HYDROGEOLOGIE d’un SYSTEME THERMAL et modélisation couplée hydrodynamique-thermique en vue de la gestion de la ressource [R. Le Fanic, 2005]

Application au système Dax - St-Paul-les-Dax

Résumé, Introduction et Conclusion de la THESE

de LE FANIC Ronan (2005)

Mots clé


Hydrogéologie  , Thermique, Modélisation, Gestion, Ressources en eau thermale, Thermalisme, Bassin   sédimentaire

Intérêts

  • synthèse des connaissances géologiques, hydrogéologiques et thermiques disponibles,
  • ressource thermo-minérale provenant des formations dolomitiques   du Crétacé supérieur,
  • construction de différents modèles hydrogéologiques et thermiques :
    — un modèle 2 D vertical, compréhension du fonctionnement du système aquifère  ,
    — un modèle 3 D couplé hydrodynamique et thermique de l’ensemble de la structure hydrothermale dacquoise en régime permanent et transitoire,
    — un modèle 3 D local, dans une optique de gestion de la ressource de l’exploitation thermale (impact des prélèvements thermaux) = outil prédictif.

Résumé

La valorisation de l’eau thermale et le développement du thermalisme, tant médical que ludique, nécessitent aujourd’hui une connaissance approfondie de l’origine des eaux, en particulier du Bas-Adour (Sud-Ouest de la France), ainsi que la connaissance réelle des quantités disponibles sans risque de perturber la qualité de cette ressource. Malgré la complexité naturelle des sites d’émergences, il est aujourd’hui possible, en particulier sur le site de Dax - Saint-Paul-lès-Dax, de réaliser un modèle hydrogéologique prédictif grâce à de nouveaux logiciels de simulation particulièrement performants.
Après avoir situé la zone d’étude dans le cadre plus global du bassin   du Bas-Adour, une synthèse des connaissances géologiques, hydrogéologiques et thermiques disponibles a été réalisée. L’ensemble des données a ensuite été rassemblé et mis en cohérence afin de revisiter le cadre complexe du système hydrothermal dacquois. La ressource thermominérale provient des formations dolomitiques   fissurées/karstifiées du Crétacé supérieur redressées en position subverticale contre le flanc Nord du diapir salifère de Dax. Des informations pluridisciplinaires ont été intégrées : géophysique par sismique réflexion, géochimie des eaux, analyses de séries temporelles, interprétation d’essais de débit par la méthode de la dérivée, caractérisation des régimes thermiques locaux. Une géométrie fine du système a été obtenue permettant de retranscrire la complexité de la zone d’émergences de l’aquifère   thermal. Des chroniques de températures et de hauteurs piézométriques ont été également analysées par des méthodes modernes afin d’en tirer des renseignements sur les perturbations engendrées par l’exploitation thermale et permettre la caractérisation du comportement hydrodynamique de l’aquifère   thermal.

Toutes ces informations ont ensuite servi à l’élaboration de différents modèles hydrogéologiques et thermiques. Le logiciel FEFLOW© basé sur la méthode des éléments finis a été utilisé pour cette approche quantitative. Tout d’abord, un modèle 2D vertical à caractère explicatif des phénomènes a été construit afin de comprendre le mode de fonctionnement du système. Il a permis une restitution de la piézométrie   du système aquifère   multicouche de la région dacquoise aussi bien en termes d’hydrodynamique que de distribution des températures. Ensuite notre approche nous a conduit à réaliser un modèle 3D couple hydrodynamique et thermique de l’ensemble de la structure hydrothermale dacquoise en intégrant tous les forages disponibles dans la zone. L’ensemble des couches géologiques est pris en compte des alluvions du Quaternaire aux dépôts salifères du Trias sur une épaisseur de 5 000 mètres. L’étude en régime stationnaire a permis de restituer la piézométrie   de l’aquifère   oligocène et celle de l’aquifère   thermal, objet principal de cette étude. La mise en place du régime thermique a également pu être simulée. En régime transitoire, les influences respectives de l’activité géothermale de Saint-Paul-lès-Dax et de l’exploitation thermale de Dax ont pu être caractérisées et restituées. Dans une optique de gestion de la ressource à l’échelle de la zone d’exploitation dacquoise un modèle 3D local a été réalisé afin de simuler l’impact des prélèvements des forages thermaux. La relation qui existe localement entre l’aquifère   thermal et la nappe   des alluvions de l’Adour a pu être mise en évidence. Son comportement a été étudié de façon quantitative en réalisant une intégration des flux verticaux entre les horizons aquifères  . Une cartographie des zones à risques de l’aquifère   a été rendue possible. Cet outil prédictif pourra, à l’avenir, servir pour une gestion optimisée de la ressource thermale de la zone de Dax - Saint-Paul-lès-Dax.

