Traçage isotopique des sources, puits et de la réactivité du CO2 dans les réservoirs géologiques

devant le jury: Maghali ADER ...................... Co-directrice de thèse Pierre AGRINIER ................... Directeur de Thèse Anne-Marie AUCOUR ................. Rapporteur Didier JEZEQUEL ................... Examinateur Jurg M. MATTER .................... Examinateur Alain PRINZHOFER .................. Examinateur Jean-Paul TOUTAIN ................. Rapporteur Résumé: Le but de ces travaux de thèse fut de tester la performance des outils géochimiques (DIC (carbone inorganique dissous), delta13C, delta18O) afin de suivre le devenir du CO2 injecté dans des réservoirs géologiques. Dans un premier temps, un protocole analytique a été mis au point afin de mesurer l'outil DIC-delta13C, par spectrométrie de masse à flux continu. Le premier site d'étude était le lac Pavin (Massif Central, France) ; ses couches d'eaux profondes isolées, renferment d'importantes quantités de CO2. Cette particularité permet de l'assimiler à un réservoir géologique stockant d'importantes quantités de CO2 d'origine biogénique et magmatique (fournit par une source sous lacustre). L'outil DIC-delta13C a permis de montrer d'une part, que la réactivité et les sources et puits de DIC étaient essentiellement gouvernés par des processus biogéochimiques (photosynthèse, oxydation de la matière organique, méthanotrophie, méthanogénèse) et d'autre part, de détecter un transfert de CO2 entre les couches d'eaux superficielles et profondes du lac. Le second était le site expérimental du Lamont Doherty (NY, USA) composé d'un puits de forage instrumenté. Des injections de fluide saturé en CO2 ont été réalisées au niveau d'une zone perméable, à l'interface de roches basiques et sédimentaires. Après une pèriode d'incubation, l'évolution des compositions chimiques (DIC, Ca2+, Mg2+...) et isotopiques (delta13C, delta18O) des fluides extraits ont mis en évidence des processus de mélange entre le fluide injecté et l'eau de l'aquifère ainsi que des interactions CO2-eau-roche : principalement la dissolution de calcite, et à un ordre moindre la dissolution des minéraux silicatés. De même, l'outil delta13C-DIC a mis en évidence un dégazage de CO2, in situ. Abstract: The aim of this research works consisted in studying the behaviour of the carbonate system (dissolved inorganic carbon: DIC) following a CO2 injection (artificial or natural), in geological reservoirs. One part of the study consisted in improving an analytical protocol for the measurement of delta13CDIC and DIC, using a continuous flow mass spectrometer. As a first study, we have focused our attention on the Pavin Lake (Massif Central, France). Owing to its limnologic characteristics (meromictic lake) and a deep volcanic CO2 contribution, it can be viewed as a natural analogue of reservoir storing important quantities of CO2 in the bottom part. Isotopic measurements (delta18O, delta13CDIC) allowed to better constrain the dynamics of the lake (stratification, seasonal variations), the magnitudes of biological activities (photosynthesis, organic matter decay, methane oxidation, methanogenesis), carbon sources (magmatic, methanogenetic), and the hydrological budgets (sublacustrine inputs). The second study was conducted on the Lamont-Doherty test well site (NY, USA). It includes an instrumental borehole which cuts through most of the section of the Palisades sill and into the Newark Basin sediments. Single well push-pull tests were performed: a test solution containing conservative tracers and a reactive tracer (CO2) was injected at a permeable depth interval located in basaltic and metasedimentary rocks. After an incubation period, the test solution/groundwater mixture was extracted from the hydraulically isolated zone. Isotopic measurements (delta18O, delta13CDIC) confronted to chemical data (major elements) allowed to investigate the extent of in-situ CO2-water-rock interactions: essentially calcite dissolution and at a lesser extend silicate dissolution...and for one of the test, CO2 degassing.