Activités de recherche et développements

A. Géophysique en forage

1. Lido de Maguelone

Le site de Maguelone (sud de Montpellier), maintenu par l’OSU-OREME, constitue un site pilote silico-clastique instrumenté et étudié par l’équipe TMP du laboratoire de Géosciences Montpellier. Il était récemment rattaché au projet européen MUSTANG (2009-2013) coordonné par Université d’Uppsala.

Le site de Maguelone est instrumenté depuis 2004 (figure ci-dessous). Il dispose actuellement des moyens d’étude et d’observation suivants :

• 7 forages de 20 à 80 m de profondeur ;
• 140 m de carottes ;
• 1 observatoire hydrogéochimique SWS ;
• 4 observatoires de résistivité ImaGeau (2×60 m et 2×20 m) ;
• 1 large couverture de profiles de sismique réflexion acquis en mer et dans les étangs (GM, UPVD) ;
• 3 sondes piézométriques mutli-paramètres (pH, t°, p° et conductivité) ;
• 1 suivi piézométrique assuré par le BRGM en amont de la zone d’étude.

Le site de Maguelone, implanté sur un lido entre mer et étang, couvre un aquifère silico-clastique de type multi-couches développé au sein de séries sédimentaires datées du Plio-Quaternaire. Par ailleurs, il est bordé au nord par un karst barré développé au sein de carbonates jurassiques. En contexte de faible pression anthropique, nos études sur ce site suggèrent qu’une connexion naturelle du système avec le domaine marin pourrait être à l’origine des fortes salinités observées la partie supérieure de l’aquifère. Ce site instrumental d’observation permet donc de documenter et de suivre le phénomène de salinisation naturel d’un aquifère poreux, en contexte de variation climatique et de hausse du niveau marin.

En combinant la reconnaissance de faciès sédimentaires sur carottes (forage de 60 m),  l’analyse de profils sismiques en mer et dans la lagune et l’analyse de données de puits, la géométrie des séries sédimentaires en sub-surface a pu être restituée (Raynal et al., 2009 ; Raynal et al., 2010 ; Lofi et al., 2013). Cette approche a permis de réviser la géométrie et l’âge des séries traversées comme suivant :

• une architecture simple consistant en une séquence pliocène inférieure essentiellement continentale à faible pendage vers la mer. Le remplissage de chenal observé entre 14 et 18m (figure ci-dessus) et les séries carbonatées sus-jacentes sont datés du Pliocène, probablement inférieur ;
• dans cette zone, les séries pliocènes sont incisées par des vallées creusées lors du dernier maximum glaciaire. Le pliocène est surmonté de manière discordante par des dépôts post-glaciaires (sables transgressifs, dépôts lagunaires et de plage de haut niveau marin), marqués par à leur base par une surface de ravinement marine localement associée à un cortège transgressif (vers 9 m). La lacune sédimentaire est estimée à ~ 3 Ma.

L’architecture décrite ci-dessus et la perméabilité des séries sédimentaires associées vont jouer un rôle prépondérant sur l’organisation et la circulation actuelle des fluides météoriques et de l’eau de mer qui saturent le milieu géologique en subsurface.

En zones côtières, les aquifères présentent un intérêt évident en terme de ressource en eau, puisque de part leur localisation à l’interface continent/océan, ils constituent des environnements sensibles aux risques de pollution, notamment par intrusion saline, qu’elle soit d’origine naturelle ou anthropique. La dynamique des échanges souterrains reste par ailleurs extrêmement méconnue, en particulier pour ce qui est de l’extension des réservoirs en eau douce en domaine marin.

Sur le site de Maguelone, l’analyse combinée de profils sismiques, de carottes et données de puits m’ont permis de caractériser la présence d’un aquifère de type bi-couches et de proposer un modèle de fonctionnement hydrogéologique à l’interface continent/océan (Figure ci-dessous). Outre la perméabilité des séries, la géométrie du squelette géologique à terre (strates pliocènes tabulaires à pendage vers la mer) et en mer (paléo-vallées incisées du dernier maximum glaciaire et les sables transgressifs qui les remplissent) semble jouer un rôle capital sur la distribution des niveaux d’eau douce et salée qui saturent le milieu au niveau du lido.

