IDESS - Université de Montpellier

Région Languedoc-RoussillonGEPETOS – AAP 2007

APPEL A PROJETS 2007

GEPETOS

Dossier de demande de subvention

Projet de nouveau Grand Equipement Pour l’Evolution Technologiqueet l’Ouverture Scientifique (GEPETOS) en Languedoc-Roussillon

Direction Régionale Languedoc-Roussillondu CNRS (DR13)

IDESSInstrumentation pour la Dynamique

et l’Evolution du Sous-Sol

Pour toute information relative au dossier :

Philippe PEZARD – GEOSCIENCES MONTPELLIER

O6 09 68 01 67 – 04 67 14 36 [email protected]

www.dstu.univ-montp2.fr

Le dossier et l’ensemble des pièces administratives sontdisponibles sur le site web temporaire de la plateforme :

http://rubis.dstu.univ-montp2.fr/NEWSPIP/spip/spip.php?article714

et, à partir de mi-novembre 2007 :www.idess.eu

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Figure 1 : Image optique orientée et haute-résolution de paroi de forage dans le puits LAV-1 (de 30 à 32 m). Site logistique, experimental et d’enseignement de Lavalette (Montpellier).

30-

32-

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Région Languedoc-RoussillonGEPETOS – AAP 2007 3/117




TITRE ET RESUME DU PROJET OBJET DE LA DEMANDE DE SUBVENTION :

Le projet de plateforme IDESS comporte DEUX GRANDS AXES scientifiques et instrumentaux, chacundivisé en trois « sous projets » ou plutôt « éléments » (E1–E6 ; Figure 2), pour reprendre en français la notion de« WORK PACKAGE » communément utilisée en anglais pour les projets scientifiques, et difficile à traduire. Deuxautres « éléments » sont consacrés au pilotage du GPTR (E7 et E8).

• Outils d’investigation et d’expérimentation en forageDéveloppement d’un plateau technique unique en France et en Europe, pour intervenir en forage de petitdiamètre, à proximité de la surface (0 – 500 m), aussi bien dans le cadre de grands programmes nationaux ouinternationaux de recherche, que celui de projets avec l’industrie.

(E1) GEOPHYSIQUE: consolidation des moyens existants sur le site de Lavalette (CEEL),(E2) HYDRODYNAMIQUE : développement des moyens d’étude de la dispersion des polluants,(E3) MICROBIOLOGIE : nouvel outil d’échantillonnage et de caractérisation microbiologique in situ.

• Observation du sous-sol et expérimentation de terrainInstrumentation permanente en surface et in situ de 3 sites d’observation du sous-sol proche (0 – 50 m), oud’expérimentation, à l’aide d’approches novatrices.

(E4) Monitoring « CO2 » : mise au point et test, sur le site lagunaire et côtier de Maguelone, de nouveauxinstruments et d’un protocole expérimental pour le suivi in situ de la saturation en gaz dans le sous-sol,

(E5) GLISSEMENTS : étude de la dynamique d’un glissement de terrain dans le Lodévois (relation entre :pluviométrie, interactions eau/roche dans le réservoir, déformations in situ, et glissements),

(E6) KARST : étude sur le site du Larzac des transferts de masse dans les formations karstiques, et donc de larelation entre stock et écoulements (approches hydrogéodésique, et géophysique en forage).

• Pilotage du GPTR(E7) INSTRUMENTATION : conditions d’utilisation, localisation du matériel, personnel dédié, accès,(E8) GESTION : pilotage de IDESS (management, communications, site web, conférences).

Le projet de plateforme IDESS s’inscrit dans le projet de développement du nouveau laboratoire deGEOSCIENCES du CNRS (DR13) et de l’Université de Montpellier 2 (depuis janvier 2007), est cohérent avec lacréation d’une équipe SUBSURFACE dans ce contexte, et vient en continuité avec la mise en place à Montpellierde moyens d’investigation du sous-sol par forage au cours de ces dix dernières années. Ce travail fut initié en 1997dans le domaine de l’hydrodynamique, avec la création d’une base expérimentale sur le domaine de Lavalette. Cesite, appelé CEEL (Centre Expérimental et d’Enseignement de Lavalette), s’est fortement développé depuis 2001.La réalisation de 3 forages proches (z ≤ 100 m), l’apport de sondes pour la géophysique en forage (souvent appelésmoyens « diagraphiques » dans le domaine industriel), et la création d’un label regroupant l’ensemble des activitésconcernées, intitulé jusqu’à présent LGHF (Laboratoire de Géophysique et d’Hydrodynamique en Forage), ontcontribués à ce développement.

L’activité du LGHF s’est fortement consolidée sur le plan national et international au cours de ces dernières années.Notamment sous l’impulsion du projet européen FP5 « ALIANCE » (2002-2005), du programme internationalIODP d’exploration par forage de l’océan (avec l’expédition IODP 310 à Tahiti, fin 2005, pendant laquelle nosinstruments ont été déployés), de divers programmes de recherche nationaux (ANR, ORE, etc ...), et maintenantavec le projet européen FP6 « HiTI» (2007-2010). Le LGHF est ainsi devenu le premier laboratoire en France dansson domaine, et l’un des tout premiers en Europe. Il est aussi l’un des rares à consacrer, en relation avec l’industrie,une partie importante de son activité au développement instrumental.

Ces moyens d’investigation in situ sont par ailleurs complémentaires de techniques déployées en surface pourl’exploration de la dynamique du sous-sol proche (inclinomètre, gravimétrie, GPS, sismique, etc...), égalementdéployées par différentes équipes de GEOSCIENCES MONTPELLIER (GM). Ces moyens assemblésjusqu’alors au sein de la « plateforme géophysique » de GM sont réunis, ici et avec IDESS, dans un projet deplateforme unique de l’étude de la dynamique du sous-sol proche (0 – 200 m). Il repose sur la consolidation desmoyens d’investigation en forage existant, et sur le développement de trois dispositifs d’observation etd’expérimentation de terrain (Figure 2). Ce GPTR et ces trois dispositifs s’adressent à des thématiques trèsdifférentes, allant de la recherche fondamentale (changement climatique global), à l’étude des risques (notammentgravitaires), au stockage de déchets dans le sous-sol (notamment nucléaires) ou à la préservation des ressources dusous-sol (eau, géothermie, minerais).

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INTITULE DU GPTR : Instrumentation pour la Dynamique et l'Evolution du Sous-Sol (IDESS)

Figure 2 – Principaux « ateliers » de IDESS (E1-E6), replacés dans un contexte scientifique et technique plus large(océan, géothermie et nappes littorales), à échelle nationale (ORE H+, GIRELLE) ou internationale (IODP, EPC,

IDDP, HiTI, ALIANCE, SALTRANS), et contexte industriel (en région L-R, en France, ou dans le monde)

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APPEL A PROJETS2007

GEPETOS

Cadre réservé àl’administration régionale

N° Dossier :

PARTIE B - Présentation du Grand Plateau Technique pour la Recherche

- Nom : Instrumentation pour la Dynamique et l'Evolution du Sous-Sol (IDESS)-

- existant en émergence

- Date de création: 2008

- Nature, Labels (Plateau technique d’IFR, PF IBISA, , Service commun d’Université,…)

Mise en place d'une nouvelle activité au niveau national (intégration aux « Observatoires de RechercheEnvironnementale » ou ORE H+, RENAG, et OHMCV) et international (participation à IODP avec EPC, età divers projets européens comme ALIANCE, HiTI).

- Établissement (s) de rattachement

CNRS (DR13)- Localisation et locaux

Certains équipements seront implantés de façon permanente sur le terrain, dans le cadre d’observatoire dusous-sol proche. D’autres seront déployés sur la base de projets individuels, récurrents ou non, en régionou dans le monde entier, et ceci à partir de la base logistique de Lavalette (Montpellier).

Concernant les outils d'investigation du sous-sol en forage : ils seront déployés à partir de la baselogistique, de développement instrumental, de maintenance, de calibration, d’expérimentation etd’enseignement constituée par le « Centre d’Expérimentation et d’Enseignement de Lavalette » (CEEL).

Site internet : http://www.dstu.univ-montp2.fr/spip/spip.php?article350Adresse du site : CEEL, Domaine de Lavalette, Montpellier

Responsables scientifique du CEEL: Stéphanie GAUTIER (MC UM2)Responsable de l’informatique du CEEL: Gérard LODS (IR CNRS)Responsables techniques du CEEL: Gilles HENRY et Richard LEPROVOST (IE CNRS)

(E1) « Géophysique» Outils EPC/IODP Responsable : Gilles HENRY (CNRS)(E5) « Hydrodynamique» Outils H2E et YoLog Responsable : Richard LEPROVOST (CNRS)(E6) « Microbiologie» Outil MFT Responsable : Christian MARLIERE (CNRS)

Concernant l’observation du sous-sol et l’expérimentation de terrain, les équipements serontimplantés de façon permanente sur les sites d’études existants ou à déterminer (Figure 3).

(E4) « Monitoring CO2 » Site de Maguelone Responsable : Philippe GOUZE (CNRS)(E5) « Glissements » Site du Lodèvois Responsable : Michel LOPEZ (UM2)(E6) « Karst » Site du Larzac Responsable : Roger BAYER (UM2)

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Figure 3 : Localisation en région Languedoc-Roussillon des équipements de la plateforme IDESS

• Préciser les surfaces des locaux par site

Pour la base logistique, instrumentale et d’enseignement du CEEL (Montpellier) : locaux de 200 m2 sur1100 m2 de terrain équipé de 3 forages principaux, de 100 de profondeur maximum.

• Indiquer les possibilités d’accueil d’équipes extérieures et de formation (surfaces)

Depuis 2001 le Centre d’Expérimentation et d’Enseignement de Lavalette (CEEL) est utilisé pour laformation d’étudiants dans le cadre de séminaires associés à des TP sur le terrain. Ces étudiants viennentspécifiquement de l’Université de Montpellier 2, de l’école d’ingénieur en géophysique de l’EOPG deStrasbourg (2003-), de l’université de Pau et des Pays de l’Adour (2004-), de l’Institut Géologique Albertde Lapparent (IGAL), ou de l’ETH-Z de Zurich en Suisse (2007-).

Les possibilités d’accueil d’équipes extérieures sont par contre assez faibles, avec une situation proche dela saturation dans les locaux du bâtiment 22 de l’UM2 occupés pour environ la moitié par GM.

- Moyens en personnel

• Personnel permanent dédié et/ou affecté au GPTR

NOM Prénom Grade/tutelle Laboratoire Fonction dans le GPTR

ATIENZA José IR CNRS GM Resp. administratif GM

BATIOT Christelle MC UM2 HSM Hydrogéochimie (E5-E6)

BAYER Roger Prof. UM2 GM Resp. KARST (E6)

BOUDIN Frédéric IR CNRS GM Co-Resp technique (inclino)

BRUNET Pascal Tech. UM2 HSM Hydrogéologie (E5-E6)

CELERIER Bernard CR CNRS GM Tectonique/déformations (E5)

CHAMPOLLION Cédric MC UM2 GM Gravimétrie (E6)

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CHERY Jean DR CNRS GM Modélisation/inclino (E6)

COLLARD Philippe Tech. UM2 GM Monitoring GPS (E6)

DAIGNIERES Marc Prof. UM2 GM Géophysique/déformation (E6)

DE WIT Rutger DR CNRS EcoLag MicroBiologie (E3)

DOERFLINGER Erik IR CNRS GM Monitoring GPS(E5)

GAUTIER Stéphanie MC UM2 GM Resp. scientifique CEEL

GOUZE Philippe CR CNRS GM Resp. CO2 (E4)

GILLY Jean-Claude Ingénieur CETE Lien CETE site Lodévois(E5)

HENRY Gilles IE CNRS GM Co-Resp. technique (E1)

JOURDE Hervé MC UM2 HSM Hydrogéologie (E5-E6)

LAUER Christine MC UM2 GM Géophysique en forage (CEEL)

LE MOIGNE Nicolas IE CNRS GM Co-Resp. technique (gravi)

LEPROVOST Richard IE CNRS GM Co-Resp. technique (E2)

LODS Gérard IR CNRS GM Resp. informatique GPTR

LEONARDI Véronique MC UM2 HSM Hydrogéochimie (E5-E6)

LOGGIA Didier MC UM2 GM Calibrations pétrophysiques

LOPEZ Michel Prof. UM2 GM Resp. GLISSEMENTS (E5)

MARLIERE Christian DR CNRS GM Resp. biogéophysique (E3)

PEZARD Philippe DR CNRS GM Resp. scientifique du GPTR

PHILIP Hervé Prof. UM2 GM Risque gravitaire (E5)

TABOADA Alfredo MC UM2 GM Instabilités/modélisation (E5)

VERNANT Philippe MC UM2 GM Resp. « GLISSEMENTS »

• Personnel non permanent (CDD, doctorants et post doctorants)

Nom Prénom Nature du poste/tutelle Lienlabo

Fonction dans le GPTR

GARING Charlotte Doctorante CIFRE TOTAL GM Site de Campos (Majorque)

HEBERT Vanessa Doctorante BDI LR-CNRS GM Instrumentation en forage

JACOB Thomas Doctorant BDI LR-CNRS GM Gravimétrie et Hydrogéologie

LUQUOT Linda Doctorante ADEME-TOTAL GM Séquestration du CO2

VIOLAY Marie Doctorante ADEME-BRGM GM Géothermie (HiTI – IDDP)

ANDREANI Murielle CCD chercheur CNRS GM Hydrothermalisme, CO2

BARRY Simon CCD IE CNRS GM Géophysique en forage

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GASTAMBIDE Joelle Secrétariat – Site web GM Site web et suivi financier

LOFI Johanna CCD chercheur CNRS GM Resp. gestion de IDESS

NEYENS Denis CCD IE CNRS GM Observatoires/Modélisation

NB : Concernant le recrutement de personnel non-permanent, la réglementation du CNRS enmatière de recrutement est basée sur le nombre d’années d’expérience (voir annexe 3). Lerecrutement d’un post-doctorat ne peut se faire que dans les 3 ans qui suivent la date de soutenancede thèse. Au-delà, le recrutement se fait sur un CCD de recherche.

• Evolution à court terme : départ à la retraite, création de poste,…

L’activité relative à IDESS a été soutenue ces dernières années par le recrutement de 5 maîtres de conférencesUM2 (BATIOT, CHAMPOLLION, GAUTIER, LEONARDI, VERNANT), et de 5 ingénieurs CNRS ou UM2(BOUDIN, BRUNET, HENRY, LE MOIGNE, LODS).

Les départs en retraite de trois professeurs sont à anticiper dans les 5 ans à venir (BAYER, DAIGNIERES,PHILIP). Ils devraient être remplacés poste pour poste.

- Moyens en équipement

Nature des principaux équipements, localisation, date d’acquisition, contrat de maintenance, tempsd’utilisation actuel

Nature des équipements Lieu Date d’achatContrat de

maintenance%

d’utilisation

• 4 véhicules de terrain, dont 3 « 4x4 »,• un générateur de puissance (17 KVA),• une remorque de tests hydrodynamique,• 4 treuils avec câbles de 200 à 1200 m,• 20 sondes géophysiques (diagraphies),• 6 sondes de tests hydrodynamiques,

CEEL 1998-2007 NON

≥ 50 %(terrain) +

25 %(enseignement

et tests)

• 2 observatoires in situ de résistivitéélectrique (Maguelone et Majorque)• un dispositif SYSCAL PRO et flûte de 48m (IRIS), pour la tomographie électrique,

(terrain) 2004-2005 NON 100 %

• logiciels de traitement sur PC desmesures et images géophysiques enforage (WellCAD, GeoQuest, EvRest)

UM2(GM)

1998-2007 OUI (GeoQuest)NON (le reste)

≥ 50 %

• gravimètre absolu MG5 de MSI

• 3 gravimètres relatifs SCINTREX

• chaîne sismique GEOMETRICS

• résistivimètre SYSCAL 48 traces IRIS

• GPS cinématique de précision TRIMBLE

DR CNRS

Et

UM2

2005 ORE RENAG 100 %

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- Missions du GPTR

Le projet de plateforme IDESS comporte 2 GRANDS AXES scientifiques et instrumentaux.

• Outils d’investigation et d’expérimentation en forage

Développement d’un plateau technique unique en France et en Europe, et permettant d’interveniren forage de petit diamètre, à proximité de la surface (0 – 500 m), aussi bien dans le cadre de grandsprogrammes nationaux ou internationaux de recherche, que celui de projets avec l’industrie.

(E1) GEOPHYSIQUE: consolidation des moyens existants dans le cadre du CEEL,(E2) HYDRODYNAMIQUE : développement des moyens d’étude in situ de la dispersion,(E3) MICROBIOLOGIE : nouvel outil (MFT) de caractérisation microbiologique in situ.

Ces moyens d’interventions seront mis à disposition de projets scientifiques ou industriels, selon untarif fixe et en vigueur depuis 2004, dans la mesure des contraintes opérationnelles ou de personnels.

• Observation du sous-sol et expérimentation de terrain

Instrumentation permanente, en surface et in situ, de 3 sites d’observation du sous-sol proche (0 –50 m), ou d’expérimentation in situ, à l’aide d’approches novatrices.

(E4) Monitoring « CO2 » : suivi in situ de la saturation en gaz du sous-sol (Maguelone),(E5) GLISSEMENTS : dynamique d’un glissement de terrain (Lodévois),(E6) KARST : ressources en eau dans les formations karstiques (Causse du Larzac).

Les données venant des sites expérimentaux et les résultats des travaux de recherche seront mis àdisposition par IDESS, en ligne, pour la recherche et le développement économique. Les donnéespourront être intégrées, à moyen terme et le cas échéant, au dispositif national existant de l’ORE H+.

- Positionnement concurrentiel du GPTR

• régional

En l’état, les moyens de IDESS sont uniques en région Languedoc-Roussillon, que ce soit pour lagéophysique de surface, ou pour les moyens d’intervention en forage.

• national

Pour l’exploration du sous-sol par forage. En France, les seules structures dotées de moyens similaires àceux de IDESS dans le domaine académique sont localisées à Poitiers, Rennes, Besançon etStrasbourg. Les deux premiers centres participent avec Montpellier à l’ORE H+, dirigé par l’Universitéde Rennes (http://hplus.ore.fr/). Dans tous les cas, les moyens disponibles sont inférieurs de plus de 75% à ceux aujourd’hui en place à Montpellier. Dans ce domaine, le BRGM et l’IFP ne sont plus présentssur le terrain depuis plus de 15 ans.

Pour l’instrumentation permanente du sous-sol. En France comme en Europe, nous sommesactuellement et à notre connaissance les seuls à être actifs dans ce domaine. C’est pourquoi la filiale« Monitoring » de « Schlumberger Water Services » (SWS), située à Vancouver (Canada) et autrefois« WestBay », a proposé à GM et à HSM en 2006 un partenariat scientifique et technique, avecaccès aux instruments de SWS à bas prix, pour nos chantiers scientifique les plus intéressants(http://www.swstechnology.com/aboutus.php). Les projets E4, E5 et E6 de IDESS entrent dans ce cadre(voir Partie C, et lettre de soutien de l’Annexe 2).

Pour l’étude du champ de gravité terrestre et de ses perturbations. En France, les seules autres structuresdotées de moyens lourds sont l’EOST de Strasbourg (Université Louis Pasteur) et le laboratoireSISYPHE (Université de Paris 6).

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• international

Pour l’exploration du sous-sol par forage. En Europe, les universités actives dans ce domaine sontmoins d’une dizaine, principalement localisées en Allemagne (GFZ Potsdam, BGR Hannover, Univ.Aachen et Göttingen), en Suisse (ETH-Z Zurich, Univ. Lausanne et Neuchatel), en Islande (ISOR), ouen Norvège (Tronheim). L’Université Libre d’Amsterdam (Hollande) vient de dissoudre son activitédans ce domaine, suite au départ de ses chercheurs pour l’industrie pétrolière. Ceci nous permetaujourd’hui de racheter leurs sondes de géophysique en forage, semblables aux nôtres, à bas prix (E1).

Nombres de structures se limitent donc à l’analyse de données produites généralement par l’industrie,ce qui ne nous paraît pas satisfaisant dans un contexte scientifique. C’est le cas de l’Université deLeicester (Angleterre) qui dirige le consortium européen pour la pétrophysique EPC (« EuropeanPetrophysical Consortum » ; http://www.ecord.org/), auquel nous participons avec Aachen et Potsdam,depuis qu’Amsterdam s’en est retiré (voir ci-contre et ANNEXE 4, avec notamment le « MOU »ECORD pour IODP). EPC a été constitué en 2004 (http://www.eso.ecord.org/management/epc.htm)pour gérer à échelle européenne, l’acquisition et le traitement de données pétrophysique (acquises enlaboratoire ou in situ, en forage) pour le programme de forages scientifiques dans l’océan IODP.

EPC intervient dans le « Memorandum of Understanding » (MOU) qui régit le fonctionnement du« European Consortium for Ocean Research via Drilling » (ECORD), partenaire européen de IODP(« Integrated Ocean Drilling Program »). GEOSCIENCES MONTPELLIER a donc participé, en 2005et pour la première fois dans ce cadre, à la campagne IODP 310 à Tahiti, avec l’enregistrement desmesures en forage (http://www.ecord.org/exp/tahiti/310log-sum.html). C’était la première fois depuis1985 qu’une entité autre que Schlumberger était utilisée pour ce travail dans le cadre de ODP/IODP !Nous comptons accroître notre fréquence de participation à IODP dès 2008, avec une campagne enAustralie (voir lettre de support de Mike Lovell, de l’Université de Leicester, en Annexe 4), avec unemoyenne d’une campagne par an dans le futur.

Outre GFZ, pratiquement aucune structure académique n’est active en Europe dans le domaine de laconception d’instruments. Dans le domaine de la géothermie cependant, l’équipe SUBSURFACE deGEOSCIENCES MONTPELLIER participe depuis janvier 2007 au projet européen FP6 HiTI (pour« High Temperature Instruments », http://hiti-fp6.eu/). Il s’agit, conjointement avec le programme deforages scientifiques profonds en Islande IDDP (http://www.iddp.is/) de mettre au point de nouvellesapproches d’exploration géophysique par forage des ressources géothermiques de très haute enthalpie(T ≥ 350°C). Piloté par l’agence nationale pour la géothermie en Islande (ISOR ;http://www.isor.is/page/profile), HiTI regroupe 8 partenaires, dont le BRGM, le GFZ de Potsdam, et 4entreprises dont ALT (http://www.alt.lu/) au Luxembourg et CALIDUS en Angleterre.

Avec les résultats acquis par l’intermédiaire du projet européen FP5 « ALIANCE » (2002-2005), etnotamment la réalisation des sondes MuSET, CoFIS et ShyFT, ou des observatoires in situ derésistivité, soit en interne ou en partenariat avec l’industrie, GEOSCIENCES MONTPELLIER est dèsmaintenant leader académique en Europe dans le domaine de la conception d’instruments.

Au-delà de l’Europe, nous travaillons de façon contractuelle avec le « Borehole research Group »(http://www.ldeo.columbia.edu/BRG/) « Lamont-Doherty Earth Observatory » (LDEO) de l’Universitéde Columbia (New York, USA) depuis 1991, dans le cadre du programme ODP/IODP. Mis à partColumbia, l’USGS (Colorado), et surtout l’Université de Stanford (Californie), active notamment avecle pilotage d’un grand projet de forage à travers la faille de San Andreas (http://srb.stanford.edu/), peunombreux sont les laboratoires actifs sur le terrain dans le domaine de la géophysique en forage.

- Activités de recherche du GPTR

• Thèmes de recherche abordés

Ils sont multiples comme le démontre la PARTIE C de ce dossier, autour des notions de ressources dusous-sol (eau avec ALIANCE, géothermie avec HiTI et IDDP), de risques en général (géotechniques etnotamment gravitaires, ou sismique, ou encore de pollution, saline ou microbiologique), de stockage ensurface ou dans le sous-sol (déchets, pétrochimie, CO2 avec le consortium MUSTANG en cours de miseen place, …), ou de recherche plus théorique (impact du changement climatique avec MOHINI ouIODP, biosphère souterraine dans ce même cadre, …). Ceci sans aborder les applications dans ledomaine de l’extraction d’hydrocarbures des réservoirs pétroliers, à l’origine de l’ensemble de cesméthodes, notamment grâce aux frères Schlumberger en Alsace (1927).

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• Coopérations nationales et internationales

Elles sont très nombreuses, comme le souligne le paragraphe précédent consacré au positionnementconcurrentiel de notre projet de GPTR. Il faut cependant ajouter à cela différents travaux de rechercheavec nombre de contacts venant, ces dernières années, de la coordination du projet européen FP5« ALIANCE », jumelé avec le projet FP5 « SALTRANS ». Cela commence avec notre participation,depuis 2004, à l’ORE H+ (http://hplus.ore.fr/). Sur un plan international, des coopérationsparticulièrement fructueuses se sont également mises en place avec les universités de Barcelone (UPC)et d’Oviedo (Espagne), de Birmingham (UK), ou de Zurich (Suisse), ainsi qu’avec le Ministère del’Environnement des Baléares, à Palma de Majorque (Espagne). Ce développement à échelleeuropéenne se poursuit actuellement avec le projet FP6 HiTI et IDDP en Islande, et la mise en place duconsortium MUSTANG pour l’étude de la séquestration du CO2 (voir E4 de la Partie C).

- Nature des prestations proposées par le GPTR

Investigation du sous-sol par forage (géophysique et hydrodynamique en forage): intervention dansle cadre de projets scientifiques exclusivement (pour les prestations réalisables par l’industrie, et dans lesoucis de ne pas mettre en place une concurrence déloyale), dans un cadre industriel ou simplementacadémique. Coût fixe de 300 €/jour lorsqu’un membre de IDESS est impliqué scientifiquement, doublelorsque aucun membre de IDESS n’est impliqué scientifiquement en France, et quadruple (1200 €/jour)dans un cadre industriel ou d’une coopération (académique ou industrielle) hors de France. Ce tarifs’entend avec le déploiement de ces instruments par les soins du GPTR, et sur une durée maximum de12 heures par jour. Un travail continu demande la présence de deux ingénieurs sur le chantier et entraînele doublement de la tarification. Le transport et l’attente d’un chantier (« immobilisation ») sont facturésà un taux de 33 % du coût opérationnel. Cette approche a permis, jusqu’à présent, d’autofinancer leCEEL, de la maintenance récurrente et des frais de jouvence occasionnelle des moyens du LGHF.

Dispositifs expérimentaux et d’observation sur le terrain : accès en ligne et gratuit aux données aprèsun moratoire jamais supérieur à un an ; accès libre aux articles et rapports issus de ces données. Accèsgratuit aux sites expérimentaux pour l’industrie et la recherche, dans les règles strictes defonctionnement de chaque site érigées dans le cadre de IDESS.

- Gouvernance

• Décrire de manière détaillée les outils de gouvernance mis en place ou envisagés (Comitéde pilotage, Conseil de gestion, Conseil d’utilisateurs, Comité scientifique, Comité d’évaluation…,Charte ou convention, statuts,..) Joindre en annexe l’ensemble des pièces nécessaires (statut,composition des comités (nom, fonction,…), rôles, modalités de nomination, …

Le Grand Plateau Technique pour la Recherche IDESS assurera la gestion, l'entretien et le déploiement(planification et organisation) de plusieurs types d'équipements permettant l'instrumentation du sous-sol(de 5 m à 50 m de profondeur) et le suivi de son évolution au cours du temps. Les mesures proposéesdans le cadre de ce GPTR concernent la caractérisation in situ des propriétés du sous-sol (propriétéshydrogéologiques, physiques, électriques, bactériologiques), la caractérisation des déformations (desurface et du réservoir, phénomènes de dissolution et de rupture) et la dynamique des écoulements(volumes d'eau entrants et sortants, physico-chimie des fluides, bilans de masses, cinématique dutransport). Ces équipements seront potentiellement utilisés par des laboratoires de recherche régionaux(EMA, BRGM, HSM, ECOLAG, GM, CIRAD), par des services de l'état implanté en région (CETE,DRE, DRIRE, DIREN, DRASS), par des bureaux d'études (BRL, GINGER) et certaines entreprises dela région (HYTEC, imaGeau, COLCOM, iGEOSS, EAU FORTE). Tout utilisateur d'une partie del'équipement sera tenu de signer une convention appelée « charte IDESS » qui réglera les conditionsd'utilisation du matériel et des données. Cette charte sera disponible en fin d'année sur le site du GPTR.

Chaque équipement sera suivi par un responsable « équipement » qui s'assurera du bon fonctionnementdu matériel et tiendra les autres partenaires informés sur les dépenses à engager ou prévoir, assurera lessorties et retours du matériel déplaçable, les vérifications d'usage avec le personnel technique associé.

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Pour gérer les équipements, le GPTR sera dirigé par un comité de pilotage. Ce comité de pilotage seraconstitué : 1) du responsable scientifique du GPTR, 2) des responsables « équipement » des différentsinstruments du GPTR (personnels ayant une expertise technique sur un type d'équipement), 3) desreprésentants des organismes partenaires ayant signé la charte IDESS, 4) d'un représentant de la région.Une même personne pourra siéger au comité de pilotage à plusieurs titres (un représentant d'unorganisme partenaire pourra être responsable « équipement », par exemple). Le comité de pilotage seréunira au minimum 2 fois par an. Ses tâches seront les suivantes :

1) planifier l'utilisation des équipements et assurer une utilisation cohérente par rapport aux demandes;2) assurer une bonne implantation du GPTR dans le réseau national et international;3) planifier les dépenses d'entretien pour l'ensemble du parc en fonction des retours des responsables ;4) entretenir la relation du GPTR avec la société civile et le monde industriel, en associant les

partenaires publics signataires de la charte IDESS à l'élaboration du calendrier;5) délibérer sur l'adhésion de nouvelles institutions/personnels à la charte IDESS;6) estimer les coûts de fonctionnement et d'entretien des équipements, et organiser l'autofinancement

du GPTR sur le long terme.

Le parc d'instruments sera accessible par l'ensemble des signataires de la charte IDESS avec lesconditions et restrictions éventuelles imposées par le comité de pilotage. L'utilisation d'un équipementdéplaçable sera associée au paiement d'un droit d'utilisation sous la forme d'un ticket modérateur (voirci-dessus). Pour les équipements de surface, chaque équipement sera le cas échéant associé à un ticketmodérateur spécifique (prix unitaire pour une mesure, ou prix journalier selon l'équipement). Lemontant du ticket modérateur sera fixé par le coût de fonctionnement et d'entretien de l'équipementconcerné. Ce montant sera revu si nécessaire par le comité de pilotage. Pour les utilisateurs privés, ceticket modérateur sera recalculé de telle sorte que le GPTR IDESS ne tombe pas sous le coup de laconcurrence déloyale. Ce fonctionnement a pour but de favoriser la mutualisation des campagnes demesures entre les différents laboratoires de la région, de renforcer les liens entre l'université, lesgestionnaires de terrain, et les entreprises.

L'outil de gestion/communication principal du GPTR sera son site web. Il permettra à tous lespartenaires comme à l'ensemble des utilisateurs potentiels de la plateforme de connaître l'actualité liéeaux activités du GPTR, de voir la disponibilité des équipements, d'accéder aux bases de données issuesdes campagnes de mesures réalisées avec le matériel du GPTR. Il sera un point d'entrée sur des actionsde vulgarisation scientifique et sur les activités de recherche régionales portant sur l'instrumentation, ladynamique et l'évolution du sous-sol. Ce site offrira également des fiches techniques sur leséquipements, des outils numériques pour le traitement des données issues des équipements, une FAQsur les équipements de la plateforme et un forum de discussion autour de l'utilisation et le déploiementde ces équipements.

- Ouverture du GPTR : accès et tarification

• Utilisateurs du GPTR (renseigner l’annexe B1)

• Le GPTR est-il en libre accès ou nécessite-t-il un accompagnement ?

Il nécessite toujours un accompagnement technique (voir ci-dessus) sauf pour l’accès direct auxdonnées sur le site web.

• Existe-t-il un système de réservation en ligne ?

Le système de réservation sera intégré au site web de IDESS, et soumis à l’approbation desresponsables scientifiques et techniques des équipements considérés.

• Décrire les modalités d’accès, les délais de réponse (réalisation devis, prestation,…), …

Devis dans la semaine, selon modalités à définir dans le cadre du GPTR.

• Le GPTR dispose t-il d’une politique de tarification ?- si oui sur quelle base a-t-elle été établie (coûts pris en compte), par qui et préciser les tarifs encours ?- si non, pour quelles raisons, comment sont établis les tarifs, et à quelle échéance le GPTRenvisage t-il de mettre en place une politique de tarification lisible et formelle ?

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OUI (voir plus haut).

• Le GPTR est-il référencé sur le site Transferts LR : recherche LR (http ://WWW.transferts-lr.org/transferts-lr/centres_de_competences )

N/A (projet nouveau de GPTR).

• Quels sont les contacts du GPTR avec Transferts LR et ses conseillers technologiques ?