Introduction

En France, l’activité thermale est soumise à des critères stricts de qualité de sa ressource. L’Académie de Médecine, les Universités Médicales exercent depuis plusieurs années un contrôle qualité du produit thermal. La valorisation de l’eau minérale et le développement du thermalisme tant médical que ludique nécessitent aujourd’hui une connaissance approfondie de l’origine des eaux, ainsi que la connaissance réelle des quantités disponibles sans risque de perturber la qualité de cette ressource.

Le bassin   Adour-Garonne est le premier bassin   thermal français avec ses 35 stations soit 30% des stations françaises.

En Aquitaine, le thermalisme est une activité à fort potentiel qui s’inscrit dans le tourisme aux retombées économiques importantes. Au total, le bassin   Adour-Garonne accueille près de 207 000 curistes par an. L’Aquitaine, avec plus de 90 000 curistes, est la deuxième région française, alors que le département des Landes, sous l’égide de Dax, est le premier département français avec une fréquentation proche de 76 000 curistes en 2003. Les prélèvements annuels d’eau liés au thermalisme sont de l’ordre de 5,5 millions de mètres cubes qui proviennent des nappes   profondes du Paléocène pro parte et du Crétacé supérieur en particulier dans le Bas-Adour. En première estimation, 12 000 emplois directs et indirects sont générés à ce jour par le thermalisme dans les Landes, soit 12% des emplois du département.

Le système hydrothermal de Dax - Saint-Paul-lès-Dax a été jusqu’ici le cadre d’études essentiellement descriptives, mais son mode de fonctionnement, l’origine des eaux, les interférences possibles au cours d’une exploitation intensive ne sont pas formellement explicités. Malgré la complexité naturelle de la zone d’émergences, il est aujourd’hui possible de réaliser un modèle prédictif convenable grâce à des logiciels de simulation performants. Ce système fait aujourd’hui l’objet de sollicitations multiples (thermalisme, géothermie). Toutes ces activités dépendant du même « système aquifère   », le développement et la pérennisation de chacune d’elles ne peuvent se faire sans une compréhension globale du fonctionnement de la structure hydrothermale dacquoise par une approche quantitative.

Dans un contexte d’actualité, ces travaux trouvent leur intérêt lors de la mise en place d’une politique de gestion de l’eau. Les objectifs de cette étude hydrogéologique et thermique de la structure hydrothermale dacquoise sont de créer un premier outil d’aide à la gestion de la ressource en eau thermo-minérale. Il intègrera l’ensemble des données et connaissances issues des domaines les plus variés tels que la géologie, la géophysique, l’hydrogéologie  , la géochimie des eaux, la thermique,. . . On tentera d’apporter des réponses aux problématiques suivantes :

  • hypothèses sur un mode de fonctionnement du système hydrothermal : origine de l’eau, influence de la température sur l’écoulement,
  • caractérisation d’interférences entre les forages thermaux,
  • débits exploitables sans intrusion d’eau froide provenant des alluvions de l’Adour,
  • caractérisation des influences entre géothermie et thermalisme.

Un système hydrothermal peut être considéré comme l’émergence locale d’eau souterraine profonde dont la température est anormalement élevée. La modélisation du régime d’écoulement au sein de systèmes aquifères   complexes ne peut se faire sans une prise en compte du régime thermique. L’aquifère   thermal évacue localement un flux géothermique d’autant plus important que la température de l’eau est élevée. Une approche par modélisation numérique du système hydrothermal dacquois fera nécessairement intervenir les données caractéristiques de deux disciplines :

  • l’hydrogéologie   qui a pour but de comprendre et d’estimer les écoulements au sein des aquifères   ;
  • la thermique des aquifères   profonds qui permet de caractériser les modes de transfert de chaleur au sein de la structure hydrothermale mais également l’influence de la température sur les propriétés physico-chimiques de l’eau (masse volumique, viscosité) donc sur l’hydrodynamisme.