2. Roussillon

Le site du Roussillon, également rattaché à l’OREME via Géosciences Montpellier, est un site instrumenté dans le cadre de l’ANR GrainD’sel (2010-2013) coordonnée par le BRGM.

Ce site couvre un aquifère silico-clastique de type multi-couches développé au sein de séries sédimentaires datées du Plio-Quaternaire (Aunay, 2007 ; Duvail, 2008). Soumis à une forte pression anthropique principalement liée à la croissance démographique (75% des prélèvements en eau souterraine sont dédiés à l’alimentation en eau potable), cet aquifère est soumis à une pollution par chlorure en différents points de la plaine roussillonnaise (figure ci-contre). A ce jour, l’origine de cette pollution reste à être déterminée (intrusion saline horizontale possiblement en réponse à des pompages excessifs  ou contamination verticale via des ouvrages défaillants). L’ANR GrainD’sel visait à tester ces deux hypothèses grâce à des techniques novatrices d’observations in-situ du sous-sol.

Le site du Roussillon dispose depuis janvier 2012 des moyens d’étude et d’observation suivants :

• 4 forages de 20 et 160 m;
• 180 m de carottes sédimentaires ;
• 2 observatoires SWS (observatoires permanents hydrogéochimiques) de 160 m et 20 m de profondeur ;
• 2 observatoires ImaGeau (observatoires permanents de résistivité) : 160 et 20 m ;
• 1 jeu de données géophysiques aéroportées (magnétisme, radiométrie spectrale et EM) acquises fin 2008 dans le cadre d’un projet européen EUFAR (BRGM, UPVD) ;
• 1 large couverture de profiles de sismique réflexion acquis en mer et dans les étangs (UPVD) ;
• 1 réseau de suivi piézométrique pour la surveillance quantitative des eaux souterraines, assuré par le BRGM depuis plusieurs années.

En combinant la reconnaissance de faciès sédimentaires sur carottes et l’analyse de données de puits, la géométrie des séries sédimentaires en sub-surface a pu être restituée. La description de la lithologie a permis de définir la nature et l’organisation des dépôts qui traversent les forages à Barcarès. Cette étude, associée aux données de conductivité électrique de fluide a permis l’identification de cinq réservoirs potentiels au sein d’unités sédimentaires et hydrologiques différentes. Quatre réservoirs se développent au sein du l’aquifère du Pliocène Continental et un cinquième est développé au sein du Pliocène Marin Sableux.

En termes de distribution des fluides saturants, plusieurs éléments ont été mis en évidence :

• l’existence de trois domaines : le domaine n°1 (de 5 à 30 m) qui renferme l’aquifère du Quaternaire et présente des eaux saumâtres, le domaine n° 2 (de 40 à 100 m) qui renferme l’aquifère du Pliocène Continental et présente des eaux douces et le domaine n° 3 (de 100 à 120 m) renfermant l’aquifère du Pliocène Marin Sableux et présentant des eaux légèrement minéralisées ;
• l’existence d’une couverture marno-argileuse d’environnement palustre ou marécageux (de 30 à 40 m) assurant, dans le secteur du Barcarès, la séparation de l’aquifère du Quaternaire avec les aquifères du Pliocène Continental et du Marin Sableux ;

La localisation des intrusions marines s’est faite à l’aide des données de conductivité électrique de fluide, celles d’hydrogéochimie et des valeurs des charges hydrauliques. Il en ressort que deux réservoirs sur cinq présentent des intrusions marines en lien avec les prélèvements. Cependant ces intrusions sont difficilement amputables à la progression du biseau salé dans les terres. En effet, la position de ce biseau salé n’est pas directement influencée par les prélèvements en raison d’écoulements contrôlés par des phénomènes de diffusion au sein de formations géologiques très peu perméables (Aunay, 2007). L’origine de ces intrusions peut être due à un forage défectueux mettant en relation l’aquifère du Quaternaire (proche de la côte, en lien avec la mer) avec l’aquifère du Pliocène Continental. Les intrusions marines au sein du réservoir n°3 sont visibles sur les résultats de conductivité électrique de fluides mesurés avec l’observatoire permanent (Annexe n°4). De plus ce réservoir semble affecté par un pompage excessif et/ou une recharge pas assez conséquente. La dynamique de ces réservoirs peut être apréhendée grâce aux observatoires permanents du sous sol (voir section III-C).

