draulique, ni du fait que la variation de la charge hydraulique se transmet différemment à cause de la nouvelle charge calculée. Enfin cette supposition, comme celle de Boussinesq, ne tient pas compte de la conductivité hydraulique verticale des unités. Toutefois, cette méthodologie sera employée pour fournir une approximation de la variation de la surface libre.
Les formations de l’unité Chazy, Black River et Trenton sont principalement des calcaires et des dolomies. Il n’existe pas de mesures ou d’estimation de la porosité de drainage pour ces unités, mais il est possible d’en trouver dans la littérature. Pour ce type d’unité, dans différents
karsts de Pologne, Motyka (1998) donne des valeurs de porosité de drainage comprises entre
1·10−2 et 5·10−2 assez proches de celles que l’on peut trouver dans un aquifère granulaire.
Pour ce type d’unité également, à proximité d’Oak Ridge, Tennessee, Shevenell(1996) donne
une valeur bien plus faible de 3 · 10−3. À titre de comparaison, les valeurs de porosité de
drainage déterminées par Maréchal et collab. (2004) et Maréchal et collab. (2006) pour un autre type d’unité fracturé, le granite archéen du bassin de Maheshwaram, en Inde, se situent entre 6.3 · 10−3 et 1.4 · 10−2. Ces auteurs donnent des valeurs de porosité de drainage variant
Table 4.3 – Remontées de la surface libre en fonction de la porosité de drainage pour une variation de la charge hydraulique de 30 m
Cas étudié Porosité de drainage (-) Remontée de la surface libre (m)
Résultat du modèle S = 1.8· 10−3 30
Shevenell 1996 3· 10−3 18
Maréchal et collab. 2004 1· 10−2 5
Motyka 1998 5· 10−2 1
Aquifère granulaire type 2.5· 10−1 0.2
où affleurent les unités de Chazy, Black River et Trenton, est de 100 mètres. Ainsi, dans le modèle, le coefficient d’emmagasinement S prend la valeur 1.8·10−3 dans ce secteur. Plusieurs
des valeurs obtenues dans la bibliographie vont être retenues pour fournir 3 estimations du niveau de la surface libre. Une valeur de nd = 3· 10−3 correspond au résultat de Shevenell,
puis nd = 1· 10−2 représente une valeur moyenne des résultats de Maréchal et collab. et au
minimum défini parMotyka. Enfin, une valeur nd= 5· 10−2 peut être testée pour représenter
la valeur maximale présentée parMotyka. Le tableau4.3montre les valeurs de remontées de la surface libre pour une variation de charge hydraulique de 30 mètres, pour 4 valeurs de porosité de drainage issues de la bibliographie.
Plus la porosité de drainage augmente plus l’aquifère est apte à lisser les variations des charges hydrauliques. Bien qu’il n’existe pas de mesure de la porosité de drainage pour les unités Chazy, Black River et Trenton, il est possible de penser que la porosité de drainage de ces unités permettrait de diminuer l’élévation de charge hydraulique qui pourrait être atteinte dans ces secteurs, dans le cas d’une injection massive de fluides. Il est possible de voir sur le tableau
4.3 que, pour une élévation de la charge hydraulique de 30 m, les valeurs de remontée de la
surface libre se situent entre 1 et 18 mètres, pour des valeurs de porosité de drainage comprises respectivement entre 5 · 10−2 et 3 · 10−3. Par exemple, une variation de charge hydraulique de
30 m dans la zone confinée pourrait aboutir à une remontée de la surface libre de 5 mètres dans le cas d’un porosité de drainage de 1 · 10−2, qui représente une valeur moyenne.
La valeur de remontée maximale est importante et peut constituer des impacts hydrogéolo- giques significatifs. Bien que cette valeur de remontée soit importante, il convient de rappeler que ce résultat est une simplification du cas d’une nappe libre et ne tient pas compte des écoulements en milieu non saturé. De même, la présence d’unités granulaires de surface est également omise. Or, les formations granulaires silteuses et plus grossières montrent géné- ralement des porosités de drainage comprises entre 0.15 et 0.35, de telles formations sont représentées en dernière ligne du tableau 4.3. Ainsi, les unités quaternaires qui recouvrent les unités paléozoïques peuvent potentiellement diminuer fortement la remontée potentielle de la surface libre. En conclusion, dans le cas défavorable simulé ici, l’augmentation de charge
hydraulique atteint 30 mètres mais la remontée de la surface libre associée serait beaucoup plus faible à cause de la porosité de drainage des unités à la surface.
4.3.5 Sommaire de l’analyse de sensibilité
Les modélisations présentées dans ce chapitre permettent de comprendre le fonctionnement des BTSL en tant que réservoir pour le stockage géologique du CO2. Par exemple, il est possible de
remarquer que le secteur nord-ouest, où affleurent les unités de Chazy, Black River et Trenton est la zone la plus vulnérable vis-à-vis des impacts potentiels de la séquestration du CO2.
