INTRODUCTION
L'eau est un élément clé dans l'évolution de la planète Terre. Elle joue un rôle fondamental à la surface de la Terre, où la présence des océans a permis le développement de la vie, et où les précipitations et les rivières façonnent la surface des continents. L'eau intervient également dans l'évolution interne de la planète, et la formation de la croûte continentale. Dans la croûte océanique
ou continentale, elle sert d'agent de mobilisation et de transport à de nombreux éléments, jouant ainsi un rôle important dans les échanges de matière et d'énergie entre le manteau, la croûte et les océans. L'importance des gisements de matières premières d'origine hydrothermale illustre bien ce rôle des eaux dans les systèmes géologiques.
BILAN
DES ACTIONS
(1994-1998)
Trois aspects principaux du comportement des fluides géologiques dans la croûte ont fait l'objet d'études privilégiées :
- le support des circulations fluides, c'est-à-dire les «réservoirs», au sens de structures perméables drainant les circulations;
- la reconstruction des circuits de circulation des fluides ; - le
transport et le dépôt des éléments métalliques.
Il va de soi que ces trois problématiques sont largement inter-dépendantes, mais leur considération permet une présentation commode des activités du centre sur la dernière période.
L'ÉTUDE DES «RÉSERVOIRS»
L'aspect «réservoirs» a été abordé sous trois angles :
LA DESCRIPTION QUANTITATIVE DE LA GÉOMÉTRIE DU MILIEU POREUX AVEC L'OUTIL GOCAD
Plusieurs modèles de simulation géostatistique ont été développés dans le cadre du projet GOCAD pour modéliser les propriétés et la géométrie des réservoirs : grilles stratigraphiques avec prise en compte des failles, méthode 3D de simulation spectrale, co-krigeage des indicatrices avec information secondaire telle que la sismique,
(Figure 1-Thème 3). La confrontation des modèles géométriques évolutifs avec les observations disponibles est utilisée pour prédire la maturation et la migration des hydrocarbures au cours de la déformation. Ces travaux ont donné lieu à de multiples collaborations (Princeton, Stanford, Bonn, ETH Zurich, ELF, IFP, Chevron, ...) 47
Figure 1-Thème 3: Mise en place dans le logiciel gOcad d'un algorithme permettant la construction automatique d'un modèle volumique à partir de coupes parallèles sériées. a) les huit coupes sériées constituant les données de départ,
b) le modèle volumique automatiquement déduit (thèse O. Mariez, 1998).
Figue 2-Thème 3: Modélisation des transferts de chaleur et de silice autour d'un réacteur naturel de fission d'Oklo (Gabon, these B. Gérard, 1997): (a) le champ de température atteignant selon les hypothèses plus de 400 degrés au coeur, traversé par un écoulement fluide initialement uniforme; (b) la solubilité de la silice variant avec la température, cela crée des zones de
dissolution en amont du réacteur, associées à une augmentation de la perméabilité et des zones de précipitation en aval, associées à une baisse de la perméabilité ("bouchon de silice"). (c) ceci provoque une convergence de l'écoulement en amont du réacteur et une divergence en aval; (d) évolution des zones de dissolution et de précipitation en 3D au cours du temps
LA DÉTERMINATION DES PROPRIÉTÉS PÉTROPHYSIQUES Pour évaluer la perméabilité macroscopique des
réservoirs, de nombreux travaux ont été entrepris dans le monde pour développer des méthodes dites de changement d'échelle, afin de déduire les perméabilités des grandes formations géologiques. Une nouvelle méthode, reposant sur le traitement des données micro-cosmiques, a été récemment
proposée par Shapiro (1997) et appliquée sur le site géothermique de Soultz. Elle a permis l'évaluation du tenseur de diffusivité hydraulique, dont l'axe principal est vertical avec un rapport de forme de 4. Les directions principales dans le plan horizontal ont été évaluées à N130 et N40, légèrement différentes des axes principaux du nuage sismique. L'ÉVOLUTION TEMPORELLE DE LA PERMÉABILITÉ (DIAGENÈSE)
Pour évaluer l'évolution dans le temps de la perméabilité des réservoirs du Keuper et du Dogger du bassin de Paris, une étude détaillée de la silicification de ces réservoirs a été entreprise, combinant l'étude de la cathodoluminescence, l'analyse chimique in situ, l'analyse isotopique et
la micro-thermométrie des inclusions fluides (Thèse de Christel Demars, 1994). Ces études ont montré une surchauffe du bassin (+55 °C) à la fin du Crétacé, et des migrations latérales et verticales des fluides du Keuper alifère, et leur mélange avec des eaux diluées.
RECONSTRUCTION DES CIRCULATIONS FLUIDES
Cet aspect concerne des exemples actuels ou sub-actuels (champs géothermiques de Soultz et de Larde- rello) aussi bien que des exemples fossiles (Balazuc, Oklo) dans la croûte continentale, ainsi que l'étude de la croûte océanique altérée.
SOULTZ Soultz a été abordé sous deux aspects : paléo- circulation et mise en oeuvre de l'échangeur..
