Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales

81 Pages·2005·0.6 MB·French

Synthèse bibliographique
des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales
Rapport final
BRGM/RP-52430-FR
octobre 2004
Synthèse bibliographique
des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales
Rapport final
BRGM/RP-52430-FR
octobre 2004
Étude réalisée dans le cadre du projet de recherche
Géothermie Haute Enthalpie dans les DOM (GHEDOM) – ENER-04
et suivant la convention n° 02 05 035 établie entre le BRGM et l’ADEME
H. Serra, B. Sanjuan
Vérificateur : Approbateur :
Original signé par : Original signé par :
Albert GENTER Anne-Marie FOUILLAC
Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.
Mots clés : Géothermomètre chimique, Source thermale, Forage, Bouillante, Fluide
géothermal.
En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :
Serra H., Sanjuan B. (2004) - Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques
appliqués aux eaux géothermales. BRGM/RP-52430-FR, 79 p., 4 ann.
© BRGM, 2004, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.
Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales
Synthèse
Cette étude de synthèse bibliographique, réalisée dans le cadre du projet de
recherche Géothermie Haute Enthalpie dans les DOM (GHEDOM, ENER-04) et
suivant la convention n° 02 05 035, établie entre le BRGM et l’ADEME, a pour but de
faire le point sur l’ensemble des géothermomètres chimiques.
Ces outils, couramment utilisés en prospection géothermique, sont basés sur des
méthodes géochimiques, qui permettent d’estimer la température d’un réservoir
géothermique, à partir de la composition chimique des eaux, qui remontent en surface,
généralement après refroidissement. Toutes les méthodes ont pour base l’hypothèse
que les eaux ont atteint l’équilibre avec les roches du réservoir dans les conditions de
température et de pression de ce réservoir, et que cet état d’équilibre n’est pas
masqué par les variations de composition chimique des eaux, au cours de leur
remontée et de leur refroidissement depuis le réservoir vers la surface (Michard, 2002).
Les géothermomètres « classiques » sont ceux à silice (Fournier, 1977), les
géothermomètres Na/K (White, 1965 ; Ellis, 1969 ; Fournier et Truesdell, 1973 ;
Truesdell, 1975 ; Fournier, 1979), le géothermomètre Na-K-Ca (Fournier et Truesdell,
1973). On citera, également, le géothermomètre « isotopique » SO 2- - H O (Lloyd,
4 2
1968 ; Mizutani et Rafter, 1969 ; Robinson, 1973 ; Pearson et Rightmire, 1980) et le
géothermomètre CO (Arnórsson et al., 1983 ; Giggenbach, 1988).
2
Différents processus pouvant affecter la composition chimique des eaux chaudes
profondes, au cours de leur remontée et de leur refroidissement depuis le réservoir
géothermique vers la surface, les géothermomètres chimiques doivent être manipulés
avec précaution en fonction du milieu géologique où ils sont appliqués et en fonction
des gammes de température estimées. Ce rapport décrit, de la façon la plus
exhaustive possible, les recommandations à suivre pour utiliser ces géothermomètres.
Les relations géothermométriques classiques ont parfois été révisées en tenant
compte de différents points d'application comme, par exemple, le géothermomètre
SiO (Schoeller et Schoeller, 1977 ; Michard, 1979 ; Fournier et Potter, 1982 ;
2
Ragnarsdóttir et Walther, 1983 ; Arnórsson et al., 1983 ; Giggenbach et al., 1983 ;
Giampaolo et al., 1992 ; Arnórsson, 2000), le géothermomètre Na/K (Michard, 1979 ;
Tonani, 1980 ; Arnórsson et al., 1983 ; Nieva et Nieva, 1987 ; Giggenbach, 1988 ;
Kharaka et Mariner, 1989 ; Arnórsson, 2000) et le géothermomètre Na-K-Ca (Fournier
et Truesdell, 1973, 1974 ; Páces, 1975 ; Benjamin et al., 1983).