Contacts fréquents avec Mr Jean-Michel Clerc (mensuel, voire parfois hebdomadaire) depuis2004. De ce fait, Philippe Pezard (directeur scientifique du GPTR) est membre du comité COSTIde « Transferts LR » depuis juillet 2007.

• Quels sont les contacts du GPTR avec les services Valorisation des tutelle ?

Contacts fréquents avec les services respectifs du CNRS (DR13) et de l’UM2. Incubation du projetd’entreprise « imaGeau » par LRI (novembre 2005 - avril 2007), puis signature de la conventionCEEI avec l’agglomération de Montpellier (juin 2007). Création d’imaGeau en cours etactuellement prévue pour février 2008.

• Quelles sont les relations du GPTR avec les pôles de compétitivité ?

Le futur GPTR est directement intégré au pôle de compétitivité « RISQUES » (PACA-LR),notamment dans le cadre des activités concernant les ressources en eau en zone côtière (projet« GIRELLE », soutenu par le pôle dans un courrier de juin 2006). IDESS est également proche despréoccupations du pôle « RISQUES» avec l’atelier « GLISSEMENTS» (E5).

L’équipe SUBSURFACE de GM doit par ailleurs participer, en 2008 et dans le cadre de« DERBI » (LR), à une mission d’étude pour l’implantation d’un système géothermique sur le siteARJO-WIGGINS, dans les Pyrénées-Orientales. Celle-ci fut reportée en août 2007 suite àl’effondrement en cours de foration du forage d’exploitation.

IDESS sera enfin très proche des préoccupations du futur pôle « EAU » avec les ateliers« KARST » (E6) et « HYDRODYNAMIQUE » (E2).

• Le GPTR dispose t-il d’une personne-contact identifiée pour répondre aux demandes desentreprises ?


Démarche qualité

La mise en place d’une démarche qualité a t-elle été initiée ? (si oui détailler)


Gestion financière• Comment est assurée la gestion financière du GPTR et par qui ?


• Le GPTR établit-il sa propre facturation ou doit-il faire appel à son établissement derattachement?(si oui détailler)

Facturation actuelle de l’activité du LGHF à l’aide d’un compte distinct « CEEL ».

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Budget 2006 détaillé et budget prévisionnel 2007 du GPTRPrésenter un tableau faisant apparaître les recettes (contribution des tutelles, des laboratoires,contrats, autres) et les dépenses (prestations, maintenance, salaires non permanents,consommables, etc…)

N/A (nouveau projet de GPTR).

Innovation technologique et/ou méthodologique

• Le GPTR dispose-t-il d’un système de veille technologique ?N/A (projet nouveau de GPTR).• Pourcentage du temps consacré à la veille technologiqueN/A (projet nouveau de GPTR).

• Le GPTR développe-t-il de l’innovation technologique et/ou méthodologique ?

OUI (voir PARTIE C).

• Personnel dédié à l’innovation

Pour l’équipe « SUBSURFACE » de GEOSCIENCE MONTPELLIER : Philippe Pezard (DR),Christian Marlière (DR), Philippe Gouze (CR), Gilles Henry (IE), Richard Leprovost (IE), DenisNeyens (IE en CDD), tous employés CNRS.

Valorisation et développement industriel

• Brevets

Demande de brevet en cours concernant les observatoires permanents de résistivité du sous-sol(dépôt par la société GPI en novembre 2006, et élargissement à échelle européenne en mars 2007).Dépôts de brevets à prévoir pour les éléments E3 (Microbiologie) et E4 (CO2 monitoring).

• Partenariat avec l’industrie

Nombreux (voir PARTIE C).

• Création d’activités économiques et/ou d’entreprises au niveau régional et national

Le projet IDESS implique et soutient l’activité de 4 TPE (startups) incubées et/ou créées àMontpellier au cours de ces dernières années (iGEOSS, OktaLogic, ColCom et imaGeau). Lasociété « imaGeau » est actuellement conventionnée avec le CEEI (CAP OMEGA), et en cours decréation (démarrage prévu en février 2008).

Activités de Formation- Description des activités de formation : stages pratiques, séminaires, encadrement detechniciens, ingénieurs, étudiants, chercheurs….

N/A (projet nouveau de GPTR). Plusieurs stages (M1, M2, ingénieurs) proposés chaque année.

Actions de promotion du GPTR (communauté scientifique et entreprises)

• à l’échelle régionale, nationale, internationale• types de support (plaquette, site web…)• modalités de diffusion de l’information

N/A (projet nouveau de GPTR). Site web à construire en première priorité, et participation à descongrès internationaux pour faire connaître IDESS et ses résultats. Ensuite, organisation d’au moinsdeux « workshops » internationaux

- Stratégie du GPTR

Objectifs à 5 ans• Ouverture, professionnalisation, projet de réseau, regroupement avec d’autres GPTR,demande de labellisation, offre de nouvelles prestations, etc…,

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Avec la mise en place de IDESS, nous chercherons à devenir leader européen dans le domaineacadémique dans les 5 ans qui viennent, et parmi les 5 laboratoires les plus performants au mondedans le cadre de l’exploration du sous-sol par forage. L’intégration active de méthodes de surface etde subsurface sur 3 sites expérimentaux et d’observation (Larzac, Lodèvois, Maguelone), ne pourraque renforcer cette position dominante. Atteindre l’ensemble des objectifs définis par les sixéléments de base du projet de GPTR (E1 à E6) sera donc le premier objectif de IDESS.

Moyens mis en œuvre• Préciser en particulier les recrutements prévisionnels de personnels titulaires

N/A (projet nouveau de GPTR). Ce projet s’appuie, pour l’organisme porteur (GM), sur près detrente permanents et dix non-permanents, soit environ 25% de la structure. Il est donc proposé demettre IDESS en place avec les moyens existants, et de juger seulement au terme de la premièreannée de la pertinence de recrutements ultérieurs.

Annexe B-1

REPARTITION DE L’UTILISATION DU GPTR

Equipes du secteur public (région et hors région)

Intitulé des équipes Laboratoire derattachement

Situationgéographique

Nombre dechercheursutilisateurs

%utilisation

(1)

BRGM Montpellier BRGM Orléans Montpellier (34) 5 10

CETE Méditerranée CETE Aix-en-Pce Montpellier (34) 3 2.5

Risques Naturels Ecole des Mines d’Alès Alès (30) 5 2.5

EcoLag Ecosystèmes Lagunaires Campus UM2 (34) 2 2.5

GM Géosciences Montpellier Campus UM2 (34) 20 50

HSM HydroSciences Montpellier Campus UM2 (34) 5 10

Equipes du secteur privé (région et hors région)

Nom des entreprises Secteur d’activité Situationgéographique

%utilisation

(1)

COLCOM Nanotechnologie pour applications biologiques Montpellier (34) 2.5

HYTEC Conception/fabrication de systèmes téléopérés Montpellier (34) 5

imaGeau Observatoire in situ (en forage) de résistivité Montpellier (34) 5

FUGRO Installation des observatoires dans le sous-sol Jacou (34) 2.5

IGEOSS Logiciels de géomécanique Montpellier (34) 2.5

SWS (Schlumberger) Observatoire hydrogéologiques in situ (en forage) Vancouver (Canada) 5

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Région LanguedocRoussillonGEPETOS 2007

INTITULE DU GPTR : IDESS (Instrumentation pour la Dynamique et l’Evolution du Sous-Sol)

PARTIE C - Présentation du projet objet de la demande de subvention

Motivations scientifiques et techniques,et structure générale du projet

L’exploration géophysique du sous-sol s’effectue, quel que soit le domaine, à l’aide demesures ou d’images réalisées à partir de la surface ou en forage. Alors que la premièreapproche fournit généralement des informations de portée plus globale, le secondeintervient à champ proche, in situ, est donc plus locale, mais demeure souvent plus apte àla caractérisation des processus souterrains.

Alors que la géophysique en forage est apparue en France (Pechelbronn, Alsace) il y a toutjuste 80 ans avec les frères Schlumberger, les premières descriptions du sous-sol réaliséesen forage se sont longtemps focalisées sur la description des structures traversées. Dans cedomaine, les techniques d’imagerie à haute-résolution apparues au cours des vingtdernières années (Partie A – Figure 1) constituent un aboutissement qu’il sera difficile defaire évoluer de façon substantielle dans les prochaines décennies.

En revanche, nombre de questions restent aujourd’hui ouvertes pour ce qui est de ladynamique du sous-sol dans la partie supérieure de la croûte terrestre. De façonparadoxale, l’effort industriel important associé à l’exploration pétrolière a conduit à mieuxconnaître les réservoirs situés entre un et quatre km de profondeur, que les premièrescentaines de mètres situés sous nos pieds. C’est cependant là que se fait ressentir de lafaçon la plus aiguë l’activité humaine en surface. C’est aussi de là que dépend une grandepartie de notre activité, que ce soit en termes de ressources (eau, géothermie, …) ou derisques (sismiques, géotechniques, gravitaire, biologiques ou chimiques, …).

En relation directe avec l’activité scientifique de nos laboratoires, nous avons donc choiside nous intéresser ici à un ensemble de grandes questions actuelles centrées sur les notionsde RISQUES, de RESSOURCES en EAU, et d’impact de l’activité humaine sur leCLIMAT. Pour cela, nous proposons la mise en place de moyens accrus d’investigation dusous-sol proche, ainsi que de sites expérimentaux et d’observation de terrain. Le projet deplate-forme IDESS comporte donc DEUX GRANDS AXES scientifiques etinstrumentaux, chacun divisé en trois « sous projets » (Partie A - Figure 2).

• Outils d’investigation et d’expérimentation en forage ---> Développement d’un plateau technique unique en France et en Europe, pourintervenir en forage de petit diamètre, à proximité de la surface (0 – 500 m), aussi biendans le cadre de grands programmes nationaux ou internationaux, que celui de projets avecl’industrie. Les trois volets proposés sont les suivants :(E1) GEOPHYSIQUE : consolidation des moyens existants à Lavalette (CEEL),(E2) HYDRODYNAMIQUE : développement de moyens accrus d’étude de la dispersiondes polluants dans le sol et les réservoirs,(E3) MICROBIOLOGIE : création d’un outil complètement inédit d’échantillonnage etde caractérisation microbiologique du fluide poral in situ.

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• Observation du sous-sol et expérimentation de terrain ---> Instrumentation permanente en surface et in situ de 3 sites d’observation du sous-sol proche (0 – 50 m), ou d’expérimentation, à l’aide d’approches novatrices.(E4) Monitoring « CO2 » : mise au point et test, sur le site lagunaire et côtier deMaguelone, de nouveaux instruments et d’un protocole expérimental pour le suivi in situde la saturation en gaz dans le sous-sol,(E5) GLISSEMENTS : étude de la dynamique d’un glissement de terrain dans leLodévois (étude des relations entre : pluviométrie, interactions eau/roche dans le réservoir,déformations in situ, et glissements),(E6) KARST : étude sur le site du Larzac des transferts de masse dans les formationskarstiques, et donc de la relation entre stock et écoulements (approches hydrogéodésique,et géophysique en forage).

Le projet de plate-forme IDESS s’inscrit dans le projet de développement du nouveaulaboratoire de GEOSCIENCES du CNRS (DR13) et de l’Université de Montpellier 2(depuis janvier 2007). Il est aussi cohérent avec la création d’une équipe SUBSURFACEdans ce contexte, et vient en continuité avec la mise en place à Montpellier de moyensd’investigation du sous-sol par forage au cours de ces dix dernières années. Ce travail aconduit à la création depuis 7 ans d’une base expérimentale appelée CEEL (CentreExpérimental et d’Enseignement de Lavalette).

L’activité de l’équipe SUBSURFACE s’est fortement consolidée sur le plan national etinternational au cours de ces dernières années. Notamment sous l’impulsion du projeteuropéen FP5 « ALIANCE » (2002-2005), du programme international IODPd’exploration par forage de l’océan (avec l’expédition IODP 310 à Tahiti, fin 2005,pendant laquelle nos instruments ont été déployés), de divers programmes de recherchenationaux (ANR, ORE, etc ...), et maintenant avec le projet européen FP6 « HiTI» (2007-2010). Le LGHF est ainsi devenu le premier laboratoire en France dans son domaine, etl’un des tout premiers en Europe. Il est aussi l’un des rares à consacrer, en relation avecl’industrie, une partie importante de son activité au développement instrumental.

Ces moyens d’investigation in situ sont complémentaires de techniques de surfaceégalement déployées par les équipes de GEOSCIENCES MONTPELLIER pourl’exploration de la dynamique du sous-sol proche (inclinomètre, gravimétrie, GPS, etc...).IDESS rassemble tous ces moyens dans un projet de plate-forme unique pour l’étude de ladynamique du sous-sol proche (0 – 200 m). Il repose sur la consolidation des moyensd’investigation en forage existant, et sur le développement de 3 dispositifs d’observation etd’expérimentation de terrain.

Avec la mise en place de IDESS, nous chercherons à devenir leader européen dans ledomaine académique dans les 5 ans qui viennent, et parmi les 5 laboratoires les plusperformants au monde dans le cadre de l’exploration du sous-sol par forage. L’intégrationactive de méthodes de surface et de subsurface sur 3 sites expérimentaux et d’observation(Larzac, Lodèvois, Maguelone), ne pourra que renforcer cette position dominante.Atteindre l’ensemble des objectifs définis par les six éléments de base du projet de GPTR(E1 à E6 ; Partie A – Figure 2) sera donc le premier objectif de IDESS.

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Elément (E1) : « Géophysique» (Equipements de géophysique en forage pourune intervention dans le cadre de grands projets internationaux comme IODP)

A- JUSTIFICATION SUCCINTE DE LA DEMANDE (E1)

L’objectif est ici simple. Il s’agit d’étoffer les moyens d’intervention géophysique en foragede l’équipe SUBSURFACE de GEOSCIENCES MONTPELLIER afin de participer à degrandes opérations de forage scientifique à l’étranger, en mer, ou sur des sites difficilesd’accès. Le coût de telles campagnes est souvent important, parfois de plusieurs millionsd’euros, pour seulement un mois de forage. En outre, ces campagnes représentent souvent lapremière opportunité d’enregistrement de données dans une zone vierge. L’échec d’unecampagne de mesure, après le départ du site d’un appareil de forage onéreux, conduit souventà l’absence de données pour plusieurs décennies. Sur certains sites, où il est souvent exclus deréparer un appareil défectueux, il est indispensable de disposer d’une instrumentation bienpréparée et au minimum redondante. La motivation scientifique de cette affaire vient de laparticipation de Montpellier depuis 2005 à un réseau européen dans le cadre du grandprogramme de forages océaniques scientifiques IODP (« Integrated Ocean DrillingProgram » ; voir ci-dessous). Ce réseau EPC (« European Petrophysical Consortium » ; voirci-dessous) fait partie de la nouvelle structure européenne pour IODP intitulée ECORD(« European Consortium for Ocean Research Drilling » ; voir ci-dessous). EPC est dirigé parl’Université de Leicester (UK). Outre Leicester et Montpellier, EPC était constitué jusqu’en2006 des universités de Aachen (D) et Amsterdam (H). Le retrait de cette dernière fait reposersur Montpellier l’ensemble du savoir-faire de terrain de EPC pour la géophysique en forage.Leicester et Aachen sont quant à eux focalisés sur la pétrophysique de laboratoire ou letraitement des mesures et images en forage. Par ailleurs, EPC a volonté de réaliser chaquefois que possible les mesures (au laboratoire ou en forage) des missions qu’elle organise. Unepremière étape a été franchie en 2005 avec la prise en charge par Montpellier de la partie« géophysique en forage » de la mission IODP 310 dans le récif corallien de Tahiti. Le succèsscientifique et technique de cette opération pousse EPC à s’investir encore plus dans cedomaine (voir lettre de M. Lovell pour EPC, ou celle de C. Mevel pour la structure dedirection de ECORD; Annexe 2).Une opportunité nous est offerte depuis peu d’atteindre cetobjectif à coût réduit, avec la vente des outils d’occasions de l’Université Libre d’Amsterdam(H). Ce jeu d’outils a été loués par notre équipe pendant un an, à l’occasion de la mission deTahiti. Une longue période de test fut l’occasion de vérifier la compatibilité de nos outils avecceux venus de Hollande. On notera que l’Université d’Amsterdam et Géosciences Montpellieront choisi de s’équiper avec les mêmes fournisseurs (ALT et MOUNT SOPRIS), rendantpossible une interchangeabilité indispensable sur le terrain.Avec cet achat de 6 sondesd’occasion, il restera à acquérir une sonde de résistivité par induction (ALT), et deux boîtesd’acquisition de données en surface (ABOX et MATRIX box ; ALT), pour disposer d’unsystème entièrement redondant, comme ce fut le cas pour l’opération de Tahiti. Pour cettecampagne, nous fûmes obligés de louer la partie du matériel qui nous faisait défaut.

Cette demande vise à co-financer à hauteur de 40% des équipements scientifiques de terrain, pourobtenir la redondance nécessaire lors d’opérations de géophysique en forage à l’étranger ou dansl’océan (IODP ou « Integrated Ocean Drilling Program »).

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B- PRESENTATION DETAILLEE DU PROJET ET JUSTIFICATION (E1)

(E1) Contexte

• IOPD et les forages océaniques scientifiques

Les forages océaniques scientifiques ont été initiés à la fin des années 1950. Leschercheurs voulaient alors traverser la croûte océanique, moins épaisse que la croûtecontinentale (de 5 à 7 km contre une cinquantaine), pour atteindre le manteau de laTerre. Mais cet objectif était bien trop ambitieux avec la technologie de l'époque !

En 1968, après l'avènement de la théorie de la tectonique des plaques et grâce àl'enthousiasme suscité autour de la connaissance de la Terre, le premier programme,DSDP, est lancé par les Américains. Il s'internationalise rapidement en devenant IPOD,auquel la France adhère. L'objectif principal de DSDP puis d'IPOD, avec le navireGlomar Challenger était de dater la croûte océanique en différents points des océanspour vérifier la théorie de la tectonique des plaques. A son début, ce programme étaitdonc avant tout exploratoire. Il a ensuite contribué au développement de nouvellesdisciplines telles que la paléoclimatologie et la géodynamique. L'océanographie est alorspassée de l'exploration à l'étude des processus terrestres dans l’océan. Au milieu desannées 80, le programme ODP a pris le relais avec un nouveau navire, le JoidesResolution, et avec une série d'objectifs scientifiques plus ambitieux et plus diversifiés.Les opérations de forage se focalisent alors sur des cibles plus spécifiques, par exemplele long des dorsales océaniques ou à proximité des marges continentales.

A ce jour, le puits le plus profond jamais foré a atteint 2111 m sous le plancherocéanique. L'objectif initial consistant à échantillonner une section complète de la croûteocéanique n'est donc toujours pas rempli. C'est seulement dans le cadre d'IODP, grâce àune nouvelle technologie de forage, qu’il sera enfin possible de forer suffisammentprofond (6 km) pour atteindre cet objectif. Traverser la croûte océanique est un défi quireste d'actualité. Les programmes DSDP, IPOD et ODP ont permis de forer 2889 puits,représentant une longueur cumulée de près de 320 km. Les innombrables découvertesscientifiques réalisées dans ce cadre ne sauraient être résumées ici.

Le nouveau programme de forages, IODP (Integrated Ocean Drilling Program), a démarréen 2003. Prenant la suite d'ODP, IODP marque un pas beaucoup plus ambitieux dansl'exploration des fonds océaniques par forage. Il met à la disposition des scientifiques unepanoplie d'outils de forage qui permet d'élargir considérablement les objectifs. Deux naviresforeurs sont utilisés en permanence, et ponctuellement, des plates-formes plus légères dites« spécifiques», mises en oeuvre par un consortium de pays européens,

Le point fort d'IODP, du point de vue technologique, est le nouveau navire foreur japonaisChikyu,. Il est équipé d'un système de riser, qui lui permet de forer des puits profonds dans lacroûte océanique (5 à 6 km) ou dans des zones instables. De nouveaux domaines océaniquesjamais forés seront ainsi accessibles. Pour répondre aux objectifs pour lesquels les grandsnavires sont inopérants, notamment en zone côtière, on utilise des plates-formes alternatives .

Les champs d'investigation d'IODP sont très larges. Les cibles prioritaires sont :• L'étude de la biosphère cachée dans les premiers kilomètres de la croûte océaniques,• L'étude des régions sismiques comme le Japon, avec des puits instrumentés,• L'étude des marges continentales qui renferment des d'hydrates de gaz,• L'étude du changement climatique par l'étude des variations passées,• La mise en place d'observatoires au fond des océans, en particulier des sismomètres,• Atteindre le rêve des océanographes: traverser l’ensemble de la croûte océanique !

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• ECORD, EPC et GEOSCIENCES MONTPELLIER

L’Europe s’est organisée pour avoir plus de poids dans ce nouveau programme. Dix-sept paysont signé un MOU (« Memorandum Of Understanding ») pour former le consortium ECORD.Le rôle d'ECORD est d'étendre la capacité du programme IODP en mettant en œuvre lesplates-formes dites "spécifiques" ou MSP ("Mission Specific Platforms"). Ces plates-formessont louées uniquement sur la durée des missions. Dès 2004, une première opération futmenée dans l'Arctique, suivie par une seconde en 2005 dans Pacifique sud. Dans ce cadre,EPC (« European Petrophysical Consortium ») dirigé par Leicester est chargé del’enregistrement des données pétrophysiques, de laboratoire ou en forage.

Pour IODP international (sur le Joides Resolution et depuis 1991), l’équipe SUBSURFACEenvoie régulièrement un scientifique chargé à bord de veiller sur l’enregistrement des mesuresen forage, et au respect dans ce cadre des objectifs scientifiques.

Pour ECORD (sur les MSP, depuis 2005), l’équipe SUBSURFACE intervient en tant queresponsable scientifique des opérations de mesures en forage et aussi, ponctuellement, en tantqu’opérateur de ces mesures : • en assurant la formation des scientifiques dédiés aux mesures géophysiques en forage, • en interprétant les images de paroi de forage dans le cadre de ces campagnes, • en mettant à la disposition des scientifiques concernés des stations de travail équipées delogiciels de traitement de données tels que GEOFRAME, WELLCAD et IESX.

L'historique de la participation de l’équipe aux campagnes océaniques IODP, depuis 1990 serésume comme suit, avec 33 participant sur 30 campagnes de deux mois en moyenne :

Campagnes ODP du LGHF (1991 – 2004)

Expédit° Lieu AnnéePersonnel

Leg 140 Hole 504B 1991 P. PEZARD (Logging Scientist)Leg 147 Hess Deep 1992 B. CELERIER (Logging Scientist)Leg 148 Hole 504B 1993 P. PEZARD (Logging Scientist)Leg 152 East Greenland Margin 1994 H. CAMBRAY (Logging Scientist)Leg 155 Amazon Fan 1994 J. THIBAL (Logging Trainee)Leg 156 North Barbados Ridge 1995 A. RABAUTE (Logging Trainee)Leg 160 Mediterranean I 1995 A. RABAUTE (Logging Scientist)Leg 161 Mediterranean II 1995 F. De LAROUZIERE (Logging Scientist)Leg 163 Gas Hydrates 1996 H. CAMBRAY (Logging Scientist)Leg 165 Cretaceous/Tertiary Boundary 1997 V. LOUVEL (Logging Scientist)Leg 171B Blake Nose Paleoceanography 1997 S. MARCA (Logging Trainee)Leg 173 Iberian Margin 1997 V. LOUVEL (Logging Scientist)Leg 174B Mid-Atlantic Ridge 1998 P. PEZARD (Logging Scientist)Leg 175 Benguela Current 1998 H. CAMBRAY (Logging Scientist)Leg 178 Antarctic Peninsula 1998 C. LAUER (Logging Trainee)Leg 179 Hammer Drilling and NERO 1998 F. EINAUDI (Logging Trainee)Leg 180 Woodlark Basin 1999 B. CELERIER (Logging Scientist)Leg 184 South China Sea 1999 C. LAUER (Logging Trainee)Leg 185 Izu Mariana Margin 2000 G. CAIRNS (Logging Trainee)Leg 187 Australian Antarctic Rifting 2000 F. EINAUDI (Logging Scientist)Leg 191 NW Pacific Seismic Observatory 2001 F. EINAUDI (Logging Scientist)Leg 192 Ontong Java Plateau 2001 G. CAIRNS (Logging Scientist)Leg 195 Mariana / West Pacific ION 2001 P. GAILLOT (Logging Trainee)Leg 197 Hotspots 2002 F. EINAUDI (Logging Scientist)Leg 199 Paleogene Pacific 2003 P. GAILLOT (Logging Scientist)

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Leg 206 Fast Spreading Crust 2003 F. EINAUDI (Logging Scientist)Leg 208 Walvis Ridge 2004 P. GAILLOT (Logging Scientist)

Campagnes IODP international du LGHF (2005 – 2007)

Exp. 304 Atlantic Core Complex 2005 F. EINAUDI (Logging Scientist)Exp. 309 Fast Spreading Crust 2005 F. EINAUDI (Logging Scientist)

A. BELGHOUL (Logging Trainee)

Campagnes ECORD du LGHF (2005 – 2007)

Exp. 310 Tahiti Sea Level 2005 H. BRAAKSMA (Logging Scientist)G. HENRY (Head Logging Engineer)F. EINAUDI (Asssistant Engineer)

Exp. 313 New Jersey Shallow Shelf(en préparation)

2008 J. LOFI (Logging Scientist)

• ECORD – Expédition 310 « Tahiti Sea Level » (2005)

Fin 2005, des scientifiques de 9 nations ont entrepris la plus importante campagne de foragejamais réalisée dans un récif corallien moderne. Les 639 m de carottes de coraux fossilesprélevés dans 37 puits de forage au large de Tahiti contiennent les renseignements les plusprécis actuellement disponibles sur les variations du niveau marin et de la température deseaux de surface au cours de la dernière période de déglaciation, depuis 23 000 ans.(www.eso.ecord.org/expeditions/310/310.htm). L’activité des l’équipe de Montpellier lors decette campagne est résumée en ligne par: (www.ecord.org/exp/tahiti/310log-sum.html).

Pourquoi Tahiti ?Tahiti est une île volcanique relativement stable, qui s’enfonce à une vitesse faible (0,025mm/an). Située dans le Pacifique Sud, non loin des zones recouvertes autrefois par lesglaces, la barrière de corail de Tahiti représente un site idéal pour reconstituer avecprécision les changements climatiques globaux. Depuis la dernière glaciation, le niveaumarin s’est élevé de 130 m environ, du fait de la fonte des calottes polaires et de ladilatation océanique globale liée à une augmentation de la température. L’étude de cettedernière déglaciation, qui reste relativement mal connue, est essentielle à lacompréhension des phénomènes climatiques passés mais aussi actuels et futurs.

Les récifs coralliensLes récifs coralliens sont des entités vivantes constituées d’organismes extrêmementsensibles. De part leurs exigences écologiques strictes et leur aptitude à archiver desdonnées chimiques dans leur squelette, les récifs coralliens représentent d’excellentsenregistreurs des conditions environnementales telles que la salinité, la température et leniveau marin. Depuis quelques années, l’étude des récifs coralliens est devenu un outilmajeur en paléoclimatologie. En échantillonnant de longues séries continues de corauxaccumulés et transformés en roche depuis des millénaires, les scientifiques reconstituentles climats du passé de manière très précise. Mais si les récifs coralliens sontextrêmement riches, ils sont également très fragiles et tendent à disparaître peu à peu.

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En dehors de IODP, l’équipe SUBSURFACE de Géosciences Montpellier a participé au coursde ces dernières années à nombre de projets scientifiques internationaux ou internationaux,comme les projets européens FP5 « ALIANCE » et « DG Lab – Corinth », ou le projet FP6 encours « HiTI » centré sur le développement de nouveaux outils à haute température pourl’exploitation de ressources géothermales à très haute enthalpie. On prendra « HiTI » commeexemple pour illustrer l’activité de l’équipe SUBSURFACE dans un cadre international et endehors des forages océaniques.

• HiTI (High Temperature Instruments)

Le projet HiTI (hiti-fp6.eu) est un projet sur 3 ans (STREP) financé par la CommissionEuropéenne suite à un appel d’offre lancé dans le cadre du 6° PCRD. Il est réalisé dans lecadre du programme IDDP (Iceland Deep Drilling Project ; www.iddp.is) initié par ISOR .

Origine du projet IDDPLa géothermie est une énergie renouvelable potentiellement exploitable. L’Islande, dont lesbesoins énergétiques sont couverts à plus de 70 % par les énergies renouvelables (ce quiconstitue un record mondial dans ce domaine), exploite habituellement des puits à uneprofondeur de 2 à 3 km, où la température atteint 200 à 300°C. Un forage à cette profondeurproduit 5 MW environ, ce qui reste assez faible, par exemple, en comparaison d’une centralenucléaire constituée de 4 tranches produisant chacune 900 MW.

Le projet I D D P , initié par ISOR en Islande, a pour objectif d’améliorer lesconnaissances, les compétences et les moyens pour permettre l’exploitation de puits àtrès haute enthalpie (> 400 °C), à proximité des chambres magmatiques et à desprofondeurs de l’ordre de 5 km. La puissance extraite de tels puits atteindrait alors 50MW. Pour parvenir à ce résultat, il faut d’abord se doter des moyens permettant d’unepart la caractérisation in situ du réservoir à de telles températures et, d’autre part, desmoyens permettant d’en suivre ultérieurement la production. Plus généralement, unemeilleure connaissance des propriétés physiques des roches volcaniques et intrusives,ainsi que des processus qui contrôlent le fonctionnement des réservoirs supercritiques,est nécessaire aux conditions considérées. Ces processus n’ont pour l’instant pu êtreétudiés qu’à l’état « fossile », en utilisant des échantillons venant d’ophiolite (Oman), oudu plancher océanique (fumeurs noir, forages IODP).

Objectifs de HiTIL’équipe « SUBSURFACE » de GM propose une investigation de ces processus par le biaisde l’expérimentation, en laboratoire et sur le terrain, avec la création de nouveaux outils demesures à haute température (< 350°C), la modélisation des données issues de ces outils, et laréalisation d’études de cas autour de ces mesures, et notamment dans le puits IDDP, lorsqu’ilsera réalisé sur le flanc du volcan Krafla (2008).

En laboratoire, il s’agit de récréer à l’aide de la presse Paterson les conditions supercritiquesqui régissent les zones de recharge de l’hydrothermalisme à proximité des chambresmagmatiques (de 500 à 600°C, 200 Bars).

Sur le terrain, il s’agit de concevoir (Philippe Pezard) et mettre en œuvre (CALIDUS) denouveaux outils d’investigation permettant de résister à de telles conditions opérationnelles,de nouveaux protocoles d’analyse de données et de nouveaux modèles numériques (DenisNeyens) permettant de caractériser les réservoirs observés.

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(E1) Objectifs et finalité du projet

Disposer d’un jeu complet de sondes géophysiques en forages et d’instruments de surfacepermettant le déploiement de nos moyens à l’étranger, en mer, ou sur des territoires reculés.Les moyens d’intervention géophysique en forage de l’équipe SUBSURFACE deGEOSCIENCES MONTPELLIER seront ainsi étoffés par l’acquisition de 2 ordinateurs deterrain, de 6 sondes d’occasion (Université d’Amsterdam, sondes ALT et MOUNT SOPRIS),d’une sonde de résistivité neuve (ALT) et de deux boîtes d’acquisition de données en surface(ABOX et MATRIX box ; ALT). Les devis de ces équipements sont ici en annexe 1 (E1).Le devis ci-dessous (n°1007-2003) est uniquement fourni à caractère indicatif pour illustrer lecoût élevé de l’acquisition de 2 sondes neuves (1 sonde acoustique et 1 sonde optique). Pourun prix réellement attractif, nous avons l’opportunité d’acquérir d’occasion ces deux mêmessondes, ainsi que 4 sondes supplémentaires (voir devis n°3, Annexe 1). Ces sondes d’occasionayant déjà été testées par notre équipe, nous en connaissons les performances ainsi que lacompatibilité avérée avec nos systèmes d’acquisition.

Devis à caractère indicatif pour l’acquisition de deux sondes neuves

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(E1) Caractère novateur

L’acquisition de matériel de série (ALT et MOUNT SOPRIS) ne présente pas de caractèrenovateur particulier. L’innovation est ici dans les thématiques scientifiques abordées lors descampagnes, plus que l’instrumentation permettant d’y accéder.

(E1) Moyens mis en œuvres pour E1 dans IDESS

Moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM (financiers et techniques). En particulier :- le site du CEEL pour le déploiement logistique à l’étranger, les tests, la calibration et la

maintenance des sondes, ainsi que le développement instrumental,- les moyens en place d’intervention sur le terrain en géophysique en forage,- les moyens de laboratoires relatifs aux analyses pétrophysiques de carottes, ou le

traitement informatique des données géophysiques de puits.