De manière plus générale, une des premières conclusions qui peut être faite concerne l’impor- tance des failles comme élément de contrôle des gradients hydrauliques et des écoulements. Les failles étant considérées comme très peu perméables, l’analyse de sensibilité montre qu’elles limitent la transmission de l’élévation de charge hydraulique entre les compartiments.
Une seconde conclusion est que les impacts hydrogéologiques apparaissent comme peu pro- bables notamment grâce aux failles peu perméables du bassin. La condition à la limite supé- rieure dans la zone d’affleurements est une condition aux limites de Dirichlet, correspondant à une charge imposée, équivalente à la topographie. Ce type de limite, qui représente de ma- nière simplifiée le cas réel, contribue à diminuer les impacts potentiels simulés. Il semble donc
possible de conclure que la pratique de la séquestration du CO2 dans les BTSL semble ne pas
présenter de risques trop importants concernant les impacts hydrogéologiques potentiels reliés directement à l’augmentation de pression.
Une vue alternative des résultats précédents est la figure 4.23, qui présente les 2 coupes AA’ et BB’ (figure 4.1.a) de la variation de charge hydraulique dans le bassin, après 100 années d’injection, pour les différents cas étudiés lors de l’analyse de sensibilité. Il est possible de voir sur ces figures que la variation de charge hydraulique peut être très fortement influen- cée par une diminution du coefficient d’emmagasinement. En effet, bien que cette diminution ait été favorisée pour augmenter la diffusivité des unités, elle entraîne une plus grande élé- vation de la charge hydraulique. Cette plus grande augmentation génère de forts gradients qui, associés à une plus grande diffusivité, entraînent une plus importante transmission de la charge hydraulique dans les secteurs environnants. La compressibilité des unités est une donnée très mal caractérisée dans les BTSL et elle contrôle le coefficient d’emmagasinement. La méconnaissance qui repose sur le coefficient d’emmagasinement est problématique car une sous-estimation de celui-ci pourrait conduire à une très forte augmentation de la pression, qui pourrait fortement limiter la faisabilité de la séquestration du CO2 à différentes échelles.
Il est également possible de voir sur la figure 4.23 qu’une augmentation de la conductivité
hydraulique ne semble pas générer des impacts hydrogéologiques plus importants que dans le cas de base, malgré l’augmentation de la diffusivité. En effet, le long de l’axe NO-SE, les failles contrôlent la variation de charge hydraulique, et le long de l’axe NE-SO, la variation de
0 10 20 30 40 50 60 70 80 Distance le long de la coupe (km) 0 500 1000 1500 2000 2500 Va ri at io n de ch ar ge hy dr au liq ue (m ) NW SE
a
0 50 100 150 200 250 300 Distance le long de la coupe (km) 0 500 1000 1500 2000 2500 NE SWb
Cas de base Failles perm´eables K· 10 K· 100 Ss/3 Ss/10 Flux nul Cas pireFigure 4.23 – Vue en coupe des variations des charges hydrauliques après 100 ans d’injec- tion pour différents paramètres, dans l’unité de Covey Hill. "Cas pire" désigne le scénario défavorable, sa courbe se superpose à la courbe présentant les failles perméables. La courbe présentant les frontières à flux nul se superpose à la courbe du cas de base.
charge hydraulique se transmet plus loin que dans le cas de base, mais cette variation est peu significative par rapport à une diminution du coefficient d’emmagasinement.
Il est également possible de voir sur ces vues en coupe que la conductivité des failles est un paramètre qui contrôle fortement la variation de charge hydraulique sur l’axe NO-SE. Par contre, avec cette représentation, pour l’unité de Covey Hill, le choix des conditions aux limites n’apparaît pas comme un critère important. Ainsi, dans le cas où un flux nul est imposé aux frontières, la variation de charge hydraulique dans le Covey Hill se confond parfaitement avec celle du cas de base (∆h < 1 mm). De même, le cas le plus défavorable tend à se confondre avec le cas où les failles sont plus perméables, particulièrement le long de l’axe NE-SO. Les modélisations présentées depuis le début de ce chapitre tendent vers un même résultat :
l’injection d’un volume de CO2 important, représentant la majorité des émissions de GES
pouvant être captées, n’engendrerait pas d’élévation de la charge hydraulique significative
dans les zones d’affleurements. Un autre impact potentiel de la séquestration du CO2 est la
Figure 4.24 – Modèle conceptuel du transport de masse totale dissoute (MTD) à l’état naturel dans les BTSL. Le quaternaire est la couche au sommet du modèle.
