Duringer, Genter, Aicholzer, Maurer, Schmittbuhl, Vidal G

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Duringer, Genter, Aicholzer, Maurer, Schmittbuhl, Vidal
G-EAU THERMIE PROFONDE
Etude géologique et structurale des formations sédimentaires triasiques du nord du
fossé rhénan. Application aux projets EGS de Soultz et de Rittershoffen
Geological and structural study of deep Triassic formations within the Upper Rhine
Graben: Application to ongoing EGS projects from Soultz and Rittershoffen (Phase2)
Abstract
The aim of this project is conduct geological and structural investigations on deep Triassic
sediments which impact the structure of the convective cell within the Upper Rhine Graben
(URG). Those sediments (Keuper, Muschelkalk, Buntsandstein) are overlying the fractured
basement which evidenced some natural flow anomalies (Soultz, Rittershoffen). This
sediment/basement interface is very challenging for industry because most of the geothermal
resource is trapped there within fractured zones (Benderitter et Elsass, 1995). Scientifically,
this study could significantly contribute to a better understanding of convective cell structure
and its functioning (Guillou-Frottier et al., 2013).
After a first phase done in 2013 which consisted to analyze various geological and
geophysical data coming from the Soultz geothermal wells, a series of permeable fractured
zones has been outlined in the Muschelkalk and Buntsandstein formations in GPK2, GPK3
and GPK4 wells (Vidal, 2013). In 2014, geological and geophysical analysis of additional
Soultz wells (GPK1, EPS1, 4550) will be achieved in order to have a comprehensive
understanding of the sedimentary part. The main objective is to characterize the permeable
fractured zones based on existing data (mud logging, geophysical log, thermal log).
In the Northern URG (Soultz, Rittershoffen), the uppermost sedimentary section from Late
Trias (Keuper) to Tertiary is rather impermeable and governed by a conductive thermal
regime. This horizontal Keuper layer limits the top of the convective cell allowing to the postMuschelkalk sediments to act as a cap rock insulating thermally the more brittle underlying
formations. Thus, the uppermost structure of the convective cell is governed by hydrothermal
circulations percolating within a nearly vertical fracture system cross-cutting hard rocks
between Trias (Muschelkalk, Buntsandstein) and basement (Paleozoic granite).
In 2014, the work will be concentrated on the detailed geological description of Soultz cores
from Muschelkalk and a jointed interpretation of gamma ray log and geology from
Rittershoffen well. In 2014, the main tasks will be:
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Correlation between mud logging and gamma ray logs in the GRT1 geothermal well
based on borehole data.
Geological and structural analyses from Muschelkalk core samples from the Soultz wells.
Geological and structural study of Triassic well exposures outcrop representative from
geothermal conditions of Northern Alsace.
Geological interpretation of mud logging and well logging data in the sedimentary part of
Soultz wells (GPK1, EPS1, 4550).
During this second phase, it is planned to promote the results obtained by participating to a
geothermal conference, submitting to a peer-review journal and continuing with a new
Master 1 internship.
1
Appel à Projet Labex 2014 : Compréhension des boucles de convection
Contexte
Ce projet, en continuité avec l’action menée en 2013, vise à une meilleure compréhension de la
structure thermique de la convection dans le fossé rhénan supérieur en s’appuyant sur des données
de forages de Soultz et de Rittershoffen mais aussi en se calant sur des affleurements géologiques de
référence (analogues). En 2013, une analyse des données des forages de Soultz dans la partie
triasique a mis en évidence la présence de zones fracturées perméables (Vidal, 2013). Le granite
profond étant la cible majeure du projet EGS, la compréhension des zones perméables, notamment
celles du Muschelkalk avaient suscité peu d’intérêt jusqu’ici. Seul le Buntsandstein avait été étudié,
notamment en raison des 400 m de carottes disponibles dans le forage EPS1 (Genter et Traineau,
1991 ; Vernoux et al., 1994 et 1995; Sizun 1995 ; Dezayes et al., 2010 ; Haffen et al., 2013).
En 2013, l’analyse combinée des diagraphies instantanées et différées disponibles dans les forages
de Soultz, notamment dans les puits GPK2, GPK3 et GPK4 a montré qu’il existait plusieurs zones de
fractures ayant des indices de perméabilité pendant les phases de foration dans le Muschelkalk et le
Buntsandstein (Vidal, 2013). Cette observation a conduit à étendre l’analyse des diagraphies
disponibles collectées dans certains puits sismiques (4550) ou d’exploration (GPK1, EPS1). Les
premiers résultats ont été présentés à l’European Geothermal Workshop de Strasbourg (Vidal et al.,
2013) et les données feront encore l’objet d’analyse dans le cadre du Labex en 2014. En effet, les
formations cassantes du Muschelkalk et du Buntsandstein voire même celles du Keuper sont
susceptibles de renfermer des zones fracturées perméables qui caractériseraient le toit de la
convection thermique (Vidal et al., 2013). Ce travail de caractérisation sera amplifié en 2014 en
s’appuyant sur des données de terrain (analogues) et la prise en compte d’autres données de forages
disponibles dans ce secteur (les Hélions, Oberroedern, Rittershoffen). Les informations recueillies
