[tel-01137326] Caractérisation hydrogéophysique des milieux fracturés : développement instrumental et modélisation des vitesses d’écoulement en forage

Les milieux fracturés se caractérisent par une forte hétérogénéité du champ de vitesse liée à la localisation des flux dans les zones les plus perméables du réseau de fractures. Dans un tel contexte, prédire les écoulements ou test le transport nécessite d’apporter des contraintes assez fines sur le milieu et sur les flux. Nous avons abordé cette question à travers trois approches complémentaires : (i) une étude des liens entre fracturation, zones de déformation, et écoulements observés sur le site expérimental de Ploemeur ; (ii) la réalisation d’un modèle numérique de débitmétrie destiné à imager les propriétés hydrauliques entre forages ; et (iii) le développement d’une nouvelle sonde permettant la mesure des vitesses d’écoulement horizontales en partenariat avec la division technique de l’INSU (Brest). L’analyse des diagraphies et des carottes de forage du site de Ploemeur a clairement mis en évidence que les principales zones de déformation se caractérisaient par une déformation intense, par des brèches de faille ou bien par des zones broyées, associées ou non à des pegmatites très fracturées. À l’échelle locale, la corrélation entre zones de déformation ou de fracturation et zones d’écoulements fut difficile à faire tant la variabilité locale des propriétés était importante. Cependant, à l’échelle du site, les zones broyées profondes sous les pegmatites fracturées semblaient très transmissives. A l’échelle régionale, les fracturations subverticales N110° et N20° couplées à la zone de déformation intense que constitue le contact entre les micaschistes du Pouldu et le granite de Ploemeur, contrôlaient une partie des écoulements$! Le modèle numérique nous a permis de reproduire les expériences de tests d’interférences de débitmétrie pour établir les réponses types que l’on doit observer en fonction de l’emmagasinement du forage et des propriétés hydrauliques des fractures. La caractérisation de la connectivité des différentes structures connectées aux puits est facilement identifiable à travers l’analyse des flux transitoires. Une des difficultés liées à l’inversion provient de la présence de cheminements indirects et de la méconnaissance du débit effectif pompé dans les structures connectées. Nous avons aussi montré que le coefficient d’emmagasinement des fractures contrôlait significativement la réponse des flux verticaux. Enfin, nous avons mis en évidence la façon dont les structures déconnectées du puits de pompage pouvaient influencer la réponse hydrologique. Ces travaux ont été illustrés par une application de terrain. Dans le cadre de la caractérisation des vitesses in situ en milieu fracturé, nous avons participé au développement d’une nouvelle sonde (PIVEF) permettant la mesure de vitesse par suivi de particules. Cette sonde a été calibrée et validée au sein du laboratoire. Grâce à sa large fenêtre d’observation, nous pouvons caractériser de façon pertinente les vitesses d’écoulement du fluide. Nous pouvons observer des vitesses in situ sur une gamme large (1.10-5 à 1.10-2 m/s) aussi bien en milieu homogène que dans des milieux fracturés, à condition que les pendages ne soient pas trop importants. La mesure de vitesse peut se faire de manière continue sur toute la hauteur de la zone de mesure. Nous avons observé dans les milieux hétérogènes la présence de boucles de recirculation créant des perturbations dans la colonne d’eau. Malgré les difficultés inhérentes à ce genre de mesure, une application sur le terrain a permis de montrer toutes les potentialités de l’outil.



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