(E1) Programmes scientifiques recouvrant actuellement (ou dans le futur) la demande

Il s’agit des moyens associés à l’activité de EPC (prévue jusqu’en 2013 à ce stade) au sein deIODP d’une part, et de ceux associés au projet européen HiTI (2007-2009) d’autre part.

(E1) Equipes scientifiques directement concernés par le projet

Equipe SUBSURFACE du laboratoire Géosciences Montpellier (UMR CNRS/UM2 5243).

NOM, prénom GRADE Laboratoire Spécialité

BARRY Simon IE CNRS GM Géophysique en forage

CELERIER Bernard CR CNRS GM Géophysique en forage - Tectonique

GARING Charlotte Doctorante GM Hydrogéochimie en forage

GASTAMBIDE Joelle IE NEB GM Gestion - site web

GAUTIER Stéphanie MC UM2 GM Géophysique - Sismologie

GOUZE Philippe CR CNRS GM Hydrodynamique en forage

HEBERT Vanessa Doctorante GM Géophysique en forage

HENRY Gilles IE CNRS GM Géophysique en forage - Instrumentation

LOFI Johanna CR CNRS GM Sédimentologie et pétrophysique

LEPROVOST Richard IE CNRS GM Instrumentation - Hydrodynamique en forage

LODS Gérard IR CNRS GM Informatique - Hydrodynamique en forage

NEYENS Denis IE CNRS GM Géophysique en forage - Modélisation

PEZARD Philippe DR CNRS GM Géophysique en forage - Pétrophysique

VIOLAY Marie Doctorante GM Géothermie - Hydrothermalisme

Les porteurs scientifiques du volet « Géophysique» (E1) de IDESS, pour chacun des aspects scientifiques ouinstrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gras

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(E1) Références bibliographiques

Belghoul. A, Pezard. P. A., Gouze. P, Lods. G, Riley. M, Ellis. P, Bour. O, Montoto, M., Amboise,B., Physical properties of a basement aquifer, a case study from Ploemeur (Brittany, France) Enprep. pour Tectonophysics

Belghoul. A, Pezard. P. A., Gouze. P, Henry. G, Gautier. S, Gaillot. P, Lods. G, Leprovost. R, Riley.M, Ellis. P, Le Borgne. T, Braaksma. H, and Bour. O. Detailed structure and transmissivity of afractured basement aquifer, a case study from the ALIANCE experimental site (Ploemeur,France). En prep. pour Contaminant Hydrology,

Belghoul. A, Pezard. P. A, Loggia. D, Azais. P, Henry. G, Gautier. S, and Bour. O.Streaming potentialof crushed granitic rocks with application to a basement aquifer, En prep. pour Geophys. Res. Lett.

Belghoul. A, Pezard. P. A, Ildefonse. B., and Violay. M,. Physical properties of a complete section ofupper oceanic crust formed at a superfast spreading rate (IODP Hole 1256 D). En prep. pour G3.

Gouze Ph., T. Le Borgne, R. Leprovost , G. Lods, T. Poidras and Ph. Pezard, Non-Fickian dispersionin porous media: 1. Multi-scale measurements using single-well injection-withdrawal tracer testsat the Ses Sitjoles/ALIANCE test site (Spain), Water Resources Research, in press.

Le Borgne T, O. Bour, M.S., Riley, Ph. Gouze, Belgouhl, G. Lods, R. Leprovost , R.B. Greswell, P.A.Ellis, E. Isakov, B.J. Last , Ph. Pezard, Comparison of alternative methodologies for identifyingand characterizing preferential flow paths in heterogeneous aquifers, Journal of Hydrology, 337(1-2), 2007, 133-146.

Le Borgne T. and Gouze Ph., Non-Fickian dispersion in porous media: 2. model validation frommeasurements at different scales, Water Resources Research, in press.

Lods G. and Gouze Ph. WTFM, a software for well tests analysis in fractured media combiningfractional flow with double porosity and leakance. Computer and Geosciences, 30, 2004, 937-947.

Pezard, P.A., Belghoul, A., Gouze, P., Gautier, S. Lods, G., Riley, M., Le Borgne, T., Bour, O.,Integrated characteriation of a basement aquifer; a geophysical and hydrodynamical perpective atPloemeur, Brittany. En prep. pour Ground Water.

(E1) Nouveaux partenariats envisagés dans le cadre du projet

Elargissement du partenariat constitué dans le cadre de EPC et de IODP au programme deforages scientifiques continentaux ICDP piloté depuis Potsdam, en Allemagne, par l’institutGFZ. GFZ a en effet (pour ICDP) un rôle similaire à celui de EPC dans IODP. De ce fait, etavec l’acquisition d’un jeu d’outils complètement redondants, une intensification des missionssur le terrain, avec participation des moyens de IDESS à au moins une campagne de forageimportante chaque année, deviendra possible.

(E1) Retombées attendues sur le développement économique régional

Une telle ouverture au monde extérieur par l’intermédiaire de ces grands projetsinternationaux doit à lui seul assurer la visibilité de notre activité à échelle globale. Cetteprésence sur le plan international ne pourra qu’accroître la dissémination des techniques etméthodes mises en place les équipes et les entreprises de la région Languedoc-Roussillon.

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Elément (E2) : « Hydrodynamique» (Nouvelles sondes d’expérimentationhydrodynamique in situ pour l’étude de la dispersivité des réservoirs)


L’objectif de ce projet est de mesurer la dispersivité des aquifères à partir d’expériences detraçage artificiel en forage et entre forages. Les applications concernent la modélisation dutransport, de la dispersion, et de la rétention des polluants solubles, d’origine naturelle ouanthropique. La mise en œuvre de ce type de mesure en routine est nécessaire pour la gestiondes risques chroniques ou catastrophiques liés directement ou indirectement à l’exploitationdes ressources hydriques et aux activités humaines à l’aplomb des aquifères. En effet, lagestion des risques de pollution, et la mise en œuvre de procédures de remédiation, requièrentl’utilisation de modèles numériques prédictifs. Ces outils de calcul doivent non seulement êtrebasés sur des théories validées mais aussi contraints par des paramètres qui caractérisentchaque milieu. Ces paramètres doivent être mesurés in situ.

Les expériences de traçages in situ sont rares car difficiles à mettre en œuvre, coûteuses etsouvent peu efficaces faute d’outils adaptés. Après 10 ans de recherches, GEOSCIENCESMONTPELLIER est parvenu à construire et à valider des outils spécifiques à ce domaine. Lespremières expériences indiquent que les modèles utilisés depuis plus de 30 ans pour simuler ladispersion des traceurs sont trop simplistes. De ce fait, ils peuvent produire des erreursimportantes sur l’évaluation de distribution spatiale et temporelle des polluants. En particulier,les modèles les plus utilisés ne prennent pas en compte la réalité de l’hétérogénéité du sous-sol et des écoulements qui y prennent place. Il est donc généralement admis par lacommunauté scientifique que l’absence de données fiables est un frein majeur audéveloppement et à la validation de nouveaux modèles théoriques.

Dans le cadre de la plate-forme IDESS, notre objectif est de réaliser des mesures dedispersivité sur un grand nombre de sites, et de construire ainsi une base de donnée pertinentepour le développement et la validation des modèles de dispersion des polluants en subsurface.Ce projet s’appuie sur les ressources du laboratoire (CEEL) qui sont parmi les plus aboutiesen Europe en termes de logistique, d’équipement scientifique, et de sites expérimentaux.

Cette demande concerne l’acquisition d’outils de mesure complémentaires à ceux développéset mis en oeuvre par GM depuis 1998, et cela afin de permettre la réalisation de mesures insitu de grande qualité. Plus spécifiquement, notre demande porte sur l’acquisition d’unéquipement permettant de réaliser des expériences de traçage puits-à-puits et d’étudier ainsiles processus à des échelles spatiales généralement inaccessibles. La notion d’échelle est eneffet un aspect fondamental pour comprendre puis modéliser la relation entre hétérogénéiténaturelle du sous-sol, et dispersion in situ des polluants.

Cette demande à la Région LR vise à co-financer à hauteur de 40% du coût l’équipementscientifique de ses moyens d’intervention et d’expérimentation de terrain, c'est-à-dire laconstruction de nouvelles sondes (H2E et YoLog) d’investigation de la dispersivité des réservoirs.

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(E2) Contexte, enjeux et problème traité

Les ressources en eau de notre planète ont longtemps été considérées, dans leur gestion auquotidien, comme infinies. Ce n'est plus le cas aujourd'hui, non pas à cause d’une diminutionglobale des réserves, mais plutôt d’une dégradation progressive, parfois irréversible, de cesressources. Le développement d’outils d’analyse et de surveillance efficaces permettant deprotéger ces ressources est un enjeu sociétal et environnemental majeur, en particulier en zoneurbaine à cause d'une démographie croissante et des contraintes agricoles ou industriellesassociées. C’est d'autant plus un enjeu économique considérable en zone côtière, notamment àcause d'un tourisme de plus en plus consommateur d’eau (golfs, piscines, …), et de l'impactlocal du changement climatique global.

Pour gérer ces ressources en terme de qualité et d’accessibilité, il est nécessaire de quantifierles risques chroniques ou accidentels de contamination des nappes. C’est à ce prix que nousserons capable de mettre en place une réglementation pertinente et de concevoir des systèmesde diagnostic et de remédiation efficaces. Cependant, en l’absence de données de qualité, lesmodèles mathématiques développés il y a plus de trente ans, sont toujours largement utiliséspour anticiper le comportement hydraulique des aquifères et prédire la dispersion despolluants qu’ils soient d’origine naturelle (e.g. invasion de l’eau mer dans les aquifèrescontinentaux) ou anthropiques (nitrates, déchets médicaux, …).

Néanmoins, des résultats expérimentaux récents démontrent que les modèles basés surl’approche standard, qui consiste à faire l’analogie entre la dispersion des solutés dans lesmilieux poreux et le déplacement aléatoire par diffusion, mésestiment très largement lesconséquences de l’hétérogénéité des systèmes naturels. En particulier, les rares résultatsexpérimentaux de bonne qualité montrent que ces modèles surestiment les déplacements lentset sous-estiment les déplacements rapides de plusieurs ordres de grandeur (Adams et Gelhar,1992; Carrera, 1993; Tsang et Neretnieks, 1998; Becker et Shapiro, 2003, Gouze et al., inpress, Le Borgne et Gouze, in press).

En d’autres termes (i) à une distance donnée de sa source, l’arrivée d’un traceur ou d’uncontaminant peut être plus rapide de plusieurs ordres de grandeur que ce que prédisent lesmodèles actuellement utilisés ; (ii) la rémanence des contaminants à proximité de la source dela contamination peut être très largement sous-estimée ou encore, (iii) le temps derécupération d’un contaminant (par pompage) et l’étendue de la zone contaminée peuvent êtretrès largement sous-estimés par les modèles standards. De fait, la modélisation des processusdispersifs dans les milieux hétérogènes est un sujet des plus débattu dans la communautéscientifique actuellement. Plusieurs équipes, principalement au Etats-Unis où des sitesexpérimentaux dédiés sont exploités depuis plus de dix ans, ont réalisé des avancéesthéoriques importantes (Harvey et Gorelick, 2000, Lu et al., 2002, Barlebo et al., 2004;.Haggerty et al., 2001; Berkowitz et al., 2002). Toutefois, aucun des modèles proposés jusqu’àprésent n’a été validé, et encore moins implémenté dans des outils numériques opérationnels.

En fait, la communauté scientifique a longtemps sous-estimée la complexité des processushydrodynamique dans les milieux hétérogènes tels que le sont les aquifères de subsurface.Pourtant, comme en témoigne le nombre croissant des cessions spécialisées dans les congrèsinternationaux, le développement et la validation in situ d’outils d'investigation et demonitoring sont parmi les sujets prépondérant de l’hydrogéologie moderne. En effet, il y aconsensus sur le fait que le manque de données fiables, permettant de tester et valider denouvelles théories, est un frein majeur au développement des outils d’évaluation des risques

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ou à la mise en oeuvre de technologies efficaces pour la caractérisation hydrogéologique, lemonitoring et la remédiation des aquifères. :

- au développement des outils d’évaluation des risques,

- à la mise en oeuvre de technologies efficaces pour la caractérisation hydrogéologique, lemonitoring et la remédiation des aquifères.

Pour progresser, trois aspects interdépendants doivent être pris en compte :

(1) les outils de modélisation permettant de définir le cahier des charges pour ledéveloppement instrumental, les expériences de validation et les protocoles d’étude (unexemple de validation de modèle non-standard, le modèle MIM-CTRW est présenté icien Figure 1).,

(2) les outils de mesures in situ (caractérisation, expérimentation, monitoring) disponibles,

(3) les sites de références permettant de tester, calibrer et valider les théories, lesméthodologies et l’instrumentation.

Ces trois points ont été développés de manière cohérente par GM depuis plus de 10 ans, enparticulier dans le cadre de projets européens, de consortium de recherche avec despartenaires industriels des EPST, et des programmes Nationaux du CNRS et du MENRST. Ace jour GM, avec les ressources du CEEL, est un des centres de recherche le mieux équipé enEurope en terme de recherche appliquée pour l’exploration des processus hydrodynamiquesen subsurface (i.e. de 0 à 1000 m de profondeur) grâce à une politique soutenue dedéveloppement instrumental et de construction de sites expérimentaux dédiés à la validationdes outils et des modèles. Avec Rennes et Poitiers (également membres de l’ORE H+ (réseaunational des sites hydrogéologiques, service d’observation INSU)), il est l’un des seul enFrance.

Figure 1 : Exemple de validation d’un modèle non-standard (le modèle MIM-CTRW). Lesrésultats prédits par le modèle reproduisent parfaitement les mesures. La prédictivité dumodèle est montrée ici, puisqu’à partir d’un jeu de paramètres calé sur la première courbe onpeut caler avec les mêmes paramètres la seconde courbe mesurée.

Notre objectif, dans le cadre de E2 et de la plate-forme IDESS, est de doter GM à l’horizon2010 des moyens de réaliser en routine des mesures de qualité, par méthode de traçageartificiel, pour valider le domaine d’utilisation des différents modèles mathématiques dedispersion. La pertinence de telles mesures est conditionnée par notre capacité à obtenir desenregistrements (1) continus dans le temps sur de longues périodes, i.e. plusieurs semaines (2)distribués dans l’espace, i.e. avec plusieurs points de mesure simultanés, et (3) de haute

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résolution, afin de capturer les processus asymptotiques qui contiennent les informations liéesà l’hétérogénéité fine du milieu.

Pour cela, prenant en compte nos limitations en personnel dans le domaine de la constructionde prototypes, et surtout ayant à faire des choix quant à l’activité principale de ces personnels,nous avons demandé le support technique de la société ELOG. Il s’agit pour ELOG deconstruire : 1) une sonde d’injection–restitution de traceur permettant de réaliser desexpériences de traçage tout en contrôlant parfaitement les conditions de forçage hydrauliquedu milieu à partir d’un forage (sonde H2E), et 2) un jeu de capteurs autonomes permettant desuivre le déplacement du traceur à partir de la scrutation verticale automatique dans desforages adjacents (sonde YOLog).

(E2) Objectifs et finalité du projet

Le projet de plate-forme instrumentale pour l’étude des processus de dispersion de polluantsest donc un projet de recherche appliquée, qui s’inscrit dans une des thématiques les plusactives de l’hydrogéologie et correspond à une forte demande des utilisateurs in fine. Lacompréhension par la mesure des processus de transfert des masses d’eau et de la dispersiondes polluants a des implications fondamentales pour le dimensionnement des ouvrages deconfinement de déchets et, plus généralement, pour la protection des ressources hydriques.Cette plate-forme a donc pour objectif de valoriser une démarche scientifique et desapproches opérationnelles développées par GM au cours des 10 dernières années, ce qui tendà nous conférer une expertise unique en Europe, et comparable à celles rencontrées aux Etats-Unis.

La mise en oeuvre des nouvelles ressources instrumentales permettra de réaliser desexpériences de traçage de grande qualité sur les différents sites expérimentaux existant dèsmaintenant en France et en Europe. L’acquisition de ces nouveaux outils à pour objectifs dese donner les moyens de réaliser des avancées scientifiques importantes dans les domaines :

(1) de la caractérisation des processus de dispersion de polluants en fonction del’hétérogénéité des aquifères, et des différentes échelles caractéristiques du milieu et destransferts de masse,

(2) du développement d’outils de modélisation numérique opérationnels, i.e. scientifiquementvalidés et contraints par des mesures in situ, rendant compte des processus de dispersiondans les aquifères hétérogènes,

(3) de la démonstration in situ et de la validation de protocoles de mesures qui pourrontensuite être transférés vers les professionnels de l’expertise (ex : bureaux d’études,nombreux en région LR), les industriels du secteur de l’environnement (ex : lesdéveloppeurs d’instruments de mesure) et les collectivités locales ou territoriales. Lesdomaines visés concernent principalement l’identification des risques permanents etaccidentels, la remédiation des systèmes aquifères pollués, et la gestion prévisionnelle desressources en eau.

(E2) Description des outils et protocoles expérimentaux

Le cahier des charges permettant de définir les caractéristiques des outils que nous souhaitonsacquérir est le fruit de près de 10 ans d’expérience. Cette période a permis de réaliser ungrand nombre d’expériences de traçage :

- à des fins scientifiques (de compréhension des processus de dispersion),

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- dans le cadre d’un partenariat avec le CEA pour la prévision des risques associés auxsystèmes aquifères du Centre d’Etude Nucléaire (CEN) de Cadarache,

- dans le cadre de problèmes de pollution identifiés comme, par exemple, celui induit parl’intrusion d’eau de mer dans les réservoirs côtiers de la région de Palma de Majorque.

Pendant ces 10 ans, nous avons également développé plusieurs prototypes d’outilsd’investigation du sous-sol par forage comme la sonde CoFIS, dans le cadre du projeteuropéen FP5 « ALIANCE ». Nous sommes donc en mesure de définir de façon très préciseles nouveaux outils dont nous avons besoin. Les deux points abordé dans le cadre de E2 et deIDESS concernent (1) l’intégration de ces outils avec les ressources opérationnelles etlogistiques déjà existantes au CEEL, (2) leur adaptation aux caractéristiques spécifiques dessites existants ou en cours de développement. Cela conduit à un cahier des charges très précisconcernant, entre autres, la taille des outils, leur compatibilité électrique, hydraulique,mécanique et informatique. Spécifiquement, l’utilisation conjointe sur le terrain des sondesCoFis et H2E et des 3 instruments de mesure YOLog sera réalisée à partir d’un systèmelogistique et d’une plate-forme d’acquisition ou de contrôle des fluides qui existent déjà.

• Expérimentation par traçages in situ

Les expériences de traçage in situ permettent de faire l’acquisition de données nécessaires à lavalidation de modèles de dispersion et d’étudier la question du changement d’échelle. Pourcela, il faut réaliser des mesures de dispersion sur carottes (échelle centimétrique), auvoisinage du puits à l’échelle métrique (par exemple résultant des expériences en modeECHO), et à l’échelle du site (~de 10 à 500 m). Les mesures sur carottes sont maintenantréalisées en routine à GM. En ce qui concerne les mesures in situ, deux méthodes serontexploitées :

(1) la réalisation d’expériences récurrentes en mode « mono puits » ou mode « ECHO »,grâce à la sonde CoFIS ou à la sonde H2E, le choix dépendant des caractéristiques dumilieu

(2) la réalisation d’expériences puits à puits à différentes échelles, par couplage de lasonde H2E, de la sonde CoFIS et des instruments YOLog.

Dans les deux cas, l’objectif est d’étudier les relations entre la dispersion des solutés dans lemilieu, la structure du milieu à toutes les échelles et le champ de vitesse. Il s’agit decomprendre dans quelle mesure la gamme des temps de transit est due à d’éventuelsphénomènes d’adsorption ou de diffusion dans la matrice, ou bien à un phénomèned’advection des particules par un champ de vitesses très hétérogène. Dans le cas desexpériences en mode « ECHO » (dont le principe est présenté en Figure 2), le volume demilieu exploré reste restreint (quelques dizaines de m3 au maximum).

Cependant, comme la méthode mise au point permet l’utilisation de très faibles quantités detraceurs, et que sa récupération est quasi-totale, la réalisation d’un nombre importantd’expériences récurrentes devient possible. Par exemple, les campagnes de mesures réaliséesen 2005, avec le prototype CoFIS, sur le site expérimental de Majorque-Campos, ont permisla réalisation de plus de 15 expériences en 3 semaines. Ceci représente deux fois plus que latotalité des expériences de traçage mono-puits publiées à ce jour dans la littératureinternationale. Les expériences sur le site Majorque (Campos), mais aussi de Ploemeur(Stang-er-Brune ; une trentaine au total, voir Figure 3), ont été réalisées avec succès en 2005.Elles ont servi de validation de la sonde CoFis, en traçage ionique et fluorescent, grâce à

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l’installation d’un capteur haute résolution (mesure sur 5 ordres de grandeur avec unerésolution de 10 ppt en eau claire) développé en partenariat entre GM et le CEA (2005).

Figure 2: Exemple d’expérience de traçage en mode ECHO en utilisant un capteur deconductivité (injection d’une eau de conductivité 20 mS/cm dans l’aquifère saturé d’une eau à50 mS/cm). L’injection du traceur commence à t = 0 en (1), stoppe après 10 minutes en (2) etle pompage permettant de faire revenir le traceur au forage commence à t= 60 minutes, en(3). En jouant sur ces paramètres et sur le débit, la zone de pénétration du traceur peut êtrecontrôlée et différents volumes de roche peuvent être étudiés. Noter la durée d’injection quiest de quelques minutes et qui requiert l’utilisation d’électrovannes rapides spécifiquescommandées en surface, testées sur la sonde CoFIS, et qui seront implémentées par ELOGsur la sonde H2E.

Figure 3 : Expérience de traçage ECHO dans des granites fracturés (Site de Ploemeur). Miseen place de la sonde CoFIS à partir du véhicule équipé d’un treuil, système de contrôle des 7pompes du système d’injection et de récupération du traceur, courbes de concentration dutraceur obtenues au niveau de la zone de mesure entre obturateurs montrant la phased’injection (créneau) et la phase de récupération pour différentes distances de pénétration.

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La longue queue de la courbe de restitution est caractéristique de l’hétérogénéité detransmissivité du système de fracture. Pour mesurer ce comportement asymptotique, descapteurs à haute résolution sont nécessaires. Actuellement, les traceurs fluorescents associésà des capteurs de type ‘compteur de photons’ apportent les meilleures performances pour cetype de mesure et seront utilisés dans les instruments YOLog.

Les expériences de traçage « puits à puits », sont nécessaires pour explorer des volumes deroche plus importants. Ces expériences peuvent être réalisées dans différentes configurationsde forages (i.e. différentes distances, différentes directions) permettant une caractérisation desprocessus en fonction de l’échelle et de l’anisotropie des propriétés du milieu. Pour êtreefficaces, ces expériences requièrent l’utilisation d’une source (injection d’eau et de traceur),d’un système combiné de pompage et de mesure de la concentration en traceur, et de capteurspouvant être placés sur le trajet du traceur. Le système combiné H2E, CoFIS et YOLog seratesté en priorité sur le site de Campos à Majorque (Figure 4), pour lequel nous disposons déjàd’une caractérisation fine du milieu.

SWIW tracer tests(depth 94 m)

50m

SWIW tracer tests(depth 94 m)

50m

Figure 4. Localisation du site de Campos, au SE de l’île de Majorque. Les traçages ECHO,avec le prototype CoFIS, (2005 – 2006) ont été réalisées à 94 m dans le puits MC2. En 2007,4 autres forages situés à 2.5 m, 5 m, 5 m et 10 m de MC2 ont été réalisés. Ils seront utilisésavec les outils YOLog et la sonde CoFIS pour réaliser des traçages de « puits à puits ».

• Sonde H2E (Hydraulic Harmonic Endoscopy)

La sonde H2E (Figure 5) est un outil versatile de mesures hydrodynamiques en forage. Lasonde mesure 9 mètres de long et 84 cm de diamètre. Elle s’installe en 4 parties dans le forageà partir un véhicule équipé d’un treuil et d’une potence hydraulique. La sonde H2E comprenddeux obturateurs gonflables de 2.5 mètres de long qui permettent d’isoler un segment duforage. Différents capteurs peuvent être installés entre ces obturateurs en fonction du type detraceur utilisé. En particulier, un capteur optique conçu au laboratoire (GM), et similaire àcelui qui est utilisé dans les instruments YOLog, peut être installé pour les expériences detraçage avec traceur fluorescent.

Une spécificité de la sonde H2E est de pouvoir accepter l’installation de plusieurs capteurssimultanément dès lors qu’ils utilisent un système d’acquisition standard (défini au cahier des

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charges de H2E). Par exemple, l’installation simultanée de capteurs de mesure fluorimétriqueet de capteurs combinés de conductivité électrique permettra de déterminer en une seuleexpérience, l’existence d’effets densitaires et de processus de sorption.

La compatibilité des systèmes d’acquisition étant totale, la sonde H2E, peut être utilisée encomplément de la sonde CoFIS pour les expériences puits-à-puits. Dans ce cas, la sonde H2Eest utilisée en tant qu’injecteur, alors que la sonde CoFIS assure le pompage du traceur dansun forage adjacent et fournit les chroniques temporelles d’arrivée du traceur. Les instrumentsYOLog sont installés sur le parcours du fluide dans des forages intermédiaires pour décrire ladistribution spatiale du traceur.

Généralement, les propriétés hydrauliques de l’aquifère ne sont pas connues à priori. Laspécificité de la sonde H2E est de pouvoir être déployée pour réaliser des mesures fines de laperméabilité et du coefficient d’emmagasinent du milieu, dans la même configuration quecelle qui sera ensuite utilisée pour les expériences de traçage. Le principe de fonctionnementde H2E est basé sur la stimulation cyclique du milieu en termes de pression. Cette technique,développées à Montpellier par le professeur Jouanna (actuellement chercheur invité à GM),permet de réaliser des mesures de qualité à partir d’un seul puits ou de plusieurs puits où sontinstallés des capteurs de pression. Les instruments YOLog peuvent être utilisés commecapteurs de pression autonomes et complétés par des mesures vitesse de type « flowmetrie ».

Figure 5. Schéma de la sonde H2E.

• Capteurs autonomes YOLog

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L’outil YOLog est composé de deux parties. Un capteur sensu stricto (Figure 6) permettantde mesurer la concentration simultanée de 2 traceurs fluorescents (i.e. la fluoresceine et lasulforhodanine) et la turbidité. La mesure est basée sur un compteur de photons qui permet, encontrôlant son gain, de réaliser des mesures sur plus de 5 ordres de grandeur. De cettemanière, il est possible d’utiliser de très faibles masses de traceur (plusieurs ordres degrandeur en dessous des normes admissibles) tout en ayant une résolution maximale.L’utilisation de plusieurs traceurs fluorescents simultanément permet d’étudier les processusde sorption par la matrice minérale, dans certains cas d'étudier la surface réelle de contact, etpeut-être (cela doit être testé) la structure des flux.

La seconde partie de l’outil YOLog est un mini-treuil programmable (Figure 7) qui permet deréaliser de façon autonome une scrutation verticale continue de la concentration en traceurdans le forage. La déconvolution dans l’espace et dans le temps de ce signal permet depréciser très précisément les propriétés hydrodynamiques du milieu (e.g. la dispersivité) etd’évaluer l’hétérogénéité verticale de ces propriétés. Les données sont enregistrées en continu(le cas échéant pendant plusieurs semaines) sur une mémoire interne qui peut être déchargée àtout moment. Cette autonomie de mesure est nécessaire pour pouvoir réaliser des expériencesau long cours, avec un minimum d’intervention humaine.

Figure 6 : Schéma de la sonde YOLog.

Figure 7 : Schéma de la sonde H2E installée en forage, et dispositif expérimental pour le suivien forage, à l’aide de YOLog et de son treuil, de la dispersion d’un traceur dans le sous-sol.

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(E2) Références citées dans le texte (hors références équipe)

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Barlebo, H. C., M. C. Hill, and D. Rosbjerg (2004). Investigating the Macrodispersion Experiment(MADE) site in Colombus, Mississippi, using a three-dimensional inverse flow and transport model.Water Resour. Res., 40, doi:10.1029/2002WR001935.

Becker, M. W., and A. M. Shapiro (2003). Interpreting tracer breakthrough tailing from differentforced-gradient tracer experiment configurations in fractured bedrock. Water Resour. Res., 39,1024, doi:10.1029/2001WR001190.

Berkowitz, B., J. Klafter, R. Metzler, and H. Scher (2002). Physical pictures of transport inheterogeneous media: Advection-dispersion, random-walk, and fractional derivative formulations.Water Resour. Res., 38, 1191, doi:10.1029/2001WR001030.

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Haggerty, R. S., S. W. Fleming, L. C. Meigs, and S. A. McKenna (2001). Tracer tests in a fractureddolomite 2. Analysis of mass transfer in single-well injection-withdrawal tests. Water Resour. Res.,37, 1129-1142.

Harvey, C. F., and S. M. Gorelick (2000). Rate-limited mass transfer or macrodispersion: Whichdominates the plume evolution at the Macrodispersion Experiment (MADE) site ? Water Resour.Res., 36, 637-650.

Lu, S., F. J. Molz and G. J. Fix (2002) Possible problems of scale dependency in applications of thethree-dimensional fractional advection-dispersion equation to natural porous media. Water Resour.Res., vol 38, n° 9, 1165, doi: 10-1029/2001WR000624.

Tsang, C.-F., and I. Neretnieks (1998). Flow Channeling in Heterogeneous Fractured Rocks. Reviewsof Geophysics, 36, 257-298.


Les mesures par traçage in situ sont nécessaires pour développer et valider les différentsmodèles de dispersion, mais aussi pour déterminer les caractéristiques spécifiques desaquifères concernés. Cependant, leur réalisation est difficile et nécessite des ressourceshumaines et logistiques importantes. Il en résulte que le nombre de mesures de ce typepubliées - i.e. ayant permis des avancées significatives sur la compréhension des processus -est extrêmement faible (i.e. < 10). Elles ont principalement été réalisées dans le cadre des trèsgrands programmes sur la gestion des déchets nucléaires. Il n’existe donc aucune base dedonnées et chaque problème posé impose à priori une étude complète du milieu. Comme danstous les domaines de la physique, il reste toujours difficile aux modèles numériques, de «réinventer » ce que l’on n’est pas capable de mesurer !

Sur la base de ces constatations, nous avons concentré nos efforts ces dix dernières années surla réalisation de différents prototypes d’outils de mesure, puis sur la validation de protocolesexpérimentaux permettant de simplifier les mesures tout en augmentant leur résolution. Enparticulier, l’utilisation de capteurs embarqués plutôt que de mesures par analyse des fluidesen surface - comme cela était mis en œuvre classiquement jusqu’alors - a permis des mesuresde concentration sur plusieurs ordres de grandeur. Grâce à cela, nous avons pu caractériser,sur plusieurs sites, le comportement asymptotique anormal de la dispersion dans les aquifèreshétérogènes. Nous avons démontré aussi que ce type d’expériences peut être maintenantenvisagé par une équipe de 3 personnes avec des moyens logistiques adaptés. Fort de cetteexpérience un cahier des charges précis a pu être défini pour la construction d’outilsopérationnels versatiles. Notre objectif maintenant est donc de se donner les moyens definaliser ce programme de développement et d’équipement de la plate-forme de mesure

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hydrodynamique en forage, et de passer à la réalisation en routine des mesures sur le terrainafin d’obtenir une base de données unique au monde pour la caractérisation de la dispersivitédes aquifères. En particulier, nous souhaitons pouvoir intervenir non seulement sur les sitesexpérimentaux déjà en activité, mais aussi jouer un rôle moteur dans le développement denouveaux sites dans le cadre des appels d’offres de l’ANR et de l’Europe.


Moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM (financiers et techniques). En particulier,site du CEEL pour le développement instrumental, et moyens d’intervention sur le terrain engéophysique et hydrodynamique en forage, ainsi que moyens de laboratoires relatifs auxanalyses pétrophysiques de carottes ou le traitement des données géophysiques de puits.


Les moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM, ainsi que les crédits T2E dédiés auxobservations de terrain, sont et seront mobilisés sur ce projet.Ce projet fait également l’objetd’une demande pour 2008 auprès de l’INSU (CNRS) et dans le cadre de l’équipement deslaboratoires en moyens « mi-lourds géophysique ». Il pourra également être intégré à unedemande de financement soumise à l’ANR PRECODD en 2008, et centrée sur la dispersiondes panaches de polluants dans le sous-sol.


Equipe SUBSURFACE du laboratoire Géosciences Montpellier (UMR CNRS/UM2 5243).


Gouze Philippe CR CNRS GM Hydrodynamique en forage

Leprovost Richard IE CNRS GM Instrumentation hydrodynamique en forage

Lods Gérard IR CNRS GM Instrumentation hydrodynamique en forageLes porteurs scientifiques du volet « HYDRODYNAMIQUE» (E2) de IDESS, pour chacun des aspectsscientifiques ou instrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gras

(E2) Références bibliographiques de l’équipe sur le sujet

Gouze Ph., T. Le Borgne, R. Leprovost , G. Lods, T. Poidras and Ph. Pezard, Non-Fickiandispersion in porous media: 1. Multi-scale measurements using single-well injection-withdrawaltracer tests at the Ses Sitjoles/ALIANCE test site (Spain), Water Resources Research, in press.

