Intrusion saline sur l’île de Majorque
Les aquifères côtiers sont menacés de façon croissante par des intrusions d'eau salée. Dans un environnement souvent hétérogène, comprendre la dynamique des écoulements souterrains demande de développer une approche prenant en compte la structure géologique dans toute sa complexité. Les bassins et plateformes carbonatées représentent des réserves importantes d‟eau douce. Cependant, ils présentent également une sensibilité accrue aux conditions environnementales. Leur système poreux est très complexe en raison de l'origine biologique des sédiments et de leur réactivité chimique. L‟extrême rapidité des processus diagénétiques au sein de ces réservoirs (Moore, 2001) donne à ces sites d‟étude une réelle importance en termes de suivi environnemental.
En Espagne, sur l‟île de Majorque, les récits historiques racontent que les Romains avaient remarqué la présence d'une source salée dans une rivière située au nord de l'île. De nos jours, un puits d‟observation (nommé S17) localisé au sud de l‟île sur le site d‟étude de Campos traverse la nappe libre de la plate-forme carbonatée de Llucmajor et révèle une ligne d‟eau salée à faible profondeur, dynamique selon les dires des habitants. Cette intrusion marine peut être une conséquence du déficit pluviométrique associé aux pompages agricoles intensifs. Elle représente un risque pour l‟approvisionnement en eau « de qualité », acceptable pour l'irrigation des cultures et pour l'alimentation de la population car c‟est la seule ressource en eau disponible pour cette région. Ces calcaires de Llucmajor représentent un site propice aux études d‟impact des zones eau douce – eau salée.
Etant donné la durée des processus étudiés (modification physique du réservoir par salinisation, observation des fluctuations d‟origine naturelle et anthropique), il est souhaitable de disposer d‟un site
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expérimental pérenne tel que celui de Campos afin d‟effectuer des séries de mesures, tant en surface qu'en puits. Il est également indispensable de pouvoir suivre au cours du temps ce système en cours d'exploitation et soumis à une contamination. En vue du développement de ce site d‟observation, le déploiement d‟un nouveau système de suivi hydrogéophysique à long terme et autonome permet de caractériser l'évolution spatiale et temporelle de l‟aquifère.
Caractérisation des hétérogénéités du réservoir
La structure de Llucmajor a fait l'objet d'études antérieures dans le cadre de projets européens comme ALIANCE (Advance Logging Investigations of Aquifers iN Coastal Environments, projet EKV-2001-0039, 2002-2005). Cependant, ces études ne proposent pas de modèle de structure et d‟écoulement des fluides intégrant les observations faites à différentes échelles. Le site expérimental de Campos développé autour de ce puits S17, montre de fortes porosités et de grandes transmissivités hydrauliques (Maria-Sube, 2008 ; Gouze et al., 2008). Bien que ces résultats montrent un potentiel de modèle pour l'intégration des données hydrogéophysiques, la continuité latérale de modèles porosité est insuffisante, ce qui réduit considérablement la valeur prédictive de ces modèles (par exemple, Sudicky et Huyakorn, 1991; Gelhar, 1993; Zheng et Gorelick, 2003; Hubbard et Rubin, 2005). Un manque de relations entre les structures apparaît entre les changements d‟échelles : par exemple, la porosité évaluée sur mini-carottes comparée à celle obtenue sur carottes ou même en forage. L‟amélioration de l‟imagerie géophysique peut pallier à la précision recherchée et nécessaire dans un domaine aussi hétérogène que les réservoirs carbonatés côtiers.
L‟observation de la dynamique de l‟aquifère est compliquée par une structure réservoir composée d‟hétérogénéités interdépendantes. Si on considère le réservoir comme un milieu solide poreux plus ou moins saturé de fluides, beaucoup de questions sont à aborder pour comprendre les propriétés hydrodynamiques de ce système à partir des propriétés physiques du réservoir. La porosité représente le paramètre support de ces interactions eau/roche.
A grande échelle, les positions précises des fractures et karsts sont importantes en vue de leur influence sur l‟expansion de l'intrusion d'eau salée. A petite échelle, les hétérogénéités possédant différentes propriétés hydrauliques influencent aussi la propagation de l'intrusion saline. De plus, les variations de saturation en eau salée complexifient le réservoir aquifère par quatre environnements hydrauliques (zones vadose, phréatique, de mélange et d‟eau salée ; Figure 1-1), chacun présentant des processus spécifiques de modification de la structure poreuse et par conséquent des propriétés hydrauliques. La variabilité des propriétés réservoir demande de disposer de techniques d'auscultation à la fois fondamentales au niveau des processus physiques et expérimentales (laboratoire et In Situ). Une approche pluri-méthodes et pluri-échelles de l‟état de la structure implique une base importante pour la compréhension de l‟évolution des hétérogénéités de réservoir.
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Les enjeux dans les domaines d‟observation de la statique à la dynamique sont à l‟origine de cette thèse en vue d'une meilleure caractérisation des propriétés du réservoir. Une meilleure compréhension de l‟évolution de la structure poreuse représente une aide importante pour la localisation et l'étude des mouvements des fluides souterrains.
