Contexte géologique du site expérimental du projet Solargeotherm

La caractérisation géologique et la fracturation du massif rocheux du site expérimental de la carrière Serrat-dels-Hostalets ont été précisées par diagraphie des forages et géophysique de surface (mesures géoélectriques). Ces examens confirment le contexte gréso-pélitique dans lequel se situent sur toute leur longueur les forages d’injection de chaleur. Le massif rocheux est recoupé de façon à peu près régulière d’injections de quartz d’épaisseur centimétrique à décimétrique. Il est intersecté par une famille principale de plans de discontinuité avec un pendage de 65° et une direction du pendage N175. Cette interprétation structurale des données de forage est confortée par les résultats de la géophysique de surface.

Environnement géologique Le site expérimental se localise dans un environnement géologique de gréso-pélites rubanées gris-verdâtres de l'Unité de l'Aspre-Formation de Jujols du Paléozoïque (Illustration 5). Il s’agit de fines alternances d’épaisseur millimétrique à centimétrique de niveaux silteux (siliceux fins) clairs et d'argilites grises à verdâtres, plus ou moins sombres. Comme dans toutes les formations des Aspres peuvent également apparaître des schistes noirs à sombres, localement ampéliteux. Des passées argilitiques très fines et tendres peuvent également être rencontrées ainsi que des injections de quartz d’épaisseur centimétrique à décimétrique. On ne connait pas de carbonate en surface dans le secteur. La carrière Serrat-dels-Hostalets où se localise le site expérimental exploite de façon semi-artisanale des blocs de schistes à usage de parement et dallage de sol. Le front de taille de la carrière dégage nettement une famille de plans de joint avec un pendage de 60° à 70° vers le sud (Illustration 6). Illustration 5 – Contexte géologique général Illustration 6 – Plans de joint à pendage vers le sud dégagés sur le front de la carrière Forages Six forages ont été réalisés sur la plateforme supérieure de la carrière (Illustration 7) suivant un schéma défini par le partenaire Promes. Les forages principaux d’injection de chaleur se positionnent sur les sommets d’un triangle équilatéral de 5 m de côté (Illustration 8). Les coordonnées du centre du dispositif (forage E) sont N 42°34'28.67" E 2°42'20.76". La cote altimétrique du dispositif est 284 m. L’Illustration 9 fournit les caractéristiques des forages réalisés. Illustration 8 – Schéma d’implantation des forages L’échantillonnage des forages a été conduit de façon systématique par le recueil par passe métrique des cuttings. Leur examen confirme le contexte gréso-pélitique recoupé sur toute la longueur des forages, avec des passages reconnus de façon à peu près régulière de quartz d’épaisseur centimétrique à décimétrique. Les passées argilitiques fines et tendres qui ont dû être rencontrées dans les parties inférieures des forages, à partir de 160 m ou 180 m de profondeur, n’ont pas assuré une consolidation correcte des parois des sondages (qui n’étaient pas tubés sauf pour les cinq premiers mètres) aux niveaux correspondants. Cette situation peut expliquer les éboulements en fond de forage consécutifs au retrait du train de tiges, éboulements qui n’ont permis d’installer des sondes géothermique que d’une longueur de 160 à 180 m sur les 200 mètres prévus.   