L'étude des inclusions fluides de deux sondages a complété les données antérieurement acquises, (i) en confirmant l'existence de mélange entre des fluides météoriques et des saumures z 15 % éq. NaCI) chaudes (= 150 C), ce qu'ont confirmé les données 81g0 (coll. Yardley, Leeds); (ii) en montrant que ces saumures ont circulé à des
périodes anciennes, sous des recouvrements d'environ 500m par rapport à l'actuel (Eocène). La modélisation des essais de circulation a permis de confirmer les vitesses de transfert entre les forages d'injection et de pompage. Ces expériences numériques ont permis d'évaluer indirectement les caractéristiques de l'échangeur (volume, surface, porosité), et d'estimer sa durée de vie (15-20 ans).
LARDERELLO En collaboration avec le CREGU (M. Cathelineau) et le CNR italien (Pise), l'étude du champ géothermique de Larderello a été poursuivie. L'intérêt, qui s'était porté dans une étude antérieure sur les phases précoces des circulations dans la partie la plus profonde du champ, s'est déplacé vers des profondeurs intermédiaires, où l'étude des inclusions fluides a
permis de montrer la transition d'une circulation dominée par les fluides métamorphiques à une circulation dominée par des fluides superficiels, où participent des saumures dérivées des réservoirs évaporitiques sus-jacents de la Nappe Toscane et des vapeurs recondensées à partir de domaines en ébullition dans les réservoirs superficiels (transition avec le régime actuel).
BALAZUC
La modélisation numérique thermoconvective 2D au cours du temps a été réalisée sur la marge ardéchoise dans le cadre du programme GPF. Elle montre l'influence majeure des circulations fluides au Trias supérieur, avec échange et percolation dans
le socle, s'atténuant après le Jurassique. Ces travaux ont confirmé l'existence d'un recouvrement d'environ 2000 m au Crétacé, montrant l'importance de l'érosion et de la subsidence dans l'évolution de cette marge.
OKLO
L'évolution du champ thermique du réacteur fossile a été simulée numériquement (thèse B. Gé- rard, 1997). De nombreux outils logiciels ont été développés à cette occasion (Thermass). Deux ré- sultats majeurs ont été obtenus: (i) la perturbation thermique a été limitée à quelques dizaines de
mètres autour du réacteur; (ii) les transferts de masse (Si02) ont eu lieu dans un rayon n'excédant pas 50 m, d'amont en aval et en dessous du réac- teur, avec des modifications concomitantes de la porosité, en accord avec les observations (Figure 2-Thème 3).
H ESS DEEP Le Leg ODP 894 à Hess Deep a permis
d'échantillonner des gabbros de la croûte océanique inférieure. Deux types d'amphiboles, des hornblendes avec un habitus magmatique et des actinolites réactionnelles, y sont observées. Les
valeurs de 8D mesurées sur ces amphiboles sont inhabituelles, avec des valeurs très positives, jusqu'à + 80%0. Ces valeurs élevées sont la marque
de la réduction de l'eau et de la production de H2 lors de l'interaction océan-croûte.
TRANSPORT ET DÉPÔT DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES
Cet aspect métallogénique a été abordé à travers une variété de métaux et de types de gisements : MOBILISATION DU BE DANS DES SCHISTES NOIRS ET GENÈSE DES
ÉMERAUDES COLOMBIENNES Depuis un siècle, la genèse des émeraudes
colombiennes a alimenté une controverse. En effet, elle diffère du modèle classique proposé pour les émeraudes associées aux granites. Les gisements colombiens sont encaissés dans des schistes noirs, dépourvus d'intrusions granitiques, et l'émeraude est contenue dans des veines à carbonates et pyrite. L'étude géochimique des gisements démontre le rôle de la matière organique, contenue dans les schistes noirs, lors de la thermoréduction de sulfates (TRS) d'origine évaporitique. L'oxydation de la matière organique est démontrée par l'étude des isotopes stables (C, 0) des carbonates et de la matière organique. Ces réactions d'oxydoréduction expliquent la précipitation massive de carbonates et de pyrite ainsi que les spécificités de l'émeraude colombienne : ses inclusions fluides à cube de
halite témoins de la sursaturation du fluide et de l'origine évaporitique des sulfates, les cristaux de «trapiche» qui illustrent l'incorporation de fragments de schistes noirs et de bitume dans le cristal, et les inclusions solides de carbonates et de pyrite qui représentent les produits finaux du mécanisme de TRS. Le béryllium de l'émeraude a été extrait des schistes noirs. L'extraction expérimentale séquentielle des différents constituants des schistes noirs et leur analyse a montré que le béryllium était lixivié principalement des oxyhydroxydes de fer et de manganèse (figure 3-Thème3). La détermination de la quantité de béryllium mobilisable du schiste noir à 7 ppm (environ 18% du contenu total en béryllium), a permis d'estimer les réserves potentielles en émeraude de la mine de Chivor.
L'OR DANS LES «SHEAR-ZONES» Les concentrations d'or dans les «shear-zones» »
précambriennes constituent une part importante des réserves mondiales et sont, à ce titre, l'objet d'études nombreuses à l'échelle internationale. Le CRPG a participé à ce mouvement, avec, notamment, l'étude de deux cibles majeures : la mine Sigma dans l'Abitibi, (thèse K. Firdaous,
1995) et les gisements de la zone de cisaillement Est-Ouzzalienne dans le Hoggar (coll. S. Fourcade, Rennes). Les résultats sont contrastés. Dans le . - premier cas, le modèle standard de gisement
mésothermal est validé : l'or, contemporain du fonctionnement fini-archéen de la «shear-zone», est lié à une démixion des fluides aquo-carboniques