Jean-Philippe Avouac photoJean-Philippe Avouac Professor of Geology:Director of the Tectonics Observatory:CaltechCaltech logo

Relations entre déformations transitoires et circulations de fluides : l’expérience de Sur-Frêtes

Frédéric PERRIER1, Jean-Philippe AVOUAC1, Eric PILI1, Michaël TRIQUE1,

Patrick RICHON2, Jean-Christophe SABROUX2, Cécile FERRY2, Sophie HAUTOT3 et Pascal TARITS3

1CEA/DASE, Bruyères-le-châtel, 2IRSN, Fontenay-aux-roses, France,3UMR « Domaines océaniques », Brest, France

Introduction

La connaissance de la réponse d’un système géophysique soumis à des sollicitations extérieures (mécaniques, hydrogéologiques ou thermiques) est un enjeu majeur aussi bien pour la compréhension des phénomènes associés au cycle sismique ou les éruptions volcaniques, que pour l’évaluation de la durabilité des sites de déchets en sub-surface. De nombreuses observations (relaxation post-sismique, variations de niveau d’eau en forages, variations des paramètres hydrogéochimiques, etc...) montrent les relations, et les éventuels couplages, entre circulation de fluides et déformations mécaniques de la croûte  mais les mécanismes en jeu demeurent mal connus (Trique, 1999).

Si les expériences en laboratoire apportent des informations importantes, elles ne peuvent rendre compte du comportement du milieu naturel qui possède de multiples ingrédients : une hétérogénéité de structure à différentes échelles, des nappes et poches de fluides stockés ou circulant dans des fractures, des zones insaturées, des perturbations météorologiques aléatoires ou saisonnières, autant d’éléments dont les rôles respectifs restent à évaluer. Des expériences en site naturel à différentes échelles sont donc indispensables pour faire progresser les connaissances.  L’expérience de Sur-Frêtes, menées sur un site de barrage en Savoie, a été conçue dans cet esprit. Elle est consacrée à l’étude des signaux géophysiques, associés à la déformation d’un massif rocheux soumis à des sollicitations mécaniques variables. Les variations de niveau d’eau, de plusieurs dizaines de mètres par an, constituent le moteur de la déformation. Les phénomènes étudiés comprennent le potentiel électrique en divers points, l’inclinométrie et le niveau de gaz radon dans une galerie, ainsi que la piézométrie et la conductivité de l’eau dans deux forages. Nous résumons ici les principaux résultats obtenus depuis 1996 et discutons les perspectives d’évolution de l’expérience

L’expérience de Sur-Frêtes

L’expérience de Sur-Frêtes (Trique, 1999) repose sur le cycle annuel des lacs artificiels de Roselend et La Gittaz situés en Savoie, dans les Alpes. Ces lacs sont remplis à partir de la fonte des neiges en mai et le niveau maximum (environ 1550 m) est atteint en juin ou juillet. Les niveaux des lacs baissent d’environ 60 mètres pendant l’hiver afin de répondre aux demandes du réseau électrique, avec une très faible corrélation avec la pluviométrie pendant cette période. En février et mars 1999, l’expérience bénéficia en outre de la vidange décennale du lac de Roselend, pendant laquelle la cote 1440 m fut atteinte. Le site est enneigé de novembre à mai.

Instrumentation de la crête de Sur-Frêtes. La crête de Sur-Frêtes, située entre le lac de Roselend et le lac de La Gittaz, plus petit, est une zone de contact géologique entre des gneiss de Belledonne, des sédiments permiens et triasisques tectonisés et des calcaires marneux Callovo-oxfordiens et jurassiques, zone complexe qui peut permettre d’observer des phénomènes particuliers liés à une forte hététogénéité. Cette hétérogénéité structurale est en effet associée à une forte hétérogénéité des circulations hydrogéologiques et de la conductivité électrique (Hautot et al., 2002). Un réseau électrique composé de 14 points de mesures fut donc installé en 1995 et les différences de potentiel électrique furent enregistrées jusqu’à la fin de l’année 1998, simultanément avec les trois composantes du champ magnétique et divers paramètres météorologiques.

Instrumentation de la galerie de Roselend. Une galerie de 128 mètres de longueur et 2 mètres de diamètre fut instrumentée à partir de 1995 par des inclinomètres, un microbarographe et des mesures de radon dans l’air. Cette galerie, qui comporte de nombreuses zones de suintement, est située dans les métasédiments cristallins de la bordure est du massif de Belledonne, essentiellement des paragneiss massifs à joints calcaires comprenant des filons de quartz et des lentilles de granite. Ce tunnel en cul de sac semble en outre être caractérisé par une très faible ventilation naturelle, diminuée encore par l’installation de volets de polymère plastique.

Instrumentation en forages. Deux forages de 100 mètres de profondeur, tubés et crépinés sur les 20 derniers mètres, furent réalisés en 1998 au voisinage de la galerie, dans la même formation que celle-ci, à 40 mètres des berges du lac de Roselend. Des mesures de hauteur d’eau, de conductivité et de température y furent effectuées à partir de fin 1998 jusqu’à la fin de l’année 2000.