Face à certains problèmes d’application des géothermomètres « classiques », d’autres
géothermomètres, plus empiriques et plus récents, ont fait leur apparition. Il s’agit,
notamment, de géothermomètres utilisant le lithium ou des rapports de cations avec le
lithium : Na/Li (Fouillac et Michard, 1981 ; Kharaka et al., 1982 ; Michard, 1990), Mg/Li
(Kharaka et al., 1985 ; Kharaka et Mariner, 1989 ; Giggenbach, 1988).
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D’autres relations thermométriques ont été définies en utilisant des rapports de cations
par rapport au potassium :
- Ca/K² (Fournier et Truesdell, 1973 ; Michard, 1990) ;
- Mg/K² (Giggenbach et al., 1983 ; Giggenbach, 1988 ; Michard, 1990) ;
- Fe/K² (Michard, 1990 ; Alaux-Négrel, 1991) ;
- Sr/K² (Michard, 1990) ;
- Mn/K² (Michard, 1990) ;
mais aussi des facteurs de cations par rapport au potassium :
- F*K ( Michard, 1990) ;
- W*K² (Michard, 1990 ; Alaux-Négrel, 1991) ;
- Mo*K² (Alaux-Négrel, 1991) ;
- U*K (Alaux-Négrel, 1991) ;
et par rapport au sodium : Rb/Na et Cs/Na (Michard, 1990).
Les erreurs engendrées par les estimations de températures en utilisant les
géothermomètres sont, également, abordées. Une comparaison entre valeurs de
température estimées à partir des géothermomètres chimiques et valeurs réellement
mesurées, sur différents champs géothermiques mondiaux, est présentée.
Très souvent, ces erreurs ou problèmes d’application des géothermomètres sont liés à
des processus de mélange d’eaux d’origine différente, qui viennent perturber l’état
d’équilibre eau - roche existant en profondeur, dans le réservoir géothermique ; des
caractéristiques chimiques, qui permettent de différencier les eaux géothermales
d’eaux mélangées, sont discutées. Un modèle de mélange d’eaux chaude et froide
destiné à estimer les proportions de chacun des pôles est, également, décrit.
Malgré leurs imperfections, les géothermomètres chimiques demeurent des outils
précieux pour la prospection géothermique. Néanmoins, ces outils doivent être
appliqués avec précaution et par des spécialistes en géochimie des fluides, qui
tiennent compte de :
- l’ensemble des résultats obtenus à partir des analyses chimiques et isotopiques des
eaux thermales étudiées et des principales conclusions associées ;
- l’évolution de ces eaux, qui peuvent subir différents processus de perturbation
(processus de mélange avec des eaux superficielles plus froides, processus de
dissolution ou précipitation de minéraux, processus de dégazage, etc.), au cours de
leur remontée depuis le réservoir géothermique vers la surface.
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Sommaire
1. Introduction...............................................................................................................7
2. Cadre général............................................................................................................9
3. Les géothermomètres classiques.........................................................................11
4. Précautions et recommandations à suivre pour utiliser les géothermo-
mètres chimiques...................................................................................................13
4.1.LE GÉOTHERMOMÈTRE SiO .........................................................................13
2
4.1.1. Recommandations en termes de concentrations...................................13
4.1.2. Recommandations en termes de température.......................................13
4.1.3. Recommandations en termes de milieu géologique..............................13
4.2.LE GÉOTHERMOMÈTRE Na/K........................................................................14
4.3.LE GÉOTHERMOMÈTRE Na-K-Ca..................................................................15
4.4.LE GÉOTHERMOMÈTRE SO 2- - H O..............................................................17
4 2
5. Autres relations géothermométriques classiques.............................................19
5.1.NOUVEAUX GÉOTHERMOMÈTRES SiO .......................................................19
2
5.2.NOUVEAUX GÉOTHERMOMÈTRES Na/K......................................................20
5.3.NOUVEAU GÉOTHERMOMÈTRE Na-K-Ca.....................................................20
6. Géothermomètres « plus récents » (lithium, éléments traces, etc.)..................23
6.1.LES GÉOTHERMOMÈTRES LITHIUM.............................................................23
6.1.1. Les géothermomètres Na/Li...................................................................23
6.1.2. Le géothermomètre Mg/Li......................................................................24
6.1.3. Le géothermomètre Li............................................................................25
6.2.LE GÉOTHERMOMÈTRE CO ..........................................................................25
2
