Les objectifs du MEDEF sont: 1) développer des outils
numériques pour modéliser l'écoulement et les transferts
de masse et d'énergie; 2) caractériser et
quantifier les réseaux de fractures et les échanges fluides-roches
dans trois sites sélectionnés pour représenter différents
contextes d'écoulement et de transferts de masse et d'énergie;
et 3) appliquer les outils de simulation pour mieux comprendre
les paramètres qui contrôlent l'écoulement et les transferts
de masse et d'énergie à partir des caractéristiques des
trois sites d'études sélectionnés. Le programme
de recherche de l'équipe MEDEF repose sur l'intégration des études
de caractérisation structurale et géochimique dans le but d'obtenir
les paramètres nécessaires à la modélisation de
l'écoulement des paléofluides d'origines diverses. Le développement
d'un simulateur numérique puissant et versatile nous permet de modéliser
les paramètres importants qui contrôlent l'écoulement et
les réactions entre le fluide et la matrice rocheuse fracturée,
ce qui nous permet, en rétroaction, de vérifier sur le terrain
et en laboratoire les résultats des modélisations.
Développer des outils numériques
La modélisation tridimensionnelle de l'écoulement et du transport
de masse dans des réseaux de fractures est complexe du point de vue numérique
et elle requiert l'utilisation de techniques efficaces et robustes. Ces techniques
numériques ont d'abord été mises au point pour modéliser
l'écoulement souterrain lors d'applications environnementales par Therrien
et Sudicky (1996), qui ont développé le modèle numérique
FRAC3DVS. Ce modèle simule en trois dimensions l'écoulement à
saturation variable de l'eau souterraine et le transport de masse par advection-dispersion
dans un milieu poreux à fracturation discrète à l'aide
de la méthode de volume de contrôle-éléments finis.
Le modèle FRAC3DVS a été modifié afin de coupler
le transport par advection et dispersion à des réactions chimiques
simples (équilibre ou cinétique) représentant les interactions
eau-roche (Ghogomu et Therrien 1999, 2000). En continuité des travaux
de F. Ghogomu, nous voulons incorporer dans FRAC3DVS le transfert de chaleur
pour représenter de façon plus réaliste les systèmes
hydrothermaux (Ph.D. à recruter). L'incorporation du transfert de chaleur
dans le modèle rend les équations différentielles non linéaires.
La méthode de Newton-Raphson, déjà utilisée dans
FRAC3DVS pour traiter cette question non linéaire d'écoulement
à saturation variable, sera aussi appliquée pour résoudre
le transfert de chaleur. Les modifications au modèle seront testées
en comparant à des résultats déjà publiés
pour des cas simples de transport et échange de chaleur (dans des milieux
non fracturés, car il n'y a pas de modèle comparable pour les
milieux à fracturation discrète). Le modèle ainsi modifié
permettra de tenir compte directement des interactions entre l'écoulement
d'un fluide, sa composition en fonction du milieu géologique et le transfert
de chaleur pour des milieux à fracturation discrète.
Caractériser et quantifier les milieux et appliquer
les outils de simulation
L'écoulement et le transport de masse dans les systèmes géologiques anciens fracturés dépendent de plusieurs facteurs dont la géométrie des fractures, leur densité, leurs dimensions, leur orientation et leur connexion. Seules des études de terrain détaillées sur la géométrie réelle des chemins de circulation peut décrire la distribution en trois dimensions des fractures. De plus, un contrôle sur la chronologie de développement des différentes familles de fractures permettra de mieux contraindre les drains actifs du système pour un temps géologique donné et permettra de mieux comprendre l’évolution de la perméabilité de fracture des systèmes anciens. Nos travaux de terrain visent donc à caractériser en trois dimensions les milieux fracturés hétérogènes à différentes échelles spatiales. La caractérisation structurale touche aux aspects physiques des structures comme la dimension, l'ouverture, l'orientation, la densité volumique et la connectivité des systèmes de fractures ainsi qu'à la minéralogie qualitative et quantitative du massif. Les études seront conduites à plusieurs échelles, soit du massif rocheux aux microstructures, intégrant la cartographie détaillée, la pétrographie (microstructure tridimensionnelle, cathodoluminoscopie, MEB) et l'analyse d'images.
