Les Zones de Failles Crustales (ZFC) constituent une cible géologique intéressante pour les ressources géothermiques à haute température dans les zones de socle naturellement fracturées. Des études de terrain et de laboratoire ont déjà montré la capacité de ces systèmes à faciliter l'écoulement des fluides jusqu'à la transition ductile-fragile. Cependant, plusieurs questions clés concernant l'exploration subsistent, en particulier le rôle du pendage, de la perméabilité, de l'effet des contraintes mécaniques et, plus largement, le rôle fondamental des régimes tectoniques sur l'écoulement des fluides dans les domaines de socle naturellement fracturés. En considérant des modélisations numériques 2D et 3D, avec des couplages TH et THM, deux tendances peuvent être identifiées et intégrées pour l'exploration de ces cibles : (i) les failles verticales concentrent les plus fortes anomalies de température aux plus faibles profondeurs (ii) les systèmes en décrochement favorisent les plus grandes anomalies de température. Les données géologiques et géophysiques suggèrent que la zone de faille de Pontgibaud (Massif Central français) est une ZFC qui abrite un système hydrothermal actif à une profondeur de quelques kilomètres. Une étude intégrée pour évaluer son potentiel géothermique de Haute Température a été effectuée. Les mesures de terrain permettent de contrôler la géométrie 3D des structures géologiques. Les observations 2D (lames-minces) et 3D (microtomographie à rayons X) mettent en évidence une propagation spatiale bien définie des fractures et des vides, présentant la même architecture de fracture à différentes échelles (2,5 μm à 2 mm). En outre, les mesures de la porosité et de la perméabilité confirment que les échantillons fortement fracturés et altérés sont caractérisés par des valeurs de perméabilité élevées, un échantillon étant caractérisé par une perméabilité aussi élevée que 10-12 m2. Enfin, un modèle numérique 3D à grande échelle de la ZFC de Pontgibaud, basé sur le couplage THM et la comparaison avec les données de terrain (température, flux de chaleur et résistivité électrique), a permis d'explorer l'étendue spatiale de l'isotherme 150°C, qui s'élève jusqu'à une profondeur de 2,3 km. Bien que basé sur des hypothèses simplifiées, notre modèle reproduit les données de terrain. Une approche intégrée multidisciplinaire basée sur une modélisation 3D couplée s'est avérée être un moyen efficace d'évaluer le potentiel géothermique de la ZFC et de prédire les distributions de température. Elle peut être utilisée comme un outil prédictif pour développer des opérations géothermiques à haute température dans des roches du socle abritant des systèmes de failles à grande échelle.

Crustal Fault Zones (CFZ) are an interesting geological target for high-temperature geothermal resources in naturally frac-tured and deep basement zones. Field and laboratory studies have already shown the ability of these systems to favor fluid flow down to brittle-ductile-transition. However, several key questions about exploration still exist, in particular the role of structural dip, permeability, and the effect of mechanical stress and more broadly the fundamental role of tectonic re-gimes on fluid flow in naturally fractured basement domains. Considering 2D and 3D numerical modelling, with TH and THM couplings, two trends can be identified and integrated for the exploration of these targets (i) vertical faults concentrate the highest temperature anomalies at the shallowest depths (ii) strike-slip systems favor the largest temperature anomalies. Geological and geophysical data suggest that, the Pontgibaud fault zone (French Massif Central) is a CFZ that host an active hydrothermal system at a depth of a few kilometers. We conducted an integrated study to assess its high tempera-ture geothermal potential. Field measurements are used to control the 3D geometry of the geological structures. 2D (thin-section) and 3D (X-ray microtomography) observations point to a well-defined spatial propagation of fractures and voids, exhibiting the same fracture architecture on different scales (2.5 μm to 2 mm). Moreover, measurements of porosity and permeability confirm that the highly fractured and altered samples are characterized by high permeability values, with one sample characterized by a permeability as high as 10-12 m2. Finally, a large-scale 3D numerical model of the Pontgibaud CFZ, based on THM coupling and the comparison with field data (temperature, heat flux, and electrical resistivity), allowed to explore the spatial extent of the 150°C isotherm, which rises up to a depth of 2.3 km. Though based on simplified hypotheses, our model reproduces field data. A multi-disciplinary integrative approach based on coupled 3D modeling proved to be an efficient way to assess the geothermal potential of CFZ and predict temperature distributions. It can be used as a predictive tool to develop high-temperature geothermal operations within basement rocks hosting large-scale fault systems.