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Si (colorimetry), Ca, Mg (titration), F, Cl, SO4, Li, Na, K (ionic chromatography). These analyses were performed on the site, in order to survey the daily geochemistry. The results acquired during the drilling, on the interstitial fluids, show that the analysis of the leachate of rock sample will allow the identification of sedimentary layers where interstitial solutions are highly concentrated (dissolved salts). The influence of lithologic changes in the mud chemistry are clearly distinguished through the different analyses carried out on the site. For example, the sulfated cements (sandstones) or the dolomitized rocks (limestones) found expression in the drilling fluids by higher sulfate content and variations of calcium/magnesium ratio. The limestone-dolomite transition was clearly expressed and it is possible to locate the most diagenesed formations in relation with an intensive sulfate cementation. Another result concerns the evolution of salinity and elemental concentrations which clearly increase with depth. This study shows that, from the chemistry of the drilling muds, a hydrogeochemical diagraphy can be developed and can provide useful information on the lithology and geochemistry of the drilled sedimentary rocks. I. INTRODUCTION. — Afin d'étudier les conditions de la diagenèse profonde et de la circulation des fluides dans les formations sédimentaires, le projet scientifique « Géologie profonde de la France » (GPF) a retenu la marge vivaro-cévenole du bassin du Sud-Est de la France pour implanter des sondages scientifiques ([1]-[4]). Le premier forage de Balazuc a été implanté de façon à caractériser la nature et l'origine des fluides qui ont transité dans les réservoirs stratiformes du Trias et du Lias. A terme, le projet proposera une quantification et une modélisation des transferts de matière mis en jeu pendant la diagenèse. Le forage a été réalisé à proximité immédiate de la faille d'Uzer, à reju jurassique majeur, reconnue par une campagne de sismique [5]. Le forage a traversé une série sédimentaire épaisse de 1 729 m qui s'étend du Kimmeridgien au Carbonifère ([6], [7]). La partie supérieure du forage (jusqu'à 1 169 m) a été réalisée en forage destructif. Seule la partie inférieure (1 169-1729,48 m) a fait l'objet d'un carottage continu.
le projet scientifique « Géologie profonde de la France » (GPF) a retenu la marge vivaro-cévenole du bassin du Sud-Est de la France pour implanter des sondages scientifiques ([1]-[4]). Le premier forage de Balazuc a été implanté de façon à caractériser la nature et l'origine des fluides qui ont transité dans les réservoirs stratiformes du Trias et du Lias. A terme, le projet proposera une quantification et une modélisation des transferts de matière mis en jeu pendant la diagenèse. Le forage a été réalisé à proximité immédiate de la faille d'Uzer, à reju jurassique majeur, reconnue par une campagne de sismique [5]. Le forage a traversé une série sédimentaire épaisse de 1 729 m qui s'étend du Kimmeridgien au Carbonifère ([6], [7]). La partie supérieure du forage (jusqu'à 1 169 m) a été réalisée en forage destructif. Seule la partie inférieure (1 169-1729,48 m) a fait l'objet d'un carottage continu. Les réservoirs gréseux du Trias ont été atteints et traversés. L'existence de la faille d'Uzer est confirmée. Les premières indications sur la diagenèse subie par la série de Balazuc montrent que les transformations pétrographiques, minéralogiques et géochimiques sont intenses, en particulier pour le Lias et le Trias (dolomitisation, sulfatation, silicification) [6]. La connaissance de l'existence des circulations actuelles de fluides dans les formations traversées ainsi que leur composition chimique sont nécessaires à la compréhension et à la modélisation thermodynamique des interactions eaux-roches dans les conditions physicochimiques des réservoirs. Dans cette optique, deux laboratoires d'hydrogéochimie ont été montés sur le site de forage. Ces laboratoires ont permis de réaliser un suivi des caractéristiques physiques et chimiques des fluides pendant toute la phase de foration. Cette technique de diagraphie et de suivi géochimiques des fluides est principalement développée par les industries pétrolière et géothermique. Elle permet notamment le contrôle des eaux présentes dans les champs pétroliers et géothermiques, la détection d'hydrocarbures [8] ou la localisation de venues d'eaux chaudes ([9], [10]). Le but principal de ces mesures est de prévoir et de détecter des zones qui produisent des fluides (eaux et gaz) par le contrôle en continu, et à l'avancement, d'un ensemble
