Le thème principal de nos travaux de recherche est l'étude des systèmes géologiques anciens, plus particulièrement les gîtes minéraux et les dépôts d'hydrocarbures dont la formation peut remonter à plusieurs milliards d'années. Comme ces gîtes minéraux et dépôts d'hydrocarbures fournissent les matériaux et l'énergie nécessaires au maintien du niveau de vie de notre société, il est primordial de bien comprendre leur genèse afin de concevoir des méthodes d'exploration efficaces et économiques.
Les fractures sont omniprésentes dans la lithosphère où elles forment les chemins de circulation préférentielle des fluides souterrains. Ces fractures augmentent la vitesse d'écoulement des fluides ce qui favorise les transferts de masse et d'énergie. L'écoulement des fluides souterrains dans les massifs fracturés contrôle la formation de plusieurs gîtes minéraux et l'accumulation des hydrocarbures qui sont si importants pour fournir les matériaux et l'énergie nécessaires au niveau de vie de notre société. À la surface de la lithosphère, l'écoulement des fluides souterrains dans ces massifs fracturés contribue à la recharge des nappes d'eau souterraines utilisées par la société et il complique l'entreposage des substances dangereuses dans les massifs rocheux.
Les fluides qui circulent dans la lithosphère constituent l'un des vecteurs les plus importants pour le transport de la matière en solution et le transfert de chaleur. La présence de fractures dans un volume rocheux influence grandement l'écoulement et la composition de ces fluides. Il existe donc des relations étroites entre écoulement, échange eau-roche et géométrie du réseau de fracture provenant de la déformation cassante. Ces relations sont importantes car elles influencent les directions et les vitesses d'écoulement des fluides ainsi que leur composition chimique et isotopique. Le développement de modèles numériques couplant ces divers phénomènes et décrivant explicitement ces interactions, constitue un outil important pour aider à l'avancement de l'état des connaissances.Ceci a un impact sur plusieurs problèmes actuels tels que :
L'objectif à long terme de l'équipe MEDEF est de développer des modèles numériques couplant l'écoulement de fluides, le transfert de masse, le transfert d'énergie, ainsi que la déformation dans des milieux fracturés. Ces modèles serviront à identifier les paramètres qui contrôlent l'écoulement des paléofluides et le transfert de matière et d'énergie dans les systèmes géologiques anciens. Nous voulons arriver une représentation dynamique des systèmes géologiques anciens qui nous permettra de modéliser la variation des propriétés physiques et chimiques en fonction du temps.
Nous voulons simuler en trois dimensions l'écoulement des fluides et
le transfert de matière et chaleur sur des échelles spatiales
et temporelles diverses, tout en y intégrant des données physiques
et chimiques du système réel acquises sur le terrain et au laboratoire.
Ces données proviendront: 1) d’études de terrain visant à
mieux comprendre et contraindre l'évolution géométrique,
structurale et compositionnelle du système ainsi que 2) d’études
au laboratoire visant à mieux cerner les échanges et interactions
paléofluides-roches.
Notre approche se démarque d'études antérieures car nous étudions les systèmes anciens en incluant les trois dimensions spatiales lors de la modélisation. Notre équipe vise aussi à incorporer aux modèles numériques, dans une perspective chronologique, l'influence de l'évolution structurale et de l'interaction paléofluide-roche sur l'évolution des chemins de circulation des paléofluides dans les systèmes anciens. Nous utilisons une formulation générale qui ne restreint pas l'étude aux cas pour lesquels la matrice rocheuse, dans laquelle sont situées les fractures, est imperméable. Nous voulons donc évaluer l'influence d'une matrice rocheuse participant aux phénomènes d’échange (transport de masse et de chaleur) lors de l'écoulement. Une partie importante du projet réside dans le processus de rétroaction qui nous permettra de réévaluer les paramètres physiques et chimiques du système sur le terrain et en laboratoire en fonction des résultats des expériences de modélisation.
La méthodologie employée par de l'équipe MEDEF pour atteindre cet objectif consiste à intégrer:
Des études de terrain ont permis de déterminer que l'écoulement
des fluides en milieu fracturé s'effectue le long de certains conduits
préférentiels tels que des fractures et des failles. Dans bien
des cas, les conduits actifs durant l'écoulement ne représentent
que 5 à 20 % des plans de fractures. Par conséquent, l'approche
classique du milieu poreux équivalent n'est pas toujours adéquate
pour caractériser les massifs rocheux. Les fractures doivent alors être
représentées individuellement dans une matrice rocheuse perméable
ou non. Seules des études détaillées de la géométrie
réelle des chemins de circulation peuvent fournir des paramètres
spécifiques décrivant la distribution en trois dimensions de la
fracturation. Il est important de caractériser les discontinuités,
les fabriques et les plans anciens du massif fracturé. En effet, plusieurs
plans distincts (schistosité, foliation, clivage, joints, fractures,
failles, plans de cisaillement, veines etc.) se forment au moment de la mise
sous contrainte d'un massif. L'écoulement et le transport de masse
en milieu fracturé dépend de plusieurs facteurs dont la densité
des fractures, leurs dimensions, leur orientation et leur connexion.
Le transport de matière en solution se fait par advection, par diffusion, ou par dispersion hydrodynamique alors que les transferts d'énergie se font par convection ou par conduction. Le contact entre le fluide aqueux et le milieu fracturé est le site d'échanges chimiques et isotopiques qui modifient la composition chimique du fluide et du milieu fracturé. De plus, ces échanges chimiques et isotopiques évoluent avec l'écoulement du fluide et avec l'évolution spatio-temporelle du milieu.
Les mécanismes de dissolution et de précipitation agissent pendant tout le processus d'écoulement des fluides et sont fonction de l'hétérogénéité de la structure géologique dans laquelle circulent les fluides. On peut alors reconnaître des sites de dissolution et de précipitation le long d'une même fracture. Il est primordial d'identifier et de quantifier ces sites car l'interaction dissolution/précipitation influencera la cinétique du système et la dynamique de l'écoulement à court et à long terme. Les études pétrographiques (minéralogie, chimie minérale, inclusions fluides), géochimiques et isotopiques permettent d'élucider la nature et l'origine des fluides. La quantification des échanges chimiques et isotopiques entre les fluides, le milieu géologique fracturé et la précipitation de minéraux néoformés donnera des informations uniques sur les échanges de matières qui seront intégrées au simulateur numérique. L'ancrage de ces données à la séquence paragénétique permet en plus d'élucider l'évolution des systèmes hydrothermaux dans le temps.
La modélisation tridimensionnelle de l'écoulement et du transport de masse dans des réseaux de fractures est complexe du point de vue numérique; elle requiert l'utilisation de techniques efficaces et robustes et nécessite l'emploi d'ordinateurs puissants (Therrien et Sudicky 1996). A cause de cette complexité, le couplage des réactions chimiques décrivant l'interaction eau-roche ainsi que celui du transfert de chaleur à ce type de modèle n'a été que rarement entrepris.
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