pourront nourrir les modèles hydro-thermiques qui visent à préciser la structuration de la convection
dans le fossé (Magnenet et al., 2013).
Ce projet 2014 est volontairement pluri-disciplinaire et associe géologues de bassin et de socle et
géophysiciens (diagraphies géophysiques, imagerie, thermique). Il associe également les
composantes académique (UDS, CNRS) et industrielle (ES, GEIE) du Labex G-EAU THERMIE
PROFONDE. En 2013, la quasi-totalité des fonds demandés avait consommé pour l’achat du logiciel
Wellcad.
Motivation
Les projets de géothermie dans Nord du fossé rhénan visent principalement à exploiter la chaleur
véhiculée par l’eau géothermale contenue dans le réseau de fractures qui affectent les formations
sédimentaires permo-triasiques et leur soubassement cristallin. Le doublet de forages du projet
d’ECOGI en cours de développement à Rittershoffen a recoupé les formations sédimentaires tertiaires
et secondaires du fossé rhénan puis a atteint le socle cristallin fracturé paléozoïque (Duringer, 2013).
Les forages de Soultz ont également recoupé la même pile sédimentaire mais elle n’a fait l’objet
d’études approfondies à l’exception du Buntsandstein qui a été étudié notamment en géologie
structurale sur les carottes du forage EPS1 (Vernoux et al., 1994, Genter et al., 1997). En revanche,
les formations sédimentaires du Muschelkalk n’ont pas été réellement étudiées.
Deux principaux objectifs seront poursuivis en 2014 pour la compréhension du toit de la convection :
Corrélations géologie et géophysique dans le Trias en forage
La détermination précise des limites stratigraphiques des formations rencontrées en forage est
généralement déduite du mud logging c’est-à-dire de l’interprétation de la nature des cuttings suite à
un examen visuel ou à la binoculaire pendant la foration. Cette détermination est souvent délicate et
2
nécessite une forte connaissance des faciès à l’affleurement. L’utilisation plus systématique de
données géophysiques et notamment des diagraphies différées telles que le Gamma Ray (GR) qui
mesure la radioactivité naturelle exprimée en gAPI permettrait de déterminer plus précisément les
limites stratigraphiques de ces séries notamment quand on réalise plusieurs puits dans une même
région. Le forage GRT1 a collecté un ensemble de mesures diagraphiques et en particulier le GR sur
toute sa hauteur et dispose d’un log stratigraphique détaillé (Duringer, 2013).
Une des principales actions sera de réaliser des corrélations spatiales entre la connaissance
stratigraphique et lithologique du forage géothermique GRT1 et les données géophysiques de puits.
Les corrélations utiliseront en priorité les données GR de manière à prédire précisément la
stratigraphie et pouvoir faire des extrapolations pour de futurs forages dans la région (par exemple
GRT2 qui sera foré en 2014). La validation de cette méthodologie géologie-géophysique sera testée
sur les données disponibles de la partie sédimentaire des forages de Soultz. L’analyse des 60 m de
carottes du Muschelkalk de EPS1 sera réalisée.
Des études structurales et géologiques sur affleurements de référence
Pendant la foration des formations du Trias et notamment celles du Muschelkalk, une zone de pertes
totales a été recoupée par le forage vers 1760 m de profondeur. Cette zone s’apparente à une cave et
correspondrait sur l’imagerie de paroi acoustique à une structure cassante de direction N10E
plongeant faiblement vers l’Ouest. Cette zone présente une bonne perméabilité avec des pertes de
3
boue totalisant 280 m . De plus, les difficultés rencontrées pour colmater cette zone de perte
associées à l’amplitude de sa trace thermique fortement négative visible le log de température même
après la pose du tubage plusieurs mois après la fin du puits confirment son potentiel géothermique
intéressant notamment dans la perspective d’un second puits dévié GRT-2. Cependant, cette zone de
perte pourrait également s’interpréter comme une structure, localement karstique, contrôlée par la
nature carbonatée de l’encaissant fracturé du Muschelkalk. Cette interprétation en terme karstique
pourrait expliquer le fait qu’elle n’ait pas été imagée par la sismique réflexion. Sa présence modifie
significativement le modèle conceptuel géothermique notamment pour la foration du second forage
GRT2 prévu en 2014. En effet, le premier forage GRT1 étant sub-vertical et probablement le futur
injecteur, le second forage GRT2 doit être dévié pour recouper une ou plusieurs structures
perméables pour assurer des débits significatifs. Ce travail va donc contribuer à mieux définir la nature
géologique et la structure des formations triasiques géothermiquement intéressantes.
L’objectif de cette étude géologique et structurale vise à mieux définir la nature géologique des
formations triasiques en particulier celles du Muschelkalk en s’appuyant sur des données de
sondages (carottes, cuttings, logs géophysiques) et d’affleurements sélectionnés sur le pourtour du
fossé rhénan. Il va s’agir d’améliorer les connaissances des facies du Trias (Bourquin et al.2006 et
2007), de manière à disposer d’une bibliothèque de faciès type notamment dans le Muschelkalk.
Cette caractérisation géologique va également permettre de mieux comprendre la structure du toit de
la cellule convective et notamment le rôle des formations du Keuper comme caprock pour la
convection.
Travaux à réaliser
Les principaux travaux à réaliser sont :
Module 1 : Corrélations géologie et géophysique dans le Trias en forage
Stage de Master 1 de Coralie Aischolzer encadré par Ph. Duringer