4.4
Migration des saumures
4.4.1 Modèle conceptuel
Il n’existe que peu d’information concernant la distribution de salinité en profondeur dans les BTSL et la zone intermédiaire est très mal caractérisée. Il est cependant possible de tenter
de présenter un modèle conceptuel du transport de matière dissoute dans les BTSL. Pinti
et collab. (2011) rendent compte des salinités importantes et de l’âge dévonien des saumures du bassin. Un âge aussi ancien indique l’absence de flux, il est donc possible d’imaginer que les saumures confinées sous la roche de couverture sont parfaitement immobiles. En règle générale, les eaux souterraines les moins profondes ont des salinités faibles, proches de celles des eaux de surface, comparativement aux saumures ou à de l’eau marine. Ceci est dû au lessivage par les eaux d’origine météorique se déplaçant rapidement à proximité de la surface des unités. Toutefois, il est possible de trouver dans les BTSL des eaux souterraines proches de la surface, comparativement à celles des unités paléozoïques, présentant des masses dissoutes totales supérieures à 5 g/l, en Montérégie Est notamment (Beaudry et collab.,2011). Ces auteurs ont interprété les salinités observées par l’intrusion d’eau marine de la mer de Champlain (13100
à 10600 années BP). Montcoudiol et collab. (2015) ont fait les mêmes observations pour la
région de l’Outaouais. Il faut toutefois noter que dans ces deux cas une couche d’argile isole les eaux plus salées de la surface.
Dans la région la plus sensible aux impacts potentiels de la séquestration du CO2, le secteur
nord-ouest, différents types hydrogéochimiques d’eau ont été observés mais il est difficile de définir des tendances, par exemple en fonction de la localisation ou de la profondeur (Leblanc et collab., 2013). Dès lors, il n’est possible de dresser qu’un modèle conceptuel très simplifié des distributions et déplacements de la masse totale dissoute pour la zone potentiellement la plus touchée par les effets de l’injection du CO2 à l’échelle industrielle. Ce modèle est présenté
en 4.24.
et immobiles. Elles se retrouvent confinées sous la roche de couverture et vraisemblablement isolées de la surface par les failles peu perméables du bassin. Elles sont représentées en gris très foncé sur la figure 4.24.
Plus en surface, les eaux souterraines présentent des temps de résidence courts et des salinités faibles, elles sont représentées en blanc et gris très pâle. Ces eaux sont généralement potables et doivent être protégées des impacts potentiels de la séquestration du CO2, elles s’écoulent à
travers les formations quaternaires et les premiers mètres du roc fracturé.
Plus en profondeur se situe la zone intermédiaire. Cette zone correspond aux aquifères de roc paléozoïque fracturé qui se trouvent sous la zone où ont lieu les écoulements de surface. Cette zone est mal connue et peut probablement contenir de l’eau ayant une signature géochimique marine et des concentrations élevées en NaCl, elle est représentée en gris moyen, en haut à gauche de la figure 4.24.
Les impacts potentiels de la séquestration du CO2 en lien avec la migration des saumures
sont la remontée des eaux potentiellement salées de la zone intermédiaire et la migration des saumures de la zone profonde à travers les failles, en direction de la surface.
4.4.2 Méthode d’analyse
On trouve dans la littérature différentes manières d’exprimer la migration des saumures dans le contexte de la séquestration du CO2 (voir section1.4). La méthode choisie parNicot(2008) est
le traçage de particules qui rend compte du transport advectif des particules. Cette méthode consiste à calculer à chaque pas de temps un champ de vitesses d’écoulement pour définir le déplacement advectif des particules d’eau. Au premier pas de temps, le point de départ d’une particule est un nœud du modèle. La position p1 de la particule d’eau est calculée à la fin du
premier pas de temps t1 en fonction du vecteur vitesse ~v1 calculé pour le pas de temps. Au
pas de temps suivant le vecteur vitesse ~v2 calculé est ajouté à la position p1 pour calculer p2,
etc. En fin de simulation, il est donc possible d’obtenir le chemin qu’une particule d’eau aura parcouru dans le domaine en partant d’un nœud choisi.
Une méthode plus rigoureuse, mais beaucoup plus compliquée à mettre en œuvre, est de calculer le transport de masse pour évaluer les concentrations dans tout le domaine. Cette approche a notamment été choisie parTillner et collab.(2013). Elle demande toutefois de très longs temps de calcul pour des modélisations à l’échelle du bassin, 1 mois de calcul dans le cas des BTSL, et suppose une très bonne connaissance des concentrations pour fournir des résultats appréciables. Par exemple, les tentatives de simulation du transport de masse réalisées durant cette thèse nécessitaient des temps de calcul de l’ordre du mois. Ces tentatives ne sont pas présentées ici. En raison du manque de données de salinités, et par souci de simplification, la méthode choisie pour rendre compte du transport des saumures est le traçage de particules.