Le contact entre le fluide aqueux et le milieu fracturé est le site d'échanges
chimiques et isotopiques qui modifient la composition 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. Ces échangent s'effectuent par l'entremise des mécanismes
de dissolution et de précipitation minérale. Il est donc primordial
d'identifier ces sites de dissolution-précipitation et de quantifier
les échanges par des études pétrographiques, géochimiques
et isotopiques pour élucider la nature et l'origine de ces paléofluides.
La caractérisation de l'interaction dissolution-précipitation
est importante car elle influence la cinétique du système et la
dynamique de l'écoulement à court et à long terme. Nous
proposons de quantifier les échanges chimiques et isotopiques entre les
fluides, le milieu géologique fracturé, et la dissolution-précipitation
de minéraux. Ces travaux fourniront 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.
Des échantillons de roches saines et de roches altérées
ainsi que des minéraux néoformés servent à décrire
la composition du système en trois dimensions, en conjonction avec les
travaux de caractérisation structurale et minéralogique. La pétrographie
(microscopie optique, cathodoluminoscopie, micro thermométrie des inclusions
fluides, MEB, microsonde électronique) combinée avec l'analyse
d'images, permet d'établir le bilan entre les sites de dissolution et
de précipitation, de déterminer la nature du fluide et d'estimer
les conditions physico-chimiques du milieu. La composition chimique et isotopique
(H, C, O, S, Sr, Pb) des roches et des minéraux permettra de caractériser
et de quantifier les échanges entre les fluides et le milieu fracturé
dans le but de décrire les réactions entre les paléofluides
aqueux et la roche ainsi que d'identifier les sources des paléofluides
et de leurs solutés pour cerner les distances sur lesquelles s'effectuent
les transferts de matière.
Des projets de recherche sont en cours sur trois sites: i) le champ filonien
à Ag-Pb-Zn du Kokanee Range (Cordillères canadiennes); ii) le
champ filonien aurifère de Val-d'Or (socle ancien de la province du Supérieur);
et iii) la Nappe du Promontoire de Québec (Appalaches du Québec).
Cette variété de sites d'études nous offre une perspective
diversifiée dans des environnements géodynamiques différents
qui nous permettent de tirer des conclusions plus générales.
i) Champ filonien à Ag-Pb-Zn du Kokanee Range:
Nous avons modifié le simulateur numérique FRAC3DVS pour prendre
en considération les échanges isotopiques de l'oxygène.
Une première application permet de reproduire les zonations isotopiques
de l'oxygène observées à l'échelle du champ filonien
du Kokanee Range. Cette simulation 3D d'une matrice perméable, coupée
de zones de grande conductivité hydraulique simulant le réseau
de fractures observé sur le terrain, permet d'identifier les paramètres
importants qui contrôlent l'écoulement des fluides hydrothermaux
dans un champ filonien. Nous montrons, dans un article dans la revue Geology,
que la configuration des sources et des drains hydrauliques exerce le contrôle
principal sur le patron d'écoulement figé dans la composition
isotopique des minéraux hydrothermaux (Beaudoin et Therrien, 1998, 1999).
Ainsi, nos travaux dans les champs filoniens de Val-d'Or et du Kokanee Range
nous permettent de démontrer que les failles crustales agissent comme
des drains aux fluides hydrothermaux plutôt que comme la source des fluides
ce qui était l'interprétation traditionnelle, ce qui ouvre une
perspective nouvelle sur le rôle de ces failles crustales. Cette conclusion
originale nous pousse, en rétroaction, à entreprendre une étude
détaillée des paramètres structuraux, dans l'espace et
dans le temps, qui contrôlent l'activité des drains hydrauliques
( M.Sc. à recruter) avec l'objectif d'utiliser cette information novatrice
pour raffiner les paramètres de la modélisation numérique
de l'écoulement dans le champ filonien ( M.Sc. à recruter). Il
s'agit d'un exemple de rétroaction où la modélisation permet
d'identifier les paramètres importants à reconsidérer sur
le terrain. Cette démarche d'action-rétroaction ne peut se faire
qu'à l'intérieur d'une équipe comme la nôtre, où
l'intégration des activités de chacun se fait à toutes
les étapes du projet.
ii) Champ filonien aurifère de Val-d'Or:
Nos premiers efforts se sont concentrés sur la caractérisation
détaillée de la géométrie du réseau de fractures
anciennes dans la mine expérimentale de CANMET à Val-d'Or. Les
travaux de K. Williamson (M.Sc.), collaboration avec Ressources Aurizon, ont
permis d'établir des épisodes successifs de fracturation et d'écoulement
et de les intégrer dans un modèle évolutif espace-temps
(Williamson et al., 1999). Cette étude détaillée de la
géométrie des fractures sera suivie d’une caractérisation
précise des conditions évolutives P-T-X, et des échanges
eau-roche (M.Sc. à recruter). Nous incorporons ces données sur
les conditions physiques et chimiques du système filonien au modèle
pour obtenir une meilleure compréhension de l'écoulement des fluides
aurifères à l'échelle d'une fracture et d'un réseau
de fracture.