6.3.LE GÉOTHERMOMÈTRE SiO /CO .................................................................25
2 2
6.4.LE GÉOTHERMOMÈTRE Ca/K².......................................................................26
6.5.LE GÉOTHERMOMÈTRE Mg/K².......................................................................26
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6.6.LE GÉOTHERMOMÈTRE Mg/Na.....................................................................27
6.7.LE GÉOTHERMOMÈTRE Mo/K²......................................................................27
6.8.LE GÉOTHERMOMÈTRE U/K..........................................................................27
6.9.AUTRES GÉOTHERMOMÈTRES....................................................................27
6.9.1. Le géothermomètre Fe/K²......................................................................28
6.9.2. Le géothermomètre Sr/K²......................................................................28
6.9.3. Le géothermomètre Mn/K².....................................................................28
6.9.4. Le géothermomètre F*K........................................................................28
6.9.5. Le géothermomètre W*K²......................................................................28
6.9.6. Les géothermomètres Li/Na, Rb/Na, Cs/Na..........................................28
6.9.7. Remarques............................................................................................29
7. Source d’erreurs en géothermométrie.................................................................31
8. Les processus de mélange...................................................................................33
8.1.MISE EN ÉVIDENCE DES PROCESSUS DE MÉLANGE (ARNÓRSSON,
1985).................................................................................................................33
8.2.MODÈLE DE MÉLANGE...................................................................................34
9. Conclusions............................................................................................................37
10. Bibliographie........................................................................................................39
Liste des annexes
Annexe 1 - Équations des géothermomètres............................................................................45
Annexe 2 - Calcul du géothermomètre Na-K-Ca.......................................................................55
Annexe 3 - Correction Mg du géothermomètre Na-K-Ca..........................................................59
Annexe 4 - Fluides de forages géothermiques mondiaux : comparaison entre température
estimée à partir des géothermomètres chimiques et température mesurée.........63
6 BRGM/RP-52430-FR – Rapport final
Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales
1. Introduction
Cette étude de synthèse bibliographique, réalisée dans le cadre du projet de
recherche Géothermie Haute Enthalpie dans les DOM (GHEDOM, ENER-04) et
suivant la convention n° 02 05 035, établie entre le BRGM et l’ADEME, a pour but de
faire le point sur l’ensemble des géothermomètres chimiques.
Ces outils, couramment utilisés en prospection géothermique, sont basés sur des
méthodes géochimiques, qui permettent d’estimer la température d’un réservoir
géothermique, à partir de la composition chimique des eaux, qui remontent en surface,
généralement après refroidissement.
Toutes les méthodes ont pour base l’hypothèse que les eaux ont atteint l’équilibre avec
les roches du réservoir dans les conditions de température et de pression de ce
réservoir, et que cet état d’équilibre n’est pas masqué par les variations de composition
chimique des eaux, au cours de leur remontée et de leur refroidissement depuis le
réservoir vers la surface (Michard, 2002).
Néanmoins, différents processus pouvant affecter la composition chimique des eaux
chaudes profondes, au cours de leur remontée et de leur refroidissement depuis le
réservoir géothermique vers la surface (mélange avec des eaux superficielles plus
froides, dissolution et/ou précipitation de minéraux, dégazage, ébullition, etc.), les
géothermomètres chimiques doivent être utilisés avec précaution en fonction du milieu
géologique où ils sont appliqués et en fonction des gammes de température estimées.
Par ailleurs, certains géothermomètres tels que le Na/K ou Na/K/Ca donnent des
températures erronées avec l’eau de mer.
Les nombreuses relations géothermométriques, semi-empiriques, établies, sont
présentées dans ce rapport. On y aborde, dans un premier temps, le cadre général des
conditions d’application de ces géothermomètres. Les géothermomètres « classiques »
sont, ensuite, décrits ainsi que les problèmes rencontrés au cours de leur application,
les précautions à prendre et les recommandations à suivre pour les utiliser.