Le Borgne T, O. Bour, M.S., Riley, Ph. Gouze, Belgouhl, G. Lods, R. Leprovost , R.B. Greswell,P.A. Ellis, E. Isakov, B.J. Last , Ph. Pezard, Comparison of alternative methodologies foridentifying and characterizing preferential flow paths in heterogeneous aquifers, Journal ofHydrology, 337(1-2), 2007, 133-146.

Le Borgne T. and Gouze Ph., Non-Fickian dispersion in porous media: 2. model validation frommeasurements at different scales, Water Resources Research, in press.

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Loggia D., Gouze Ph., Greswell R. and Parker D.J. Investigation of the geometrical dispersion regimein a single fracture using Positron Emission Projection Imaging, Transport in Porous Media, 55,2004, 1-20.

Lods G. and Gouze Ph. WTFM, a software for well tests analysis in fractured media combiningfractional flow with double porosity and leakance. Computer and Geosciences, 30, 2004, 937-947.

Tenchine S. and Gouze Ph. Density contrast effects on tracer dispersion in variable aperture fractures,Advances in Water Research, 28, 273-289.


Néant.


Principalement scientifiques dans un premier temps, puis liées éventuellement à l’applicationdes méthodes développées sur d’éventuels sites pollués en région.

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Elément (E3) : « Microbiologie» (Conception, mise au point et test del’outil MFT, pour « Microbiological Formation Tester »)


Ce projet a pour objectif la conception, la mise au point et le test d’une sonde innovanted’investigation microbiologique du sous-sol par forage. Cet outil, dont le procédé serabreveté, permettra de détecter la présence de bactéries dans les eaux souterraines et d’assurerainsi, à moyen terme, un suivi in situ des variations de qualité biologique des eaux ou fluidessouterrains. Les applications concernent tout autant la dégradation de polluants hydrocarbonésdu sous-sol, la prospection pétrolière, que la contamination des réserves d’eau souterraine.

Ce projet est développé sur la base d’un partenariat entre les laboratoires GEOSCIENCESMONTPELLIER et ECOLAG (CNRS et Université de Montpellier 2), et les sociétésCOLCOM et HYTEC. Le nouvel outil sera créé par assemblage de trois modules: i) unesonde existante permettant l’échantillonnage de fluide poral dans les puits (sonde SHYFT),achetée à la société ELOG; ii) un module de détection ultra-sensible de la quantité debactéries contenues dans un fluide. Ce dernier, développé par la société COLCOM, repose surla quantification par bioluminescence de l’ATP (Adénosine Tri Phosphate) contenu dans lesmicro-organismes. L’assemblage de ces modules et leur intégration dans une nouvelle sondeappelée MFT (« Microbiological Formation Tester ») seront réalisés par la société HYTEC.

La sonde MFT permettra à la fois de prélever un échantillon de fluide in situ, dans unréservoir souterrain, mais aussi d’en quantifier la teneur en bactéries, de manière précise etspécifique, sans modifier les conditions de pression et température de leur environnementd’origine. La fiabilité et la sensibilité du prototype seront testées par analyse d’échantillons deconcentrations bactériennes connues. Bien que la problématique de pollution biologique deseaux souterraines soit de plus en plus présente dans notre vie quotidienne, il n’existeactuellement aucune sonde permettant d’étudier in situ, en forage, le degré éventuel depollution d’une nappe souterraine. Le développement de cette sonde aura donc un impactaussi bien en recherche fondamentale, que dans le domaine industriel. Son champd’application est également, et par ailleurs, de portée mondiale.

Dans sa version initiale, le prototype MFT ne permettra qu’une seule mesure in situ et qu’unseul échantillonnage par descente de la sonde dans le puits. Cela permettra de s’affranchirmomentanément des contraintes de nettoyage, entre chaque mesure, de la cellule d’analyse.La sonde évoluera ensuite et aussi rapidement que possible vers la mise en œuvre d’undispositif permettant, au besoin, un grand nombre de tests (≥ 20) pour chaque descente dansun puits. Cette amélioration importante des performances de l’outil MFT sera réalisée avec laconstruction ultérieure d’un second prototype, plus proche des besoins de terrain et toutparticulièrement, du marché envisagé.

Cette demande à la Région LR vise à co-financer à hauteur de 40% du coût l’équipementscientifique de ses moyens d’intervention et d’expérimentation de terrain, c'est-à-dire laconstruction d’une nouvelle sonde (MFT) d’investigation de la présence de bactéries dans lesréservoirs superficiels (0 – 500 m).

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B- PRESENTATION DETAILLE DU PROJET ET JUSTIFICATION (E3)

(E3) Contexte, enjeux et objectifs

Le rôle et la distribution spatiale de l’activité biologique dans le sous-sol (de l’interfaceatmosphérique ou en fond de mer, et jusqu’à une profondeur de quelques kilomètres) resteencore très mal connu. Cependant, depuis une dizaine d’années, des études de plus en plusnombreuses révèlent l’importance considérable des processus microbiens souterrains dans denombreux domaines (Enigmatic Microorganisms, 1999 ; Anna Kaksonen et al., 2006 ; Li-Hung Lin et al., 2006).

Par exemple, il a été démontré récemment que des processus de remédiation biologiquepouvaient exister dans l’environnement anaérobique (en absence d’oxygène) du sous-sol, cequi était considéré comme un verrou biochimique infranchissable il y a moins de dix ans.Ainsi, des études récentes ont montré que des polluants hydro-carbonés (toluène,éthylbenzène, etc…) provenant de réservoirs pétroliers souterrains et contaminant desaquifères mitoyens pouvaient être dégradés par l’activité locale de bactéries spécifiques(Harry R. Beller, Staci R. Kane et al., 2002 ; Harry R. Beller, 2002 ; Staci R. Kane et al.;2002). L’utilisation contrôlée de micro-organismes bactériens est aussi envisagée de manièreprospective, afin de pouvoir récupérer des pétroles lourds, donc très visqueux, piégés dans lesocle carbonaté. Le biomatériau servirait alors d’agent fluidifiant permettant d’avoir accès àdes réserves pétrolières actuellement inexploitables (marché attendu de quatre à cinq milliardsde barils).

L’activité microbienne peut présenter aussi des aspects négatifs pour l’activité humaine avec,par exemple, la contamination des réserves d’eau souterraine ou de surface, les rendantimpropres à la consommation. De nombreux microorganismes, virus, bactéries etprotozoaires, voire des champignons et des algues, sont présents dans l'eau. Les conditionsanaérobies généralement rencontrées dans les eaux souterraines en limitent cependant ladiversité. De plus, la microfaune et la microflore du sol lui confèrent une importante capacitéd'épuration biologique. Pour fixer les idées, notons qu’un gramme de sol renferme environ108 à 109 bactéries, essentiellement non pathogènes. Les bactéries, virus et autres agentspathogènes rencontrés dans les eaux souterraines proviennent des fosses septiques, desdécharges, des épandages d'eaux usées, de l'élevage, de matières fermentées, de cimetières, durejet d'eaux superficielles.

Ces pollutions peuvent aussi être dues à des fuites de canalisations et d'égouts, ou àl'infiltration d'eaux superficielles. La grande majorité de ces microorganismes nocifs,susceptibles d'engendrer des infections humaines redoutables, diffuse dans l'environnementhydrique par l'intermédiaire de souillures fécales humaines ou animales. Les pollutionsmicrobiologiques se rencontrent surtout dans les aquifères à perméabilité de fissure (craie,massifs calcaires), dans lesquels la fonction épuratrice du sous-sol ne peut s'exercer et danslesquels la matière organique est dégradée partiellement. Les émergences de type karstiqueavec des circulations souterraines rapides sont en conséquence très vulnérables à cettepollution. Dans les aquifères à porosité inter-granulaire, une contamination bactérienneimplique une source proche de pollution (puisard, défaut d'étanchéité du captage, rejet destation d'épuration, décharges, …).

Dans la plupart des situations décrites ci-dessus, il est impératif de pouvoir contrôler etquantifier la biomasse vivante active pendant toute la durée de l’exploitation de l’aquifère,

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réserve pétrolière etc … Actuellement ceci n’est possible que par l’utilisation de méthodeslourdes à mettre en œuvre : de petits containers étanches et de faible volume sont descendusau fond des puits de forage ; ils sont remplis localement puis remontés à la surface où lesanalyses bio-chimiques peuvent être déployées. Ainsi, en l’état actuel des outils disponibles,les méthodes d’analyses bactériologiques des aquifères se limitent à l’évaluation de la qualitémicrobiologique à l’émergence des ouvrages de forage, et ne rend pas compte de ladynamique des pollutions chimiques ou microbiologique souterraines.

Cette surveillance est en outre discontinue, à fréquence variable, dépendante de l’usage descaptages (arrêté 2001-12-20, l’eau sur l’eau 1998). La surveillance des sites à risque(décharge, champ d’épandage, etc…) est également discontinue et sans relation avec ladynamique souterraine. Les méthodes actuellement mises en œuvre présentent de nombreuxdéfauts : l’intervalle de temps qui s’écoule entre les moments du prélèvement et de l’analyseest considérable (de l’ordre de quelques heures) ce qui interdit toute prise de décision rapideen cas de problème sur la réserve souterraine étudiée. Les résultats issus d’une telle approchen’apportent donc qu’une vision partielle de la problématique à traiter, puisqu’ils sont larésultante de différents événements rencontrés en sous-sol (regroupement de différentsaquifères, risques de contamination des canalisations de forage, etc...).

De plus, la matière vivante prélevée en sous-sol endure de nombreuses modificationsenvironnementales lors de la remontée à la surface de l’échantillon (dépressurisation,changement de température, etc…). La décompression, à elle seule, risque d’entraîner unealtération de la biomasse présente dans l’échantillon, et ainsi de rendre les résultats del’analyse biochimique inutilisables. En conclusion, les seules méthodes actuellementdisponibles ne permettent pas une mesure de la qualité microbiologique en continu de manièreefficace et in situ, dans le sous sol, interdisant ainsi un suivi et une vraie compréhension de ladynamique du sous-sol du point de vue de sa flore bactérienne. Or la prévention despollutions biologiques passe par la surveillance et la détection précoce des événements depollution, et par la compréhension de la dynamique des fluides du sous-sol. Ce pointspécifique est adressé dans la partie « Hydrodynamique » (E2) de IDESS.

C’est pourquoi nous proposons de concevoir, construire et mettre au point un outil innovantd’investigation biologique du sous-sol. Cet outil permettra d’assurer à moyen terme uncontrôle in-situ de type « temps réel » de la variation de la qualité bactériologique des eaux oufluides souterrains. Ce nouvel outil sera basé sur les trois modules suivants :

- la sonde SHYFT (construite par la société ELOG) permettant la prise d’échantillonsde fluide poral dans le puits de forage pour un traitement bio-chimique local,

- un module de détection ultra-sensible de la quantité de matière vivante présente dansune solution par une méthode de bioluminescence (Société Colcom),

- l’intégration de ces deux modules dans un nouvel outil appelé MFT (pour« Microbiological Formation Tester »). Le MFT permettra à la fois le traitement locald’un petit échantillon d’eau recueilli dans le réservoir (et non dans le forage) pouranalyse biochimique in situ, et le prélèvement d’une plus grande quantité (de l’ordredu litre). Ce prélèvement unique pour chaque décente dans un puits donné,s’effectuera sur décision de l’utilisateur, en regard de l’analyse microbiologique in situpréalable, dans une bouteille stérile et isobare, et pour analyse ultérieure enlaboratoire, avec les moyens de surface (Société Hytec). Disposant de suffisammentde bouteilles stériles en surface, pour un chantier donné, on pourra récolter autantd’échantillons de grand volume que l’on réalisera de décentes dans le puits.

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Ce nouvel outil MFT permettra donc de réaliser une étude de la flore bactérienne dans sonenvironnement, évitant ainsi toute dénaturation par changement important et brutal du milieudans lequel évoluent les organismes vivants recherchés. Les caractéristiques essentielles d’untel outil seront la rapidité de la mesure, la fiabilité de la quantification, la sensibilité de ladétection, la spécificité de la mesure.

(E3) Principe de la méthode et description des outils

Ce projet d’outil MFT repose sur la quantification de l’ATP (Adénosine Tri Phosphate) parbioluminescence. L’ATP est le « carburant » de toute cellule vivante qui contrôle toutes lesfonctions biologiques telles que l’entretien de la cellule et son adaptation aux changementsenvironnementaux, la consommation de nourriture ou la fonction de reproduction. Quand unecellule biologique transforme la nourriture (i.e. des molécules contenant du carbone), celle-ciest convertie en ATP dans le but de fournir de l’énergie aux réactions chimiques en donnantdes groupes pyrophosphates. Pendant ce processus de donation, l’ATP est réduit en moléculesplus petites et moins riches en énergie, telles que l’ADP (Adénosine Diphosphate) et AMP(Adénosine Monophosphate). Ces molécules sont ensuite recyclées en ATP avec l’apport denutriments. Ce processus est la voie métabolique centrale de toute cellule et s’applique àn’importe quel organisme vivant. La mesure de la quantité d’ATP présente dans le milieuétudié est ainsi directement liée à la biomasse.

Dans le procédé original développé par la société COLCOM S.A.S., l’ATP est extrait descellules vivantes par lyse (ouverture) des membranes cellulaires, et préparé pour la mesureselon un protocole simple à partir d’un nombre limité de réactifs. L’énergie contenue dansl’ATP peut être convertie en lumière en présence de luciférine et de luciférase, deuxmolécules naturellement présentes dans l’abdomen de la luciole. L’exploitation de cephénomène naturel permet une mesure indirecte, rapide et sensible à la quantité d’ATP. Ellefournit un indicateur instantané du taux de micro-organismes présents dans n’importe quelmilieu et, en l’occurrence, n’importe quel réservoir souterrain ou type d’eau souterraine.

L’intensité lumineuse produite par la réaction enzymatique en présence d’ATP est mesuréegrâce à un luminomètre (photo-multiplicateur) : la quantité de lumière produite estdirectement proportionnelle à la biomasse active présente dans l’échantillon. Cette réactionprend en compte tous les micro-organismes à l’exception des virus. Le domaine de mesurelinéaire s’étend actuellement de 1000 bactéries par ml (soit une masse de 1 picogramme, 10-12

g, par millilitre) à 107 bactéries par ml. La sensibilité de la méthode sera, à court terme,multipliée par un facteur 100 à 1000 avec l’adjonction d’un composé chimique (de type« dendrimère ») ayant un effet amplifiant sur le flux lumineux détecté.

• Outil SHyFT (« Slimline Hydraulic Formation Tester »)

Cet outil fut conçu et construit dans le cadre du projet européen FP5 “ALIANCE” dans lecadre d’une collaboration entre GEOSCIENCES MONTPELLIER (à cette époque dans lecadre de l’ISTEEM), et la société ELOG (faisant alors partie de “GeoEnergy”). On peut ledéployer indépendamment en forage, ou dans le cadre d’expériences entre puits voisins.Déployée au bout d’un câble “4 conducteurs” standard et munie d’une tête G-O, la sondeSHyFT est conçue pour produire certains paramètres clé des couches perméables traversées:

- mesurer la pression de pore dans chacune des couches suffisamment perméables,

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- calculer la perméabilité du réservoir à échelle décimétrique et à proximité du forage,pendant de petits tests de production à taux de pompage variable (4 possibilités), ouencore pendant le remplissage de la bouteille,

- prendre un échantillon de fluide par descente dans le puits, et en fonction des résultatsdes tests préalables, à différents niveaux.

La ligne d’échantillonnage de SHyFT est non seulement munie d’un capteur de pression, maisaussi de capteurs de température et de conductivité électrique du fluide, permettant ainsi dedifférencier clairement fluide poral venant du réservoir et fluide de forage. Dans les réservoirscôtiers envahis par de l’eau de mer, cette capacité est particulièrement utile à la production deprofils verticaux de salinité du fluide poral in situ. L’analyse combinée de différents testsréalisés à profondeurs voisines, peut conduire à la détermination indirecte de la nature dufluide poral, par l’intermédiaire de sa densité.

SHyFT functions and applications :

Fast in situ deployment, at selected depthn :

1 - Positionning at depthn (with GR) and locking (pack-off or or a dual-packer system )

2 - Formation testing inside the tool (p, T, Cw) withpumping at 4 different rates

3 - To measure and derive : the near borehole permeability the in-situ fluid pressure the in-situ fluid conductivity (salinity)

4 - To take and retrieve in a removable bottleuncontaminated formation fluid samples

Figure 1 : Schéma synthétique du mode de déploiement de l’outil ShyFT en forage. Aprèspositionnement à une profondeur N et scellement des obturateurs (Phase 1),l’échantillonnage du fluide poral est réalisé à l’intérieur de l’outil et à 4 taux possibles depompage afin d’adapter l’expérience au contexte hydrodynamique local (Phase 2), cecipermettant une évaluation de la perméabilité du réservoir à échelle décimétrique (Phase 3),et de prendre un échantillon de fluide poral, de volume plus important, dans la bouteillesituée à la base de la sonde (Phase 4).

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Figure 2 : Photo de ShyFT montrant la bouteille d’échantillonnage en aluminium (à la base),les deux obturateurs gonflables encadrant une chambre de test de 20 cm de long (au centre),et une section électronique et hydraulique de contrôle (au dessus).

• Outil MFT (« Microbiological Formation Tester »)

Dans sa version initiale le prototype de prélèvement MFT (Figure 3) fonctionnera au moinsdans une version dite "mono-analyse". Il s’agit là et dans un premier temps, de ne pascomplexifier le procédé technologique et de permettre, le plus rapidement possible, une prised’échantillon in situ. Cette hypothèse simplificatrice viendra affranchir ce premierdéveloppement de la complexité associée au nettoyage de la chambre d’analyse. Cettemesure « unique » se justifie dans un premier temps par l’absence de toute alternative. Ellesera réalisée avec la sonde en place dans le puits de forage, et le résultat de la mesure transmisà la surface. Une analyse détaillée des contraintes et améliorations souhaitables venant dudéploiement de la première version de l’outil permettra, après engagement des partenairesconcernant la validation du procédé, de développer un second prototype (ou une évolution dupremier), pour travailler en mode "multi-analyses". Néanmoins, en cas de progrès rapide desdiverses composantes technologiques du projet, on cherchera à progresser aussi rapidementque possible vers une stratégie de déploiement « multi-analyses ».

Le prototype opérationnel MFT, assemblé par HyTEC, intègrera principalement (Figure 4):- un réservoir de lavage du réacteur ayant une contenance de 500 ml de solution saline,

qui devra permettre (dans le futur) le nettoyage in situ de l’éprouvette à dendrimère,- un réservoir intermédiaire contenant l’échantillon à analyser provenant du système

SHYFT installé en partie supérieure. Ce réservoir sera équipé d’un systèmethermostaté afin de maintenir l’échantillon à 35°C maximum. Sa capacité sera de 25ml, soit 25 fois plus que la capacité de l’éprouvette à dendrimère,

- un réservoir de luminase d’une capacité de 10 ml (qui permettra d’effectuer, dans unedeuxième phase, plusieurs dizaines d’essais in situ) qui sera maintenu à unetempérature de 5 °C pendant l’opération,

- un dispositif mécanique permettant d’installer et de remplacer aisément en surfacel’éprouvette à dendrimère.

- un photo-multiplicateur à haute sensibilité permettant de mesurer, à l’intérieur de lacellule d’analyse, le flux lumineux de bio-luminescence,

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Figure 3 : Vue d’ensemble de l’outil MFT (ou « Bacteriolog » en francais)

- une ou plusieurs cartes électroniques permettant le pilotage des éléments suivants :° tube photo-multiplicateur° chauffage échantillon° refroidissement de la luminase° pompes et micro vannes° analyse et transmission des données

- un réservoir de rétention d’une capacité à déterminer.

En surface le séquencement des opérations et les acquisitions de données seront réaliséesgrâce à une Interface Homme-Machine installée sur un PC et compatible avec lesdéveloppements récents de GEOSCIENCES MONTPELLIER (hors fourniture).

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Figure 4 : Schéma synoptique de la cellule d’analyse microbiologique

(E3) Calendrier prévisionnel de réalisation du projet (sur 2 ans)

Phase 1 : Phase de faisabilité (six mois)- Recherche de composants- Intégration du photo-multiplicateur- Avant-projet d’intégration des éléments- Détermination du seuil de sensibilité en bioluminescence- Détermination des besoins en spécificité pour les réactions biochimiques- Prélèvements d’échantillons par strates verticales sur un site pilote. Retour en surface

pour analyses de tests et calibrations- Analyses bactériologiques- Prise en compte des contraintes des partenaires

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Phase 2 : Caractérisation du procédé (quatre mois)- Caractérisation du procédé- Gestion des contraintes liées à l’analyse de la biomasse dans le dispositif

(interférences, contamination, bruit de fond, etc…)- Réalisation des éléments constitutifs d’un kit d’analyse de la biomasse pour 5 mesures- Avant-projet détaillé

Phase 3 : Prototype de surface (quatre mois)- Développement d’un prototype en surface permettant l’automatisation du prélèvement

de fluide pour analyse de la biomasse dans les aquifères (5 prélèvements suivi de 5analyses).

- Avant-projet détaillé- Montage du dispositif et réalisation du prototype- Essais en atelier

Phase 4 : Validation et calibrage du prototype (deux mois)- Validation des performances et étalonnage en site de surface.

Phase 5 : Intégration du prototype en sous-sol (huit mois)- Intégration du prototype d’automatisation d’analyses en forage.- Mise en place de l’ensemble du dispositif de déploiement sur le terrain (testing).

(E3) Références citées dans le texte

Harry R. Beller, Staci R. Kane, Tina C. Legler, and Pedro J. J. Alvarez (2002), “A Real-TimePolymerase Chain Reaction Method for Monitoring Anaerobic, Hydrocarbon-Degrading BacteriaBased on a Catabolic Gene,” Environmental Science and Technology 26, 39773984.

Harry R. Beller (2002), “Analysis of Benzylsuccinates in Groundwater by LiquidChromatography/Tandem Mass Spectrometry and Its Use for Monitoring In Situ BTEXBiodegradation,” Environmental Science and Technology 36, 27242728.

Staci R. Kane, Harry R. Beller, Tina C. Legler, and Robert T. Anderson (2002), “Biochemical andGenetic Evidence of Benzylsuccinate Synthase in Toluene- Degrading, Ferric Iron-ReducingGeobacter metallireducens,” Biodegradation 13, 149154.

Anna H. Kaksonen, Jason J. Plumb, Wendy J. Robertson, Stefan Spring, Peter Schumann, Peter D.Franzmann and Jaakko A. Puhakka1, Novel Thermophilic Sulfate-Reducing Bacteria from aGeothermally Active Underground Mine in Japan, Applied and Environmental Microbiology, (2006), 72 p. 37593762

Enigmatic Microorganisms and Life in Extreme Environments, Edited by J. Seckbach. 1999. 687 pp.Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. ISBN 0-7923-5492-3.

Li-Hung Lin, Pei-Ling Wang, Douglas Rumble, Johanna Lippmann-Pipke, Erik Boice, Lisa M. Pratt,Barbara Sherwood Lollar, Eoin L. Brodie, Terry C. Hazen, Gary L. Andersen, Todd Z. DeSantis,Duane P. Moser, Dave Kershaw, T. C. Onstott, Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome, Science 314 ( 2006) p479.


L’originalité du projet réside dans l’acquisition d’un outil fiable, sensible et spécifiquepermettant, à terme, l’analyse répétée du contenu microbiologique in situ et en temps réel,évitant ainsi tout dénaturation par changement important et brutal du milieu dans lequelévoluent les organismes vivants recherchés.

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Moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM (financiers et techniques). En particulier,site du CEEL pour le développement instrumental, et moyens d’intervention sur le terrain engéophysique et hydrodynamique en forage.


Afin d’assurer le co-financement de ce projet de sonde novatrice, un dossier FEDER seraprésenté en 2008 par le consortium assemblé dans le cadre de IDESS. Ce projet pourraégalement faire l’objet d’une demande à l’ANR par la société COLCOM. On pourra enfinimaginer une seconde phase de développement, avec l’adaptation de ce concept de surface àde plus grandes profondeurs, et dans applications que ce soit dans le domaine pétrolier ouscientifique, avec dans ce dernier cas IODP. L’étude de la « Biosphère » est en effet, depuis2003, l’un des trois grands axes de développement de ce grand programme international. Onproposera alors à IODP le cofinancement d’une sonde de plus gros diamètre, et pouvantrésister à des pressions allant jusqu’à 500 bars (5000 m d’eau).


Ce projet concerne :1- L’équipe SUBSURFACE de « Géosciences Montpellier » (UMR CNRS/UM2 5243),2- L’équipe «Réseau Microbien sous forçages environnementaux» du laboratoire« Ecosystèmes Lagunaires » Montpellier (CNRS-IFREMER-UM2 5119).

Le projet MFT est mené en collaboration avec trois partenaires industriels, localisés en région(COLCOM et ECA-HYTEC) ou non (ELOG). Il est acquis que le prototype issu de ce projetsera déployé à l’aide des moyens de l’équipe SUBSURFACE de GEOSCIENCESMONTPELLIER, et que les droits de commercialisation reviendront à la société HyTEC.Ceci fera, comme chacun des éléments de IDESS, l’objet d’un accord de partenariat (ou« Consortium agreement ») à mettre en place dans la première partie du projet.


DE WIT R. DR CNRS ECOLAG Microbiologie

GAILLARD P.-E. DGA ECA HyTEC Instrumentation en forage

GARELLY Laurent Ingénieur COLCOM Microbiologie

GARING Charlotte Doctorante GM Hydrogéochimie en forage

GOUZE Philippe CR CNRS GM Hydrodynamique en forage

GRANIER Fabien Post Doc COLCOM Nanotechnologie

HENRY Gilles IE CNRS GM Géophysique en forage et instrumentation

MARLIERE Christian DR CNRS GM Physique/Chimie

PEZARD Philippe DR CNRS GM Géophysique en forage

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Les porteurs scientifiques du volet « Microbiologie» (E3) de IDESS, pour chacun des aspects scientifiques ouinstrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gras

(E3) Références bibliographiques de l’équipe sur le sujetTsogas I., Theodossiou T., Sideratou Z., Paleos M.P., Collet H., Rossi JC., Romestand B.,

Commeyras A. Interaction and transport of poly(L-lysine) dendrigrafts through liposomal andcellular menbranes: the role of generationand surface functionalization. Biomacromolecules;2007; 8(10); 3263-3270

Cottet H., Martin M., Papillaud A., Souaid E., Collet H., Commeyras A. Determination ofdendrigraft poly-L-lysine diffusion coefficients by Taylor dispersion analysis.Biomacromolecules; 2007; 8(10); 3235-3243.

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BREVETSouaid E., Commeyras A., Collet H., Cottet H., Romestand B. Procédé de préparation de polylysines

dendrimères greffés. Brevet PCT/FR2006/000952


Le partenariat issu de ce projet entre les sociétés HyTEC, COLCOM, ELOG, et leslaboratoires GEOSCIENCES Montpellier et ECOLAG, est entièrement nouveau. Il est le fruitde la mise en commun de connaissances multidisciplinaires dans le but de répondre à unbesoin à la fois scientifique et technique.


Un brevet d’invention sera déposé par les partenaires principaux de ce projet. La sonde MFTpourra être testée sur le site de Lavalette (CEEL), de Maguelone (environnement lagunairecôtier), ou sur celui de Campos (Majorque), dans le cadre de la thèse de Charlotte Garing et,plus particulièrement, d’expériences de traçage ou de dissolution entre puits. Construite etcommercialisée par HyTEC, elle pourra servir de support à l’activité de service des PME« Eau FORTE » (Murles) ou « imaGeau » (Montpellier).

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Région LanguedocRoussillonGEPETOS 2007 52/117


INTITULE DU GPTR : IDESS


Elément (E4) : « Monitoring CO2» (Protocole expérimental pour lemonitoring des fractions gazeuses dans les aquifères)


L’objectif de ce projet est de mesurer les teneurs en gaz des aquifères à partir de méthodesgéophysiques robustes. Les applications concernent le suivi des sites de stockage géologiquedes gaz à effets de serre (GES), tel que le CO2. Le projet s’appuie sur la mise en place d’uneplate-forme expérimentale de terrain, avec un site d’observation instrumenté permettant deréaliser des expériences au long cours d’injection de gaz inertes (e.g. air) dans un systèmebien documenté et de faible extension. Le site de Maguelone, choisi à cet effet, représente unanalogue de faible profondeur aux systèmes de grande extension qui servent ou serviront destockage. Le programme de mesure proposé a pour objectif de répondre à une question bienidentifiée par la communauté scientifique et les opérateurs de stockage : comment mesurer encontinu la présence et la dynamique des fractions gazeuses sous les couvertures naturelles ?Ce problème est d’importance puisque ces couvertures naturelles, le plus souvent formées deroches argileuses, sont le dernier rempart vers le relargage diffus ou massif de ces gaz versl’atmosphère. La mise en œuvre d’outils de mesures fiables et peu coûteux est une étapeincontournable pour la gestion à court et long terme des risques chroniques et catastrophiquesliés au stockage souterrain des GES.

L’instrumentation de surface prévue sur le site expérimental est la suivante:• installation d’un tubage équipé de capteurs électriques actifs couplé, à faible distance

(quelques mètres), à des capteurs passifs de pression et de température, pour suivre insitu les variations de conductivité du fluide en fonction de la teneur en gaz,

• instrumentation du site pour le prélèvement occasionnel de fluides in situ.

Le suivi temporel de la zone en fonction des forçages induits par les variations naturelles ouforcées de teneur en gaz apportera une compréhension approfondie de la dynamique desprocessus d’accumulation à l’aplomb de la couverture et, le cas échéant, du perçage de lacouverture. Ces travaux, rendus possibles par les caractéristiques spécifiques du site deMaguelone permettront (1) de réaliser des avancées scientifiques et instrumentales dans undomaine où très peu de données expérimentales existent, et (2) de faire la démonstration descapacités opérationnelles des outils développés à Montpellier en vue de se positionner parrapport aux appels à projet nationaux et européens concernant la gestion des risques liés à laséquestration géologique des GES.

Cette demande à la Région LR vise à co-financer à hauteur de 40% du coût l’équipementscientifique de cet observatoire et de ce dispositif expérimental de terrain, c'est-à-dire la mise enplace des observatoires in situ multi-piézomètres et géophysique, le dispositif de suivi de la teneur insitu en gaz, ainsi que la capacité à échantillonner les fluides in situ.

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(E4) Enjeux et objectifs majeurs

L’accroissement massif des GES dans l’atmosphère et en particulier du CO2 est aujourd’huireconnu de façon consensuelle comme étant un problème environnemental et sociétal majeur.La concentration en CO2 dans l’atmosphère est passée de 280 ppm avant l’ère industrielle, àenviron 390 ppm aujourd’hui (1 ppm = 1 partie par million = 0,0001% du volume del'atmosphère), valeur jamais atteinte depuis 400 000 ans. Si aucun effort de réduction n’estfait, les scénarios d’évolution prévoient une concentration de plus de 700 ppm dansl’atmosphère à l’horizon 2100 et, en conséquence, un réchauffement global du climatterrestre. Une solution envisagée pour réduire l’excédent de CO2 dans l’atmosphère consiste àl’injecter dans des aquifères souterrains (capacité mondiale estimée entre 400 et 10.000milliards de tonnes de CO2) ou des réservoirs pétroliers abandonnés (capacité mondialeestimée à 1000 milliards de tonnes de CO2).

Figure 1 :Représentation schématique d’un réservoir de stockage de CO2, et de l’installationd’un observatoire géophysique pour détecter la présence et suivre la dynamique du gaz.

Les problèmes scientifiques et technologiques liés au stockage souterrain du CO2 se déclinenten quatre volets : (1) la capture, (2) le transport de la zone de production vers la zone destockage, (3) l’injection du gaz dans le sous sol, et (4) la gestion des risques, en particulier defuites, liés au stockage sur de longues périodes (i.e. plusieurs milliers d’années). Si les deuxpremiers volets ne concernent pas les sciences de la Terre, le troisième est largement étudiépar le laboratoire GM depuis 2002.

Ces travaux sont menés grâce à la plate-forme expérimentale ICARE construite dans le cadredu programme PICOR (2002-2004). PICOR est soutenu par le Ministère de l’IndustrieRTPG/DIREM/CEPM et coordonné par l'IFP en partenariat avec d’autres laboratoiresuniversitaires (ICMCB-Bordeaux, LGIT–Grenoble, LMTG–Toulouse), le BRGM, les Ecolesdes Mines de St Etienne et de Fontainebleaux, ainsi que des industriels tels que TOTAL etGEOSTOCK. En 2005, les travaux expérimentaux ont été soutenus par le Ministère de laRecherche sous la forme d’une ACI « Energie et développement durable ». Enfin, depuis2006 nos travaux ont porté sur l’étude en laboratoire de la séquestration minérale du carbone,

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c'est-à-dire la transformation du CO2 en roche carbonatée, dans le cadre de l’ANR-"GEOCARBONE-CARBONATATION".