Dans une première partie, une synthèse régionale des principales caractéristiques géologiques et hydrogéologiques est proposée. Depuis le début du XXe siècle, cette région du Bas-Adour a été le lieu de plusieurs investigations géologiques plus ou moins profondes. Les techniques utilisées vont du simple sondage d’une dizaine de mètres de profondeur à des méthodes géophysiques élaborées telles que la sismique réflexion entreprise dans le bassin   Sud-Aquitain par les sociétés pétrolières. On dispose aujourd’hui d’informations permettant de proposer une géométrie ainsi qu’une caractérisation hydrodynamique et thermique des horizons géologiques de la structure hydrothermale. La phase de dolomitisation tardive a permis d’améliorer notablement les propriétés hydrodynamiques originelles des dépôts carbonatés du Paléocène et du Crétacé supérieur. Une importante halocinèse a affecté cette région du Bas-Adour dès la fin du Jurassique jusqu’à la fin de l’Oligocène. Elle a localement entraîné une fracturation importante avec dissolution de ces aquifères   carbonatés et des indices de karstification sont notés principalement sur les flancs des structures diapiriques. L’aquifère   thermal ainsi formé est une dolomie   fissurée redressée en position subverticale sur le flanc Nord du massif salifère de Dax.

Dans un deuxième temps, ce cadre géologique complexe sera revisité en intégrant les dernières données sismiques disponibles. Les chroniques des hauteurs piézométriques enregistrées sont présentées et analysées par des méthodes de décomposition originales. Les données relatives aux nombreux tests de débit réalisés dans le secteur sont interprétées en vue d’une caractérisation hydrodynamique des horizons aquifères   du complexe multicouche. Une étude des transferts thermiques existants au sein du système hydrothermal est détaillée. Elle caractérise les différents modes de transfert de chaleur qui permettent l’évacuation locale d’un flux géothermique important. Toutes les informations géométriques et les différents paramètres disponibles gouvernant l’hydrodynamisme et le transfert de chaleur au sein de cette structure hydrothermale ont servi à l’élaboration de modèles couplés hydrogéologiques et thermiques. La première approche a conduit à l’élaboration d’un modèle 2D vertical à caractère explicatif des phénomènes. Il permet de tester différentes hypothèses relatives au mode de fonctionnement du système.
Un modèle 3D global du système multicouche représentatif de l’hydrogéologie   de la région dacquoise est réalisé. Son objectif est d’étudier le mode de mise en place du gradient   géothermique local et de valider les paramètres hydrodynamiques et thermiques obtenus lors d’analyses pétrophysiques et d’interprétations d’essais de débit.
Enfin un modèle hydrogéologique local de la zone thermale de Dax sensu stricto est proposé. Il servira à restituer l’influence de l’exploitation thermale actuelle sur la piézométrie   de l’aquifère   crétacé supérieur. En utilisant des chroniques de débits réels nous tenterons de restituer les variations des hauteurs piézométriques enregistrées. Cette étude portera également sur la relation qui existe entre l’aquifère   thermal et la nappe   des alluvions de l’Adour au droit de la zone d’émergences. Ce modèle servira également à tester différentes hypothèses d’évolution de l’exploitation thermale afin de servir d’outil d’aide à la gestion de la ressource.