Etude bibliographique succincte sur la géologie du bassin rhénan en Alsace du Nord
3





Import des données géologiques et géophysiques de GRT1 dans le logiciel WellCad
Etude des corrélations géologie-géophysique dans le forage GRT1 notamment en utilisant les
données Gamma Ray
Intégration des autres diagraphies différées (porosité, densité, imagerie de paroi, …) pour les
corrélations géologiques dans GRT1
Analyse géologique et structurale des 60 de carottes du forage EPS1 dans le Muschelkalk
Application des corrélations géologie-géophysique sur les forages de Soultz
Continuation
des
travaux
de
A. Genter/J. Schmittbuhl/Ph. Duringer


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
stage
de
M1
de
Jeanne
Vidal
encadré
par
Analyse des diagraphies instantanées, différées et de la thermique dans la partie sédimentaire
des forages de Soultz (GPK1, GPK2, GPK3, GPK4, EPS1, 4550).
Intégration des diagraphies dans WellCad et interprétation
Rédaction d’un article à soumettre à la revue Geothermal Energy
Participation et présentation d’un poster au D-GEO-D de Paris (10-11 avril 2014)
Matériels et méthodes
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


Coupe stratigraphique détaillée du forage GRT1 (Duringer, 2013)
Données du forage GRT1 (cuttings, diagraphies différées, imageries acoustiques)
Carottes du forage EPS1 dans le Muschelkalk et Buntsandstein
Informations (logs, masterlog), coupes stratigraphiques des forages de Soultz
Données des forages de Soultz dans les sédiments (cuttings, diagraphies instantanées,
Gamma Ray, Caliper)
Logiciel WellCAd (acheté en 2013).
Méthodes mises en œuvre : Géologie régionale, Stratigraphie, étude géologique de carottes du
Muschelkalk/Buntsandstein, Corrélations entre données géologiques et géophysiques de puits
(Rittershoffen, Soultz).
Module 2 : Des études structurales et géologiques sur affleurements de référence




Réalisé par Ph. Duringer
Recherche de coupes et d’affleurements types (terrain) représentatifs du contexte
géologiques d’Alsace du Nord (Keuper, Muschelkalk, Buntsandstein)
Description géologique et structurale des formations du Muschelkalk et de leur encaissant
(Keuper, Buntsandstein) à partir de données multi-sources (sondages, affleurements).
Détermination de la nature, faciès, épaisseur, densité de fracturation, orientation des
fractures, nature du remplissage des fractures, roche dure/non consolidée, extension,
propriétés hydrogéologiques probables (matricielle, fracturée, karstique, complexe).
Matériels et méthodes