3. Expéditions IODP

Expédition 313

Les outils du CEEL ont été utilisés en 2009 lors du leg IODP 313 (Mountain et al., 2010) réalisé sur la marge du New Jersey. Cette marge passive mature résulte d’un rifting d’âge Triasique, et est actuellement soumise à une faible subsidence thermique. Son architecture en domaine marin consiste en des prismes progradants d’âge Miocène à actuel.  Cette marge constitue un site d’étude de premier intérêt pour ce qui est de la compréhension du fonctionnement actuel et passé des réservoirs poreux et des échanges souterrains continent-océan. En effet, pour la première fois dans l’histoire des forages IODP, 3 puits carottés ont été réalisés en domaine de plate-forme. Ces puits offrent un accès unique à la structure interne d’un système silico-clastique en domaine de plate-forme interne (clinoformes), et de ce fait, à la connaissance fine de son architecture sédimentaire et des fluides saturants.

Les travaux menés au sein de TMP reposent essentiellement sur l’interprétation des données de puits (gamma ray spectral, conductivité par induction, sonic, susceptibilité magnétique, imagerie acoustique de parois) et de pétrophysique sur carottes (Vp, susceptibilité magnétique, densité, résistivité électrique, porosité) acquises durant l’expédition. Elles ont permis de :

• tester les relations existant entre les limites de séquences de dépôts et les contrastes d’impédance acoustique qui jouent un rôle primordial sur la genèse des réflecteurs sismiques, conditionnant ainsi l’interprétation des lignes sismiques en terme de stratigraphie sismique ou séquentielle (Miller et al., 2013);
• prédire les lithologies et limites de séquences par analyse statistique (logiciel INCA) des données de géophysique en puits, en s’affranchissant ainsi des données issues des carottes sédimentaires (Figure ci-dessous, Inwood et al., 2013).

L’interprétation combinée des profils sismiques, des mesures géophysiques en puits, des mesures pétrophysiques (au laboratoire) et d’analyses de faciès sédimentaires sur carottes, et des données géochimiques du fluide poral (Lofi et al., 2013a) a également permis de :

• préciser la distribution des masses d’eau douce/salée sous la plate-forme ;
• proposer un modèle architectural 2D prédictif des réservoirs actuels en mer (figure ci-dessous).

La marge du New Jersey se caractérise par la présence de réservoirs de type multi-couches, avec des niveaux saturés en eau salée (d’origine marine) alternant avec des intervalles saturés en eau peu salée (d’origine météoritique).  Le modèle 2D proposé à l’échelle de la marge illustre l’importance de prendre en considération les hétérogénéités spatiales à plusieurs échelles. La géométrie proposée est de première importance pour appréhender les mécanismes de mise en place de l’eau porale. En couplant le modèle de perméabilité avec les données de salinité du fluide il est possible de discuter les chemins de mise en place de l’eau douce et salée sous la plate-forme. Sur les sites de forages de l’expédition 313, l’eau douce stockée dans les niveaux de perméabilité modérée a un âge post-dépôt mais le modèle ne permet pas de dire si elle est actuelle ou fossile (datant du dernier maximum glaciaire). D’un point de vue géométrique, seulement certains de ces niveaux pourraient néanmoins être connectés à l’heure actuelle avec les aquifères continentaux.

A l’interface eau douce/eau salée, des horizons cimentés sont couramment observés (Figure ci-dessous). Des mesures ont été réalisés au perméamètre à gaz sur ces intervalles, mettant en évidence des perméabilités faibles (k<5mD) à très faibles (k<10^-4 mD). Lorsque k>1 mD, le matériel peut encore être considéré comme perméable. Néanmoins, ces valeurs restent de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à celles prédites dans les niveaux voisins constitués de sables grossiers, propres et non consolidés. Ces niveaux cimentés jouent donc probablement le rôle de barrières de perméabilité à petite échelle, déconnectant partiellement les intervalles saturés en eau douce et eau salée, et ralentissant ainsi les phénomènes de mélange entre les différents réservoirs (Lofi et al., 2013a).