Figure 2 : Schéma de principe du banc expérimental ICARE-FT permettant de déterminer ladynamique des processus de dissolution/précipitation dans des échantillons de rochesréservoir, et en conditions d’injection massive de CO2 (i.e. 70 ≤ pression ≤ 150 bars et 50 ≤température ≤ 200 °C.

Les principaux résultats obtenus concernent la caractérisation de dynamique chimique, i.e. deschemins réactionnels et des cinétiques de réaction, ainsi que la modélisation des lois quidéfinissent les modifications de porosité et de perméabilité, en fonctions des différentsscénarios d’injection et de stockage (Gouze et al., 2003 ; Noiriel et al., 2004, 2005, 2007).Quelques exemples de résultats sont présentés et commentés dans les figures 3 à 5.

En partenariat avec TOTAL et avec le soutien de l’ADEME, la plate-forme ICARE s’estdotée en 2006-2007 de deux nouveaux bancs de mesure aux performances uniques en France.Avec ces nouveaux outils, nous avons pu initier les travaux en laboratoire sur un aspectimportant qui relèvent du volet 4 : la tenue des couvertures argilitiques en présence de CO2 enphase gaz. En particulier, la tenue des couvertures endommagées soumises à un stresscyclique, d’eau saturée en CO2 et de CO2 en phase gaz, scénario fortement probable dans lecas des stockages en aquifères sur plusieurs milliers d’années.

Reproduisant ces processus en laboratoire, nous avons mis en évidence les effets couplés del’altération chimique et de l’érosion mécanique induite par les phases de désaturation desminéraux argileux au passage du CO2 en phase gaz. Ces travaux, encore préliminaires,montrent cependant qu’une couverture partiellement endommagée, par exemple par unépisode tectonique ou à cause de la déstructuration du réservoir sous-jacent pendant la phased’injection, peut produire des fuites de la phase résiduelle de CO2 gaz, fuites qui elles mêmepeuvent accroître les faiblesses structurelles de la couverture de part leur propriétés physico-chimiques. Par contre, dans le cas où aucune phase gazeuse n’existe, l’altération desmicrofissures est négligeable. On peut même observer des processus d’auto-suturation si l’eaudu réservoir à une force ionique suffisamment faible (Figure 6).

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Figure 3 : Représentation schématique d’un réservoir de stockage de CO2. Les zones notéesde 1 à 4 représentent les points expérimentaux dont les résultats sont donnés par la figure 3.La pression partielle de CO2 croit lorsqu’on s’éloigne de la zone d’injection (1: PCO2 = 100bar ; 2: PCO2 = 60 bar ; 3: PCO2 = 25 bar et 4: PCO2 = 7 bar).

Figure 4 : Evolution de la perméabilité aux points 1 à 4 notés sur la figure 3. En fonction dela pression partielle de CO2 il y a augmentation de la perméabilité correspondant à ladissolution de carbonates du réservoir (zones 1 à 3, i.e respectivement PCO2 = 100 bar ; 2:PCO2 = 60 bar ; 3: PCO2 = 25 bar) ou diminution de la perméabilité correspond à laprécipitation de carbonates (zone 4, i.e. PCO2 = 7 bar). Les modifications du milieu sontdonc complexes, en fonction des conditions d’injection. On peut noter la forte augmentationde la perméabilité prés de la zone d’injection, qui s’accompagne d’une forte perte de matière(la porosité augmente considérablement) et d’une déstructurations de la roche pouvantentraîner un endommagement des couvertures et scellements du forage d’injection.

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Figure 5 : Exemple de coupe (~ 1mm2) d'un échantillon de calcarénite de la formation deLérouville (bassin de Paris) en observation micro-tomographique. A t=0 la couleur noire etle dégradé de gris représentent respectivement la porosité et la phase solide. La position del’interface eau-roche en cours de dissolution induite par un fluide saturé en CO2 estmatérialisée par les contours noirs A, B et C (t = 1.4h, t = 13.9h et t = 22.4 h). L’évolutiondes propriétés hydrodynamiques et structurales du milieu poreux peut donc être déterminée.

Figure 6 : Percolation acide dans une argilite fracturée, montrant une diminutionprogressive dans le temps de l’ouverture mécanique et de la perméabilité (k ~ dP-1),produisant à terme la suturation de la fracture alors que les phases carbonatées sontdissoutes par un fluide de faible force ionique.

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En présence d’une phase gazeuse massive ou résiduelle au-dessous de la couverture, desfuites de CO2 sont donc possibles, soit en tant que processus diffus, soit en tant que processuscatastrophique. Détecter la présence de phase gazeuse à l’aplomb des couvertures est doncindispensable pour la gestion des risques liés au stockage souterrain des GES. Ce point à ététrès largement soulevé lors de réunions nationales ou internationales de structuration de lacommunauté scientifique pour l’étude du stockage géologique des GES. Néanmoins, endehors des plus grosses sociétés de service dans le domaine pétrolier (e.g. Schlumberger), quidéveloppent des outils et des services spécifiques basés en particulier sur des mesuressismiques très coûteuses, la communauté scientifique ne s’est que peu investie dans cedomaine. La principale raison concerne les coûts de réalisation de forages pilote etd’installation de test des prototypes de capteurs à grande profondeur (≥ 800 m). Ceux-ci nepeuvent être envisagés que dans le cadre de projets internationaux ou industriels.

Dans le cadre de la plate-forme IDESS, nous proposons une approche différente, basée surnotre expérience expérimentale et nos ressources opérationnelles en termes de mesure hydro-géophysique en forage. Notre objectif est de construire un pilote à très faible profondeur (≤ 25m) permettant d’étudier la faisabilité de mesures géophysiques simples et peux coûteuses demonitoring in situ. Forts de cette expérience nous pourrons proposer ensuite un programme detests en condition réelle dans le cadre des appels d’offres Européens FP7. Nous comptons enparticulier poursuivre notre engagement auprès du consortium MUSTANG, en cours de miseen place, et dont nous faisons partie depuis début 2007. La proposition MUSTANG, soumiseen 2007 dans le cadre du FP7, fut notée 12/15 (évaluation ici en annexe), sélectionnée pourenquête plus détaillée, mais finalement pas retenue. Aucune proposition concernant laséquestration du CO2 n’ayant été financée en 2007, l’appel sera réitéré en 2008, MUSTANGétant invité à concourir en tenant compte de l’évaluation de 2007. On notera en particulierqu’il est suggéré de recourir à une expérimentation de terrain plus développée et à l’utilisationde « multi-tasks downhole sensors » (under « Any other remarks »).

La première phase du projet « CO2 Monitoring » proposé dans le cadre de la plate-formeIDESS s’appuie sur 4 ressources spécifiques de GM. Ce sont : (1) les moyens techniques etlogistiques uniques du CEEL, (2) les moyens expérimentaux de la plate-forme ICARE, (3) ladouble compétence hydrodynamique et géophysique de l’équipe Subsurface de GM, et (4) lesite expérimental de Maguelone, dont les caractéristiques présentent une analogie directe avecune zone interface réservoir-couverture typique.

(E4) Site expérimental de Maguelone

L’observatoire de Maguelone est implanté en zone côtière, sur le lido de Villeneuve-lès-Maguelone, au sud-ouest de Montpellier. Cinq forages ont été réalisés à ce jour dans la zoned’étude (Figure 7). Ce chantier a été initié dans le cadre du projet européen FP5« ALIANCE » centré sur l’étude hydrogéophysique des intrusions salées dans les aquifèrescôtiers. Il s’agissait de construire un site instrumental pour le développement en zone côtièred’un observatoires in situ de la résistivité électrique. Pour cela, à l’aide d’une carotte de 60 met d’un ensemble de mesures géophysiques en forage, on s’est attaché à :- identifier les séries sédimentaires traversées,- déterminer l’impact de la géométrie et la lithologie de ces dépôts sur la localisation et le

fonctionnement des aquifères côtiers, et- calibrer les mesures en forage d’un point de vue pétrophysique dans le but de restituer la

salinité des fluides saturants le long du forage.

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Figure 7 : carte géologique du site de Maguelone (BRGM) et localisation sur une imagesatellite (IGN) des forages réalisés à ce jour (2003-2007).

Sur ce site, la profondeur des forages varie de 12 m à plusieurs centaines de mètres (tab. 1).Le forage MAG1 a été carotté intégralement sur 58 m. L’étude des carottes apporte desinformations sur la lithologie et les propriétés pétrophysiques des unités traversées. Le forageMAG4 a permis la mise en place du premier observatoire in situ de résistivité électrique. Ilassure l’acquisition quotidienne de données de résistivité dans le sous-sol, et permet de suivrel’évolution à la fois verticale et temporelle, à haute-résolution, de la salinité des fluidessaturants le milieu poreux.

Forage Z (m) Localisation Caractéristique Données disponiblesMAG1 60 Lido interne Pénètre dans les séries

continentalesCarottes, résistivité électrique,susceptibilité, radioactivitégamma naturelle spectrale

MAG2 17 Lido externe Pénètre dans les sériescontinentales

résistivité, radioactivité gammanaturelle spectrale

MAG3 94 I l o t d eMaguelone

Pénètre dans les sablesastiens aquifères

résistivité, radioactivité gammanaturelle spectrale

MAG4 34 Lido interne Pénètre dans les sériescontinentales

Observatoire de résistivité, etradioactivité gamma naturelle

SAR 940 Lido externe A atteint la base de la sériepliocène – puits effondré

Radioactivité gamma naturelle

• Contexte géologique

Comme pour la majeure partie des plaines côtières méditerranéennes, la géométrie des sériessédimentaires forées à Maguelone a été conditionnée par l’histoire géologique de la région.Cette dernière débute avec la Crise de Salinité Messinienne (Hsu et al., 1973) survenue enMéditerranée au Miocène terminal entre 5.6 et 5.32 Ma. Durant cet événement, le niveaumarin Méditerranéen s’est abaissé d’au moins 1500 m (Ryan et al., ). Outre la mise en placede séries évaporitiques épaisses dans les plaines abyssales, il en est résulté une érosionsubaérienne généralisée des marges Méditerranéennes. Le Golfe du Lion porte l’empreinte decet évènement sous la forme d’une surface d’érosion très bien visible en sismique sous laplate-forme actuelle (Guennoc et al., 2000 ; Lofi et al. 2005). Cette surface existe aussi à terredans certains secteurs. Elle n’est néanmoins plus visible car elle est recouverte par la sériesédimentaire Plio-Pleistocène.

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La crise Messinienne s’achève par la remise en eau du bassin méditerranéen, et l’ennoiementde vallées alors transformées en rias. Dès lors, pendant toute la durée du Plio-Pleistocène, lamarge du Golfe du Lion se reconstruit progressivement par progradation sur la topographiemessinienne préexistante, jusqu’à obtention de sa morphologie actuelle (Lofi et al., 2003).Cette reconstruction a débuté au Pliocène inférieur par le remplissage de la section la plusamont des rias. En raison de leur morphologie particulière (étroite et profonde), ceremplissage s’est fait sous la forme de corps sédimentaires très particuliers : les Gilbert’sdeltas (Clauzon, 1973). Ces deltas se caractérisent par 3 faciès sédimentaires distincts quireflètent la distance entre source sédimentaire et zone de dépôt :

- en amont, des topsets continentaux fluviatiles et de plaine deltaïque, localement aquifères,

- dans la partie médiane, des foresets sableux de front de delta, connus sous le nom desables astiens en Languedoc, qui constituent une couche poreuse et perméable et, parconséquent, un bon aquifère,

- au large, des bottomsets argileux de delta sous-marin, imperméables.

Les Gilbert’s deltas ont progradé au cours du temps. La ligne de rivage s’est progressivementdéplacée vers le large en contexte de niveau marin stable. La variation latérale de facièsinterne au gilbert delta se traduit alors, verticalement (en forage), par leur juxtaposition : lesargiles marines à la base (au fond des vallées messiniennes), puis les sables astiensintermédiaires et enfin, les facies continentaux au sommet. Ce sont ces séries qui ont étéforées sur le site de Maguelone. Il est à noter que cette organisation particulière est observéesur l’ensemble de la façade méditerranéenne.

La reconstruction de la marge du Golfe du Lion a commencé en contexte de niveau marinrelativement stable, pendant toute la durée du Pliocène inférieur. A partir du Pliocène moyenà supérieur, l’émergence des glaciations dans l’hémisphère nord entraîne des oscillationseustatiques qui vont complexifier l’organisation des séries sédimentaires sur la marge engénérant des surfaces d’érosion et des séquences de dépôt multiples et emboîtées. La dernièreglaciation date d’il y a 18 000 ans, et se caractérise par un niveau marin alors abaissé de 120m, accompagné par le creusement de vallées au débouché des fleuves.

Figure 8 : schéma conceptuel 3 D illustrant l’organisation des séries sédimentairesau niveau de la cathédrale de Maguelone. Sous les dépôts Holocènes, le forage carotté

MAG1 a échantillonné les séries continentales du Pliocène.

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Inversement à d’autres sites côtiers tels que la plaine du Roussillon (Aunay, 2007 ; Duvail,2007), le site de Maguelone se caractérise par une organisation sédimentaire relativementsimple. En effet, seule la dernière oscillation eustatique semble avoir été enregistrée, ausommet des séries progradantes du Pliocène inférieur. Cette zone d’étude apparaît donccomme étant située sur un haut-fond pliocène, relativement épargnée par l’érosion Plio-Pleistocène, probablement du fait de sa localisation privilégiée (éloignement des embouchuresfluviatiles, et protection au nord-ouest par le massif de la Gardiole).

Comme nombre de sites côtiers méditerranéens (ex. plaines du Roussillon et de l’Hérault), lesite de Maguelone est implanté sur le comblement Pliocène et Pléistocène d’une paléo-topographie messinienne. Les forages de Maguelone ont traversé les séries sédimentairessuperficielles et pénétrés dans la série Pliocène. Le forage SAR a traversé l’intégralité de cettedernière et atteint vers 510 m le mur de la vallée messinienne, à la base des bottomsetsargileux qui constituent une épaisse couche imperméable. Les sables de foresets (facièsastien) ont été traversés par SAR, mais ils ont également été atteints par MAG3 (vers 85 m).Au-dessus de ces sables, les topsets continentaux ont été carottés par MAG1.

• Faciès sédimentaires en environnements de dépôt (MAG1)

L’étude des carottes du puits MAG1 (Figure 9) met en évidence les deux unitésstratigraphiques et lithologiques.

Figure 9 : Colonne lithologique simplifiée du forage MAG1, illustrant les dépôts sommitauxHolocènes surmontant la série continentale du Pliocène inférieur. Le niveau sur lequel les

tests d’injection et de monitoring seront réalisés correspond au conglomérat (de 12 à 15 m).

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Holocène supérieur (0 - 9 m). Cette série est constituée de sédiments lagunaires (argile vertelagunaire à la base, et sable de cordon au sommet) mis en place après le dernier maximumglaciaire (5000 ans - présent). L’âge de cette série est attesté à la base par des datations au14C (Dezileau, comm. pers.). Les dépôts holocènes sont discordants sur la série Pliocènesous-jacente.

Pliocène inférieur (9 - 59 m). Cette série est principalement constituée de dépôts de plainesdeltaïques (argiles et silts beiges avec des traces de racines) interprétés comme des facièscontinentaux (topsets). Localement, quelques incursions marines sont visibles (argilesgrises) ainsi que des niveaux lacustres (argiles carbonatées blanches). La fraction argileuseest importante sur toute la longueur du forage, rendant ces dépôts à priori peu perméables.Cette forte teneur en fines est mise en évidence sur le signal de la radioactivité gammanaturelle, par des valeurs de radioactivité naturelle relativement élevées (Figure 10).

Entre 12 et 15 m, néanmoins, un niveau perméable constitué de matériel grossier (galets etsables) est identifié par sa faible radioactivité naturelle, associée à une forte résistivité. Ilcorrespond à un niveau conglomératique interprété comme étant d’origine fluviatile. Ceniveau grossier est bien corrélé latéralement avec les autres forages (Figure 10). Il s’estcaractérisé par une venue de sulfure d’hydrogène (H2S) lors de sa traversée par forage,contraignant les foreurs à abandonner le chantier pendant 30 minutes, le temps que le gaz sedissipe. Le faciès sédimentaire et les mesures géophysiques en forage suggèrent donc uneforte porosité et une forte perméabilité de ce niveau. Il est encadré par des niveauxbeaucoup plus argileux et par conséquent moins perméables.

Figure 10. Données de radioactivité gamma naturelle et de résistivité électrique dans lespuits de Maguelone illustrant le niveau conglomératique de faible radioactivité naturelle (en

jaune) et sa corrélation à l’échelle de la zone d’étude.

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Dans le cadre du projet IDESS, c’est ce conglomérat très peu profond, de grande continuitélatérale, et de 3 mètres d’épaisseur, qui est la cible de la plate-forme proposée pour l’injectionet le monitoring in situ de gaz. En effet, la présence d’une anomalie gazeuse en cours decarottage (en 2003), associée à un maximum de résistivité électrique mesuré par inductiondans cette zone (MAG1), vient attester de la présence de gaz (probablement issu de ladécomposition en H2S et CH4 de la matière organique lagunaire) dans le sous-sol. D’autantplus qu’un fluide peu salin ne peut être utilisé pour expliquer cette anomalie de résistivité, lapartie supérieure de la colonne sédimentaire ayant une résistivité assez faible, attestant d’unesaturation par une eau de salinité voisine de l’eau de mer.

Figure 11 : Fluide de forage noir résultant de la corrosion du tube de forage en acier par lesulfure d’hydrogène (H2S), lors de la foration du puits MAG4, en juin 2004.

La phase de foration fut également caractérisée par une venue d’eau relativement douce vers38-40 m (Cw = 1200 µS/cm), légèrement surpressurisée, et jaillissant de façon artésiennependant quelques minutes. Ceci donne donc une situation inverse à celle qui est traditionnelleen contexte de coin salé littoral, avec l’eau douce flottant normalement sur l’eau salée. Cetteinversion de salinité est expliquée par le caractère argileux de l’ensemble de la colonnesédimentaire. Celle-ci garantit l’étanchéité de ces formations peu profondes, et explique lapréservation du gaz (H2S) dans le réservoir conglomératique. En conséquence, unecaractérisation à la fois sur carottes et in situ de ce conglomérat est maintenant nécessaire,avant le début de toute expérience d’injection d’un gaz neutre comme l’air ou l’azote.

Dans le cadre de IDESS, nous projetons la réalisation de trois forages supplémentaires, dontdeux destructifs de 20 à 25 m de profondeur et un carotté de 50 m. Ils seront localisés àproximité des forages existant MAG1 et MAG4, et permettront d’affiner notre compréhensionde la zone d’étude. Le puits carotté permettra de réaliser des mesures pétrophysiques surcarottes immédiatement après extraction, puis de les conserver afin d’en optimiserl’exploitation ultérieure, ce qui n’a pas été fait dans le cas de MAG1.

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(E4) Instrumentation permanente du sous-sol

Le premier observatoire permanent de résistivité électrique du sous-sol fut construit au CEEL,puis mis en place dans le puits MAG4 en juin 2004, dans le contexte du projet européen FP5« ALIANCE ». Il fut automatisé pour une scrutation quotidienne à partir d’avril 2006, etcontinue à fonctionner aujourd’hui, après 3 ans et demi d’installation.

Figure 12 : Installation sur 40 m du premier observatoire in situ de résistivité dans le puitsMAG4 (Site de Maguelone), en juin 2004. L’espacement des électrodes est métrique.

Après plusieurs essais, une scrutation à l’aide de la méthode dipôle-dipôle et à échellemétrique fut choisie pour les mesures répétées, d’abord de façon occasionnelle (Figure 13),puis de façon quotidienne, à partir d’avril 2006 (Figure 14). Outre un décalage de 80 cm desséries dû à un faible pendage vers la mer (environ un degré), la comparaison des profilsdipôle-dipôle de résistivité obtenu dans MAG4 avec les mesures enregistrées par induction(surtout à faible profondeur ; Rilm) dans le puits MAG1, voisin de 50 m et protégé à l’aided’un tubage PVC, démontre la validité du prototype mis en place.

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Figure 13 : Premières comparaisons de profils de résistivité par induction dans MAG1 avecles profils dipôle-dipôle venant de l’observatoire in situ de MAG4. Le profil du 23 juin 2004fut répété le 24 juin pour tester la répétabilité du dispositif, puis le 27 septembre pour évaluerl’évolution potentielle après trois mois d’été. La dérive est quasi nulle dans les intervallesargileux (ou la radioactivité naturelle gamma, selon le profil vert, est forte) où la conductivitéest contrôlée par les processus de conduction de surface. Une certaine variabilité est obtenue,par exemple, dans le conglomérat ou à proximité de la surface où la désaturation estivale estillustrée par une augmentation de résistivité (profil de point violets).

Ces résultats n’ont pas été publiés à ce jour car une demande de brevet (N° 06 09965) a étédéposée par la société GPI (Aix-en-Provence) le 15/11/2006 pour un « Appareil, système etprocédé de mesurage souterrain ». L’autorisation de divulgation a été adressée par l’INPI le6/12/2006, et une demande d’extension à échelle européenne a été formulée en mars 2007. Lavalorisation commerciale de ce brevet est confiée à la société imaGeau (Montpellier).

L’auscultation quotidienne de résistivité dans la partie inférieure du forage (Figure 14) n’apas mis en évidence de grandes variations in situ dans cette zone littorale inhabitée, etquasiment inexploitée d’un point de vue hydrologique. Cette mesure soutient l’intérêt que l’onpeut avoir sur ce site pour la mise en place d’un dispositif expérimental d’injection de gaz.

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Figure 14 : Variations temporelles de résistivité électrique dans le puits MAG4 (Maguelone)de 28 à 40 m, et d’avril à septembre 2006. Une salinisation progressive est mise en évidenceà la base du dispositif, avec une chute progressive de résistivité.

A partir d’une telle image, il serait intéressant de traduire ces variations temporelles soit entermes de désaturation (à proximité de la surface), de changement de température ou desalinité du fluide poral. Une fois la composante géologique de ce signal (argilosité, porosité,ainsi que leurs arrangements respectifs) prise en compte, avec une mesure indépendante detempérature in situ, il devient possible de produire directement une carte de variations desalinité de l’eau porale ou de la saturation en eau de l’espace poreux, pour des raisonsclimatiques (en surface) ou anthropiques (lors d’une expérience, par exemple).

Seul un échantillonnage de fluides in situ sur des niveaux discrets, produisant des points decalibration occasionnels de l’image continue interprétée, peut valider cette démarche. Lesystème Schlumberger « SWS-WestBay » permet à la fois un tel échantillonnage entrepackers (Figure 15), mais aussi le suivi occasionnel ou continu des champs de pression, detempérature ou de conductivité du fluide poral (en autant de points que de packers).

Avec de l’eau salée à proximité de la surface, du gaz dans le conglomérat (12 à 15 m), puisune transition vers une nappe d’eau assez peu salée (en dessous de 38 m), le site deMaguelone offre, sur quelques dizaines de mètres seulement, une grande diversité chimique ethydrodynamique. En dépit de l’absence d’un biseau salé traditionnel, c’est donc un excellentsite pour le développement d’observatoires du sous-sol.

Figure 15 : Dispositif « SWS-WestBay » d’isolation par packer (en bleu) de différents niveauxhydrogéologiques. Une navette permet soit de d’ausculter chacun des intervalles en séquence

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(gauche), soit de prendre un échantillon de fluide in situ (centre), soit d’obtenir unenregistrement continu du champ de pression (droite) en plusieurs points du forage (systèmede monitoring MODAX). Ces deux derniers dispositifs sont particulièrement bien adaptésdans un contexte expérimental comme celui que nous allons développer à Maguelone.

(E4) Approche expérimentale proposée

• Validation du dispositif d’observation en place (MAG4)

On s’attachera dans un premier temps à installer un observatoire « SWS-Westbay » à unedistance de 10 à 20 mètres de l’observatoire MAG4, dans le nouveau puits carotté de 50 m deprofondeur. Ceci permettra à la fois de suivre les variations de pression dans le conglomérat etdans le réservoir d’eau plus douce, en dessous de 40 mètres, mais aussi de s’assurer de lanature effective des fluides présents en subsurface ainsi que d’éventuelles variationstemporelles. Pour ce qui est de l’étude des variations naturelles du champ de pression, oncherchera à installer deux dispositifs permanents MOSDAX vers 15 m (conglomérat) et au-delà de 40 m (eau la moins salée), avec un enregistreur MAGI en surface.

• Dispositif de monitoring géophysique in situ « 1000 m »

Une fois les variations (climatiques ou naturelles, saisonnières ou d’origine plus soudaine,comme lors de tempêtes et/ou d’épisodes cévenols) aux limites du système enregistrées, onpourra travailler à la mise en place du dispositif expérimental d’injection et de monitoring àchamp proche de gaz dans le réservoir constitué par le conglomérat (de 12 à 15 m). Onutilisera pour cela deux puits très voisins (à échelle métrique) de l’observatoirehydrogéologique Schlumberger. L’un servira à l’injection de gaz dans le conglomérat et lesecond permettra un suivi des variations de résistivité à une distance latérale de l’ordre dumètre, en cours d’expérience. Avec MAG4, on disposera donc d’un double dispositifd’observation, à environ un et dix mètre du point d’injection (Figure 3).

Pourquoi ne pas se contenter d’un seul site d’observation de la résistivité (MAG4) ? Laréponse est principalement d’ordre technologique et opérationnel. Il est en effet nécessaire dedévelopper un dispositif permettant tout d’abord un déploiement à 800-1000 m de profondeur.Ensuite, une transmission des données et de la puissance de mesure (électrique), sur unelongueur bien plus grande que le dispositif actuel (conçu pour 200 m au maximum), estnécessaire. Enfin, une capacité interne de calibration sera recherchée, avec un tube intérieurpermettant l’accès à une sonde à induction (Figure 16). Il n’est en effet pas facilementenvisageable de disposer de plusieurs puits voisins pour des calibrations croisées à 800 m.

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Figure 16 : Vue schématique de dessus (à gauche) et connexion (à droite) de la partie« capteur » de l’observatoire. On cherchera en particulier i) à noyer le bus de communicationentre électrodes et paroi interne, ii) à permettre le passage d’un outil de logging pourcalibration de la résistivité, et iii) à assurer un assemblage sur le terrain des différentssegments (électrodes ou jonctions) à la fois simple et sûr.

C’est pourquoi il a été demandé à la société ELOG (Vitrolles), spécialisée depuis plus de 25ans dans la conception et la fabrication d’outils de mesures en forage, d’imaginer un dispositifPVC (Figure 16) pouvant être déployé à grande profondeur (≥ 800 m). Son principe général,en dehors de sa tenue en pression et en température, sera testé à Maguelone jusqu’à 25 mseulement et donc à très faible coût. ELOG travaillera à la fois avec la société OKTALOGIC(Montpellier) qui propose un dispositif extrêmement novateur de récolte et de transmission(GPRS) des données en surface, et la société imaGeau (Montpellier), start-up issue dulaboratoire (GM) et conventionnée avec CAP OMEGA, qui fournira le système de contrôled’acquisition en surface, de type PC104. Comme en juin 2004, tous travailleront de concertavec la société FUGRO (Jacou) lors de l’installation de l’observatoire en forage. C’est eneffet un moment crucial à la réussite de l’ensemble de l’opération, qui demande soin etconcentration de la part du foreur, des qualités parfois difficiles à réunir sur le terrain.

• Dispositif expérimental d’injection

Une fois les trois observatoires en place (SWS, imaGeau et MAG4), on pourra travailler à lamise en place de différents protocoles expérimentaux de terrain permettant de suivre à la foisi) l’injection et la dissipation dans le réservoir, entre 12 et 15 mètres, d’une phase gazeuseinerte, et ii) la tenue des barrières de perméabilité environnantes. A terme, il serait élégant etmeilleur marché de réaliser l’injection de gaz et le monitoring à l’aide d’un seul forage. Cettecomplexité instrumentale n’est cependant pas envisagée actuellement.

Il reste que le dispositif de monitoring « mono-puits », basé sur les développements en coursdans notre laboratoire depuis plusieurs années, demeure beaucoup plus avantageux que latechnique « multi-puits » développée aux USA (Figure 17).

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Figure 17 : Dispositif de monitoring d’injection de gaz développé par Lawrence LivermoreNational Lab. (Californie), déployé en 200-2001, et basé sur une tomographie électriqueentre deux puits distants de 30 mètres. On note très clairement les zones d’injection, avecaugmentation de résistivité, sans pour cela bien localiser la zone mise en œuvre.


La détection de phases gazeuses dans les réservoirs de stockage des GES à l’aplomb descouvertures et le suivi en continu de la dynamique de ces gaz sont indispensables pour lagestion des risques liés au stockage souterrain des GES. Les techniques à mettre en œuvredoivent être robustes (face à un environnement agressif) et les capteurs peu coûteux, afin depouvoir être positionnés en plusieurs points stratégiques et d’assurer la redondance nécessairedans le cadre d’un système d’alerte conventionnel.

Il n’existe, à notre connaissance aucun pilote permettant de tester puis, le cas échéant, devalider des observatoires géophysiques permanents dans les conditions correspondantes àcelle du stockage géologique des GES, et en particulier du CO2. La plate-forme expérimentaleque nous proposons d’installer à Maguelone est donc un outil totalement original pour larecherche scientifique et le développement instrumental. Cet outil permettra de tester lesinnovations réalisées en termes d’observatoire de résistivité électrique, et de proposer cesméthodes pour une installation sur les pilotes de stockage dans le cadre de projets derecherche Européens, ou de sites industriels, et d’ouvrir de nouveaux marchés pour lesentreprises associées à ce développement.

En outre, l’association des dispositifs in situ proposés par Schlumberger et imaGeau n’ajamais été réalisée sur le terrain, comme en atteste le courrier joint en annexe du directeur deSWS-Monitoring (en date du 22/12/2006), leader mondial dans le domaine del’instrumentation du sous-sol en forage. Cette association est donc porteuse d’espoirs certains,aussi bien en terme scientifique, que méthodologique ou instrumental.

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Moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM (financiers et techniques) et dudépartement T2E pour ce qui est de l’observation in situ. En particulier, site du CEEL pour ledéveloppement instrumental, et moyens d’intervention sur le terrain en géophysique ethydrodynamique en forage, ainsi que moyens de laboratoire relatifs aux analysespétrophysiques de carottes ou au traitement des données géophysiques de puits.


Equipes SUBSURFACE du laboratoire Géosciences Montpellier (UMR CNRS/UM2 5243)

NOM, prénomGRADE

Laboratoire Spécialité

Lofi Johanna Post Doc GM Sédimentologie, pétrophysiquePezard Philippe DR CNRS GM Observatoires géophysiques en forage

Henry Gilles IE CNRS GM Instrumentation géophysique en forage

Loggia Didier MC UM2 GM Pétrophysique et désaturation

Marlière Christian DR CNRS GM Pétrophysique et microbiologie

Gouze PhilippeCR CNRS GM Hydrodynamique en forage

Leprovost,Richard

IE CNRS GM Instrumentation hydrodynamique en forage

Les porteurs scientifiques du volet « MONITORING CO2» (E4) de IDESS, pour chacun des aspectsscientifiques ou instrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gra


Le cas échéant, projet européen FP8 « MUSTANG » (2008-). Ce projet pourra égalementfaire l’objet d’une demande à l’ANR, et dans le domaine de la maîtrise de l’énergie.

Moyens propres de l’équipe SUBSURFACE de GM, et crédit T2E d’observation.

(E4) Références bibliographiques proches du sujet proposé

Gouze , Ph., and A. Coudrain-Ribstein Chemical reactions and porosity changes duringsedimentary diagenesis, Applied Geochemistry, 17 (1), 39-47, 2002.

Gouze Ph., Noiriel C., Bruderer C., Loggia D. and Leprovost R., X-Ray tomographycharacterization of fracture surfaces during dissolution process, Geophysical ResearchLetters, 30(5), 1267-1270, 2003.

Gouze Ph., T. Le Borgne, R. Leprovost , G. Lods, T. Poidras and P.A. Pezard, Non-Fickian dispersion in porous media: 1. Multi-scale measurements using single-wellinjection-withdrawal tracer tests at the Ses Sitjoles/ALIANCE test site (Spain), WaterResources Research, in press.

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Le Borgne T, O. Bour, M.S., Riley, Ph. Gouze, Belgouhl, G. Lods, R. Leprovost , R.B.Greswell, P.A. Ellis, E. Isakov, B.J. Last , P.A. Pezard, Comparison of alternativemethodologies for identifying and characterizing preferential flow paths in heterogeneousaquifers, Journal of Hydrology, 337(1-2), 2007, 133-146.

