Faculté des sciences

Multidisciplinary approach of geothermal prospection in the Argentera Massif (South-Western Alps)

Guglielmetti, Luca ; Schill, Eva (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2012 ; 2258.

Cette thèse vise à développer un nouveau concept multidisciplinaire pour caractériser l'état géologique et structural du sous-sol pertinent à l'exploitation géothermique des réservoirs locaux dans l'environnement alpin. Dans le passé, la plupart des informations de ce type de réservoirs a été acquit grâce à l'analyse géochimique des fluides thermiques, qui peuvent fournir une... Plus

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    Résumé

    Cette thèse vise à développer un nouveau concept multidisciplinaire pour caractériser l'état géologique et structural du sous-sol pertinent à l'exploitation géothermique des réservoirs locaux dans l'environnement alpin. Dans le passé, la plupart des informations de ce type de réservoirs a été acquit grâce à l'analyse géochimique des fluides thermiques, qui peuvent fournir une indication de la zone d'infiltration, la voie de circulation, et la température du réservoir. Dans cette étude, en outre, de nouvelles données chimiques des fluides, trois aspects principaux ont été inclus:
     L'observation détaillée des réseaux de fractures à la surface en proximité des sources thermales.
     Acquisition de données gravimétriques et magnétotelluriques pour recueillir des informations sur la densité et la distribution de résistivité dans le sous-sol, qui peut être indicatif pour la fracturation existant et la présence du fluide géothermique en profondeur.
     Modélisation géologique en 3D pour intégrer les observations structurales, géochimiques et les données géophysiques pour contraindre les structures géologiques qui peuvent être impliqués dans la circulation du fluide thermique.

    L'intégration de ces méthodes à permis une meilleure compréhension des conditions géologiques liés à des anomalies thermiques du sous-sol dans des systèmes hydrothermales en milieu Alpin. Deux sites géothermiques ont été choisis pour tester ce concept: Bagni di Vinadio et Valdieri dans le Massif de l’Argentera (AM). Les résultats de cette approche ont été finalement utilisée pour déduire le potentiel géothermique dans ces deux domaines.
    Les observations géologiques ont révélé différentes systèmes de fractures. Les sources thermales dans les deux sites sont situés le long d'une direction NE-SO dont les fractures ont un faible pendage vers le SE, qui est directement reliée aux principaux systèmes de failles décrochâtes orientées NW-SE. Les eaux thermales ascendant le long les failles principaux mais c’est les systèmes de failles qui se croisent, qui contrôlent soit la sortie des fluides thermales a la surface soit le mélange entre les eaux thermales et les plus froides et superficiels.
    Les études géochimiques ont souligné les différences de composition chimique des eaux thermales aux deux sites d'étude. La principale différence est la teneur en chlorure qui est beaucoup plus élevée dans l'eau thermale à Vinadio, où les sources atteindent une température de 70° C. En revanche, le type d'eau Na-SO4 révèle à Valdieri est typique des eaux profondes circulant dans les massifs cristallins. Le rapport Cl/Br donnent des informations de l'origine de la salinité à Vinadio: une interaction de l'eau thermale de Vinadio avec les formations évaporitiques, qui entourent le AM et qui peut être aussi pincé dans les principales structures du massif, est possible. Les temperatures du reservoir ont été estimés à 130 ° C à Vinadio et 100 ° C à Valdieri.
    Les méthodes gravimétriques et magnétotelluriques ont été utilisées pour enquêter sur les informations du sous-sol et on donnè des important informations sur les variations de la densité et de distribution de la résistivité électrique en profondeur. Le résultat principal était l'identification des régions à faible densité dans la région des sources thermales, qui peuvent être liés à une réduction de la densité par la fracturation. La modélisation geologique tridimensionnelle a été employée, en particulier, pour contraindre les structures geologiques et leur paramètres physiques en profondeur à partir des observations à la surface. Les deux modèles ont ensuite été combinées aux observations géophysiques et finalement modifiée et validée pour correspondre aux résultats géophysiques au moyen de la modélisation directe e de l'inversion. De cette façon, l'emplacement , le volume et la porositè des zones de rétention des eaux thermales a été estimée.
    Enfin, plusieurs méthodes d'estimation de du potentile geothermique ont été comparés. Le potentiel géothermique est estimée à l'ordre de ~300kWEL et de chaleur pour environ 250 habitants à la condition d’utiliser une approche en cascade.
    Summary

    This thesis aims at developing a new multi-disciplinary concept to characterize geological and structural subsurface condition relevant to geothermal exploitation of local reservoirs in Alpine environment. In the past, most of the information of such type of reservoirs was gained through geochemical analysis of thermal fluids, which may provide indication for the infiltration area, the circulation path, and the reservoir temperature. In this study, additionally to new fluid chemical data, three main aspects were included:
     Detailed observation of fracture networks at the surface close to the thermal springs.
     Acquisition of new gravity and magnetotelluric data to gather information about the density and resistivity distribution in the subsurface, which may be indicative for existing fracturation and the occurrence of deep geothermal fluid circulation.
     3D geological models to integrate the structural and geochemical observations and geophysical data for constraining geological structures that may be involved in the thermal fluid circulation.

    The integration of these methods allowed a better understanding of the physical conditions related to thermal anomalies in the deep subsurface of Alpine systems. Two geothermal sites have been chosen to test this concept: Bagni di Vinadio and Valdieri in the Italian Argentera Massif (AM). The findings of this comprehensive approach have been finally used to infer the geothermal productivity of the local reservoirs in these two areas.
    The geological observations revealed different sets fractures. Thermal springs at both sites are located along an NE-SW oriented low-angle set of fractures dipping towards SE that is directly connected to the main steep fault systems oriented NW-SE. The vertical upflow of the thermal fluids seems to be related to the intersecting fault systems.
    Geochemical investigations point out the differences in terms of chemical composition of thermal waters at the two study areas. The main difference is the anomalous high chloride content in thermal water at Vinadio, where springs reach a temperature of 70°C. In contrast, the Na-SO4 water type at Valdieri reveals typical water circulating in crystalline massifs. The Cl/Br molar ratio reveals the origin of the salinity at Vinadio: a possible interaction of the thermal water of Vinadio with the evaporitic formations which surround the AM and that can be pinched within the main structures of the massif. Reservoir temperatures were estimated to 130°C at Vinadio and 100°C at Valdieri.
    Gravity and magnetotelluric methods were employed to investigate the subsurface and provided important information on density and electrical resistivity distribution at depth. The main result was the identification of low density regions in the area of the thermal springs, which can be related to a reduction of density by fracturation. Three dimensional geological modelling was employed, in particular, to infer the structural setting at depth from the observations at the surface. The two models were then combined to geophysical observations and finally modified to match the geophysical results by means of forward modelling and inversion processing. In this way, the location, the volume and the porosity of the reservoir zones of the thermal springs was estimated.
    Finally, several methods of estimating the productivity of these deep reservoirs were compared. The geothermal potential is estimated to be in the order of ~300kWEL and heat for about 250 habitants under the condition to install a cascade approach.