Modélisation géologique 3D du bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais et de son substratum dévonien-carbonifère inférieur : vers une meilleure définition des réservoirs géothermiques profonds

3D geological modelling of the Nord-Pas-de-Calais coal basin and its Devonian-Lower Carboniferous substratum : towards a better definition of the deep geothermal reservoirs

• Auteur / Autrice : Aurore Laurent
• Direction : Olivier Averbuch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : France. Bureau de recherches géologiques et minières (1959-....)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Gaullier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Beccaletto, Fabien Graveleau, Frédéric Lacquement, Olivier Kaufmann, Christine Souque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lacombe, Jean-Paul Callot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Méthode sismique-réflexion

Cycle hercynien

Plates-formes carbonatées

Carbonifère

Dévonien

Socle (géologie)

Nord-Pas-de-Calais, Bassin houiller du (France)

Géothermie

Mots clés libres

Front de chevauchement Nord Varisque

3D Modelling

Carboniferous

Geothermal energy

Variscan thrust front

Résumé

Suite à l’adoption de la loi sur la transition énergétique votée par le gouvernement français en 2015, la région des Hauts-de-France s’est engagée à investir et développer considérablement la production d’énergies renouvelables d’ici à l’horizon 2050. Cet objectif requiert dès à présent le développement à l’échelle régionale de solutions alternatives aux énergies fossiles, notamment la géothermie basse énergie. Dans cette perspective, les travaux de thèse, présentés ici, visent à définir la géométrie des potentiels réservoirs géothermiques profonds dans la région du bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais (BHNPC) : les calcaires bréchiques et karstiques du Dinantien (Carbonifère inférieur, 360-330 Ma) et les calcaires du Givétien-Frasnien (Dévonien moyen-supérieur, 388-372 Ma).Ces réservoirs font partie d’une vaste plateforme carbonatée développée sur la marge sud-avalonienne du Dévonien moyen au Carbonifère inférieur. La collision entre les continents Avalonia et Armorica-Gondwana lors de l’orogenèse varisque au Mississippien supérieur-Pennsylvanien moyen (330-305 Ma) est à l’origine de l’inversion de la marge avalonienne et du développement d’un système de chevauchement à vergence nord dont le front traverse le nord de la France. La plateforme dévono-carbonifère a été progressivement enfouie sous le bassin d’avant-pays molassique syn-orogénique du Nord-Pas-de-Calais (BHNPC) développé le long du Front Nord Varisque.Afin de caractériser la géométrie des réservoirs profonds au sein du substratum dévono-carbonifère du BHNPC, il est indispensable d’analyser la structure 3D et la dynamique du BHNPC et plus largement du Front Nord Varisque à l’échelle régionale. La géométrie 3D du Front Nord Varisque, du BHNPC et des réservoirs géothermiques est ainsi étudiée à partir (1) de l’interprétation de 532 km de profils de sismique réflexion retraités pour la thèse, et (2) de la construction d’un modèle structural numérique 3D intégrant une importante base de données (profils sismiques interprétés convertis en profondeur, forages, données minières réinterprétées, affleurements, synthèses géologiques existantes, cartes gravimétriques).L’interprétation des profils sismiques a permis de définir les traits structuraux caractéristiques de la marge sud-avalonienne et des différentes unités du Front Nord Varisque dans le nord de la France. La géométrie 3D du front de chaîne (rampes frontales et latérales, zone de transfert) est caractérisée, et l’influence des héritages structuraux dévonien et calédonien sur la dynamique du front de chaîne est discutée. La modélisation numérique permet de réinterpréter la géométrie 3D des différents ensembles sédimentaires et des discontinuités (failles, chevauchements) du Front Nord Varisque et de la partie orientale du BHNPC. Les cibles géothermiques sont imagées en 3D et leur extension, leur profondeur, leur épaisseur et leur structuration ont été précisées. Des délivrables opérationnels, tels que les cartes des isohypses du toit et de la base des séries et des cartes d’isopaque, ont été produits et analysés à l’issue de cette étude. La caractérisation géométrique 3D du sous-sol régional a finalement permis de discuter l’histoire de la déformation du front de chaîne varisque et de proposer un nouveau modèle d’évolution cinématique dans la région du bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais. Ce travail démontre l’intérêt d’une double approche couplant les avancées de la connaissance scientifique (la dynamique du Front Nord Varisque) et le développement de connaissances appliquées (géométrie des réservoirs).

Within the act on energy transition voted by the French government in 2015, the Hauts-de-France region is committed to invest and develop massively renewable energies by 2050. This objective requires the development of regional alternatives to fossil fuels, in particular low-temperature geothermal energy. In such a perspective, the present PhD study aims to define the geometry of the potential deep geothermal reservoirs in the Nord-Pas-de-Calais (NPC) coal basin district: the brecciated and karstic limestones of the Dinantian (Lower Carboniferous, 360-330 Ma) and the Givetian-Frasnian carbonates (Middle-Upper Devonian, 388-372 Ma).These reservoirs form part of a large-scale carbonate platform developed onto the southern Avalonian margin from the Middle Devonian to the Lower Carboniferous. During the Variscan orogeny in Late Mississippian-Middle Pennsylvanian (330-305 Ma) times, the collision between the continents Avalonia and Armorica-Gondwana led to the tectonic inversion of the Avalonian margin and the development of a north-verging thrust system whose front crosses northern France. The Devonian-Carboniferous platform was progressively buried under the syn-orogenic Nord-Pas-de-Calais molassic foreland basin developed along the Northern Variscan Front.In order to characterise the geometry of the deep reservoirs within the Devonian-Carboniferous substratum of the NPC coal basin, it is essential to analyse the 3D structure and dynamics of the coal basin and of the Northern Variscan Front at the regional scale. The 3D geometry of the Northern Variscan Front, the NPC coal basin and the geothermal reservoirs has been investigated based on (1) the interpretation of 532 km of seismic reflection profiles reprocessed in the frame of the thesis, and (2) the construction of a 3D numerical structural model integrating a large database (interpreted seismic profiles converted into depth, wells, reinterpreted mining data, outcrops, existing geological syntheses, gravimetric maps).Seismic interpretations point out the main structural features of the southern Avalonian margin and of the different units of the Northern Variscan Front in northern France. The 3D geometry of the thrust front (frontal and lateral ramps, transfer zone) is characterized and the influence of the Devonian and Caledonian structural inheritance on the dynamics of the thrust front is discussed. Numerical modelling allows for the reinterpretation of the 3D geometry of the different sedimentary units and discontinuities (faults, thrusts) of the Northern Variscan Front and of the eastern part of the NPC coal basin. Geothermal targets are imaged in 3D and their extension, depth, thickness and deformations are defined. Operational deliverables, such as isohypses and isopaque maps, were produced and analysed at the end of this study. The definition of the regional subsurface 3D geometry finally allowed to discuss the deformation history of the Variscan orogenic front and to propose a new kinematic evolution model in the Nord-Pas-de-Calais coal district area. This work demonstrates the interest of a dual approach combining advances in scientific knowledge (the dynamics of the Northern Variscan Front) and the development of applied knowledge (reservoir geometry).