Données Géophysiques

 
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Données thermiques (flux de chaleur et température)

Rappel historique

Au milieu des années 1960, la Direction Générale à la Recherche Scientifique et Technique confie au Bureau de Recherches Géologiques et Minières et à l'Institut de Physique du Globe de Paris le soin de procéder aux premières mesures de flux de chaleur en France. En 1970, seules 7 valeurs de flux de chaleur ont été publiées (figures 1 et 2). Pour palier à cette carence, l'Institut National d'Astronomie et de Géophysique (INAG) décide de lancer, en 1976, le programme "Transfert d'énergie thermique dans l'écorce terrestre", dont le but est de favoriser et de promouvoir les déterminations du flux géothermique sur l'ensemble du territoire. Les premières synthèses nationales qui sont publiées au début des années 1980 (figures 3, 4 et 5) incluent environ 200 données, et la dernière synthèse, qui date de 1989, contient presque 500 données (figure 6).

Intérêt du flux de chaleur

La connaissance du flux de chaleur terrestre permet tout d'abord de faire le bilan énegétique du globe. Pour cela, on évite de prendre en compte les régions perturbées thermiquement par du volcanisme ou des circulations hydrothermales. Alors, le flux mesuré en surface contient deux composantes : la contribution profonde (la chaleur en provenance du manteau) et la contribution crustale (due à la production de chaleur des roches crustales). L'analyse du flux de chaleur mantellique et de ses variations permet notamment de mieux comprendre le régime thermique - et donc dynamique - du manteau terrestre.

Plus proche de la surface, la connaissance du flux de chaleur stable d'une région donnée permet de caler les interprétations concernant l'allure des géothermes mesurés. Ceux-ci sont en effet affectés par des effets de surface et des effets climatiques, qu'il est possible de déchiffrer dès que l'on connaît la composante principale stationnaire.

Enfin, la valeur du flux de chaleur est fortement influencée par la présence de roches fortement radioactives, comme les granitoïdes. Le couplage des informations géophysiques (gravimétrie, sismique) avec les données de flux de chaleur contraint fortement les modèles géologiques concernant la structure et la composition de la croûte (e.g. Guillou et al., 1994).

Méthodes de mesures et incertitudes

En régime permanent, le flux de chaleur que l'on mesure correspond au simple produit de la conductivité thermique et du gradient vertical de la température. La conductivité thermique se mesure en laboratoire sur des échantillons, et le gradient thermique se mesure en plongeant une sonde de température dans un forage. Dans le cas le plus favorable, on mesure la température sur plusieurs centaines de mètres, tous les 5 à 10 m, ou encore en continu. Des échantillons représentatifs (carottes de forage) sont récoltés sur place à raison d'au-moins un échantillon par lithologie rencontrée, ou au moins un échantillon tous les 100 m. Le flux de chaleur (donc le produit conductivité x gradient) est ensuite estimé dans la partie la plus stable du géotherme mesuré.

Pour un site donné, le flux de chaleur est estimé à partir de plusieurs forages voisins (quand cela est possible), mais même dans ce cas, les sources d'incertitudes restent nombreuses et les valeurs les plus fiables sont souvent publiées avec une incertitude de l'ordre de 10%. Dans les cas les moins favorables (un seul forage, ou forage peu profond, ou carottes non disponibles, ou perturbations importantes du géotherme, etc.), les données qui restent malgré tout publiables montrent des incertitudes atteignant 30%.

Particularités

Contrairement aux données gravimétriques ou magnétiques, le nombre de mesures de flux de chaleur dépend du nombre de forages disponibles. Afin d'augmenter le nombre de déterminations, les mesures de températures effectuées dans les forages pétroliers ont également été utilisées. Il faut comprendre que les mesures de températures dans un forage pétrolier sont souvent peu nombreuses (au mieux quelques-unes) et que la précision sur la détermination du gradient en est affectée. En outre, des corrections délicates sont à effectuer sur les mesures "en fond de trou". En 1989, on comptait 190 données obntenues par les méthodes "classiques", et 289 obtenues à partir de mesures de température en forage pétrolier.

Les forages pétroliers sont nombreux, mais on ne dispose pas toujours de mesures de températures exploitables, car elles sont souvent réalisées alors que l'équilibre thermique n'est pas atteint. Des corrections raisonables peuvent néanmoins être effectuées .Les forages d'exploration géothermique ou minière sont en nombre limité, et il n'y a pas de projets actuels permettant d'espérer accroître le nombre de données de flux de chaleur dans un futur proche. En revanche, durant la vingtaine d'années écoulée, les mesures de température effectuées dans des nouveaux forages pétroliers n'ont pas été prises en compte. Il est fort probable que la récupération de ces informations (archivées au ministère, à la Direction Générale de l'Energie et des Matières Premières à Paris) permettra de mieux connaître le régime thermique du sous-sol métropolitain.

Données de température et données de flux de chaleur

Il est parfois possible d'estimer le flux de chaleur sans que l'on dispose d'échantillons représentatifs. En connaissant la lithologie ou d'autres caractéristiques essentielles (comme la porosité), on peut estimer la conductivité thermique des roches rencontrées lors de la foration. Ainsi, moyennant quelques hypothèses, on peut estimer le flux de chaleur à partir de quelques mesures de température. La qualité de l'estimation n'est pas aussi satisfaisante que dans le cas de forages carottés et où un géotherme stable a été mesuré. Toutefois, la difficulté d'obtenir des forages supplémentaires a enclenché des nouveaux travaux méthodologiques destinés à une meilleure exploitation des données de température en forage pétrolier (e.g. Goutorbe et al., 2006). L'utilisation de mesures de températures profondes nécessite également de connaître la température moyenne à la surface du sol, donnée qui est disponible auprès de Météo-France, et qui montre une variation de 7°C à 15°C pour le territoire (figure 7).