Illustration 7 – Réalisation des forages par marteau fond de trou Forage Longueur (m) Lithologie Observation BSS SOLR_A 202 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage profond d’injection et de récupération de chaleur. Diagraphie stoppée à 165 m par un bouchon de matériau dans le forage. Sonde géothermique de 164 m de long mise en place dans le forage. Sondage instrumenté par une fibre optique jusqu'à 164 m. 10963X0081 SOLR_B 194 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage profond d’injection et de récupération de chaleur. Diagraphie stoppée à 183 m par un bouchon de matériau dans le forage. Sonde géothermique de 181 m de long mise en place dans le forage. Sondage instrumenté par une fibre optique jusqu'à 181 m. 10963X0083 SOLR_C 200 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage profond d’injection et de récupération de chaleur. Diagraphie stoppée à 184 m par un bouchon de matériau dans le forage. Sonde géothermique de 181 m de long mise en place dans le forage. Sondage instrumenté par une fibre optique jusqu'à 181 m. 10963X0085 SOLR_D 20 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage de mesure instrumenté par une fibre optique jusqu'à 20 m. 10963X0084 SOLR_E 20 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage de mesure instrumenté par une fibre optique jusqu'à 20 m. 10963X0080 SOLR_F 20 Gréso-pélites rubanées (formation de Jujols) Forage de mesure instrumenté par une fibre optique jusqu'à 20 m. 10963X0082 Illustration 9 – Caractéristiques des forages du projet Solargeotherm Géophysique de surface Les investigations de géophysique de surface visaient à vérifier l’homogénéité du massif rocheux et à contrôler s’il n’est pas recoupé par des fractures ou failles pouvant faciliter la circulation des eaux souterraines, vecteur potentiel de la dispersion de chaleur. Les mesures ont été effectuées selon deux profils croisés de 750 m de long, et en forage sur SOLR_A par système multi-électrode type SYSCAL PRO avec 96 électrodes pour une investigation haute résolution. Les tomographies de résistivité forage-surface ont été réalisées selon deux profils sécants centrés sur le forage SOLR_A. Différents dispositifs de mesure de surface (Wenner-Schlumberger et dipôle-dipôle) et entre forage et surface (pôle-dipôle et dipôle-dipôle) ont été testés. Finalement les dispositifs dipôle-dipôle forage-surface et Wenner Schlumberger de surface ont été retenus ensemble pour l’inversion tomographique selon un modèle 2D avec une maille de 5 m. Les résultats d’inversion permettent d’imager la distribution des résistivités électriques autour du forage jusqu’à une profondeur de 162 m, profondeur au-delà de laquelle le forage n’était plus accessible pour cause d’éboulement. La distribution des résistivités du massif schisteux qui s’établissent entre 50 et plus de 850 ohm.m apparaissent bien contrastées en accord avec les diagraphies de résistivité réalisées dans les forages. Elles indiquent ainsi des variations de faciès attribués, en l’absence de contrôle géologique précis (les sondages n’ont pas été carottés mais ont seulement fait l’objet d’un recueil métrique des cuttings), soit à une augmentation de la teneur en grès ou en matière organique (pour les faciès résistants), soit à une augmentation de la teneur en argile (pour les faciès conducteurs). Deux interprétations différentes ont été proposées par l’étude de géophysique de surface, basées toutefois sur une même direction structurale majeure E-W dessinée par les contours d’une anomalie résistante superficielle sur le flanc Nord du Serrat-dels-Hostalets. L’interprétation la plus satisfaisante des résultats de la caractérisation géoélectrique ferait intervenir des unités et/ou un réseau de joints à pendage vers le sud. Dans cette interprétation, les interfaces entres les unités résistantes et conductrices peuvent correspondre à des failles ou des fractures, mais peuvent plus simplement dessiner des limites de formation. Cette interprétation est en accord avec l’interprétation structurale des résultats de l’imagerie-paroi réalisée dans les forages, ainsi qu’avec les déviations constatées des forages. Bien que dans ce contexte de roches très contrastées électriquement, la mise en évidence de la zone altérée soit délicate, une tentative a été faite qui place la base de la frange la plus altérée à une profondeur de 30 à 60 m suivant les endroits.