Le Borgne T. and Gouze Ph., Non-Fickian dispersion in porous media: 2. model validationfrom measurements at different scales, Water Resources Research, in press.

Loggia D., Gouze Ph., Greswell R. and Parker D.J. Investigation of the geometricaldispersion regime in a single fracture using Positron Emission Projection Imaging,Transport in Porous Media, 55, 2004, 1-20.

Lods G. and Gouze Ph. WTFM, a software for well tests analysis in fractured mediacombining fractional flow with double porosity and leakance. Computer and Geosciences,30, 2004, 937-947.

Noiriel, C., Ph. Gouze and D. Bernard, Investigation of porosity and permeability in relationwith microstructure changes during limestone dissolution. Geophysical Research Letters,Vol. 31, N°24, L24603, doi : 10.1029/2004GL021572.

Noiriel C., Bernard D., Gouze Ph. and Thibault X. Hydraulic properties and microgeometryevolution in the course of limestone dissolution by CO2-enriched water, Oil and GasScience and Technology, 60(1), 2005, 177-192.

Noiriel C., Gouze Ph. and B. Madé Time-resolved 3D characterization of flow anddissolution patterns in a single rough-walled fracture (IAH monograph, Balkema, in press)

Noiriel C., Madé B. and Gouze Ph., Impact of coating development on the hydraulic andtransport properties in limestone fracture, Water Resources Research, 2007

Tenchine S. and Gouze Ph. Density contrast effects on tracer dispersion in variable aperturefractures, Advances in Water Research, 28, 273-289.


Partenariat entre le laboratoire (GM), trois entreprises en région (FUGRO, imaGeau, etOktaLogic) et une hors région.


Limitées au développement, à moyen terme, du marché des trois entreprises associées à cedéveloppement.

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Elément (E5) : « GLISSEMENTS » (Dynamique d’un glissement deterrain; relations pluviométrie - interaction eau/roche - déformations).

A - JUSTIFICATION SUCCINTE DE LA DEMANDE (E5)

L’objectif de ce projet est de comprendre la mécanique d’un glissement de terrain en couplantles approches géophysiques, géodésiques, hydrogéologiques et géochimiques. Le projets’appuie sur la mise en place d’une plate-forme expérimentale de terrain, avec notamment unsite d’observation instrumenté permettant l’acquisition de mesures quantitatives, ainsi qu’unsuivi dans le temps de la dynamique du phénomène. La zone d’étude choisie est le NWLodévois dont le cadre géologique, météorologique et hydrologique est bien connu. Nousappréhenderons l’étude des processus de glissements gravitaires à différentes échellesd’espace et de temps, depuis le signal d’entrée pluviométrique jusqu’au signal de sortie auxexutoires des aquifères. Ce projet, clairement pluridisciplinaire, a l’ambition de mettre enœuvre des méthodes nouvelles ou encore peu utilisées pour l’étude des glissements de terrain,en s’appuyant sur une instrumentation en surface et in-situ du site d’observation.

L’instrumentation de surface prévue sur le site expérimental est la suivante:• Installation d’un réseau géodésique (GPS) pour suivre les déplacements et les

déformations de surface.• Instrumentation des sources pour suivre l’hydrodynamique et l’hydrochimie des

aquifères et ainsi apprécier indirectement leurs effets sur la stabilité du versant.

L’instrumentation du sous-sol, en forage, sera couplée à l’instrumentation de surface pourobtenir une description in-situ du phénomène et obtenir ainsi une meilleure compréhension :

• Installation d’un observatoire multi-piézomètres pour appréhender le fonctionnementhydrodynamique et hydrochimique associé à chacun des aquifères et, par conséquent,d’identifier leur rôle respectif sur la dynamique des mouvements externes.

• Installation d’un observatoire géophysique pour suivre, in-situ, l’évolution desstructures (semelle de glissement) et des écoulements en réponse aux sollicitationsextérieures.

Le suivi temporel quotidien proposé apportera une compréhension approfondie de ladynamique du glissement. Ceci permettra ensuite de contraindre une modélisation numériquedes processus de glissement gravitaire dans cette zone. L’ensemble de cette approcheimplique d’un part des échanges disciplinaires et, d’autre part, des interactions entre milieuacadémique, organismes para-publics et entreprises de la région montpelliéraine. Notredémarche s’insère dans un cadre plus général de l’étude des risques dans la régionLanguedoc-Roussillon. En cela, notre recherche s’inscrit dans les préoccupations actuelles,certains de ces glissements menaçant des infrastructures socio-économiques de la région.

Cette demande à la Région LR vise à co-financer à hauteur de 40% du coût l’équipementscientifique de cet observatoire, c'est-à-dire la réalisation du réseau géodésique, l’installation desobservatoires in-situ multi-piézomètres et géophysique, ainsi que l’instrumentation des sources.

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B - PRESENTATION DETAILLEE DU PROJET ET JUSTIFICATION (E5)

(E5) Enjeux et objectifs majeurs

Les glissements de terrain sont des phénomènes naturels d'origines très diverses résultant dela déformation et du déplacement du sol. Les mouvements de terrain constituent généralementdes phénomènes ponctuels, de faible ampleur et d'effets limités. Mais, par leur diversité etleur fréquence, ils provoquent mondialement des dommages et des préjudices importants(Chili, Iran, Italie,…). Le risque «mouvements de terrain » concerne en France de nombreusesrégions, principalement les zones de montagne, et notamment le Languedoc-Roussillon. Desmouvements de grande ampleur, amorcés depuis plusieurs dizaines d'années, sontactuellement sous haute surveillance afin de tenter de limiter leurs conséquences. La Clapière(Alpes-Maritimes) est, par exemple, un des glissements les plus actifs en Europe, avec unemasse instable de l’ordre de 50 m3 qui glisse de 1 à 10 m par an. Ce glissement estsusceptible, à terme, de barrer la vallée de la Tinée, provoquant de surcroît une inondation enamont. Depuis les années 1980, les Ruines de Séchilienne (Isère) descendent lentement vers laRomanche, faisant craindre un éboulement catastrophique.

La problématique des glissements de terrain, compte tenu des enjeux socio-économiquesassociés, a fait l’objet de nombreuses études dans le monde et en Europe (USGS aux Etats-Unis, Université de Lausanne en Suisse, Universités de Turin, Pise, Florence en Italie, OSUGrenoble, Université de Franche-Comté et Géosciences Azur en France, parmi d’autres). Deplus, cette thématique sera intégrée à l’ARGAL, Agence pour les Risques Géologiques autourde l’Axe Latin, qui sera créée en 2008, ce qui démontre l’importance de cette thématique dansl’environnement méditerranéen.

Des glissements de grande ampleur existent également dans le NW du département del’Hérault, sur la bordure des Grands Causses, au Nord de Lodève. Ces glissements sontassociés à la présence de couches géologiques du Trias évaporitique qui conditionnent lamorphologie et l’évolution quaternaire des grandes vallées (Lergue, Laurounet). L’activationde ces glissements peut être associée à de nombreux facteurs tels que topographie, lithologie,hydrologie et activité anthropique. On ne connaît pas précisément le rôle déterminant dechacun de ces facteurs dans le déclenchement de ces glissements. Certains menacent lesinfrastructures, notamment routières, existant dans les vallées, et notamment l’axe nord-sudA75. Il semble donc important de mettre en place une instrumentation accrue de cesglissements sur du long terme pour identifier les paramètres déclenchant d’une part et suivrela dynamique du phénomène d’autre part. Ceci permettra à terme de mieux comprendre lesprocessus gravitaires, à la fois dans cette zone et en général, et ainsi d’apporter des élémentsde réponse pour la prévention et la gestion du risque associé à ces glissements.

L’objectif principal du projet est de développer une approche pluridisciplinaire permettant decontraindre au mieux les relations entre circulations de fluide et mécanique du glissement. Ceteffet couplé est à l’heure actuelle relativement peu étudié à champ proche, bien qu’il soitreconnu comme un facteur déterminant dans la stabilité des versants. Pour répondre à cetteproblématique, nous proposons l’instrumentation d’un glissement, en surface et in-situ (enforage), en couplant des approches peu utilisées pour l’étude des risques gravitaires, telles quela géophysique en forage, la géodésie, l’hydrogéologie. Cette instrumentation permettral’enregistrement à haute fréquence de mesures quantitatives ainsi qu’un suivi temporel duglissement. Ces données sont nécessaires au développement de modèles numériques

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reproduisant de façon pertinente le comportement du glissement, ces modèles pouvant êtreutilisés pour produire des scénarii d’évolution de la zone d’étude à plus ou moins long terme.

L’intérêt d’étudier un glissement du Nord Lodévois dans le cadre du présent projet estmultiple. Tout d’abord, il s’agit d’une région où les glissements sont actifs et biendocumentés, notamment grâce aux suivis et aux équipements déployés par des organismesparapublics comme le CETE. Par ailleurs, cette problématique fédère la communautéscientifique montpelliéraine depuis plusieurs années et de nombreuses études géologiques ethydrogéologiques ont déjà été menées dans cette zone. La communauté scientifiquemontpelliéraine possède à la fois les compétences et le savoir-faire pour proposer uneapproche pluridisciplinaire originale sur la thématique des glissements de terrain. Enfin, ceprojet favorisera les rapprochements et les échanges entre les différentes disciplines maiségalement entre les équipes de recherche, les organismes parapublics et certaines entreprisesprivées de la région.

(E5) Problématique

• Contexte Géologique

Les vallées du Nord-Lodèvois, au pied du Causse du Larzac, trouvent leur origine dans laformation de reculées qui ont incisé durant le Plio-Quaternaire les formations calcaires duJurassique inférieur et moyen au droit de couloirs fracturés. Ces zones de faiblesses ont guidéles écoulements karstiques et l’émergence des principales sources. Elles ont ensuiteconditionné l’instabilité des versants.

En amont, ces vallées sont étroites avec une forme caractéristique en « V » suivant des pentesréglées proches de 40°, qui dénotent de l’équilibre dynamique entre les processus d’érosion etd’encaissement qui reste intégralement dans les formations calcaires (Figure 1a). Vers l’aval,le thalweg atteint les argiles évaporitiques du Trias sous-jacent, les processus d’instabilité desversants sont alors initiés: la vallée s’élargit rapidement par glissements emboîtés etéboulements. Les versants, bosselés et beaucoup moins pentus, sont alors encombrés par lesformations de pente qui masquent le substratum géologique. Le risque de mouvement deterrain devient alors effectif (Figure 1b).

Figure 1 : Morphologie caractéristique de versants des vallées du Nord-Lodèvois.

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La disposition morphologique décrite ci-dessus est particulièrement visible le long de lavallée du Laurounet où l’encombrement de la vallée par les formations de versant masque lesubstratum géologique et rend subtile l’identification des masses glissées (Figure 2). Elle seraici prise comme illustration géologique des processus qui affectent l’ensemble de cette région,et notamment le profil de l’autoroute A75 entre Larzac et Lodévois (« Pas-de-l’Escalette »).

Figure 2 : Extrait de la carte géologique du BRGM au 1/50 000.

Dans le détail, la succession lithostratigraphique reconnue sur ce secteur est lasuivante (Figure 3). Le Trias comprend trois ensembles distincts, à savoir de bas en haut :• Les grès intermédiaires du Ladinien. Ils ne sont pas affectés par les glissements de

terrain à cause de leur grande résistance. Ils constituent la base rigide des glissements.• Les argiles supérieures du Carnien-Norien responsables des principaux glissements de

terrain affectant le secteur. Les argiles et le gypse présentent en effet un comportementductile/plastique et une forte aptitude au cisaillement, en particulier en présence d’eau. Parailleurs, l’anhydrite a le pouvoir de s’hydrater en gypse, si elle est mise en contact avec unaquifère. Les couches de gypse elles-mêmes sont sensibles à la dissolution, ce qui conduità la formation de cavités et à des effondrements qui peuvent atteindre plusieurs centainesde mètre de diamètre dans la zone étudiée.

• Le Rhétien présentant une très grande variabilité de faciès comprenant en particulier desmarnes vertes qui sont impliquées dans le cisaillement gravitaire des versants.

Le Jurassique, qui arme les versants de la partie amont de la vallée du Laurounet et la borduresud du Causse, comprend trois entités lithologiques distinctes : le Lias calcaire intensémentfracturé, le Lias marneux sensible à l’érosion et au ravinement. Cette dernière peut générerdes phénomènes de coulées boueuses et être la base d’instabilités limitées. Le Dogger,constitué de marno-calcaires à la base puis de dolomies grises massives, présente unestructure ruiniforme typique du relief karstique.

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Figure 3 : Lithostratigraphie et rhéologie des formations de la vallée du Laurounet

La majeure partie de la vallée est recouverte par des formations plio-quaternaires parmilesquelles nous avons distingué les tabliers d’éboulis, les formations de versant, et les corpsde glissements de terrain. Les corps de glissements sont composés d’éléments basculés degrandes tailles ayant à peu près conservé leur structure, et d’éléments plus ou moinsdémantelés formant des îlots de blocs désolidarisés qui affleurent plus fréquemment. Lesformations mobilisées dans ces masses glissées comprennent le Rhétien et la base du Lias.Elles sont très souvent emboîtées avec les formes les plus jeunes et souvent actives dans lapartie plus en amont. Par ailleurs, des loupes de glissement actives ou récentes d’extensionpluri-décamétrique se développent parfois dans la zone proche de la semelle sur la partie avalde ces structures, en relation avec l’activité anthropique.

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• Contexte tectoniqueDeux grandes familles de fractures ont été distinguées dans la vallée, de directions N170 etN060/080. Elles constituent un réseau de diaclases d’extension pluri-hectométrique, bienexprimé dans le Lias calcaire. Ce réseau de diaclases est à l’origine des escarpements et desniches d’arrachement des glissements de terrain. L’exhumation et l’érosion permettentl’ouverture de couloirs fracturés par déconfinement des diaclases et fractures. L’eau peut alorspénétrer facilement dans ces couloirs fracturés largement ouverts, ce qui facilite l’initiation duplan de rupture des glissements de terrain par augmentation de la pression interstitielle.

• Contexte hydrogéologiqueLa fracturation, particulièrement développée dans le Jurassique, a une fonction capacitive etconductrice. Elle contraint l’organisation des écoulements et rend possible des relations entredes aquifères séparés par une couche imperméable. La karstification, qui affecte uniquementles niveaux calcaires ou dolomitiques, permet le creusement de réseaux souterrains en relationétroite avec la fracturation. Les aquifères karstiques ont à la fois une forte capacitéconductrice (drains souterrains) et réservoir (cavités).Les argiles évaporitiques du Trias moyen et les argiles rhétiennes d’une part, les marnes duToarcien d’autre part, représentent les deux niveaux imperméables du secteur séparant lesdifférents aquifères. Les principales sources se situent donc à la base du Lias / sommet duRhétien, et à la base du Dogger. Globalement, on distingue les cinq aquifères suivants : lanappe libre du Lias calcaire dolomitique, la nappe libre des dolomies du Dogger, la nappecaptive du Trias moyen évaporitique, les nappes semi-captives sulfatées du Triasévaporitique , les nappes colluviales localisées au sein des formations de versants.L'augmentation de la pression hydrostatique est un facteur déclencheur et accélérateur desglissements de terrain (Cappa et al., 2004). Dans la région de Lodève, les différentsglissements de terrain (dont certains sont traversés par l'autoroute A75) sont particulièrementactifs après les périodes de fortes pluies. L'accélération de ces mouvements de versant estattribuée à leur rapide mise en charge suite à l'infiltration des précipitations (Bonzanigo et al.,2001; Cappa et al., 2004). Afin de préserver au mieux l'autoroute A75, le CETE Méditerranéea implanté des drains jusqu'à la semelle de ces glissements afin de diminuer la pressionhydrostatique exercée à la base de ces derniers. Il existe par ailleurs des sources pérennes(Fontréboule et Les Rials), localisées à la base et en tête de ces mouvements de versant,correspondant à des exutoires de systèmes hydrogéologiques complexes existants au sein deces glissements (Figure 4).

La zone principale de circulation de ces eaux souterraines est la semelle des glissements.Celle-ci est souvent installée dans les argilites triasiques à composante évaporitique.L'augmentation de pression hydrostatique dans cette semelle a pour conséquence directe ladiminution du coefficient de friction. Par ailleurs, les masses rocheuses carbonatées,démantelées dans le glissement et imbriquées dans les formations d'argilites triasiques, sontdes zones préférentielles d'infiltration au sein du versant. L’augmentation de la chargehydraulique dans ces versants lors de l'infiltration des eaux pluviales dans ces zones provoqueune augmentation de la charge totale du versant en mouvement. Enfin, en aplomb de cesversants, des formations carbonatées constituent des aquifères karstiques à ressourcesimportantes (alimentation des villages de Pégairolles, Lauroux, de Lodève et de ses environs)pouvant participer à la recharge des systèmes aquifères complexes existants dans cesglissements de terrain.

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Figure 4 : Coupe géologique au droit de la source de Fontréboule, en rive droite de la valléedu Laurounet (voir Figure 2 ; d’après Lopez et al., en préparation).

Travaux préliminaires menés dans la région du Nord Lodévois

Les travaux de terrain (géologie, géomorphologie) menés à ce jour par le laboratoireGEOSCIENCES MONTPELLIER (GM) sur la reculée de la Vallée de la Lergue et sesaffluents en rive droite (Soulondres et Laurounet) montrent que la plupart des masses glisséesde ce secteur ne répondent à aucun modèle géotechnique simple décrit dans la littérature.Cette conclusion renforce l’intérêt de cette problématique dans le cadre de ce projet.

La région du Nord Lodévois a également fait l’objet d’études récentes en hydrogéologie ethydrogéochimie par les équipes d’HYDROSCIENCES MONTPELLIER (HSM). Un premiertravail sur le secteur de Lauroux a permis de mettre en évidence une dissolution importantedes évaporites localisées à l'intérieur ou à proximité de la semelle du glissement grâce à unsuivi à la source. Cette dissolution se traduit par des «bouffées de turbidité» pouvant durerplusieurs jours et comprenant de nombreux minéraux issus des évaporites (Setra, 1990). Cesobservations ont donc souligné l’existence de processus internes à l’aquifère associé auxglissements de terrain sans que, malheureusement, aucune corrélation n’ait pu être faite avecles mouvements externes du fait de l’absence d’une instrumentation en continu à ce niveau.

Des expériences de géophysiques en forage ont également été réalisées par GM sur le secteurde Lauroux en 2005. Les outils suivant ont été déployés: imagerie de paroi acoustique,radioactivité gamma naturelle, résistivité électrique et caractérisation du fluide en forage(température, conductivité électrique, pH). Une comparaison avec les carottes issues du mêmeforage démontre la capacité de ces méthodes à identifier les séquences géologiques traverséeet les mécanismes mis en oeuvre. En particulier, dans le Trias évaporitique, on détecte laprésence d’anhydrite caractérisée par une forte résistivité et un faible signal de radioactivitégamma par rapport aux niveaux argileux voisins (Figure 5). Ces données nous renseignent surl’architecture du réservoir à une échelle décimétrique à métrique. Les données haute-résolution de réflectivité acoustique produites par l’imagerie de paroi offre une descriptioncentimétrique des structures présentes à la transition anhydrite-argile, le long du front de

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dissolution identifié sur carottes (Figure 5), source des pertes de masse et des effondrementsou glissements associés. Enfin, les données hydrogéologiques, comme ici la conductivitéélectrique et le pH du fluide dans le forage, mettent en évidence un changement de mode decirculations de fluides au niveau de cette transition, vers 76 m (Figure 6).

Figure 5 : En haut et à gauche : mesures géophysiques en forage (radioactivité naturellegamma en vert et résistivité électrique en bleu et orange) dans le puits LAU-1 (vallée duLaurounet). La carotte issue du même forage montre vers 76 m une transition entre anhydriteet niveau argileux dans le Trias évaporitique. A droite : zoom sur les profils de réflectivitéhaute-résolution issues de l’imagerie de paroi acoustique (azimut 90° en vert, et médianeissue de l’ensemble des azimuts en orange), montrant le contraste d’impédance associé à latransition géologique vers 76.1 m, ainsi qu’une série d’horizons internes de déformation et/oufractures mis en évidence par des chutes abruptes de réflectivité (i.e. 76.45 m).

Figure 6 : Profils de pH (en orange) et dérivée verticale de la conductivité des fluides (envert). Le changement de structure du signal vers 76 m de profondeur semble indiquer laprésence d’écoulements localisés à cette profondeur.

Ces résultats préliminaires indiquent que la dissolution massive des évaporites est unprocessus interne majeur dans la compréhension de la mécanique du glissement, expliquantainsi la modification de la chimie des eaux au niveau des sources et la structure observées surles imageries de paroi. Ces dissolutions s’expliquent par la présence de circulations à latransition anhydrite-argile dans le Trias. Ces circulations de fluides pouvant être associées à la

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pluviométrie et au fonctionnement des aquifères, il convient de considérer l’hydrodynamiquecomme un facteur déterminant dans la déformation et la déstabilisation du versant.

Nous proposons dans ce projet d’étudier la dynamique d’un glissement de terrain du NordLodévois depuis le signal d’entrée pluviométrique, jusqu’au signal de sortie aux exutoires desaquifères. Comme illustré ci-dessous, il s’agit d’aborder les interactions eau-roche associéesaux circulations de fluides ainsi que les relations entre dissolution et déformation du versant.Il sera notamment important de préciser si les processus sont continus ou discontinus dans letemps. Dans ce dernier cas, il faudra alors définir la nature, le seuil et le temps de réponse dufacteur déclenchant (battement d’une nappe ou intensité, volume, durée des précipitations).

Figure 7 : Description schématique de la démarche d’ensemble.

Les résultats préliminaires présentés ici ne répondent pas de façon complète à cetteproblématique. En effet, les méthodes mises en œuvre apportent des informations pertinentes.Leur interprétation souffre cependant d’un manque de données complémentaires, de surfaceou in-situ, dont l’acquisition nécessite une instrumentation spécifique. De plus, un suivitemporel à haute fréquence du phénomène semble indispensable à une bonne compréhensiondes processus. L’ensemble de ces remarques souligne que la compréhension complète dusystème réclame la mise en place d’une instrumentation spécifique par l’intermédiaire d’unsite expérimental permettant un suivi temporel continu, en surface et in situ, d’un glissement.

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(E5) Approche proposée

Compte tenu des résultats précédents, nous proposons de mettre en œuvre une approchenouvelle, avec un ensemble de méthodes encore peu utilisées pour l’étude des glissements deterrain. Cette approche repose sur:

1- Une instrumentation de surface (à échelle kilométrique):• Installation d’un réseau géodésique (GPS) pour suivre les déplacements et

les déformations de surface.• Instrumentation des sources pour suivre le traçage minéralogique et

géochimique des encaissants traversés, l’hydrodynamique et l’hydrochimiedes aquifères, et voir leurs effets sur la stabilité du versant.

• Mise en place de pluviographes pour un suivi en entrée des conditions auxlimites du système.

2- Une instrumentation en forage (à échelle décamétrique):• Installation d’un observatoire multi-piézomètres « SWS-WestBay » pour

appréhender le fonctionnement hydrodynamique et hydrochimique associéà chacun des aquifères et, par conséquent, d’identifier leur rôle respectif surla dynamique des mouvements externes.

• Installation d’un observatoire géophysique pour le suivi in situ del’évolution des écoulements en réponse aux sollicitations extérieures,

• Suivi des déformations in situ par inclinométrie traditionnelle, ainsi que partrajectométrie répétée en forage et suivi de la déformation par imagerie.

Cette instrumentation sera installée sur un site de la région du Lodévois à déterminer dans lecadre de IDESS et pour un suivi sur une durée d’au moins trois années. Elle seraaccompagnée d’une analyse de la fabrique structurale et sédimentologique des corps glissés àpartir des carottes, ainsi que d’une caractérisation mécanique des semelles.

Le projet s’articule autour de quatre principales approches du mécanisme de déformation(géologie et géophysique en forage, géodésie, hydrogéologie et géochimie) permettantd’aborder de façon pluridisciplinaire les relations entre lithologie, hydrodynamique etmouvements de versants. Les spécificités scientifiques et techniques relatives à chacune deces approches sont détaillés ci-dessous. A terme, notre objectif est d’établir des modèlesnumériques permettant, à partir de données mesurables sur le terrain, de prédire lecomportement mécanique du glissement.

L’instrumentation proposée nécessite 3 forages de 50 m de profondeurs distants d’unedizaine de mètres environ et qui seront à priori mis à disposition par le CETE. Deux de cesforages seront dédiés à l’instrumentation en forage. Le dernier forage restera ouvert pourpermettre la réalisation de chroniques géophysiques et piézométriques.

Des études complémentaires et indispensables à cette problématique seront financées dans lecadre d’une ANR « Jeune Chercheur » (dépôt du dossier en 2008). Ces études intègrentprincipalement des travaux de terrain, l’analyse des carottes, des expérimentations enlaboratoire ainsi que le volet modélisation numérique des processus. Les travaux de terrain(cartographie et analyse géologique) auront pour objectif d'établir la typologie fine desglissements majeurs des reculées karstiques nord Lodèvoises de manière à compléter laconnaissance scientifique générale des processus gravitaires dans la région, et ainsi de

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permettre notamment aux autorités compétentes de mieux définir les règles prédictives et ledegré de dangerosité de ces glissements. Le carottage d’au moins un des forages donnera lapossibilité d’étudier les propriétés pétrophysiques et mécaniques du milieu à partir deséchantillons provenant du glissement étudié. La réalisation d’une série de forages carottés seranécessaire pour contraindre l’architecture et le dimensionnement des corps glissés endéterminant la microstructure des zones de rupture et les modalités et la mécanique de ladéformation. Enfin, la modélisation numérique sera abordée selon deux approches : uneapproche granulaire et une approche basée sur les observations de déformation du milieu.

• Géologie, géophysique, et instrumentation permanente en forage (in situ)

Les mesures de géophysique en forage ont été développées initialement dans le cadre del'exploration pétrolière. Le champ d'applications de ces mesures est cependant beaucoup plusvaste, notamment l’étude du sous-sol proche et de l’environnement. Ces méthodes semontrent performantes pour traiter des problèmes en hydrogéologie, en géothermie et engénie civil, en fournissant une caractérisation détaillée des sites étudiés aux échellespertinentes. Sur le terrain, les mesures et images géophysiques en forage permettentnotamment une description des structures traversées et des hétérogénéités (fractures, vacuoles,karsts,...) qui contrôlent les flux de masse à des échelles allant, localement, du mm au m. Dansce but, l’équipe SUBSURFACE de GM s'est équipée ces dernières années d'un ensembled'instruments géophysiques de petit diamètre. Ils permettent la description en forage desstructures géologiques traversées (images de paroi à échelle du mm), leur caractérisationpétrophysique (acoustique, électrique, radioactivité naturelle) et celle des écoulements par desméthodes hydrodynamiques (débitmètres, piézomètres caractérisation hydrogéochimiques dufluide en forage). Nous proposons, dans le cadre de ce projet, de déployer ces outils dans lesforages du site expérimental afin d’obtenir une caractérisation précise des lithologiestraversées et de spécifier la structure des discontinuités en se focalisant principalement sur lesprocessus de dissolution et de déformation, ainsi que sur la semelle de glissement.

Des mesures répétées d’imagerie de paroi acoustique seront par exemple réalisées dans leforage ouvert afin d’observer et de suivre la déformation in situ. Les données enregistrées sontde deux types: diamètre du forage et réflectivité de la paroi, permettant de déterminerdirectement si, le long du forage, la déformation est localisée ou distribuée. Cet outil estégalement équipé de magnétomètres fournissant une mesure de trajectométrie le long duforage. L’analyse couplée de ces données apportera une estimation des contraintes effectivesin situ. On pourra aussi corréler cette analyse à la fabrique fine du corps glissé, déterminée surcarottes. De plus, la répétition de ces mesures (fréquence mensuelle) permettra d’étudierl’évolution de ces déformations au cours du temps. La fréquence de ces mesures seraaugmentée en cas de fortes précipitations ou autres évènements majeurs. Nous profiteronsdonc de ce forage ouvert pour réaliser des chroniques géophysiques et piézométriques poursuivre et caractériser aussi finement que possible les modifications du milieu.

Afin de s'adresser aux plus grandes échelles de temps et caractériser la variabilité temporelledes structures et des écoulements, on installera de façon permanente en forage de nouveauxobservatoires géophysiques, initialement conçus dans le cadre du projet ALIANCE (FP5) etmaintenant construits par la société imaGeau. Ces observatoires sont constitués d’un réseaude capteurs permanents permettant l’observation in situ du sous-sol et des fluides qu’ilrenferme (voir section E4). Nous proposons la mise en place, sur le site expérimental, d’unobservatoire automatisé capable de fournir quotidiennement des profils de résistivité à échellemétrique. La fréquence des mesures sera augmentée en cas de fortes pluies ou autres

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évènements majeurs (mesures horaires). Ces mesures réalisées in situ et à une fréquenceélevée permettront d’étudier la réponse interne du glissement aux sollicitations extérieures, enparticulier les précipitations et l’anthropisation, avec plus de précision que celle obtenue àpartir des données de surface (Jomard et al., 2005; Lebourg et al., 2006). Nous nousintéresserons notamment à la dynamique temporelle du niveau triasique évaporitique. Enpratique, des profils de résistivité électrique seront également réalisés ponctuellement dans leforage voisin resté ouvert, ceci afin de calibrer les données issues de l’observatoire, de vérifierle bon fonctionnement du matériel, et d’évaluer la pertinence des données. Cette approchebénéficiera d’une analyse initiale effectuée sur carotte de la fabrique du corps glissé.

1. Mesures géophysiques (forage ouvert dans sa partie consolidée).• Périodicité des mesures : 2 mois• Durée d’une série de mesure : 2 jours• Précisions attendues : cm au dm

2. Imagerie géophysique de paroi (forage ouvert) :• Périodicité des mesures : 1 mois• Durée d’une série de mesure : 45 minutes• Précisions attendues : mm

3. Observatoire de résistivité électrique:• Périodicité des mesures : 1 jour• Durée d’une série de mesure : 2 minutes• Précisions attendues : dm au m

• Géodésie (en surface et in situ)

Les données GPS permettent, par réitération des mesures, de quantifier précisément ladéformation de la surface terrestre. Le principe repose sur la comparaison des positions derepères ancrés en surface et mesurés précisément à différentes époques. La mise en œuvre derécepteurs GPS permanents, effectuant une mesure de position quotidienne, permetd’atteindre des précisions de l’ordre de 1 à 2 mm entre les différents points de mesures. Cettetechnique de mesure GPS nécessite la mise en place de repères multi-techniques répartis surla zone en mouvement. Ces repères doivent être à la fois, solidement ancrées dans le sol(monumentation en béton) et bien dégagés sur le ciel.

Nous proposons l’installation de 6 stations GPS permanentes disposés judicieusement sur leglissement. En s’appuyant sur les stations GPS permanentes déjà existantes en région, nousobtiendrons les déplacements millimétriques quotidiens des points disposés sur le glissement.Une vingtaine de repères seront installés et mesurés par GPS en mode rapide (quelquesminutes) avec des précisons pluri-millimétriques. Ainsi, si un déplacement d’ordremillimétrique est mesuré entre les sites par les stations permanentes, les mesures sur un réseauplus dense seront réitérées, ceci afin d’obtenir une carte plus détaillée des déplacements duglissement.

Les mesures GPS ont une importance capitale dans la contrainte des modèles de la dynamiquedes glissements. En effet, le champ de vitesse mesuré est la résultante directe de la dynamiquedu glissement. En combinant ces mesures de vitesses en surface du glissement avec d’autresmesures (données géologique, géophysiques, hydrologiques, et mesures en forage), il serapossible de modéliser de façon très précise l’évolution spatiale et temporelle du glissement.

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1. Mesures GPS permanentes sur 6 sites (à l’échelle de plusieurs km2)• Périodicité des mesures : continue• Durée d’une série de mesure : 24 heures• Précisions attendues : horizontale, de 1 à 3 mm, verticale, de 5 à 7 mm

2. Mesures GPS rapides de l’ensemble des 20 repères :• Périodicité des mesures : de l’ordre de 2 mois• Durée d’une série de mesure : 5 minutes• Précisions attendues : horizontale 3 mm, et verticale 7 mm

3. Trajectométrie répétée en forage dans le puits ouvert, avec identification de la (ou des)zone(s) de déformation(s), et périodicité d’ordre mensuelle.