À l'échelle du champ filonien de Val-d'Or, un étudiant
(D. Pitre, M.Sc. 2000) a complété une étude de la distribution
des isotopes de l'oxygène dans le quartz filonien (Pitre et Beaudoin,
1998). La modélisation numérique de ces données de terrain
nous a permis de déterminer que l'écoulement se conforme à
une configuration des sources et drains hydrauliques qui nous permettent de
conclure que les grandes failles crustales agissent principalement comme des
drains pour les fluides hydrothermaux dans les champs filoniens sous pression
lithostatique (Beaudoin et Therrien, 1999a, b, c). Deux projets dans le champ
filonien de Val-d'Or ont pour but: 1) de caractériser en détail
les interactions eau-roche à la mine Beaufor pour identifier des paramètres
minéralogiques et géochimiques associés à la précipitation
de l'or (J. Roussy, M.Sc. en collaboration avec Mines Aurizon); et 2) de déterminer
la zonalité des compositions isotopiques de l'oxygène dans les
roches encaissantes du champ filonien (Y. Gagnon, M.Sc., en cours). Ces nouvelles
données, couplées à celles déjà obtenues
sur les filons (Pitre D., M.Sc. 2000, Pitre et Beaudoin, 1998) servent d'ancrage
à la modélisation de l'écoulement et des transferts de
masse à l'échelle du champ filonien (Beaudoin et Therrien 1999a,
b, c).
iii) Nappe du Promontoire de Québec:
L'étude des nappes tectoniques de la région de Québec permet
de caractériser en détail les relations entre l'évolution
du réseau de fractures et l'écoulement des fluides et du pétrole
dans un bassin d'avant-pays. Les travaux antérieurs ont permis de préciser
l'évolution structurale de la nappe du Promontoire de Québec (M.Sc.,
T. Gayot) ainsi que l'évolution du réseau de fractures en relation
avec l'écoulement des paléofluides dans ce bassin d’avant-pays
ordovicien des Appalaches (Ayt Ougougdal et al., 1999). Les travaux de géologie
structurale détaillés de T. Gayot démontrent que les roches
de la nappe du Promontoire de Québec ont d’abord été
affectées par une phase extensive pendant laquelle s’est développé
un réseau de failles normales et de fractures. Toutes ces roches ont
ensuite été transportées vers le nord-ouest à la
faveur de failles de chevauchement. Les travaux de Gayot (Gayot et al., 2000)
ont permis de préciser la nature du réseau de fracturation ainsi
que d’établir la chronologie des deux épisodes tectoniques
en relation avec les orogenèses taconique et acadienne des Appalaches
du Québec.
L'étude des remplissages (microthermométrie des inclusions fluides,
géochimie isotopique) du réseau de fractures corrobore l'hypothèse
de deux épisodes tectoniques. Ayt Ougougdal et al. (1999) et Kirkwood
et al. (2000) montrent dans un premier temps qu'une eau météorique
fraîche s'est mélangée avec une saumure de bassin plus chaude,
accompagnée de liquides et de gaz pétrolier, avant qu'une deuxième
charge de liquide pétrolier ne soit introduite dans les fractures. La
spectrométrie Raman et infrarouge des inclusions fluides (Pironon et
al., sous presse), démontre un fractionnement des hydrocarbures avec
l'augmentation de la température. Nous avons entrepris le traçage
isotopique des différents composés organiques par GC-IRMS avec
notre collaboratrice M. Savard dans le but d'identifier la source de ces hydrocarbures.
L'histoire tectonique de la nappe du Promontoire nous permet d'étudier
la circulation des fluides pendant les différentes étapes d'édification
de la chaîne appalachienne, soit de la phase extensive affectant les roches
du bassin d'avant-pays à la phase compressive lors de la mise en place
des nappes externes. Notre objectif est de d'utiliser ces données pour
simuler l'écoulement dans différentes configurations tectoniques
afin de comprendre les chemins d'écoulement des hydrocarbures dans un
bassin d'avant-pays ( M.Sc. à recruter).
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