Compte tenu de certains problèmes d’application, il est montré que quelques
thermomètres « classiques » ont été reformulés. Des géothermomètres plus récents
utilisant le lithium et les éléments traces sont, ensuite, présentés. Toutes les équations
des géothermomètres sont regroupées en annexe 1. En annexe 2, se trouve la
méthode de calcul du géothermomètre Na-K-Ca et en annexe 3, celle qui tient compte
de la concentration en Mg.
Les erreurs engendrées par les estimations de températures en utilisant les
géothermomètres sont, également, abordées. Une comparaison entre valeurs de
température estimées à partir des géothermomètres chimiques et valeurs réellement
mesurées, sur différents champs géothermiques mondiaux (ann. 4), est présentée.
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Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales
Très souvent, les erreurs ou problèmes d’application des géothermomètres sont liés à
des processus de mélange d’eaux d’origine différente, qui viennent perturber l’état
d’équilibre eau - roche existant en profondeur, dans le réservoir géothermique. Les
processus de mélange et la manière de prendre en compte et de calculer les mélanges
des eaux thermales avec d’autres eaux plus superficielles sont donc abordés.
8 BRGM/RP-52430-FR – Rapport final
Synthèse bibliographique des géothermomètres chimiques appliqués aux eaux géothermales
2. Cadre général
Grâce aux éléments chimiques utilisés dans les équations géothermométriques, les
géothermomètres peuvent être classifiés en quatre groupes.
Le premier groupe est représenté par les géothermomètres à silice, basé sur l’équilibre
du système SiO -H O et qui peut être subdivisé en plusieurs types, suivant la
2 2
calibration avec le minéral qui contrôle la silice en solution (quartz, calcédoine, silice
amorphe, etc.). Le second groupe est basé sur les rapports entre les éléments alcalins
(Fournier et Truesdell, 1973 ; Fournier, 1977 ; Fournier et Potter, 1979 ; Arnórsson et
al., 1983 ; Giggenbach et al., 1983). Le troisième groupe est celui des géothermo-
mètres expérimentaux, basé sur l’extrapolation d’expériences simples entre un minéral
et une solution, habituellement le quartz, la cristobalite (Weill et Bottinga, 1970 ;
Ragnarsdóttir et Walther, 1983 ; Giampaolo et al., 1992). Le dernier groupe est celui
des géothermomètres empiriques qui sont dérivés des relations entre les
concentrations en silice des eaux thermales naturelles et les températures mesurées
dans les sources chaudes ou les puits.
Les hypothèses de base inhérentes à l’utilisation de ces indicateurs géochimiques sont
discutées par White (1970) et Fournier et Truesdell (1974) et sont les suivantes :
- (1) les réactions dépendant de la température ont lieu en profondeur ;
- (2) l’équilibre eau/roche a lieu à la température et à la pression du réservoir ;
- (3) il y a suffisamment de minéraux dans le système eau/roche pour que les
réactions puissent avoir lieu ;
- (4) il y a peu ou pas de ré-équilibration ou de changement dans la composition à
basse température, quand l’eau passe du réservoir profond à la surface (i.e. le flux
est rapide vers la surface et il n’y a pas de réaction à la surface) ;
- (5) l’eau chaude provenant du système profond est peu perturbée par des mélanges
avec des eaux plus froides proches de la surface. En cas de mélange, il faut évaluer
les résultats d’un tel mélange ;
- (6) absence d’ébullition ou de dégazage dans le cas d’eaux riches en gaz dissous ;
- (7) pas de précipitation et/ou de dissolution de phases secondaires au cours de la
remontée du fluide ;
- (8) pas de réaction d’échange avec les minéraux argileux dans le cas des cations
Na et K (Weissberg et Wilson, 1977) ;
- (9) les géothermomètres chimiques ne peuvent pas être appliqués pour des eaux
acides (Fournier, 1981 ; Giggenbach, 1988).
Ce sont généralement les minéraux comme le quartz, la calcédoine ou les feldspaths,
dont la solubilité augmente fortement avec la température, et qui ne subissent pas de
BRGM/RP-52430-FR – Rapport final 9