B. Monitoring en forage et en surface (électrique)

1.  Les observatoires permanents du sous sol

Le monitoring en forage vise à déterminer la dynamique (spatiale et temporelle) des fluides en sub-surface. Cette approche dynamique peut être assurée par les observatoires permanents du sous-sol qui offrent une approche novatrice d’instrumentation en continu et in situ des réservoirs géologiques. Ils permettent de documenter et suivre leur évolution temporelle. A l’heure actuelle, deux types d’observatoires sont implantés sur les sites d’étude de TMP:

• les observatoires électriques (ImaGeau) : ils mesurent la résistivité de la formation (fluide + encaissant) à différentes profondeurs au sein d’un même puits (Pezard et al., 2010). Ces données acquises quotidiennement permettront, après calibration, de suivre l’évolution dans le temps de la salinité au sein des différents aquifères. Actuellement, des observatoires électriques sont implantés sur les sites de Majorque, de Maguelone, du Roussillon et de Lodève.

• les observatoires hydrogéochimiques SWS-WestBay (Schlumberger Water Carbon) : ils permettent, grâce à un système d’obturateurs (« packers », MP System® Well), d’isoler différents niveaux dans un même forage et d’y effectuer des échantillonnages de fluide interstitiel ainsi qu’un suivi des paramètres de pression. Ils permettront un suivi temporel des paramètres hydrologiques et chimiques des masses d’eau superposées. Depuis l’automne, les sites de Maguelone et de Majorque (sites 2 et 3) sont tous deux munis d’un observatoire SWS. Un autre observatoire sera implanté courant 2011 sur le site du Roussillon (site 1). Les zones d’échantillonnages seront positionnées de manière stratégique sur la base des interprétations des données diagraphiques et  sédimentologiques sur carottes.

2.   Lido de Maguelone

Le site de Maguelone a été équipé d’observatoires permanents du sous sol afin de suivre l’évolution naturelle du milieu ainsi que sa réponse à des perturbations d’origine anthropique telles que l’injection de gaz dans un niveau perméable.

3.  Roussillon

Les données obtenues avec l’observatoire permanent automatisé de résistivité du sous sol donnent un ordre d’idée quant à l’évolution verticale et temporelle de la conductivité de fluide dans les forages du Roussillon (Figure ci-dessous). Ainsi on remarque qu’il existe trois domaines : un renfermant des eaux saumâtres de 5 à 40 m (Cw > 3000 milliS/m), un renfermant des eaux douces de 40 à 100 m (Cw < 100 mS/m) et un contenant des eaux douces légèrement minéralisées de 100 à 120 m. La formation marno-argileuse située de 30 à 40 m semble jouer le rôle de barrière de perméabilité en séparant les eaux saumâtres des eaux douce. Ce positionnement de l’eau salé plus dense sur l’eau douce a aussi été observé sur le site de Maguelonne (Lofi et al., 2013). L’aquifère du Quaternaire se situe dans le premier domaine entre 0 et 30 m. Au plus proche de la côte, cet aquifère libre s’avère être le sensible aux intrusions marines qui s’y infiltrent directement depuis la mer (Duvail, 2008). Les deux domaines contenants de l’eau douce correspondent au Pliocène Continental (de 40 à 100 m) et au Pliocène Marin Sableux (de 100 à 120 m). [caption id="attachment_18380" align="aligncenter" width="844"] Evolution spatio-temporelle de la conductivité électrique du sous sol (reflétant la dynamique des fluides saturants) obtenue à partir d’observatoire permanent électrique automatisé (ImaGeau) du Roussillon. On note des phénomènes de salinisation saisonnière vers 70 m de profondeur, mis en évidence par des accroissements de conductivité électrique.[/caption]