• Hydrodynamique et hydrochimie (en surface et in situ)

Le fonctionnement hydrogéologique de ces versants en mouvement joue un rôleparticulièrement actif qu'il est nécessaire d'étudier et de comprendre pour appréhender ladynamique de ces glissements. Il sera complété par une étude du traçage minéralogique etgéochimique des encaissants traversés ainsi qu’une étude hydrogéochimique, mise en œuvre àl’échelle du glissement de terrain et des entités hydrogéologiques complexes associées. Cetteapproche permettra de caractériser le chemin suivi par les eaux, la relation entre risquegravitaire et l'hydrogéologie, de discuter l'origine de l'eau dans le glissement de terrain, ainsique de décrire l'évolution dynamique de flux. Le but est d'apporter de nouvelles données surces entités hydrogéologiques complexes que constituent ces glissements de terrain. Lacompréhension des modalités d’infiltration dans ces versants est fondamentale si l’on veutcaractériser les mécanismes à l’origine de leur instabilité. La chimie de l’eau renseigne eneffet sur son origine, la nature des terrains traversés, ainsi que les modalités de recharge(Mudry et al., 1994; Guglielmi et al., 2002).

Afin d'appréhender ce couplage entre le comportement des encaissants, l’hydrogéologie et lemouvement de versant dans la région de Lodève, la mise en place d'un réseau de mesures desprécipitations, de la pression des eaux souterraines, des débits des drains et des sourcespérennes drainant ces glissements, ainsi qu’un suivi régulier de la chimie des eauxsouterraines, est nécessaire. Ce réseau de mesures servira de base à l'étude de la dynamiquedes mouvements du versant lodévois et comportera :• Deux pluviographes, permettant des relevés journaliers des précipitations sur le site

d'étude en deux points : la région de Lodève couvrant un dénivelé de 500 m en moyenne,les variations en quantité de précipitations sont importantes. Les deux pluviomètresinstallés dans les parties amont et aval des versants permettront d'appréhender lavariabilité dans l'espace du signal "Pluie" ;

• Dix sondes de "pression – température – conductivité" permettant un suivi de la pressiond'eau, ainsi que de la température et de la conductivité électrique, sur trois forages (situésdans la partie amont des glissements), ainsi qu'un suivi des débits sur cinq drains et deuxsources pérennes localisés dans la partie aval des glissements. Les mesures de pressiontotale de l'eau seront compensées de la pression atmosphérique mesurée par trois sondescomplémentaires ;

• Un turbidimètre sur la source de Fontréboule, enregistrant en continu la turbidité de l'eaude source, permettra d'identifier les pics de dissolution des évaporites comprises dans lesargilites triasiques. Deux préleveurs automatiques seront installés au niveau des deuxsources pérennes de façon à pouvoir analyser finement les variations de chimie de l’eaulors de forts évènements pluvieux. Ces suivis de crue viendront compléter lesprélèvements réguliers effectués au pas de temps mensuel (détails donnés ci-après) sur les

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mêmes éléments chimiques, à des intervalles de temps fins (pluri-journalier sur la duréede la crue). Quatre épisodes de crues seront suivis au cours des 2 ans de suivi, de façon àenregistrer des évènements d’ampleur différente et de tenir également compte des fortesvariations inter-annuelles des conditions hydrologiques, caractéristiques de notre région.

Le suivi régulier de la chimie des eaux circulant dans le glissement de terrain et les entitéshydrogéologiques complexes associées sera réalisé au pas de temps mensuel et sera effectuésur l’ensemble de ces points (également équipés d’enregistreurs en continu). A chaquetournée de terrain, les paramètres physico-chimiques (pH, température et conductivitéélectrique) seront mesurés in-situ. Des échantillons d’eau seront prélevés pour analyser diverséléments au Laboratoire HydroSciences Montpellier. Par ailleurs, les sédiments provenant desprocessus d’érosion souterraine associés à ces sources seront également prélevés durant lestournées d’échantillonnage, de manière à déterminer la variabilité potentielle des zonesd’érosion. Un des forages sera équipé d’un observatoire multi-piézomètres « SWS-WestBay »(Schlumberger – voir section E4) permettant l’enregistrement continu (capteur MOSDAX etenregistreur MOGI en surface) de chroniques in situ (p, T et conductivité électrique) dans lesdifférents horizons aquifères. Ce dispositif isolera cinq à six niveaux à l’aide d’obturateurs etpermettra ainsi le prélèvement de fluides non contaminés. Cette instrumentation permettranotamment de différencier le rôle de l’aquifère associé aux évaporites, de celui sous-jacentassocié au grès aquifère du Trias, et ainsi de mettre en évidence la contribution éventuelle desaquifères karstiques en contact avec ces glissements.

Les analyses chimiques porteront sur les éléments majeurs et mineurs (Ca2+, Mg2+, Na+, K+,HCO3

-, Cl-, F-, SO42-, NO3

-, NO2-, NH4

+) qui sont nécessaires pour déterminer le facièschimique des eaux. En les combinant aux éléments traces (Li, B, Al, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu,Zn, As, Rb, Sr…) il sera alors possible de caractériser précisément l’origine des flux d’eau etd’identifier ainsi les lithologies traversées. Ceci permettra la compréhension des circulationssouterraines à l’intérieur des glissements. Le Carbone Organique Total (COT) sera quant à luianalysé de façon à rechercher l’existence d’infiltrations rapides au sein de ces entitéshydrogéologiques et d’avoir ainsi des informations sur la réactivité des glissements suite auxprécipitations (Emblanch et al., 1998 ; Batiot et al., 2003). Ce volet sera pris en charge dans lecadre du projet ANR. Ce suivi régulier sera complété comme indiqué préalablement par dessuivis plus resserrés en périodes pluvieuses, de façon à pouvoir caractériser au mieux lesphénomènes de recharge et d’infiltration à l’intérieur de ces glissements et, par conséquent,les mécanismes à l’origine de leur instabilité.


L’originalité du projet réside dans le couplage de techniques géodésiques, géophysiques,hydrogéologiques et géochimiques, à la fois en surface et in situ (en forage), visant à mieuxconnaître la dynamique spatiale et temporelle du glissement. Les relations entre pluviométrie,interactions eau/roche et déformations sont donc abordées ici de façon multidisciplinaire,aussi bien de façon traditionnelle (mécanique) que sous l’angle de la relation entredéformation et paramètres pertinents du réservoir (saturation de l’espace poreux, chimie dufluide poral, pression interstitielle, contraintes effectives). En particulier, l’instrumentation insitu, déployée pour la première fois de façon aussi intensive et complémentaire, avec desdispositifs SWS et imaGeau, doit permettre une caractérisation effective de la dynamiquehaute fréquence des paramètres pertinents du sous-sol, et de la déformation in situ.

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Ce projet concerne, dans le domaine académique :• Les équipes « Subsurface », « Tectonique active et Géodésie » et « Bassin » du

laboratoire GEOSCIENCES MONTPELLIER, UMR CNRS/UM2 5243,• L’équipe « Hydrogéologie » du laboratoire HYDROSCIENCES MONTPELLIER,

UMR CNRS/IRD/UM1/UM2 5569.

Le projet est mené en collaboration avec le Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement ouCETE (J.-C. Gilly), qui est un EPIC, et qui mettra en œuvre des outils d’instrumentation insitu novateurs, développés par les entreprises SWS (Canada) et imaGeau (Montpellier).

NOM, prénomGrade Labo Spécialité

Gautier Stéphanie MC UM2 GM Géophysique en forage, mécanique

Pezard Philippe DR CNRS GM Géophysique en forage

Henry Gilles IE CNRS GM Instrumentation géophysique en forage

Lopez Michel Prof. UM2 GM Sédimentologie

Taboada Alfredo MC UM2 GM Instabilité gravitaire, modélisation

Doerflinger Erik IR CNRS GM Géodésie

Vernant Philippe MC UM2 GM Géodésie

Hervé Philippe Prof. UM2 GM Risque Gravitaire

Batiot Christelle MC UM2 HSM Hydrogéologie, datation des eaux

Leonardi Véronique MC UM2 HSM Hydrogéochimie

Jourde Hervé MC UM2 HSM Hydrogéologie, modélisation

Gilly Jean-Claude Ingénieur CETE Géologue et hydrogéologue

Les porteurs scientifiques du volet « GLISSEMENTS » (E5) de IDESS, pour chacun desaspects scientifiques ou instrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gras.


Une ANR « Jeune Chercheur » sera déposée en 2008 sur la thématique « Etude de ladynamique d’un glissement de terrain et modélisation du processus interne». Porté parStéphanie Gautier, ce projet rassemblera à minima sur Montpellier nombre de jeunesenseignants-chercheurs, avec Mlles Batiot et Léonardi, et Mrs Jourde et Vernant.

Ce projet fédère par ailleurs la communauté scientifique et technique montpelliéraine depuisplusieurs années. De plus, il s’agit d’une thématique trans-disciplinaire au sein du laboratoireGéosciences Montpellier et de l’UM2, encadrée et soutenue par le pôle de compétitivité« RISQUES et VULNERABILITE », ce qui incite également à créer ce site expérimental.

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Ce projet va favoriser la mise en place d’un partenariat avec l’entreprise Igeoss qui développeun logiciel permettant la modélisation de la déformation et de la fracturation du sous-sol. Lesfondateurs de cette entreprise, implantée à Montpellier, ont remporté le prix OSEO-ANVARde l’innovation en 2003 (Concours national à la création d’entreprises innovantes).

Par ailleurs, une collaboration scientifique et technique est envisagée avec le bureau d’étudesIMS-RN (Ingénierie des Mouvements de Sols et Risques Naturels) qui travaille activementdans l’élaboration des Plans de Prévention des Risques dans la région et qui a la connaissancehistorique des phénomènes affectant la vallée de la Lergue. Le travail réalisé permettra demieux qualifier et quantifier l’aléa « mouvement de terrain » dans la cartographie de zonagedu risque au niveau des reculées karstiques nord-lodévoises.


Ce projet va venir aider les autorités compétentes, permettant de mieux définir les règlesprédictives et le degré de dangerosité de ces glissements, notamment dans le cadred’aménagements urbains, routiers et autoroutier (A75). Les résultats de ce travail et laméthodologie scientifique et instrumentale pourra ensuite être utilisée aussi bien dans lesPyrénées, que n’importe où en France ou dans le monde. En mettant en place un nouveaupartenariat, les entreprises iGEOSS et imaGeau vont élargir leurs compétences dans ledomaine des glissements de terrain, et ainsi pouvoir se positionner sur de nouveaux marchés.

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ELEMENT (E6) : « KARST» (Variation des stocks d’eau et dynamique desécoulements en milieu karstique)


L’objectif de ce projet est de caractériser les variations des stocks d’eaux souterraines enmilieu karstique en couplant les approches géodésiques, géophysiques et hydrogéologiques.Le projet s’appuie sur des expériences de terrain et vise à la mise en place d’un sited’observations géophysiques, géodésiques, hydrologiques et pluviométriques, véritableobservatoire du transfert de l’eau en milieu karstique.

La zone d’étude choisie est le plateau du Larzac dont le cadre géologique, météorologique ethydrologique est bien connu, permettant d’appréhender l’étude des processus de transfertd’eau à différentes échelles d’espace et de temps, depuis le signal d’entrée pluviométriquejusqu’au signal de sortie à l’exutoire de l’aquifère.

Les outils géodésiques et géophysiques concernés sont :- la gravimétrie cryogénique, absolue et relative qui permet, de façon combinée, lamise en évidence de l’évolution spatiale et temporelle de très faibles masses d’eau dans lekarst,- l’inclinométrie longue base qui mesure la déformation du sous-sol sous l’effet duchargement en eau du karst,- la géophysique de forage et de surface, pour la caractérisation des propriétéshydrologiques in situ du milieu karstique dans sa partie la plus superficielle (« épikarst »).

L’étude hydrogéologique est couplée aux approches géodésiques et géophysiques par unsuivi continu en forage des écoulements (mesure du niveau des aquifères de l’épikarst,analyse des propriétés physico-chimiques de l’eau par échantillonnage régulier, évaluation destemps de transfert). L’objectif est la validation d’outils géodésiques et géophysiquespertinents pour l’étude des variations des stocks d’eau et la modélisation hydrodynamiquedes processus de transfert en milieu karstique. Cette démarche implique des échangesdisciplinaires entre différentes communautés : géodésique, géophysique et hydrogéologique.

Notre démarche s’insère dans un cadre plus général de l’étude des ressources en eau dans lesmilieux karstiques qui constituent les principales ressources en eau dans la région Languedoc-Roussillon, et autour de la Méditerranée, d’une façon plus générale. Elle vise aussi à mieuxcomprendre la pérennité de ces ressources sur le long terme par la connaissance desprocessus de transfert depuis le sol jusqu’aux zones noyées des karsts. En cela, notrerecherche s’inscrit dans les préoccupations actuelles d’alimentation en eau potable d’unerégion caractérisée par une population en forte croissance.

Cette demande à la Région LR vise à financer l’équipement scientifique de cet observatoire,c'est-à-dire 3 forages instrumentés et l’achat d’un gravimètre supra-conducteur dont lasensibilité (10-11 g) permettra d’observer des variations de pesanteur relatives à de très faiblesvariations de masse d’eau (4 10-11 g ≈ 1 mm d’eau).

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(E6) Enjeux et objectifs majeurs.

Les ressources en eau des pays méditerranéens sont soumises à une répartition spatiale etsaisonnière très déséquilibrée. Il s’agit de zones à pluviométrie globalement inférieure à 500mm, mais de plus de 1500 mm en montagne, avec une saison sèche estivale longue, et de trèsforte variabilité des précipitations selon les années. La demande en eau est également trèsforte, aussi bien pour les habitants concentrés sur les côtes, que pour les populationstouristiques ou pour l’agriculture. Ainsi, les ressources en eau du pourtour méditerranéenconstituent un facteur limitant du développement, à l’origine de nombreux conflitsd’aménagements et d’usages.

L’évaluation des ressources en eau – notamment des hydrosystèmes karstiques – est un desenjeux majeurs pour l’alimentation en eau des populations et l’aménagement du territoire dela région Languedoc-Roussillon. La région des Causses constitue un des réservoirs le plusimportant et fait l’objet depuis plusieurs années de nombreux travaux hydrogéologiques pourestimer les potentialités des aquifères associés aux Causses. Les karsts méditerranéenspossèdent des ressources en eaux souterraines très largement sous-exploitées et qu’il faudraun jour solliciter pour satisfaire les besoins croissants en eau. Quand cette nécessité seprésentera, il faudra alors bien connaître tous ces systèmes afin de définir les conditionsd’exploitation et de protection de leurs ressources.

Depuis ces dix dernières années, l’étude hydrogéologique des aquifères bénéficie par ailleursde l’appui de nouvelles technologies géophysiques en forage ou en surface, permettant demieux contraindre la circulation de l’eau dans le sous-sol (Résonance Magnétique Protonique,Méthodes Electriques, Potentiel Spontané – projets ALIANCE, WaterScan, …). Les limitesd’un système karstique sont imposées par la géologie et le relief et doivent être déterminéesnon par une carte piézométrique, mais par des approches complémentaires et variées :géométrie des formations, bilan hydrologique, traçage naturel et outils géophysiques.

La quantité d’eau dans le sol et le sous-sol modifie la valeur de la gravité de deux manières :(1) par des effets Newtonien (l’attraction directe liée à la masse d’eau), (2) par des effets desurcharge élastique de la croûte terrestre qui cause à la fois des déplacements verticaux et desredistributions de masse. Alors que les premiers effets sont principalement locaux, les secondssont visibles à des longueurs d’onde supérieures à 100 km. L’avènement de la gravimétriesatellitaire (projet CHAMP, GRACE, GOCE) a confirmé que la gravimétrie est un outilpertinent de l’hydrogéologie, et a permis d’estimer l’évolution de l’eau continentale à grandeéchelle, pour des longueurs d’ondes supérieures au millier de km. Mais l’utilisation de cesmesures satellitaires n’est pas encore possible pour des bassins ou des aquifères de petite taille(inférieure à 1000 km). Parallèlement, la mesure de la pesanteur au sol a atteint une sensibilitéde 10-9 g (gravimètre absolu µg, USA) voire ~10-11 g (gravimètre relatif supra-conducteur,GWR, USA), permettant de détecter localement des faibles variations locales de masse d’eau(respectivement 2.5 cm et 0.25 mm d’eau !). Dans ces conditions, la gravimétrie supra-conducteur devient un outil géodésique potentiellement très puissant pour analyser lesvariations de stock d’eau dans le sous-sol, en particulier dans les milieux karstiques.

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Figure 1 : Zone délimitant la localisation du site d’observation du milieu karstique

Le chargement en eau du sous-sol s’accompagne d’une déformation du milieu dontl’amplitude dépend de la charge et des propriétés mécaniques du sous-sol. Dans le cas d’unmilieu karstique, il est illusoire de détecter une quelconque déformation par des techniquesgéodésiques classiques (nivellement, distancemétrie, positionnement GPS). Par contre, latechnique inclinométrique « longue base » développée par Géosciences Montpellier, par sasensibilité de 1 mm pour 1000 km, est la seule méthode capable de détecter les faiblesdéformations associées au stockage différentiel d’eau dans le karst.

(E6) Pourquoi le Causse du Larzac comme site d’observation ?

Le schéma hydrogéologique de la partie centrale du Causse du Larzac (secteur du Caylar et del’Hospitalet) est relativement simple (Figure 1). Il consiste en 2 niveaux aquifères carbonatésséparés par une épaisse série marneuse. L’aquifère supérieur, composé de dolomies etcalcaires du Dogger et du Malm d’une épaisseur de 600 m, constitue le plateau du Larzac etles falaises des gorges de la Dourbie. Cette partie du plateau abrite des formes karstiques trèsdéveloppées, tant en surface qu’en profondeur. Les eaux souterraines sont drainées du Sudvers le Nord du Larzac avec une émergence majeure : la source du Durzon.

Le débit moyen de la source du Durzon entre 2002 et 2007 (source : Parc National des GrandsCausses) est de 1,4 m3/s avec des pics de débit atteignant 18 m3/s en période de crue.L’aquifère du Durzon est principalement alimenté par l’infiltration des pluies à une altitudemoyenne de 750 m. En l’absence d’évènements pluvieux sur plusieurs mois, cette sourcekarstique reste pérenne. Ceci atteste d’une part de la réserve accumulée dans le milieukarstique et d’autre part, du contrôle primordial du débit d’étiage des sources par les volumesà faible perméabilité et forte capacité de stockage. Durant ces phases de fonctionnement, larépartition horizontale (plus ou moins proche de la résurgence) et verticale (plus ou moinsproche de la zone noyée) de l’eau stockée est une inconnue majeure. C’est ce que nouscherchons à caractériser, de façon expérimentale et à l’aide de la modélisation.

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Le bassin hydrogéologique d’alimentation du Durzon a été déterminé par des expériences detraçage, des bilans de masses et des considérations géomorphologiques. Sa surface est estiméeà environ 100 km2, délimitée au nord et au sud par des failles inverses majeures (Figure 1).Pendant des épisodes pluvieux exceptionnellement longs, des lacs temporaires apparaissent ausud du bassin d’alimentation (leur dernière formation datant de 1996). Ces lacs temporairessont la conséquence de l’excès de précipitation comparé aux capacités d’infiltration du karst,et illustrent le fonctionnement dissymétrique du drainage du Karst du Durzon, avec undrainage plus efficace au Nord qu’au Sud.

Le schéma fonctionnel de l’aquifère du Durzon correspond à un modèle conceptuel largementaccepté, qui distingue : - dans la zone d’infiltration, une infiltration différée par un stockage à proximité de la surfacedans la zone épikarstique, une infiltration lente liée à la microfissuration, une infiltrationrapide correspondant à un ruissellement souterrain ; - dans la zone noyée, un réseau de conduits assurant le drainage vers la source, et une matricefissurée et poreuse, assurant une fonction de stockage.

L’intérêt d’étudier le système du Durzon dans le cadre de IDESS est triple : - ce karst est géologiquement assez simple et situé dans un contexte tectonique calme. Parconséquent, les variations locales de gravité et de déformations devraient refléterprincipalement la variation de l’accumulation des eaux souterraines. - ce karst a fait l’objet d’études récentes et complètes, tant sur le plan hydrogéologique quegéomorphologique, en particulier par les équipes d’Hydrosciences Montpellier (HSM), - ce karst fait l’objet depuis 2005 de travaux de recherche financés par l’ANR ECCO-PNRHdans le cadre d’un projet intitulé « Géodésie et Hydrologie ».

Notre stratégie d’instrumentation et de mesure est en accord avec le fonctionnementcaractéristique des aquifères karstiques: typiquement, le flux sortant qui résulte d’unévènement pluvieux soudain se décompose en une phase intense et rapide (la crue, qui estpermise par l’existence de drains majeurs), suivie d’une phase de décroissance lente,contrôlée par la faible perméabilité des drains mineurs et la rétention des zones poreuses.

Les mesures de gravimétrie menées depuis plus d’un an ont confirmé leur potentiel pouranalyser les variations de stock d’eau dans le sous-sol, en particulier, dans les milieuxkarstiques (Figure 2). Les variations de pesanteur sont régulièrement (tous les mois) mesuréesgrâce au gravimètre absolu en trois sites sur le Larzac : (1) La Salvetat (SALV) près de lazone de lacs temporaires, (2) La Blaquererie (BLAQ) au centre du plateau du Larzac, (3) LesCanalettes (CANA) proche de la source du Durzon. Sur chacun de ces sites un pluviomètre aété installé.

Les variations de gravité sur tous les sites suivent une tendance générale similaire (Figure 2).Les différences de variations de gravité entre les sites reflètent les différences des quantitésd’eau stockée dans le karst. Chaque station de mesure a une réponse différenteimmédiatement après les précipitations et durant les périodes sèches. Par exemple,l’augmentation de la gravité mesurée après les fortes précipitations de fin janvier est plus fortesur le site de SALV que sur les sites de CANA et BLAQ et la diminution de gravité entrefévrier et septembre 2006 est plus lente sur le site de SALV que sur les deux autres sites. Lesite de La Salvetat démontre clairement le stockage préférentiel en cette zone, lieu de lacstemporaires lors des périodes de très forte pluviométrie (Jacob et al., soumis).

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Figure 2. Après plus d’un an d’observation, nous sommes en mesure (en 2007) d’appréhenderles variations saisonnières de pesanteur associées au stockage de l’eau en trois sites situés dusud au nord du Larzac (La Salvetat, La Blaquererie, Les Canalettes). Nos résultats degravimétrie absolue et de géophysique de surface attestent d’un stockage saisonnier de l’eaudans la partie supérieure du karst. Nous rendons compte avec succès des variations de g auxCanalettes et à la Blaquererie par un modèle de bilan de masse global, ainsi que par unmodèle pluie-débit à réservoirs.

Ces résultats après la première année de mesure montrent la maturité et le potentiel de lagravimétrie pour l’étude des stockages en eau dans les karsts. Mais la fréquence mensuelledes mesures de gravité absolue et leur précision ne permettent pas d’aborder des processusplus courte fréquence et pourtant essentiels comme l’infiltration (ou l’évapotranspiration)immédiatement après les précipitations. Un gravimètre supraconducteur mesurant en continula gravité avec une très grande précision dans la zone sud du Larzac fournirait des donnéespermettant de répondre à ces questions.

Les inclinomètres permettent de mesurer en continu (toutes les 2 minutes) des déformationstransitoires longues ou courtes périodes. Quatre inclinomètres « longue-base » sont

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aujourd’hui en fonctionnement, dont un instrument de 23 m de long. Quatre autresinstruments fonctionneront d’ici un an. Ils sont installés sous terre dans les grottes karstiques àplus de 20 m de profondeur à l’abri des variations thermiques. Ils sont couplés directementavec la roche. Les premiers enregistrements inclinométriques réalisés sur le Causse en 2006-2007 (Figure 3) confirment la sensibilité de l’inclinométrie à la circulation rapide de l’eaudans le karst et laissent espérer la détection d’effets de plus grande période (variationsaisonnière locale, régionale,….).

Les plus faibles déformations enregistrées produites par les écoulements d’eau ont uneamplitude de 10-7 rad, soit une flexure de la roche de 1 mm sur une base de 10 km. Au-delàdes mesures gravimétriques (mesures dynamiques), l’inclinométrie donne une combinaisonalternative à la fois dynamique (géoïde instantané) et géométrique (flexure proprement dite).Ces mesures paraissent adaptées à la caractérisation des variations spatio-temporelles desstocks d’eau dans l’épikarst ou des mises en charge différentielles au sein du système. Cesmesures seront fortement complémentaires des mesures gravimétriques absolues et relativess’effectuant sur le bassin d’alimentation de la source du Durzon.

Figure 3. Les variations inclinométriques observées par l’inclinométrie « longue base » dansdes avens sont corrélées avec les variations de débit du Durzon. Le plan défini par les deuxinclinomètres s’incline dans la direction de la source après chaque crue puis ce plan revient àsa position pré-crue pour les évènements de l’automne 2006. L’ordre de grandeur du µrad deces inclinaisons est difficilement modélisable en considérant l’eau comme une masse pesantedéformant le milieu. Il convient ici de considérer également l’effet de la « tuyauterie »karstique mise sous pression.

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Des investigations électriques en courant continu par sondage multi-électrodes ont par ailleursété conduites sur le site de la Salvetat depuis 2006. Ces mesures ont été réitérées pourobserver les variations saisonnières de la résistivité électrique sur les 50 premiers mètres(Figure 4), notamment en relation avec les grands épisodes pluvieux de printemps.

Ces résultats originaux ne répondent pas complètement à la problématique hydrodynamiquedu transfert en milieu karstique. En effet, la gravimétrie absolue contribue à la connaissancedu bilan des masses d’eau mises en jeu (pluviométrie, évapo-transpiration, souterraine etémergence) mais, du fait de la fréquence des mesures (mensuelles), elle ne permet pas unsuivi temporel continu des variations de teneur en eau. Ceci est préjudiciable à lacompréhension des mécanismes d’infiltration et d’évapo-transpiration dans le sol après desévénements pluviométriques d’amplitudes variées. Afin de contrôler au mieux le paramètre« évapo-transpiration », et ainsi de réaliser un bilan en surface aussi précis que possible, nousprévoyons l’acquisition et l’implantation de 3 sondes TDR sur le site principal.

Figure 4. Sondages électriques à La Salvetat, les 30/06/06 (haut) et 08/11/06 (milieu).Méthode Wenner sur plus de 200 m, avec un espacement de 5 m, et inversion standard.Variation des résistivités exprimées en % (en bas) par rapport à la solution « estivale ». Onremarque une décroissance de l’ordre de 50 % de la résistivité sur les 10 premiers mètres,probablement associée à la décroissance de la saturation en eau des roches dans cette zoneen période estivale.

Compte tenu de ces résultats, nous proposons d’installer en surface un gravimètre supraconducteur enregistrant en continu le champ de gravité sur un site situé sur la partie suddu Larzac. Une étude hydrodynamique complète du système passe en outre par un couplagedu bilan de masse (observations gravimétriques) avec la cinétique des transferts dans le milieu

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karstique. Pour cela, nous souhaitons réaliser 3 forages de l’ordre de 50 m de profondeur auvoisinage du gravimètre supra conducteur.

(E6) Etude de l’épikarst par forage et instrumentation permanente

L’un de ces forages sera carotté afin de permettre un étalonnage pétrophysique (porosité,densité, résistivité) des mesures géophysiques ultérieures (diagraphies ou observatoire). Deuxforages seront proches, situés à quelques mètres l’un de l’autre, dans un souci de calibrationcroisée. Le troisième sera situé à une centaine de mètres des deux précédents afin d’évaluerl’hétérogénéité latérale du système épikarstique.

Ce dernier sera laissé ouvert, pour y effectuer des mesures occasionnelles de calibration et ydéployer (dans le cadre de tests ou pour compléter le dispositif en place) de nouveauxinstruments d’observation (potentiel spontané, température par fibre optique, ou piézométrieclassique, le reste du temps). Tous les forages seront caractérisés de façon complète (imageset mesures géophysiques, hydrogéologie) avant instrumentation. Les deux premiers serontinstrumentés de façon permanente à l’aide de dispositifs imaGeau (résistivité électrique) pourl’un, et SWS-WestBay (hydrogéologie et échantillonnage de fluide) pour le second (voirdescription des deux dispositifs dans la section E4). Ces deux sondages seront instrumentésen continu afin de préciser la structure des écoulements en profondeur.

Pour le monitoring électrique imaGeau, on choisira de coupler un dispositif in situ semblableà celui installé à Maguelone depuis 2004 (cimenté sur 50 m, avec espacement métrique desélectrodes et scrutation quotidienne) à une flûte située en surface et permettant également uneauscultation métrique et quotidienne de la résistivité. Ce couplage à une centrale d’acquisitionunique permettra une focalisation accrue sur les mécanismes de saturation/désaturation del’espace poreux dans la partie supérieure de l’épikarst, d’une grande variabilité (Figure 4).

Pour le suivi hydrogéochimique SWS-WestBay, on distinguera cinq à six horizons isolés desuivi en pression, ceci en fonction de la structure locale du massif. Deux d’entre eux, dontl’un à proximité de la surface, seront instrumentés et suivis en permanence par un dispositifMOSDAX (p, T, conductivité électrique) et enregistreur MOGI. Après dépôt momentané deces deux observatoires, on pourra ré-entrer de façon répétitive ce dispositif pour mesuresponctuelles de pression et échantillonnage des fluides in situ (sur l’ensemble des 5 à 6niveaux). Par ailleurs, et de façon complémentaire, des capteurs de pression seront implantésdans les forages voisins afin de suivre l’évolution temporelle de la hauteur piézométrique.L’analyse chimique de l’eau en forage devrait permettre d’évaluer la cinétique de dissolutiondans l’épikarst, et ainsi de quantifier les écoulements dans ce milieu à la fois altéré et fracturé,en évaluant notamment les temps de résidence par analyse de la matière organique (voir E5).

(E6) Contexte régional, national et international

Ce projet fait suite à de nombreux travaux sur les aquifères karstiques réalisés dans la régionLanguedoc-Roussillon par l’équipe « Karst et milieux fracturés » du laboratoire« Hydrosciences Montpellier » (Unité Mixte de Recherche CNRS-IRD-UM1-UM2 5569). Ilse situe dans la continuité du projet « Géodésie et Hydrologie » contenant un volet « Site duLarzac ». Ce projet a été financé entre 2005 et 2007 par l’ANR ECCO-PNRH. Il inclut ledéveloppement et l’application de méthodes géodésiques (gravimétrie absolue et relative, et

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inclinométrie), afin de mettre en évidence les écoulements au sein du karst et la déformationde l’ensemble du plateau associée.

L’observatoire du Larzac constitue par ailleurs un site potentiellement intéressant pour l’étudede l’écoulement–transport en milieu karstique. Il pourrait à terme recevoir le label ORE H+(réseau national des sites hydrogéologiques, service d’observation INSU), réseau auquelparticipe déjà Géosciences Montpellier suite au projet ALIANCE. Rappelons que « la missionpremière de l’observatoire H+ est de maintenir et de coordonner un réseau de sitesexpérimentaux capables de fournir des données pertinentes - y inclus des chroniques ouexpériences à long terme - pour la compréhension du cycle de l’eau et des élémentstransportés dans les aquifères souterrains, afin de développer des outils de gestion desressources en eaux souterraines ».

Ce type d’étude est abordé actuellement par plusieurs instituts européens (EOST Strasbourg,Observatoire Royal de Belgique, Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie ou« CEGS »,….). En outre, le gravimètre supraconducteur « GWR » mesurera en continu lesvariations temporelles du champ de gravité dont les données seront incluses dans le réseaumondial GGP (« Global Geodynamics Project »). Il n’existe donc rien d’équivalentactuellement en France, bien que Strasbourg (EOST) soit actuellement candidat pour une telleacquisition et son installation en Afrique dans le cadre du projet « GIRAFE ».

(E6) Equipes scientifiques directement concernées par le projet

1- Les équipes « Tectonique active et Géodésie » et « Subsurface » du laboratoire« Géosciences Montpellier », UMR CNRS/UM2 5243.2- L’équipe « Karst et milieux fracturés» du laboratoire « Hydrosciences Montpellier »,CNRS-IRD-UM1-UM2 5569.

Les porteurs scientifiques du volet « KARST» (E6) de IDESS, pour chacun des aspects scientifiques ouinstrumentaux, sont indiqués ci-dessus en caractères gras.


L’originalité du projet réside dans le couplage, pour la première fois, de techniquesgéodésiques, géophysiques et hydrogéologiques visant à mieux contraindre l’écoulement dans

NOM, prénom Grade Laboratoire Spécialité

Bayer Roger Prof. UM2 GM Géodésie, gravimétrieChampollion Cedric MC UM2 GM GravimétrieChery Jean DR CNRS GM Géodésie, modélisationLe Moigne Nicolas IE GM Instrumentation (gravimétrie)Boudin Frédéric IR GM Instrumentation (inclinométrie)Pezard Philippe DR CNRS GM Géophysique en forageHenry Gilles IE CNRS GM Instrumentation en forageBrunet Pascal Tech. UM2 HSM Risque gravitaireBatiot Christelle MC UM2 HSM Hydrogéologie, datation des eauxLeonardi Véronique MC UM2 HSM Hydrogéologie, chimieJourde Hervé MC UM2 HSM Hydrogéologie, modélisation

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un système karstique. En particulier, le dispositif instrumental en forage proposé n’a jamaisété assemblé sur un quelconque site, quelle que soit la thématique.