Carottes des forages EPS1 et GPK1 de Soultz : Muschelkalk et Buntsandstein
Logs Gamma Ray des forages de Soultz
Affleurements de référence (Alsace, Lorraine)
Données du forage GRT1 (cuttings, diagraphies différées)
Méthodes mises en œuvre : Géologie régionale, Stratigraphie, Sédimentologie, Analyse géologique et
structurale de carottes, de cuttings et de logs diagraphiques (Soultz, Rittershoffen). Analyse
d’affleurements, géologie de terrain
Moyens demandés
4
Ce travail repose sur le déroulement du stage de Master1 de Coralie Aischolzer encadré par
l’Université de Strasbourg avec les moyens du GEIE et de ES-G.
Pour cette seconde phase de 2014, les moyens demandés correspondent
Des frais de mission de terrain (Soultz, Alsace, Lorraine) de Ph. Duringer et C. Aischolzer
2000€
L’inscription et la participation aux D-GEO-D à Paris de J. Vidal
0800€
Stage d’été C. Aischolzer
1000€
Soit un total de
3800€
Equipe de projet :
Philippe Duringer, Université de Strasbourg
Coralie Aischolzer, Université de Strasbourg (étudiante M1)
Jeanne Vidal, Université de Strasbourg (étudiante M2),
Jean Schmittbuhl, CNRS, EOST, IPGS
Vincent Maurer, ES-G
Albert Genter, ES-G/GEIE EMC
Valorisations réalisées 2013
Rapport de stage de M1 de Jeanne Vidal.
Présentation et publication à European Geothermal Workshop de Strasbourg en octobre 2013.
Participation à une publication sur la convection thermique dans le Fossé rhénan dans Journal of
Volcanology and Geothermal Research.
Rapport de stage de stage été de L3 encadré par A. Genter « log pétrographique du forage GRT1
dans le granite » par Pierig Deiller.
Rapport de stage été (2A Mines de Nancy) « Forage géothermique EGS GRT-1 : Etude de
l’orientation du champ de contrainte - caractérisation des écoulements - modélisation 3D » par
Régis Hehn, encadré par A. Genter, J. Schmittbuhl, J. Sausse, E. Schill et G. Villadangos.
Soumission à l’Appel à Projet de l’ANR sur le rôle de l’interface couverture/socle (Projet Cantare,
coordination BRGM). EOST, GEIE, ES-G partenaires du projet.
Réferences 2013
Deiller P., (2013). Log pétrographique du granite recoupé par le forage géothermique, Rapport GEIE
confidentiel, 26 pp.
Guillou-Frottier L., Carre C., Bourgine B., Bouchot V., Genter A., (2013). Structure of hydrothermal
convection in the Upper Rhine Graben as inferred from corrected temperature data and basin-scale
numerical models, Journal of Volcanology & Geothermal Research, 256, 29-49.
5
Hehn R., (2013). Forage géothermique EGS GRT-1 : étude de l’orientation du champ de contrainte,
caractérisation des écoulements, et modélisation 3D, Rapport GEIE confidentiel, 36 pp.
Vidal J., (2013). Approche géologique et structurale multi-échelle de l'interface couverture-socle dans
le fossé rhénan : application aux forages géothermiques de Soultz-sous-Forêts dans la partie
sédimentaire, Projet de Recherche - Master 1, Spécialité "Sciences de la Terre : Géophysique,
Géologie et Dynamique des Systèmes Terrestres", Université de Strasbourg EOST-Labex, 25 pp.
Vidal J., Genter A., Duringer PH., Manatschal G., Schmittbuhl J., (2013). Evidence of permeable
fractures in the Triassic sediments of Northern Alsace, European Geothermal Workshop 24-25
October 2013 (EGW2013), EOST, Strasbourg, France, 5p.
Vidal J., Genter A., Duringer Ph., Schmittbuhl J., (2014). Evidence of permeable fractures in the
Triassic sediments of Northern Alsace, Deep Geothermal Days, 10-11 April 2014, Paris, France.
Valorisations envisagées pour 2014
Rapport de stage de M1 (Coralie Aischolzer)
Participation au D-GEO-D de Paris (10-11 avril 2014) par Vidal et al. (soumis)
Publication à soumettre à Geothermal Energy : Vidal et al. (2014)
Conférence de Stanford 2015
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sédimentaires, p. 46.
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le fossé rhénan : application aux forages géothermiques de Soultz-sous-Forêts dans la partie
sédimentaire, Projet de Recherche - Master 1, Spécialité "Sciences de la Terre : Géophysique,
Géologie et Dynamique des Systèmes Terrestres", Université de Strasbourg EOST-Labex, 25 pp.
Vidal J., Genter A., Duringer PH., Manatschal G., Schmittbuhl J., (2013). Evidence of permeable
fractures in the Triassic sediments of Northern Alsace, European Geothermal Workshop 24-25
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