Conclusion

Ce travail a permis une actualisation des données sur l’architecture locale de la structure hydrothermale dacquoise en intégrant les informations obtenues, depuis le début du XX ème siècle selon différentes méthodes d’investigation. Nous avons ainsi pu mettre en cohérence des coupes géologiques produites par différents forages (eau potable, thermalisme, géothermie) avec celles héritées de la recherche de sel dans la région dacquoise, mais également avec les campagnes de géophysique qui ont permis de reconnaître l’extension de la zone thermale dacquoise et la géométrie du système multicouche dans les zones profondes.
Les chroniques de hauteurs piézométriques et de températures disponibles sont autant de signatures qui caractérisent la ressource. Elles peuvent de nos jours être analysées finement par des méthodes de traitement du signal, comme l’analyse par transformée en ondelettes. Appliquée dans le cadre de ce travail à des séries temporelles, les fréquences caractéristiques de l’exploitation thermale ont été mises en évidence avec des cycles de 8h et 24h. L’atténuation de la perturbation cyclique de haute fréquence engendrée par l’exploitation thermale montre bien tout son avantage dans la réduction des interférences. L’exploitation thermale influence cependant tout l’horizon du Crétacé supérieur, la partie fracturée et les zones synclinales profondes, par ses cycles de plus longue période.
Les interprétations des essais de débit réalisés soit sur des forages captant l’aquifère   oligocène soit sur ceux captant l’aquifère   thermal, permettent d’obtenir une caractérisation des perméabilités qui seront utilisées ultérieurement dans la phase de modélisation. L’aquifère   thermal dolomitique   y est traité par une perméabilité   équivalente (1.10−4 m.s−1) qui intègre à la fois la perméabilité   de la matrice poreuse très faible (1.10−8 m.s−1) et celle des fissures proche de 1 m.s−1.
L’étude du transfert de chaleur au sein de la structure hydrothermale a souligné un gradient   géothermique local moyen de 0,027./m. Une cartographie montre que les valeurs les plus faibles de gradient   correspondent aux zones profondes du système thermal (synclinal   de Saubagnac, synclinal   de Gourbera). Cette observation conforte l’hypothèse selon laquelle l’anomalie positive engendrée par le flux des sources chaudes avec des gradients géothermiques pouvant dépasser localement 1°C/m s’accompagne d’une anomalie négative dans les zones profondes proches. Il existe un certain équilibre thermique au sein de la structure hydrothermale dacquoise. L’étude du nombre de Rayleigh (Ra*) montre que les transferts thermiques dans les horizons profonds et peu perméables sont assurés par conduction pure. Au contraire, dans la partie subverticale de l’aquifère   thermal sur le flanc Nord du diapir, une valeur de Ra* proche de 250 indique l’apparition de phénomènes de convection soutenus. Compte tenu de la vitesse de l’écoulement dans cette partie très transmissive de l’aquifère  , on peut préciser que le transfert thermique s’effectue par advection c’est-à-dire qu’il est assuré par le déplacement du fluide eau. C’est le mode de transfert de chaleur le plus efficace.
L’étude quantitative de la ressource hydrothermale de Dax - Saint-Paul-lès-Dax par modélisation couplée hydrogéologique et thermique nous a conduits dans un premier temps à réaliser un modèle bidimensionnel vertical du système. L’une des conclusions est l’obligation d’intégrer les effets de la température sur la masse volumique et la viscosité dynamique du fluide pour restituer des valeurs de charge hydraulique satisfaisantes. L’artésianisme des sources chaudes de Dax est possible du fait de la température de l’eau suffisamment élevée pour que les hauteurs piézométriques soient supérieures à la cote du sol. Le couplage des phénomènes hydrodynamiques et thermiques conduit à accepter un flux géothermique moyen de 104 mW.m−2 mais il peut atteindre plus de 160 mW.m−2 à l’aplomb de la masse salifère (diapir) avec une moyenne plus faible dans les zones profondes (80 mW.m−2) néanmoins nettement supérieure au flux géothermique moyen mondial des bassins sédimentaires (63 mW.m−2).

Le régime transitoire a été analysé en modélisant l’aquifère   thermal fracturé sur le flanc Nord du diapir de Dax selon une approche à double porosité   et double perméabilité  . Des éléments 1D fracturés correspondants aux fissures ont ainsi été surimposés au maillage 2D. La valeur de perméabilité   de fractures obtenue (1 m.s−1) est importante mais cohérente avec les observations vidéos des cavités naturelles. Cette simulation a permis de restituer de façon convenable les variations engendrées par l’exploitation thermale sur le forage de SPDX situé 1,7 kilomètres au Nord-Ouest et qui capte des dolomies   données comme paléocènes à 1 500 mètres de profondeur.

Le passage du modèle 2D vertical au modèle tridimensionnel global du système hydrothermal dacquois s’effectue en respectant les informations géologiques et en intégrant les données sismiques pour les zones profondes o`u les forages sont peu nombreux. Le maillage a été raffiné dans la zone thermale de Dax au pas de dix mètres afin de restituer au mieux la géométrie complexe de cette zone d’exutoire.