1- L’ANR ECCO PNRH (projet « Géodésie et hydrogéologie »)2- L’ANR BLANCHE (projet «Approche géodésique et géophysique de l’écoulement enmilieu karstique » à déposer en 2008)

Ce projet est supporté en 2007 par le laboratoire Géosciences Montpellier (ActionStructurante) et par le département T2E (UM2) (Actions d'observation systématique du milieunaturel). Il fera l’objet en 2008 d’une demande de cofinancement « mi-lourd géophysique »auprès de l’INSU (CNRS) pour le gravimètre supraconducteur GWR, et d’une demande definancement ANR Blanche pour le reste de l’opération.


Amalvict, M., R. Bayer, S. Bonvalot, N. Debeglia, M. Diament, F. Duquenne, H. Duquenne, J.Hinderer, M.-F. Lalancette, N., Le Moigne, B. Luck, G. Martelet, & M. Sarrailh, 2007. Frenchactivities in ground gravimetry, Rapport quadriennal 2003-2007 du CNFGG, soumis.

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Jourde H., Chirouze F., Leonardi V. Determination of preferential flow paths location based on thekarstogenesis analysis of a Meditterranean carbonate aquifer. Hydrogeology Journal, soumis.

Jourde H., Roesh A., Lafarre A., Batiot C., Cernesson F., Doerfliger N., Belleau G. Flood protectionrelated to active groundwater management in a karstic and fractured carbonate watershed, Journalof Hydrology , soumis.

Walpersdorf A., Bock, O., Doerflinger E., Masson F., Van Baelen, J., Somieski A., and Burki B.,2004, Data analysis of a dense GPS network operated during the ESCOMPTE campaign: 1rstresults,: Physics and Chemistry of the Earth, v. 29, p. 201-211.

(E6) Nouveaux partenariats envisagés dans le cadre du projet.

La Société GWR Instruments, Inc. San Diego, California, CA-92121, USA (Développementdu prototype FSG). La Société FUGRO Géotechnique S.A., Jacou (réalisation des forages).


La recherche envisagée se situe en amont des préoccupations économiques régionalesassociées à la croissance démographique en cours et à venir. Plus généralement, elleconduira à une meilleure compréhension de la variabilité spatio-temporelle des stocksd’eau dans les systèmes karstiques analogues à celui du Larzac. Ce projet a donc desimplications directes sur la planification et la gestion des ressources en eau dans notrerégion.

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Elément (E7) : « INSTRUMENTATION» (accès à l’instrumentation,conditions d’utilisation, localisation, personnel dédié).

L’investigation de la dynamique du sous-sol proposée dans le cadre d’IDESS fait appel à troistypes d’instruments. D’une part, les instruments de surface, avec un degré de mobilitévariable, pouvant aller de très faible (gravimètre cryogénique) à importante (borne GPSmobile). D’autre part, les outils d’investigation en forage, sont généralement très mobilespour ce qui est de l’investigation géophysique (sondes diagraphiques). Ils sont bien pluslourds à mettre en oeuvre sur le terrain pour l’expérimentation hydrodynamique. Enfin, lesobservatoires permanents en forage sont, comme leur nom l’indique, dédiés sur le long terme(parfois de façon définitive) aux sites auxquels ils sont affectés.

(E7) Instrumentation actuelle de GEOSCIENCES MONTPELLIER (≤ 2007)

• Instrumentation de surface

Les équipes « Tectonique active et Géodésie » et « Hydrogéologie » des laboratoiresGéosciences et HydroSciences de Montpellier, respectivement, disposent actuellement deséquipements suivants : • un instrument GPS cinématique de marque TRIMBLE (USA) pour la réalisation delevés topographiques précis, • un gravimètre absolu FG5 de marque Micro-g Solutions Inc. (Erie, USA) pour lamesure précise (10-8 m/s2) et absolue de la pesanteur. C’est un instrument national appartenantdu parc gravimétrique Gmob de l’INSU (CNRS), • trois gravimètres relatifs à « ressort », de marque SCINTREX (Canada) et Lacoste etRomberg (USA) pour la réalisation de levés gravimétriques. • une chaîne d’acquisition sismique 24 traces de marque GEOMETRICS (USA) pourla prospection sismique à faible profondeur, • un résistivimètre SYSCAL R1 48 traces de marque IRIS (France), pour laprospection électrique à faible profondeur.

• Investigation en forage (géophysique, hydrodynamique, biologique)

L’activité de l’équipe SUBSURFACE est très largement basée sur l’utilisation d’un ensemblede sites expérimentaux de terrain mis en place à Montpellier au cours des dix dernièresannées et couvrant une grande diversité géologique, pétrophysique et hydrodynamique. Tousles déploiements s’effectuent à partir du CEEL (« Centre d’Expérimentation etd’Enseignement de Lavalette ») qui sert également de base logistique, d’atelier deconstruction, de calibration et de maintenance, et de centre de formation.

• Base logistique et site expérimental de Lavalette (CEEL). La plate-forme CEEL permet ledéveloppement de méthodes et outils pour l’étude des premières centaines de mètres sous lasurface (ou "SUBSURFACE"). Le site expérimental de Lavalette est situé à 3 km au Nord ducampus universitaire de l’UM2. Par sa proximité avec le laboratoire, il remplit un grand

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nombre de fonctions :

- base logistique pour la géophysique et l’hydrodynamique en forage, équipée de 4véhicules de terrain, 4 treuils munis de câbles quadri-conducteurs de 200 à 1200 m, etd’environ 25 sondes géophysiques et hydrodynamiques, plus un ensemble de pompes,capteurs de pression, débitmètres, système d’acquisition multi-capteurs permettant deréaliser des mesures hydrauliques et hydrodynamiques dans les forages,

- site d’enseignement pour la géophysique et d’hydrodynamique en forage (universitésde Montpellier, Strasbourg, et Pau, ou ETH-Z)

- site de calibration in situ des capteurs de mesures en forage,- atelier d’assemblage et de test de nouveaux outils, notamment dans le cadre du projet

européen ALIANCE ou de contrats industriels,- site expérimental équipé de 3 forages profonds (≥ 70 m) dont un carotté.

Ce site logistique, expérimental et d’enseignement a vocation de centre national dans ledomaine académique, et doit devenir une référence en Europe, s’employant notamment àmettre en place les outils d’étalonnage des différentes sondes déployées en forage.

Contexte géologique et forages. La plate-forme expérimentale CEEL est située au sud du"pli de Montpellier", similaire dans sa mise en place à celle du pic Saint-Loup, àquelques 20 km au Nord de Montpellier. Cinq forages, distants au maximum de 15 m etd’une profondeur inférieure à 100 m, ont été réalisés de 2001 à 2006. LAV-1, -2 et -3, lesplus profonds, sont alignés selon un axe nord-sud. - LAV-1 (100 m de profondeur ; 110 mm de diamètre) a été carotté de 20 m à la base. - LAV-2 (100 m de profondeur ; 92 mm de diamètre) est situé à 10 m au nord de LAV-1. - LAV-3 (70 m) est situé à 2 m au nord de LAV-2, et foré comme lui en destructif. - LAV-4 (20 m) est situé à 5 m au NE de LAV-3. Il a été carotté en entier. - LAV-5 (25 m) est situé à 10 m à l’est de LAV-1, à l’intérieur du bâtiment. Il a été foréde manière destructive et sera équipé pour les tests en pression des sondes géophysiquesou hydrodynamiques, ainsi que pour l’expérimentation analogique en forage.Ces forages traversent chacun environ 12 m de dépôts quaternaires venant du Lez, situé àune centaine de mètres, puis une épaisse séquence marno-calcaires valanginienne (143Ma). La nappe phréatique semble stable sur ce site, à une profondeur de 5 mètres. Lessédiments meubles rencontrés dans la partie supérieure des forages sont isolés à l’aided’un tubage PVC cimenté. Les forages les plus profonds sont ouverts à partir d’uneprofondeur de 12 m pour l’enregistrement de mesures et images ou l’expérimentation.

• Sites expérimentaux et d’observation en domaine côtier. Le site instrumental deMaguelone (Montpellier, France) et les deux sites expérimentaux de Majorque (Baléares,Espagne) et Ploemeur (Bretagne, France) ont été développés dans le cadre du projetALIANCE pour le déploiement de nouvelles méthodes expérimentales et de monitoring pourle suivi des intrusions d’eau salée dans les aquifères côtiers. Situés dans des contextesgéologiques et hydrodynamiques très différents, ces sites permettent d’aborder de nombreusesthématiques et offrent un champ expérimental diversifié. Ils sont maintenant intégrés audispositif plus large de l’ORE H+, piloté par l’Université de Rennes.

Maguelone : Situé à proximité de Montpellier, entre mer et étangs, le site de Maguelonesert de site d’étude des phénomènes suivants : - chronologie des processus sédimentaires côtiers, changement climatique et inondationsrécentes (jusqu’à -20 000 ans), compaction et diagenèse précoce des les milieuxclastiques côtiers avec maturation de la matière organique (et production de CH4 etH2S), intrusion d’eau salée dans les nappes côtières, étanchéité des sites de stockage.

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- base instrumentale pour l’observation in situ de la dynamique des fluides dans lesous-sol proche. Un prototype d’observatoire du sous-sol y a été mis en place pourcela en juin 2004. Il est autonome depuis avril 2006 et alimente un site web de façonquotidienne.

Majorque : Le site expérimental de Majorque est situé à Ses Sitjoles, au SE de l’île, à lafois à 8 km au sud de Campos et à 6 km au nord de la côte méditerranéenne. Il consisteen un réseau de 12 forages profonds (100m) dans un récif carbonaté, et qui traversent 40m de zone vadose, 35 m d’eau saumâtre (3 g/l), puis de l’eau de mer à partir de 75 m.L’intrusion salée rentre au SE de l’île de Majorque à plus de 15 km dans les terres et lesnappes sont, ici encore plus qu’ailleurs, fortement polluées par des chlorures.

Ploemeur : A l’inverse de Majorque, le site de Ploemeur se situe dans des granites et desschists fracturés et altérés où, pour l’instant, (en Bretagne sud) aucune intrusion saléen’a été constatée ailleurs qu’à proximité d’un site d’exploitation à grande échelle dekaolinite.

• Observatoires permanents en forage

Il s’agit principalement de dispositifs d’imagerie de résistivité électrique en forage, déployéssur ces sites et, jusqu’à présent, dans le cadre du projet européen “ALIANCE” à- Maguelone (41 m - 06/2004) pour l’étude du sous-sol en zone littorale (MAG-4),- Campos, Majorque, (90 m - 05/2005), pour étudier la zone interface du biseau sale local,- Lavalette (12 m - 03/2006), uniquement pour des raisons de développement instrumental.

(E7) Instruments à acquérir dans le cadre de IDESS (≥ 2008)


Gravimètre supraconducteur GWR

L’équipement de surface principal que souhaite acquérir le GPTR en 2008-2009 est ungravimètre supraconducteur de type « field », prototype qui sera construit par GWRInstruments Inc. aux USA (voir le site http://www.gwrinstruments.com/GWR_ctinstl.html).

Figure 1 : Gravimètre supraconducteur de type « field » de GWR Inst. Inc (USA).

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C’est un gravimètre relatif de très haute précision qui utilise des courants permanents dans desbobines supraconductrices pour générer un champ magnétique ultra-stable qui lévite unemasse test sphérique. Le système est en fonctionnement dans une bouteille « Dewar » de 35litres d’hélium liquide, qui est refroidi en permanence par réfrigération à 4° K. Le gravimètreest aussi équipé d’un système de suivi de l’inclinaison et de compensation automatique. Cesystème reliquéfie l’hélium gazeux qui s’évapore et permet d’éliminer les transferts d’héliumliquide (généralement une fois par année sur les gravimètres de type compact ayant desDewars de capacité 100 l) qui sont une source de perturbations dans la série gravimétrique etqui requièrent un savoir-faire technique. Le système d’acquisition de données numériques,mis au point par le constructeur GWR Instruments, est spécifiquement adapté à ce typed’équipement. Il est particulièrement performant en ce qui concerne la dynamique desconvertisseurs (7.5 digits sous +/- 10 volts) et la synchronisation précise du temps grâce à unehorloge GPS. De plus, le programme principal permet, entre autres, une interrogation àdistance aisée (y compris par le constructeur qui peut alors aisément établir un diagnosticprécis des pannes) et le transfert de données.

Les éléments principaux de cet équipement sont décrits ci-dessous :capteur de gravité supraconducteur incluant les éléments supraconducteurs (2 bobines + 1sphère), l’électronique de détection de mouvement, l’électronique de contrôle de températureet la protection magnétique (précision de 0.1 à 0.3 µGal/(Hz)1/2 ou 2 nanoGal par intégrationsur 1 heure )(GSU-4A, Superconducting Gravity Sensing Unit),système de deux tilmètres orthogonaux montés à l’intérieur du gravimètre à proximité ducapteur (sensibilité de 0.1 µrad et étendue de mesures de 60 millirad) (TM-7B, GWRCryogenic Tiltmeters),système de compensation automatique de tilt qui permet à l’aide de deux niveleurs thermiquesl’alignement permanent du gravimètre sur la verticale du lieu, quelles que soient les sourcesde variations d’inclinaison (mouvement du pilier, profil de température à l’intérieur du dewar)(TCS-6, Automatic Tilt Compensation System) (sensibilité 0.1 µrad et étendue decompensation 2.5 millirad),système électronique de mesure et d’asservissement du gravimètre, de la température et destilts (GEP-4, Gravimeter Electronics Package);• Système de lévitation avec alimentationélectronique pour varier les courants circulant dans les bobines supraconductrices (DPS-4,Current Supply/Heater Pulser) ;• Kit de transfert d’hélium liquide (HTK-4, Helium TransferKit) ; • Dewar à helium liquide de 35L à super-isolation thermique (FSG-35L-S),système de réfrigération à 4°K qui permet de reliquéfier l’hélium gazeux qui s’évapore àl’intérieur du Dewar (FSG-35, 4 K Refrigeration System and Vibration Isolation system),système d’acquisition numérique DDAS-4 qui s’interface avec un volmètre de hauteprécision, une base de temps par GPS, l’électronique du gravimètre (GEP-4) et les capteursauxiliaires ; permet une acquisition continue de l’ensemble des signaux ; possibilité de suivi àdistance du bon fonctionnement des capteurs et relévitation possible,équipement météorologique d’accompagnement (PRE-5).


Pour la géophysique en forage, il s’agira simplement de consolider les équipements en place,en assurant la redondance du matériel en vue d’opération à grande distance de la baseopérationnelle, sans moyens de réparation sur place, comme ce fut le cas pour l’opérationIODP à Tahiti en 2005. Dans ce cas, nous fûmes obligés de louer une partie des équipementsnécessaires afin d’assurer la redondance indispensable. Alors que trois pannes furent

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constatées en 5 semaines d’opérations, cela n’entraîna aucun retard dans les opérations deterrain (ce qui prend de l’importance lors d’opération en mer ou la location du navire deforage est supérieure à 50 000 $ par jour) et, surtout, aucune conséquence pour la qualité desdonnées enregistrées lors de cette campagne.

Dans le cadre de E1, on prendra avantage de l’abandon récent de la thématique « géophysiqueen forage » par l’Université Libre d’Amsterdam (Hollande), avec le départ de différentsmembres de l’équipe, tous recrutés par l’industrie pétrolière, pour acheter un ensemble de 6sondes ALT et MOUNT SOPRIS, un treuil avec 300 m de câble, et une boîte d’acquisition dedonnées MOUNT SOPRIS. La compatibilité de ces équipements avec ceux du CEEL estgarantie par leur location à cette même université lors de l’expédition IODP de Tahiti en2005. Klas Verwer, alors étudiant en thèse à Amsterdam, était en effet participant à cettemission et nous a apporté son concours par la mise à disposition de ces outils.

On complètera cette acquisition par l’achat en double d’équipement venant de la société ALT(Luxembourg) et dont nous disposons dès maintenant. Il s’agit d’une sonde de résistivitéélectrique par induction et de deux boîtes d’acquisition de données de surface ABOX etMATRIX. On complètera ces achats par celui de 4 PC de terrain (deux dédiés à lagéophysique et deux à l’hydrodynamique), leur durée de vie sur le terrain excédant trèsrarement 12 à 18 mois.

Pour l’hydrodynamique en forage, l’équipement fabriqué par ELOG et que l’on souhaiteacquérir comprend deux instruments complémentaires : une sonde d’injection – pompages(H2E) équipée d’obturateurs permettant d’isoler une portion d’aquifère, et un ensemble detrois capteurs autonomes (YOLog) permettant la réalisation de profils de concentration entraceurs fluorescents en forage.

Ces outils seront développés par la société ELOG à partir d’un cahier des charges précisdéfini par GM. Ils intègrent en particulier un système d’acquisition spécifique totalementcompatible avec les outils et les capteurs existant à GM, l’objectif étant une utilisationconjointe sur le terrain des sondes CoFis et H2E et des 3 instruments de mesure YOLog àpartir d’un système logistique et d’une plate-forme d’acquisition ou de contrôle des fluidesqui existent déjà. Aucune autre structure académique ne possède actuellement un tel systèmede mesure à notre connaissance.

Ces outils permettront de réaliser des expériences de traçages artificiels entre forages ou« puits à puits » en routine. Ces expériences sont nécessaires pour explorer des volumes deroche représentatifs des problèmes de pollutions diffuses ou localisées dans les aquifères.Elles peuvent être réalisées dans différentes configurations de forages (i.e. différentesdistances, différentes directions) permettant une caractérisation des processus en fonction del’échelle et de l’anisotropie des propriétés du milieu. Ce type d’expérience requièrel’utilisation de d’une source (injection d’eau et de traceur), d’un système combiné depompage et de mesure de la concentration en traceur, et de capteurs pouvant être placés sur letrajet du traceur.

Le système combiné « H2E, CoFIS et YOLog » permettra de réaliser ce type de mesure enroutine et de construire ainsi une base de donnée sans précédent. Ceci conduira à des avancéesscientifiques importantes dans les domaines de la caractérisation des processus de dispersion,du développement d’outils de modélisation numérique opérationnels, et de la validation deprotocoles de mesures qui pourront ensuite être transférés vers les professionnels de

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l’expertise des risques de pollution, de la remédiation des aquifères et la gestionprévisionnelle des ressources en eau.


Cette instrumentation est décrite dans la Partie E4 du dossier consacrée au monitoring sur lesite de Maguelone de la saturation en gaz du sous-sol. Elle couvre à la fois l’instrumentationSchlumberger (“SWS-WestBay” ; Figures 2, 3, et 4), et les observatoires de température parfibre optique (« SensorNet » ; Figure 5) ou de résistivité construits (E5 et E6) ou assemblés(E4, à partir des contributions de ELOG et OktaLogic) par la société imaGeau.

(E7) Accès à l’instrumentation scientifique de IDESS et conditions d’utilisation


Le gravimètre supraconducteur GWR type « field » sera installé dans le local dédié auxobservations de pesanteur sur le site du Larzac, incluant aussi les observations absoluesréalisées avec l’instrument national FG5 basé à Montpellier. Ces appareils seront sous laresponsabilité technique de Nicolas Le Moigne, IE CNRS, dont le temps passé surl’instrument sera de 40%. Erik Doerflinger sera pour sa part en charge de l’instrumentationGPS.Des développements métrologiques et informatiques sont envisagés avec la SociétéGWR sur ce modèle de type « Field ». Compte tenu que cet instrument sera labellisé« Instrument du Parc Gravimétrique National, INSU (CNRS) », les données seront en accèslibre pour les équipes de recherche publiques. Une politique de tarification sera établie lors dela mise en place de l’instrument.


Pour l’hydrodynamique en forage, les nouveaux outils rejoindront le parc instrumental duCEEL (Lavalette, Montpellier). Dans les mois suivants leur acquisition ils seront testés dansles puits de Lavalette et de Campos-(Majorque) suivant une procédure qui a été appliquéepour les autres instrument (e.g. la sonde CoFIS). Après validation de l’équipement et desprotocoles expérimentaux, ces nouveaux outils feront partie de la plate-forme de mesurehydrodynamique en forage et seront déployés en routine sur tout type de sites en fonction desprogrammes de recherche en cours. La mise en œuvre de ces outils sera réalisée par l’équipeSUBSURFACE de GM, sous la direction technique Richard Leprovost et la directionscientifique de Philippe Gouze.

Pour la géophysique en forage, les nouveaux outils rejoindront le parc instrumental du CEEL(Lavalette, Montpellier). La mise en œuvre de ces outils sera réalisée par l’équipeSUBSURFACE de GM, sous la direction technique Gilles Henry et la direction scientifiquede Philippe Pezard. Le déploiement de ces outils dans le cadre d’EPC et de missions de foragedans l’océan (IODP) se fera sous la direction technique Simon Barry et la directionscientifique de Philippe Pezard.

Ces deux volets, consacrés chacun à l’expérimentation en forage, s’appuieront sur les moyenslogistiques, techniques, de test et de calibration du site de Lavalette (CEEL) qui seront placés

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sous la responsabilité scientifique de Stéphanie Gautier. Elle sera également chargée avecChristine Lauer de la planification et du suivi de l’utilisation du CEEL pour l’enseignement.

Dans les deux cas (géophysique et hydrodynamique en forage), la tarification de mise enœuvre sur le terrain et d’auto-financement (fonctionnement et maintenance) de cette partie duGPTR sera celle présentée dans la partie B du projet IDESS.

Coût fixe de 300 €/jour lorsqu’un membre de IDESS est impliqué scientifiquement,double lorsque aucun membre de IDESS n’est impliqué scientifiquement en France, etquadruple (1200 €/jour) dans un cadre industriel ou d’une coopération (académique ouindustrielle) hors de France. Ce tarif s’entend avec le déploiement de ces instruments parles soins du GPTR, et sur une durée maximum de 12 heures par jour. Un travail continudemande la présence de deux ingénieurs sur le chantier et entraîne le doublement dutarif. Le transport et l’attente éventuelle d’un chantier (« immobilisation ») sont facturésà un taux de 33 % du coût opérationnel.

Le prototype de la sonde de microbiologie en forage (E3 pour le “MFT”) sera mis en oeuvrepar l’équipe SUBSURFACE de GEOSCIENCES MONTPELLIER, tout d’abord sur le siteexpérimental de Lavalette (CEEL), et ensuite sur celui de Campos (Majorque), dans le cadrede la thèse de Charlotte Garing. Son accès à l’extérieur de IDESS sera restreint tant que laseconde version, dite “multi-tests”, ne sera pas construite et validée sur le terrain. Cesdéploiements seront effectués sous la direction technique de Gilles en Henry (GM) et de lasociété HyTEC, et la direction scientifique de Christian Marlière (GM) et de Rutger De Wit(EcoLag).


Les sites expérimentaux de terrain seront en accès libre mais réglementé dans le cadre deIDESS. Un responsable par site sera désigné dans le but d’organiser les opérations de terrainde façon cohérente.

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Figure 2 : Dispositif « SWS-WestBay » de segmentation hydrodynamique en forage.

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Figure 3 : Dispositif « SWS-WestBay » de suivi continu des champs de pression in situ.

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Figure 4 : Dispositif « SWS-WestBay » d’échantillonnage de fluide in situ.

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Figure 5 : Dispositif complet « DTS » de mesure de la température par fibre optique.

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Elément (E8) : « GESTION GENERALE» (communications, conférences,actions scientifiques internationales, site web, personnel, calendrier).

(E8) Actions internationales et coopérations scientifiques

Gravimétrie. Les actions de coopération internationale porteront essentiellement surl’intégration du site gravimétrique de GEOSCIENCES MONTPELLIER au réseau du« Global Geodynamics Project » (voir le site http://www.eas.slu.edu/GGP/ggphome.html).

Géophysique en forage. Les actions de coopération internationale de IDESS seront focaliséessur deux plans.

• Il s’agira tout d’abord de poursuivre les participations en cours à deux grands programmesscientifiques internationaux de forage (IODP et IDDP), en s’appuyant sur les consortiumsmis en place ces dernières années dans un cadre européen (EPC et HiTI), soit :

- participation au groupement EPC (“European Petrophysical Consortium”; voirwww.eso.ecord.org/management/epc.htm ou www.isteem.univ-montp2.fr/ODP-France/ECORD/ECORD.html) dans le cadre du programme international de forages scientifiquesIODP (voir: www.isteem.univ-montp2.fr/IODP-France ou www.iodp.org),

- participation au projet européen FP6 HiTI (“High Temperature Instruments”; www.iddp.is) pourla géothermie profonde en Islande, une initiative basée sur le projet IDDP (pour “Iceland DeepDrilling Project”; voir : www.iddp.is).

• Nous chercherons ensuite à fédérer à échelle européenne un groupe de 12 à 15 entités aumaximum (académiques ou industrielles), toutes centrées sur l’exploration in situ de ladynamique du sous-sol proche (pour des raisons scientifiques ou industrielles), et afin de créerun réseau d’excellence européen dans le cadre du FP7.

Pour cela, on se basera sur les structures mises en place dans notre discipline en région(IDESS), en France (ORE H+), et en Europe, que ce soit actuellement (EPC et HiTI) ou par lepassé (ALIANCE et SALTRANS). En se basant sur les structures en place, il pourrait s’agir :- des universités de Leicester (UK), Aachen (D) et Montpellier (F) pour les forages

scientifiques océaniques (EPC et IODP),- de GFZ-Potsdam (D) pour les forages océaniques continentaux,- de ISOR (Islande), de et du BRGM (F) pour la géothermie,- des universités de Rennes (F), Barcelone (E), Milan (I) et Zurich (CH) pour

l’hydrogéologie.

Dans le domaine industriel, SWS (F), ANTARES (D), ALT (Lux), CALIDUS (UK) et DTS(UK) semblent parmi les mieux à même de contribuer, pour diverses thématiques, à ceconsortium dédié à la dynamique de la subsurface proche. C’est pourquoi nous organiseronsdans la première partie de IDESS, un workshop européen de préparation à la réponse, dans ledomaine de l’instrumentation géophysique en forage, aux appels d’offre du FP7.

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(E8) Actions de communication / formation envisagées

Certaines opérations ou approches sont globales à l’ensemble des éléments du projet, alorsque certaines sont tout à fait spécifiques. Pour la formation, on commencera par :

- Cycle de formation à destination des étudiants de Master Spécialité Recherche Terre, Eauet Environnement (parcours GERE, Risques Naturels, Réservoir, Sciences de la Terre) del’UM2, ou d’autres universités françaises ou européennes,

- Publications scientifiques et participation aux conférences,

- Vulgarisation des travaux de recherche auprès des médias régionaux et nationaux.

Pour la communication, on apportera une importance toute particulière à la réunion delancement (Q1-2008), et celle de clôture de cette première tranche d’activité (Q4-200). C’estpourquoi nous prévoyons un budget de 5 k€ par réunion pour location de salle et invitationéventuelle de collègues intervenants situés hors région, voire à l’étranger.

Par ailleurs, nous anticipons en cours de projet, la tenue à Montpellier ou en région de deuxworkshops exceptionnels centrés sur les thématiques suivantes :

• Instrumentation en subsurface (diagraphies et observatoires)

Organisation d’un workshop européen sur le thème de l’instrumentation en forage en vue depréparer une réponse à un appel d’offre FP7 dans le cadre des infrastructures européennes derecherche. On cherchera à étendre IDESS et la notion en place de EPC (IODP) au programmeinternational ICDP (GFZ Potsdam), ainsi qu’aux notions de resources (ALIANCE, H+), derisques et d’énergies non pétrolières (HiTI, DERBI), qui correspondent chacun à un pôle decompétitivité installé en région (Date prévue pour ce workshop: Q4-2008).

• Hydrogéodésie et hydrogéophysique

Organisation d’un colloque sur le thème hydrogéodésie et hydrogéophysique des systèmeskarstiques (date prévue Q2-2010).

(E8) Personnel nécessaire

Si un co-financement est sollicité auprès de la Région pour un ou des recrutements, préciserde manière détaillée : les missions qui seront confiées aux personnels recrutés, le profilsouhaité, les modalités de recrutement.

Nous souhaitons recruter un post-doctorant pour assister le responsable du GPTR dans la miseen place de l’ensemble des tâches liées au développement de IDESS. Sur la base existante, ils’agira de structurer l’ensemble des activités, sans pour cela intervenir sur un plan scientifiquedans chacun des éléments constitutifs de l’activité de IDESS au cours de ces trois premièresannées (E1 à E6).

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Néanmoins, il apparaît indispensable que cette position soit, comme dans nombre de projetseuropéens, occupée par un ou une scientifique. Les décisions à prendre dans le cadre de lastructuration du GPTR ne peuvent en effet pas l’être sans avoir une préoccupation permanentede sa pertinence scientifique. En outre, nous chercherons un ou une candidat(e) qui pourras’impliquer scientifiquement et au moins à tiers temps dans l’un des chantiers de IDESS.

Il s’agira en outre de construire au plus vite les outils de communications nécessaires au bonfonctionnement de IDESS, et en particulier le site web. Si cette construction commenceraimmédiatement, la réunion de lancement aura lieu dans les trois mois suivant la notificationde soutien au projet. Elle sera organisée par le candidat. Une fois les éléments de base duGPTR mis en place avec les différents responsables de sites ou thématiques, le candidat serachargé d’alimenter les moyens de communication en informations pertinentes quant audéveloppement du projet. Il devra aussi s’assurer de la tenue des réunions des différentsgroupes de travail (par atelier), du suivi des demandes de financements nécessaires au bonfonctionnement de IDESS, ainsi que de la tenue, sous sa responsabilité, de la réunion desynthèse de fin d’année du GPTR.

Cet ensemble de critère nous pousse à proposer en « ANNEXE 3 » le recrutement de MlleJohanna Lofi, docteur en géologie de l’université de Lille. Johanna est sédimentologue,spécialiste des marges continentales et notamment de la crise « Messinienne » d’assèchementde la Méditerranée il y a environ 5 Ma. Elle est, de ce fait, tout à fait qualifiéescientifiquement pour participer au programme IODP ou à l’ensemble des travaux menés enzone littorale (comme dans le cas du chantier E4 de IDESS). Elle bénéficie par ailleurs dedeux ans d’expérience de gestion d’un programme européen de recherche, dans le cadre duFP5 et au CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) de Bologne. Enfin, une partie de sonsalaire est actuellement couvert par le programme IODP dans le cadre du consortium EPCavec l’université de Leicester. Elle nous semble donc parfaitement qualifiée pour s’intégrer defaçon très efficace à la structure qui devra mettre IDESS en place.

(E8) Moyens informatiques - Logiciel de traitement de données

Si les moyens informatiques nécessaires au traitement et à la restitution des mesures et imagesen forage sont en place dans l’équipe SUBSURFACE de GEOSCIENCES MONTPELLIERdepuis plusieurs années (logiciel GEOQUEST de Schlumberger pour l’analyse des imagesIODP ; logiciel WellCAD de ALT pour toutes les données issues de notre laboratoire), il estun point particulier, actuellement en développement, et qui nécessite un effort dans les mois etles années à venir. C’est celui de la modélisation numérique des sondes géophysiques, etnotamment celles de résistivité électrique. C’est pourquoi nous avons décidé en 2006 de nouséquiper du logiciel Rt-Evrest conçu et distribué par la société ATEMIS (www.atemis-technologies.com/home1/software/software.htm). Cette acquisition fut financée dans le cadredes travaux de recherche liés au programme IODP. Ce logiciel permet la simulationnumérique par éléments finis, par méthode directe ou inverse, des sondes de résistivités. Ilpermet d’accéder aux propriétés intrinsèques du milieu, ce qui n’est pas possible à l’aide desméthodes scalaires utilisées généralement par l’industrie pétrolière. Si nous sommesactuellement capables de simuler nombre de sondes Schlumberger, il devient maintenantnécessaire d’étendre nos capacités de simulation aux observatoires permanents de résistivité,et aux nouveaux outils en cours de développement. Un exemple est apporté par la sonde DLL

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mise actuellement au point par la société CALIDUS (UK) pour HiTI. L’achat de cetteextension de logiciel motive ici notre demande de co-financement dans le cadre de IDESS.

(E8) Calendrier prévisionnel détaillé de réalisation du projet

Le prévisionnel de IDESS ci-dessous sera principalement contrôlé tout d’abord parl’obtention des différents co-financements nécessaires. Pour la réalisation de sitesexpérimentaux seulement, c’est bien sûr la réalisation des travaux sur le terrain, et notammentdes forages et de l’instrumentation du sous-sol, qui contrôleront l’ensemble des activités. Oncherchera bien entendu à distribuer dans le temps les diverses opérations de forage des troischantiers principaux. Priorité dans ce domaine sera donnée à E5 (« GLISSEMENTS »)puisque ce calendrier ne prend pas en compte la poursuite des programmes d’observations encours, que ce soit à Maguelone en forage, ou sur le site du Larzac par gravimétrie absolue,inclinométrie et pluviométrie.

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IDESS - Université de Montpellier