Figure 4.25 – Transport de particules dans le cas de base, sur une partie de la coupe A’A dans la zone d’injection, pour toute la durée de la simulation. Les unités sont représentées par différentes couleurs selon leur conductivité hydraulique. En rouge ; Covey Hill, en vert ; Cairnside, en vert pâle ; Theresa et en bleu ; Beauharnois, le Chazy, le Black River et le Trenton et en mauve est l’ensemble des failles
4.4.3 Deux cas d’intérêt
Dans cette sous-section va être présentée la migration des saumures pour une injection de 10 Mt/a pour deux cas, le cas de base et le cas défavorable, présentés précédemment. Cette étude cherche à caractériser deux types de flux, les flux de la profondeur à travers les failles qui séparent les saumures des eaux de surfaces et intermédiaires, et les flux de la zone intermédiaire vers la surface. Pour cette raison, les résultats des simulations vont être présentés par des vues en coupe (figures 4.25à 4.27) selon le demi-axe A’A (voir figure4.1.a), de la zone d’injection vers la surface au nord-ouest. Dans ces représentations, l’échelle verticale est exagérée 5 fois. La figure4.25représente le déplacement advectif de particules d’eau durant toute la durée de la simulation, soit 1100 ans, dans le cas de base. Les points de départ des particules correspondent aux nœuds du modèle. Sur la figure les éléments sont colorés en fonction de la conductivité hydraulique. Sur la gauche de la figure, les nœuds correspondent aux puits d’injection, et sur la droite, la partie mauve correspond à la faille la plus proche de la zone d’injection en allant vers la surface. Le chemin parcouru par les particules, correspondant au transport advectif de l’eau, est représenté par les lignes jaunes. Il est possible de voir dans la légende que ces lignes changent de couleur en fonction du moment auquel a lieu le transport. Les lignes sont
Figure 4.26 – Transport de particules dans le cas le plus défavorable, sur une partie de la coupe A’A dans la zone d’injection, pour toute la durée de la simulation. Les unités sont représentées par différentes couleurs selon leur conductivité hydraulique. En rouge ; Covey Hill, Chazy, Black River, Trenton et les failles, en vert ; Cairnside, en vert pâle ; Theresa et en bleu ; Beauharnois
jaunes au début de la simulation et blanches à la fin. Or il est possible de remarquer que les lignes sont presqu’exclusivement jaunes sans qu’un dégradé ne soit visible. Cette observation signifie que le transport a majoritairement lieu au début de la simulation, durant la période d’injection.
Il est possible de voir sur cette figure que les flux horizontaux sont importants dans l’unité de Covey Hill, qui est la plus basse de la série stratigraphique. Il est également possible de voir que le déplacement des saumures correspondantes est de l’ordre du kilomètre dans cette unité. Il est possible d’observer que dans les unités qui surmontent le Covey Hill, les flux sont ver- ticaux et deviennent presque nuls dans les unités de Chazy, Black River et Trenton. Dans les failles, le déplacement de l’eau devient quasi nul, il devient métrique à décamétrique, et continue de décroître au-delà de la première faille. La très faible conductivité hydraulique de ces unités entraîne d’importantes pertes de charge qui limitent la propagation de l’élévation de la charge hydraulique et le déplacement des fluides.
La figure 4.26 montre le déplacement des saumures de la zone d’injection dans le cas défini
comme le plus défavorable pour la séquestration du CO2, c’est-à-dire avec une forte conducti-
Figure 4.27 – Transport de particules dans le cas le plus défavorable, sur une partie de la coupe A’A entre la zone d’injection et la surface, pour toute la durée de la simulation
présente de nombreuses similitudes avec la 4.25; les flux horizontaux dans l’unité de Covey
Hill autorisent des déplacements de plusieurs kilomètres et les unités qui recouvrent le Covey Hill montrent des flux généralement verticaux. Toutefois, dans ce cas défavorable, les conduc- tivités des failles et des unités de Chazy, Black River et Trenton sont équivalentes à celles de l’unité de Covey Hill. L’ensemble d’unités de Chazy, Black River et Trenton autorise ainsi des déplacements horizontaux des saumures de plusieurs centaines de mètres d’amplitude. Les failles autorisent des déplacements verticaux des saumures présentant des longueurs hecto- métriques, et qui parviennent à se transmettre dans le compartiment supérieur. Dans ce cas défavorable, les saumures se déplacent beaucoup plus librement et il est nécessaire d’observer
le déplacement de ces saumures à plus grande échelle. La figure 4.27 montre le déplacement
de particules entre la zone d’injection et le secteur nord-ouest dans le cas le plus défavorable pour la séquestration du CO2.
Sur la figure4.27, il est possible de voir que les saumures se déplacent plus loin que la faille la plus proche de la zone d’injection. Cependant, malgré les conductivités élevées des unités, le déplacement des saumures s’atténue au fur et à mesure de l’éloignement de la zone d’injection,