Etat des données

L'ensemble des données de flux de chaleur a été compilé numériquement en 1991 par la Commission Internationale de Flux de Chaleur (International Heat Flow Commision), et commentée par Pollack et al. (1993). Cette base de données mondiale est hélas incomplète, et comporte également des erreurs. Par exemple, seules 240 valeurs de flux de chaleur sont mentionnées pour le territoire français (figure 8). La compilation de Gable (1978) contient 200 sites pétroliers pour lesquels une à plusieurs mesures de températures ont été effectuées. Le détail de 190 valeurs de flux de chaleur (forages d'exploration géothermique et minière, forages pétroliers) est donné dans la synthèse de 1982 de Vasseur, et le travail de Lucazeau et Vasseur (1989) montre une carte de flux de chaleur où les 479 valeurs sont reportées. Il n'existe donc pas à ce jour de compilation numérique exhaustive des données de flux de chaleur et de températures profondes en France.

Projet en cours

Dans le but de disposer d'une mise à jour des données de flux de chaleur et des températures, le BRGM travaille sur la récupération des documents divers (archives papier, rapports, publications), sur l'examen des données de températures issues des forages pétroliers des dernières décennies, et sur la numérisation de ces données. L'objectif final consiste à pouvoir produire des nouvelles cartes de températures profondes et de flux de chaleur.

La première phase de compilation numérique des données existantes a permis de produire des cartes dont l'interpolation est renseignée (Bonté et Guillou-Frottier, 2006). En particulier, l'erreur sur le krigeage choisi est fourni avec la carte. L'exemple de la figure 9 montre le flux de chaleur en métropole à partir des mêmes données que celles de la figure 6. L'erreur sur le krigeage est indiquée, et dépasse 20 mW/m² dans les régions peu renseignées comme la Normandie. De même, les cartes de températures à diférentes profondeurs (e.g. figure 10) contiennent l'information sur l'erreur du krigeage utilisé. La superposition des cartes à différentes profondeurs (figure 11) correspond à une première tentative de visualisation tridimensionelle des températures profondes, mais le manque de données à partir de 1000-1500m ne permet pas de considérer ces cartes comme représentatives. Le rajout des données thermiques d'origine pétrolière, archivées au ministère, devient donc indispensable.

Figures

Figure 1 : Publication des deux premières mesures de flux de chaleur en France en 1967.

Figure 2 : Localisation des 7 premiers sites de flux de chaleur en France (1970).

Figure 3 : Carte obtenue avec 190 valeurs de flux de chaleur (Vasseur, 1982). Les isocontours sont ici tracés manuellement.

Figure 4 : Carte obtenue avec un traçage automatique (Vasseur, 1982).

Figure 5 : Carte obtenue à partir des valeurs de flux non corrigées, et en tenant compte des grandes unités structurales (Gable, 1986).

Figure 6 : Carte obtenue avec les 479 valeurs de flux de chaleur ainsi que les données voisines (données en mer et données espagnoles, suisses, allemandes et italiennes). Issu de Lucazeau et Vasseur (1989).

Figure 7 : Carte de la température du sol moyennée sur l'année 1969.

Figure 8 : Carte de répartition et des valeurs de flux de chaleur, d'après la base de données mondiales I.H.F.C. (voir texte) datant de 1991.

Figure 9 : Flux de chaleur à partir des mêmes données que celles de la figure 6, mais où l'interpolation, réalisée par krigeage, est ici qualifiée avec son erreur.

Figure 10 : Carte des températures à 500m de profondeur, avec indication de l'erreur sur le krigeage.

Figure 11 : Superposition des cartes des températures profondes en France. L'interpolation dans certaines régions reste toutefois discutable à cause du manque de données (voir commentaires dans le texte).

Références citées


- Bonté, D., and Guillou-Frottier, L., Nouvelles cartographies du flux de chaleur et des températures profondes en France métropolitaine : première approche, Rapport BRGM (en cours de finalisation), 2006.
- Gable, R., Acquisition et rassemblement de données géothermiques disponibles en France, Rapport BRGM 78SGN284GTH, 1978.
- Gable, R., Température, gradient et flux de chaleur terrestre. Mesures. Interprétation. Document du BRGM n°104, 188 pages, 1986.
- Goutorbe, B., Lucazeau, F., and Bonneville, A., Using neural networks to predict thermal conductivity from geophysical well logs, Geophysical Journal International, 166, 115-125, 2006.
- Guillou, L., Mareschal, J-C., Jaupart, C., Gariépy, C., Bienfait, G., and Lapointe, R., Heat flow, gravity, and structure of the Abitibi belt, Superior Province, Canada : implications for mantle heat flow, Earth & Planetary Science Letters, 122, 103-123, 1994.
- Hentinger, R. and J. Jolivet, Sur quelques déterminations de flux géothermiques en France, Bulletin du BRGM, 2, 101-114, 1967.
- Hentinger, R. and J. Jolivet, Nouvelles déterminations du flux géothermique en France, Tectonophysics, 10, 127-146, 1970.
- International Heat Flow Commision, The Global Heat Flow Database (1991), http://www.heatflow.und.edu/.
- Vasseur, G., Synthèse des résultats de flux géothermique en France, Annales de Géophysique, 38, 2, 189-201, 1982.
- Lucazeau, F. and G. Vasseur, Heat flow density data from France and surrounding margins, Tectonophysics, 164, 251-258, 1989.
- Pollack, H.N., Hurter, S.J., and Johnson, J.R., Heat flow from the earth's interior: analysis of the global data set, Reviews of Geophysics 31(3), 267-280, 1993.

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Dernière mise à jour : 21/12/2007 12:28:42


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