Mesure de déviations des forages Des mesures par diagraphie ont été menées dans les sondages principaux SOLR_A, SOLR_B et SOLR_C. L’inclinaison et l’azimut ont été mesurés en continu dans les trois forages. Du fait d’une technique de forage utilisée par marteau fond de trou contrôlant imparfaitement la verticalité des ouvrages exécutés, les trois forages principaux ont dévié assez fortement vers le sud, en suivant probablement la même famille de joints à pendage Sud dégagés au niveau du front de la carrière (Illustration 6). L’accroissement de la déviation vers le sud des forages est régulière à mesure que le forage s’enfonce, à l’exception de deux points dans la colonne de forage : une augmentation brusque de l’accroissement de la déviation est notée pour le forage SOLR_A vers 125 m et, de manière inverse, une réduction brusque de l’accroissement de cette déviation notée vers 145 m dans le forage SOLR_C. Ces deux infléchissements n’ont pas d’explication dans les paramètres techniques de foration. Ils doivent plutôt correspondre à des discontinuités structurales marquées traversées par l’outil de foration. Diagraphie de gamma naturel La mesure de gamma naturel (natural gamma) a été réalisée en continu dans les trois forages. La diagraphie de gamma naturel identifie un ensemble géologique relativement homogène présentant une réponse gamma globalement élevée (comprise entre 80 et 140 cps), caractéristique d’une formation métamorphique contenant de nombreux minéraux naturellement radioactifs. On note à l’échelle centimétrique que les passages clairs montrés par l’imagerie-paroi et correspondant pour la formation traversée à un faciès silteux sont bien corrélés avec les valeurs gamma faibles. Les valeurs gamma des passages foncés, caractéristiques d’un faciès pélitique à contenu en minéraux radioactifs naturels plus important, sont plus élevées. A l’échelle du sondage, la diagraphie identifie une zone localisée entre 80 et 110 m de profondeur selon les ouvrages et présentant une réponse gamma en moyenne plus faible que l’ensemble du sondage, comprise entre 40 et 80 cps. Ces valeurs plus faibles doivent traduire des passages où les injections de quartz sont plus fréquentes et plus épaisses, comme on peut le constater aussi à l'examen de l’imagerie-paroi entre 80 et 110 m de profondeur.   Illustration 10 – Diagraphie Gamma naturel (SOLR_B) Diagraphie de résistivité Les résistivités (long & short normal resistivity) ont été mesurées en continu par diagraphie dans les trois forages (Illustration 11). Les sondages sont hors d’eau entre 0 et 35 m, et les résistivités de cette section superficielle n’ont pas été mesurées. La diagraphie des résistivités montre une alternance de zones consolidées plus ou moins fracturées et de zones plus tendres. La corrélation horizontale est bonne entre les forages SOLR_A & SOLR_B, plus lâche avec SOLR_C. On peut interpréter les formations rencontrées suivantes : - un ensemble géologique homogène et conducteur (400-500 ohm.m) traduisant une formation tendre et peu ou pas fracturée, localisée suivant les ouvrages entre 40 et 60 m de profondeur ; - un ensemble géologique homogène et résistant (600-800 ohm.m) caractéristique d’une formation consolidée et peu ou pas fracturée, localisée suivant les ouvrages entre 55 et 100 m de profondeur ; - un ensemble géologique conducteur (200-300 ohm.m) et plus hétérogène caractéristique d’une formation moins consolidée et/ou fracturée, localisé suivant les ouvrages entre 90 et 120 m de profondeur ; le minimum de résistivité, inférieur à 200 ohm.m, est noté à 105 m dans SOLR_A & SOLR_B ; - un ensemble géologique résistant à très résistant, localisé suivant les ouvrages entre 120 et 160 m de profondeur, avec des maximums de l’ordre de 1400 ohm.m dans SOLR_A & SOLR_B enter 125 et 130 m ; la présence de formations à contenu élevé en matière organique charbonneuse (schistes ampélitiques) pourrait expliquer ce pic de résistivité électrique ; - un ensemble géologique conducteur (400-500 ohm.m) à la base des ouvrages au-delà de 150 m de profondeur ; il s’agit vraisemblablement d’une zone tendre. L’hétérogénéité des valeurs de résistivités enregistrées entre l’onde courte et l’onde longue pour le forage SOLR_C semble traduire une zone très fracturée. Illustration 11 – Diagraphie Résistivités (SOLR_A) Imagerie-paroi et interprétation structurale Une imagerie-paroi a été effectuée en continu sur toute la longueur des deux forages SOLR_A & SOLR_B, avec interprétation structurale des images obtenues (Illustration 12). L’imagerie montre distinctement les fines alternances de niveaux silteux clairs et d'argilites grises à verdâtres plus sombres. Cette stratification est recoupée par des fractures (fentes) d’épaisseur centimétrique à décimétrique injectées de quartz.   Illustration 12 – Interprétation structurale de l’imagerie-paroi (SOLR_B) Le report sur diagramme stéréographique (Illustration 13) des données acquises par l’interprétation structurale de l’imagerie-paroi (187 observations) met en évidence une famille principale de plans de discontinuité avec un pendage de 65° et une direction du pendage N175. Ce sont ces plans de discontinuités qui ont dû faire dévier les forages vers le sud. Une deuxième famille de plans de discontinuités peut être identifiée avec un pendage de 60° vers le nord (N000).    Illustration 13 – Report sur canevas de Schmidt (hémisphère inférieur) des plans de joints & de fracturation

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