Synthèse des principaux résultats

Variations de potentiels spontanés avec le niveau des lacs. Le potentiel électrique varie proportionnellement avec le niveau des lacs sur les berges, et en particulier en un point proche du lac de Roselend (Perrier et al., 1998), et en relation inverse avec le niveau en fond de lac (Trique et al., soumis). Ces variations peuvent être interprétées par des phénomènes d’électrofiltration et l’étude combinée de la structure spatiale et temporelle du champ électrique permet de caractériser les circulations d’eau sur le site, et de mettre en évidence des zones de circulations privilégiées (Trique et al., 2002).

Déformations transitoires associées à des bouffées de radon dans la galerie de Roselend. Le phénomène le plus spectaculaire dans la galerie de Roselend est l’observation de bouffées transitoires de radon dans l’air (Trique et al., 1999). Ces bouffées, clairement visibles sur un niveau de base d’environ 1000 Bq/m3, atteignent des amplitudes de 5000 à 10 000 Bq/m3 et ont des durées d’une à quelques semaines (avec une amplitude maximale de 35 000 Bq/m3 lors de la vidange décennale). En outre, pendant ces bouffées, le signal radon est caractérisée par une forte sensibilité à la pression atmosphérique. Ces bouffées semblent difficiles à expliquer par des phénomènes météorologiques mais coïncident avec des périodes de remontée brusque ou de ralentissement brusque de vidange du lac de Roselend. Ces sauts positifs de la vitesse de chargement sont aussi associés à des périodes pendant lesquelles la réponse inclinométrique s’écarte de la réponse moyenne élastique, ce qui suggère un phénomène mécanique de grande échelle (>100 m) (Trique et al., 1999). Simultanément avec les bouffées de radon, des variations de potentiel électrique sont observées en un point de la crête de Roselend, mais il est difficile de confirmer la validité de ces signaux électriques, à la limite du bruit, et observés en un seul point.

Observations dans les forages. Les mesures effectuées dans les deux forages situés au voisinage du lac de Roselend donnent des informations supplémentaires sur ces événements transitoires. En effet, en première approximation, les niveaux d’eau suivent le niveau du lac de Roselend, avec un battement d’environ 43 et 26 m lors du cycle de vidange décennale d’amplitude environ 100 m. Les forages se comportent donc en première approximation comme des jauges de contrainte. Cependant, simultanément avec la bouffée de radon associée au rechargement du lac de Roselend après la vidange décennale, un excès d’eau d’environ 10 m, persistant pendant environ deux mois, est observé dans un des forages, ce qui suggère que des circulations d’eau importantes sont associées aux relaxations transitoires du massif.

Discussion et perspectives

Une interprétation cohérente des phénomènes observés autour du lac de Roselend en association avec les cycles de chargement et déchargement mécanique reste à faire. Cependant, les conclusions préliminaires suivantes peuvent être proposées. Un massif, à l’échelle kilométrique, réagit fortement à des variations de la vitesse de variation des contraintes. Les mesures en forage indiquent que le rôle des fluides est fondamental dans l’apparition de ces phénomènes transitoires. Quant aux bouffées de radon, elles peuvent être interprétées par une légère désaturation des roches de l’encaissant de la galerie. Une telle désaturation, grâce à la variation rapide de la perméabilité en gaz avec le contenu en eau au voisinage de la saturation, suffirait en effet à augmenter la longueur de diffusion du radon pour rendre compte de l’amplitude des bouffées. Une forte augmentation de la perméabilité en gaz permet aussi d’expliquer la sensibilité accrue à la pression atmosphérique. Cette désaturation, qui peut rendre compte du signal radon, pourrait être provoquée par des déformations transitoires en extension de la voûte du tunnel.

Références

Hautot, S., P. Tarits, F. Perrier, C. Tarits, and M. Trique, Groundwater electromagnetic imaging in complex geological and topographical regions : a case study of a tectonic boundary in the French Alps, Geophysics, 2002.

Perrier, F., M. Trique, B. Lorne, J.P. Avouac, S. Hautot and P. Tarits, Electric potential variations associated with lake level variations, Geophys. Res. Lett., 25, 1955-1958, 1998.

Perrier, F., M. Trique, J. Aupiais, U. Gautam and P. Shrestha, Electric potential variations associated with periodic spring discharge in western Nepal, C. R. Acad. Sci. Paris, 328, 73-79, 1999.

Perrier, F., P. Morat, and J.L. Le Mouël, Pressure induced temperature variations in an underground quarry, Earth Planetary Science Letters, 2000.

Pili, E., A. Martin-Garin, J. Aupiais, M. Trique, F. Perrier and P. Richon, Geochemical monitoring of the unsaturated zone at the Sur-Frêtes gallery, EUG Meeting, Strasbourg, April 2001.

Trique, M., Etude en site naturel des phénomènes physiques associés au cycle sismique, Thèse Université Grenoble, 1999.

Trique, M., F. Perrier, T. Froidefond, J.P. Avouac, and S. Hautot, Fluid flow near reservoir lakes inferred from the spatial and temporal analysis of the electric potential, J. Geophys. Res., 107, 10 1029/2001JB00482, 2002.

Trique, M., P. Richon, F. Perrier, J.P. Avouac, and J.C. Sabroux, Radon emanation and electric potential variations associated with transient deformation near reservoir lakes, Nature, 399, 137-141, 1999.

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