Nous proposons, dans le cadre de cette thèse, de caractériser les structures de la plate-forme carbonatée Llucmajor de l'île de Majorque qui constitue un laboratoire naturel d'une centaine de mètres d'épaisseur à quelques dizaines de kilomètres de large. De nouvelles contraintes sur la porosité seront apportées au réservoir calcaire Miocène de Llucmajor à différentes échelles d‟observation et intégrées dans un modèle de porosité multi-échelle. Ce travail est basé sur des analyses directes de la porosité sur carottes, mais aussi sur des mesures quantitatives et qualitatives (topologie) de la porosité par mesures physiques et hydrologiques. Des disciplines variées (sédimentologie et stratigraphie – diagenèse – pétrophysique – géophysique) sont par conséquent abordées afin de caractériser et comprendre au mieux le système carbonaté étudié. Cette approche nécessite une bonne connaissance des processus qui ont pu affecter le réservoir depuis sa création jusqu‟à aujourd‟hui, soit pour le réservoir de Majorque une histoire longue de 23 millions d‟années (Ma). Nous nous attachons donc à toujours relier mesures physiques et observations géologiques.
Nous avons défini cinq échelles d‟investigation, basées sur cinq méthodes d‟observation :
1) A l‟échelle du pore : des mini-carottes ont été scannées à très haute résolution afin d‟en extraire la microstructure. Une acquisition multi-résolutions permet de déterminer les premières relations dans le changement d‟échelle ;
2) A l‟échelle centimétrique : des carottes issues des forages ont été analysées en détail par le biais de scans de tomographie aux rayons X ;
3) A l‟échelle décimétrique : les images géophysiques de paroi de puits ont été utilisées pour extraire la macro- et méso-porosité par traitement d'image ;
4) A l‟échelle métrique : des images géophysiques en surface ont été réalisées afin d‟imager la composante karstique du réservoir et de détecter les hétérogénéités latérales du réservoir récifal entre les forages ;
5) Plus succinctement, à l‟échelle hectométrique : un nombre conséquent de puits sur la plate-forme permet de mieux comprendre la relation hydrodynamique entre la côte et le site expérimental.
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Les principales questions auxquelles nous essayerons de répondre sont :
1) Quelles sont les répartitions verticales et horizontales des différentes hétérogénéités (porosités) ?
Quelle est la variabilité des échelles de porosité selon les méthodes d‟étude ? Leurs interrelations géophysique-pétrophysique afin de les intégrer dans un modèle ?
Des niveaux poreux et non poreux peuvent-ils être localement détectés par les outils géophysiques ?
Qu‟apporte l‟utilisation de la géophysique de surface et inter-puits sur leur extension spatiale ?
2) Imagerie - Jusqu‟à quel niveau de complémentarité, les méthodes d‟imagerie de la roche s‟approchent-elles de celles de pétrophysique ?
Un traitement des images de paroi de puits permettrait-il d‟extraire plus d‟informations sur les hétérogénéités des puits ?
Quelles sont les méthodes d‟analyse et les outils d‟imagerie qui permettent de restituer au mieux les connaissances géologiques ?
La tomographie rayons X permet d‟imager la structure interne de la roche de la taille de la carotte à la mini-carotte ; mais pour quels types de propriétés et quels sont les volumes élémentaires ?
3) Quelle est l‟évolution possible des différentes porosités ?
Quels sont les liens entre les hétérogénéités du réservoir et les différentes zones hydrologiques composant un aquifère côtier ?
Quelle est l‟origine des ciments qui obturent l‟essentiel de l‟espace intergranulaire, des vugs et des fractures ? Ou des fluides qui élargissent la structure poreuse ?
4) Quelle est l‟influence des paléo-environnements de dépôt et/ou de l‟architecture sédimentaire sur la distribution de la porosité ?
Les sédiments carbonatés ont-ils enregistré un signal paléoclimatique et/ou eustatique ? Des corps sédimentaires particuliers, à faciès potentiellement perméables forment-ils des
drains et/ou des niveaux très cimentés ?
Le présent travail sera articulé en cinq chapitres. Ce premier chapitre, introduction et mise en place de la problématique et des objectifs, est suivi du Chapitre 2, état des connaissances des réservoirs carbonatés et plus particulièrement du réservoir Llucmajor de Majorque. Le Chapitre 3, méthodologique, consiste à décrire les outils et méthodes utilisés au cours de cette thèse. Le Chapitre 4 réunit les résultats et discussions. Il s‟articule en cinq parties dont trois publications. La première publication, soumise au Journal of Applied Geophysics, s‟intitule « Quantitative characterization of heterogeneities in a reefal carbonate reservoir from borehole wall images: sedimentological and
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petrophysical implications ». Elle porte sur la quantification de la macroporosité (porosité de dissolution) par traitement des images de paroi de plusieurs puits, reliée aux spécificités géologiques des puits. La deuxième publication, soumise au journal Journal of Sedimentary Research, s‟intitule « Coupled characterization of heterogeneous carbonate structure from 3D X-ray tomography core scans and petrophysical analyses ». Elle consiste en la quantification de la porosité totale et des différentes phases de structures d‟un puits par traitement d‟images de carottes scannées aux rayons X. La troisième publication « Heterogeneity of carbonate pore network analyzed by multiscale X-ray microtomography» est soumise au journal Water Resources Research. Elle décrit et discute l‟analyse multi-résolutions des microstructures par imagerie synchrotron. Les quatrième et cinquième parties de ce Chapitre 4 présentent respectivement, les hétérogénéités à l‟échelle du site de Campos, puis l‟intégration du site à la plate-forme de Llucmajor. Enfin, le Chapitre 5 intègre l‟ensemble de ces résultats afin de proposer un modèle poral multi-échelle pour le site de campos sur la plate-forme de Majorque. Nous en tirerons enfin des conclusions quant à la dynamique des écoulements sur le réservoir de Campos.
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