Modélisation par Eléments Spectraux de Données Magnétiques, Gravimétriques et Electriques et leur Inversion Jointe Appliquée à l'Imagerie des Systèmes Geothermaux en Domaines Volcaniques (MESSAGE)

Spectral Element Modeling and Inversion of Magnetic, Gravimetric, and Electric Data Applied to the Imaging of Geothermal Systems in Volcanic Areas

• Auteur / Autrice : Lahcene Bellounis
• Direction : Claire Bouligand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre

Mots clés

Mots clés libres

Géophysique

Modélisation

Inversion

Systèmes géothermaux

Geophysics

Modeling

Inversion

Geothermal systems

Résumé

Les données magnétiques et gravimétriques fournissent des outils très utiles pour étudier la structure des systèmes géothermaux en domaine volcanique (e.g. Bouligand et al., 2020) mais la construction de modèles 3D d'aimantation et masse volumique à partir de ces données est rendue difficile par la non-unicité de la solution, la faible sensibilité de ces données avec la profondeur, et la forte influence de la topographie sur ces données. De manière à contraindre les modèles, il est possible d'inverser de manière jointe ces jeux de données avec d'autres données (électriques, électromagnétiques et sismiques) et également d'incorporer des informations issues de mesures des propriétés physiques en forage. Bien qu'il existe déjà des codes permettant de telles inversions jointes, ces codes reposent généralement sur un maillage rectangulaire de l'espace ce qui implique une diminution de la taille des cellules à proximité de la topographie et par conséquent un coût et temps de calculs très important. Le code SEM46 (Trinh et al., 2019 ; Cao et al. 2020), développé au sein du groupe SEISCOPE (équipe Ondes et Structures, ISTerre) pour l'imagerie sismique par inversion des formes d'ondes repose sur une formulation par éléments spectraux avec des maillages hexaédriques déformés permettant de représenter une topographie complexe sans diminution de la taille des cellules à proximité de la topographie. Nous proposons dans le cadre de cette thèse d'adapter le code SEM46 pour la modélisation et l'inversion jointe des données magnétiques, gravimétriques et électriques. Ces 3 types de données sont associés à des champs potentiels nécessitant donc la résolution d'équations aux dérivées partielles elliptiques de type Poisson. Une première étape de la thèse consistera à formuler ce problème dans le cadre des éléments spectraux et du maillage hexaédrique du code SEM46. Dans une seconde étape, la partie inversion du code SEM46 sera adaptée pour le problème de l'équation de Poisson associé à ces trois types de données. Dans une troisième étape, l'inversion jointe sera implémentée en introduisant un terme de couplage dans la fonction coût. A chaque étape, le code sera validé et évalué par des solutions de référence et par rapport à des codes de la communauté. Ce code d'inversion sera ensuite appliqué aux données du site géothermal de Krafla (Islande). Le site geothermal de Krafla est un site unique pour appliquer cette étude car une large gamme de données géophysiques y est disponible (e.g. Árnason, 2020) et de nombreux forages fournissent des informations sur la stratigraphie, l'altération des roches et la température (Mortensen et al., 2015), auxquels nous avons accès grâce à une collaboration avec la compagnie nationale d'énergie islandaise Landsvirkjun qui exploite le site géothermique. L'inversion jointe utilisera un nouveau levé magnétique par drone et des données gravimétriques collectées en 2021 et 2022 ainsi que des données existantes gravimétriques et électriques. L'inversion incorporera également des informations a priori fournies par un modèle de conductivité électrique issu de données de magnétotellurique (Lee et al., 2020) et un modèle de vitesse sismique (thèse en cours de Lisa Glück à ISTerre dans le cadre de l'ITN IMPROVE) ainsi que des mesures des propriétés pétrophysiques (aimantation, masse volumique et conductivité électrique) sur échantillons de forage. L'objectif de cette inversion 3D sera de mieux contraindre la structure du système géothermal et comprendre les structures et lithologies facilitant ou limitant la circulation des fluides en profondeur.

Magnetic and gravimetric data provide useful tools to study the structure of geothermal systems in volcanic areas (e.g. Bouligand et al., 2020) but the construction of 3D models of magnetization and density from this data is difficult due to the non-uniqueness of the solution, the weak sensitivity of these data with depth and the strong influence of topography on these data. In order to constrain models, it is possible to invert jointly these data with other data (electrical, electromagnetic and seismic data) and also incorporate information from physical properties measured on drill cores. Although numerical codes for such joint inversion already exist, these codes usually rely on a rectangular mesh which imply a decrease of the cell size near the topography and consequently a very large increase in computation time and memory. The SEM46 code (Trinh et al., 2019; Cao et al. 2020), developed in the SEISCOPE group (Waves and Structures team, ISTerre) for seismic tomography relies on a spectral element formulation with a hexahedral deformed mesh allowing to reproduce complex topography without a decrease in the size of the elements near topography. Within the PhD project, we propose to adapt the SEM46 code for the modeling and joint inversion of magnetic, gravimetric and electric data. These 3 types of data are associated with potential fields requiring the solution of Poisson-like elliptic partial differential equations. A first step of the thesis will consist into formulating this problem in the framework of spectral elements and the hexahedral mesh of the SEM46 code. In a second step, the inversion part of the SEM46 will be adapted to the Poisson's equation problem associated with these three types of data. In a third step, joint inversion will be implemented by introducing a coupling term in the objective function. At each step, the code will be validated and assessed by reference solutions and with respect to published codes. This inversion code will then be applied to data from the geothermal site of Krafla (Iceland). The geothermal site of Krafla is a unique site to apply this study as a large range of geophysical data is available (e.g. Árnason, 2020) and many drill holes provide information on stratigraphy, rock alteration, and temperature (Mortensen et al., 2015), to which we have access thanks to a collaboration with the National Power Company of Iceland Landsvirkjun which exploits the geothermal site. The joint inversion will use a new drone magnetic survey and gravimetric data collected in 2021 and 2022 as well as existing gravimetric and electrical data. The inversion will also incorporate prior information provided by a conductivity model constructed from magnetotelluric data (Lee et al., 2020) and a model of seismic velocity (thesis in progress from Lisa Glück at ISTerre, within the ITN IMPROVE) as well as petrophysical properties measured on drill holes. The objective of the 3D inversion will be to better constrain the structure of the geothermal reservoir and understand which structures and lithology act as pathways or barriers to fluids.