En régime stationnaire, l’état piézométrique   de l’aquifère   thermal a pu ainsi être restitué de façon convenable tout comme celui de l’aquifère   oligocène. Le gradient   géothermique local a également été calculé. Une carte des températures de chaque horizon a pu être réalisée. On notera l’importance de l’épaisse série de marnes éocènes qui a une grande influence sur l’établissement du régime thermique.

En régime influencé, ce modèle a permis de restituer comme pour le modèle 2D les variations de hauteurs piézométriques induites à SPDX par l’exploitation thermale de Dax. Les facteurs gouvernant la transmissivité élevée qui se traduit par la propagation très rapide des variations de pression, sont bien sûr liés à la perméabilité   équivalente (matrice + fissures) et à l’emmagasinement   spécifique qui gouvernent la diffusivité hydraulique importante du système. Une valeur d’emmagasinement   tenant compte uniquement de la compressibilité de l’eau (4,2.10−6 m−1) a été attribuée dans la zone la plus fracturée de l’aquifère   thermal.

La gestion de la ressource thermale a été abordée par la production d’un modèle local imbriqué. Il couvre exclusivement la zone thermale de Dax et a permis de tenir compte des relations qui existent entre l’Adour et l’aquifère   thermal dans la zone o`u la dolomie   est subaffleurante. En régime stationnaire, la piézométrie   de la nappe   alluviale de l’Adour à proximité de la zone thermale a été calculée. La valeur piézométrique   moyenne de la nappe   est de +3 mNG ce qui correspond à une cote moyenne de l’Adour. L’intérêt de cette restitution piézométrique   est de pouvoir la comparer aux valeurs des hauteurs piézométriques calculées pour l’aquifère   thermal. Les phénomènes de flux inter-aquifères  , sources éventuelles de venues d’eau froide et donc de pollutions diverses tant thermiques que bactériologiques ou chimiques, basés sur les gradients hydrauliques locaux sont ainsi estimés.

En régime influencé, le comportement hydrodynamique de l’aquifère   thermal a été restitué en imposant sur chaque forage un débit moyen. Une perméabilité   proche de 1.10−4 m.s−1, identifiée par les interprétations des essais de débits réalisés sur les forages Baignots et Saint-Christophe, a été appliquée.

Une semaine d’exploitation réelle à Saint-Christophe a été simulée. La restitution des hauteurs piézométriques enregistrées au forage est satisfaisante, permettant ainsi de valider le modèle quant au comportement de cet aquifère   à double porosité   et double perméabilité  . Les chroniques actuelles de débit permettraient d’actualiser le modèle pour les autres forages. Les zones à risques concernant d’éventuelles venues d’eau froide issue des alluvions ont été cartographiées. Elles correspondent aux pointements dolomitiques   subaffleurants qui à l’origine étaient des exutoires et dont l’artésianisme a disparu avec la mise en œuvre d’une exploitation intensive par forages. Aujourd’hui, ils constituent des entrées d’eau potentielles de la nappe   des alluvions vers l’aquifère   thermal.
Le modèle imbriqué a également rendu possible la réalisation de bilans de flux verticaux entre les différents horizons. Ainsi, l’existence de venues d’eau froide permanentes ont été mises en évidence. Quantitativement elles représenteraient dans les conditions actuelles d’exploitation un peu moins de 0,5% des volumes extraits. Ce phénomène explique les petites variations observées sur les paramètres physico-chimiques de l’eau thermale tels que la température et la conductivité ainsi que la présence de tritium. A partir de là, un scenario faisant l’hypothèse d’une augmentation de 50% des débits de pointe a été simulé. On observe dans ce cas, que ces volumes d’eau froide provenant de la nappe   alluviale seraient doublés.

La réalisation d’un modèle numérique qui a l’ambition de constituer un outil d’exploitation et de gestion d’une ressource est aussi et surtout l’occasion de passer en revue et de valider les observations et données existantes sur le projet. Cette mise en œuvre laisse en effet peu de place à l’aspect souvent émotionnel qui entoure tout particulièrement l’émergence hydrothermale et son origine mystérieuse …

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