[6]. La connaissance de l'existence des circulations actuelles de fluides dans les formations traversées ainsi que leur composition chimique sont nécessaires à la compréhension et à la modélisation thermodynamique des interactions eaux-roches dans les conditions physicochimiques des réservoirs. Dans cette optique, deux laboratoires d'hydrogéochimie ont été montés sur le site de forage. Ces laboratoires ont permis de réaliser un suivi des caractéristiques physiques et chimiques des fluides pendant toute la phase de foration. Cette technique de diagraphie et de suivi géochimiques des fluides est principalement développée par les industries pétrolière et géothermique. Elle permet notamment le contrôle des eaux présentes dans les champs pétroliers et géothermiques, la détection d'hydrocarbures [8] ou la localisation de venues d'eaux chaudes ([9], [10]). Le but principal de ces mesures est de prévoir et de détecter des zones qui produisent des fluides (eaux et gaz) par le contrôle en continu, et à l'avancement, d'un ensemble de paramètres physico-chimiques du fluide de forage. L'étude de la contribution de la roche à la composition chimique des fluides de forage permet aussi de fournir, par comparaison avec le log lithologique, une signature hydrogéochimique des formations contenant des minéraux particulièrement solubles. Dans les programmes de forages scientifiques profonds cette approche a été utilisée pour le projet allemand KTB [11], le forage du programme GPF Cézallier [12] et celui du projet géothermique « Roches Chaudes Sèches » (RCS) de Soultz-sous-Forêt [13]. Nous présentons ici les méthodologies mises en œuvre et les premiers résultats acquis sur le forage de Balazuc-1. II. ÉTUDE DES FLUIDES ACTUELS SUR LE FORAGE BALAZUC-1. Un programme original d'étude des fluides actuels a été mis en place sur le forage Balazuc-1. Deux laboratoires d'hydrogéochimie ont été mis en place sur le chantier. Leurs objectifs sont respectivement : assurer le suivi en continu des variations de paramètres physico-chimiques mesurés sur la boue pendant l'avancement du forage et recueillir, conserver et analyser les fluides (eaux, gaz) qui proviennent de la boue de forage, des eaux de formation (et de toutes venues d’eaux) et des fluides interstitiels prélevés sur la partie carottée de l’ouvrage. Ces mesures complètent celles réalisées par
approche a été utilisée pour le projet allemand KTB [11], le forage du programme GPF Cézallier [12] et celui du projet géothermique « Roches Chaudes Sèches » (RCS) de Soultz-sous-Forêt [13]. Nous présentons ici les méthodologies mises en œuvre et les premiers résultats acquis sur le forage de Balazuc-1. II. ÉTUDE DES FLUIDES ACTUELS SUR LE FORAGE BALAZUC-1. Un programme original d'étude des fluides actuels a été mis en place sur le forage Balazuc-1. Deux laboratoires d'hydrogéochimie ont été mis en place sur le chantier. Leurs objectifs sont respectivement : assurer le suivi en continu des variations de paramètres physico-chimiques mesurés sur la boue pendant l'avancement du forage et recueillir, conserver et analyser les fluides (eaux, gaz) qui proviennent de la boue de forage, des eaux de formation (et de toutes venues d’eaux) et des fluides interstitiels prélevés sur la partie carottée de l’ouvrage. Ces mesures complètent celles réalisées par la société « Géoservices » pour les paramètres techniques qui accompagnent obligatoirement la foration (vitesse d’avancement, temps de remontée de la boue (lag time), pression, concentration en gaz, volume de la boue dans les bacs). Le suivi chimique des fluides pendant la foration (laboratoire 1). Le suivi chimique des fluides pendant la foration est assuré par le laboratoire 1. Il nécessite la séparation des phases liquides et gazeuses et la filtration de la phase liquide de la boue de forage. Pour la phase gazeuse, les opérations de dégazage sont réalisées sur la plate-forme de forage par un séparateur liquide-gaz à débit régulé. Les gaz hélium et radon, transportés par la boue de forage, sont analysés en continu par spectrométrie de masse (He) et par comptage par scintillation (Rn). Les autres gaz (hydrocarbures, gaz carbonique et hydrogène sulfuré) sont analysés par chromatographie en phase gazeuse dans le laboratoire de chantier de la société « Géoservices ». Si une venue de gaz est détectée, un circuit en dérivation permet l’échantillonnage dans une ampoule sous vide. Une analyse complète du dégagement gazeux peut être alors réalisée en différé. Six échantillons de gaz ont été prélevés suivant cette technique. Pour la phase aqueuse, deux
pendant la foration est assuré par le laboratoire 1. Il nécessite la séparation des phases liquides et gazeuses et la filtration de la phase liquide de la boue de forage. Pour la phase gazeuse, les opérations de dégazage sont réalisées sur la plate-forme de forage par un séparateur liquide-gaz à débit régulé. Les gaz hélium et radon, transportés par la boue de forage, sont analysés en continu par spectrométrie de masse (He) et par comptage par scintillation (Rn). Les autres gaz (hydrocarbures, gaz carbonique et hydrogène sulfuré) sont analysés par chromatographie en phase gazeuse dans le laboratoire de chantier de la société « Géoservices ». Si une venue de gaz est détectée, un circuit en dérivation permet l’échantillonnage dans une ampoule sous vide. Une analyse complète du dégagement gazeux peut être alors réalisée en différé. Six échantillons de gaz ont été prélevés suivant cette technique. Pour la phase aqueuse, deux appareils de filtration continue « PIRANA » (filtration tangentielle à 0,1 μm) sont positionnés au pied de la plate-forme de forage, l’un prélève la boue à son entrée dans le puits, l’autre à sa sortie en aval des tamis vibrants. Le système de filtration « PIRANA » mis en sortie du puits est équipé de deux électrodes et de deux sondes qui permettent de mesurer en continu (une mesure toutes les 2 mn) les paramètres physico-chimiques, pH, Eh, température et conductivité du filtrat. Tous ces paramètres sont saisis sur un micro-ordinateur par une chaîne d’acquisition des données. Le second système de filtration « PIRANA » est mis en entrée du forage, il est utilisé pour l’échantillonnage en continu des filtrats de la boue. Les prélèvements des filtrats sont réalisés en même temps à l'injection et au retour de la boue sur chaque « PIRANA ». Ils sont repositionnés et comparés en fonction du temps de circulation de la boue dans l’ouvrage. Ainsi, il est possible de connaître les variations de la composition chimique du fluide à l’avancement du forage. La boue utilisée pour ce forage est constituée d’eau additionnée de bentonite, de soude (NaOH) et de polymères organiques. Lors du
du puits est équipé de deux électrodes et de deux sondes qui permettent de mesurer en continu (une mesure toutes les 2 mn) les paramètres physico-chimiques, pH, Eh, température et conductivité du filtrat. Tous ces paramètres sont saisis sur un micro-ordinateur par une chaîne d’acquisition des données. Le second système de filtration « PIRANA » est mis en entrée du forage, il est utilisé pour l’échantillonnage en continu des filtrats de la boue. Les prélèvements des filtrats sont réalisés en même temps à l'injection et au retour de la boue sur chaque « PIRANA ». Ils sont repositionnés et comparés en fonction du temps de circulation de la boue dans l’ouvrage. Ainsi, il est possible de connaître les variations de la composition chimique du fluide à l’avancement du forage. La boue utilisée pour ce forage est constituée d’eau additionnée de bentonite, de soude (NaOH) et de polymères organiques. Lors du forage carotté, un niveau de halite a été traversé dans le salifère triasique (1 611,5 m). La boue a alors été saturée en chlorure de sodium (saumure). Tous les ajouts chimiques ont été notés (date, quantité) ainsi que les pertes et les ajouts d’eaux dans les bacs à boue. La boue a aussi été dopée par un traceur chimique (fluorescéine) afin de caractériser des venues d'eau pendant le forage et la contamination possible des eaux interstitielles des carottes. (b) Analyses chimiques sur les filtrats de la boue de forage (laboratoire 2). — Un pas de prélèvement systématique des fluides de foration a été instauré en vue d’analyses chimiques sur le chantier, dans le laboratoire 2. Les prélèvements filtrés (0,45 µm) ont été conditionnés pour l'analyse des cations et des anions après la mesure des paramètres physico-chimiques non conservatifs (pH, oxygène dissous, température et conductivité). Au cours de la phase destructive de 300 à 1 200 m, il a été effectué 220 prélèvements pour les analyses chimiques et 66 pour des analyses isotopiques ultérieures. Le pas d’échantillonnage est respectivement de 9 et 31 m. Pendant la phase de carottage de 1 220 à 1 729 m, il a été réalisé 600
boue a aussi été dopée par un traceur chimique (fluorescéine) afin de caractériser des venues d'eau pendant le forage et la contamination possible des eaux interstitielles des carottes. (b) Analyses chimiques sur les filtrats de la boue de forage (laboratoire 2). — Un pas de prélèvement systématique des fluides de foration a été instauré en vue d’analyses chimiques sur le chantier, dans le laboratoire 2. Les prélèvements filtrés (0,45 µm) ont été conditionnés pour l'analyse des cations et des anions après la mesure des paramètres physico-chimiques non conservatifs (pH, oxygène dissous, température et conductivité). Au cours de la phase destructive de 300 à 1 200 m, il a été effectué 220 prélèvements pour les analyses chimiques et 66 pour des analyses isotopiques ultérieures. Le pas d’échantillonnage est respectivement de 9 et 31 m. Pendant la phase de carottage de 1 220 à 1 729 m, il a été réalisé 600 prélèvements pour les analyses chimiques (pas de 1,7 m) et 48 pour les analyses isotopiques (pas de 18 m). Compte tenu du temps de filtration, lié à la densité de la boue et de la vitesse de foration, un échantillon de fluide est représentatif de 6 m forés en phase destructive et de 1,5 m en phase carottée. Les constituants chimiques dosés sont : les fluorures, les chlorures, les sulfates, les nitrates, ainsi que le lithium, le sodium et le potassium analysés par les techniques de la chromatographie ionique (anions et cations); le fer et la silice analysés par colorimétrie; le calcium et le magnésium par titrimétrie automatisée. Sur le chantier au cours de la phase destructive, 250 échantillons ont été analysés et 140 échantillons pendant la phase carottée. Les analyses ont pu être réalisées dans les 36 h suivant le prélèvement, ce qui a permis d’assurer le suivi chimique régulier de la boue. (c) Prélèvements des venues d’eaux (prélèvements de fonds). — En l’absence de venue d’eau significative, aucun prélèvement de fond n’a été réalisé pendant la phase de foration. (d) Réalisation d’une collection de référence d’échantillons d’eaux et de prélèvements de gaz. — Sur le forage, un de
destructive et de 1,5 m en phase carottée. Les constituants chimiques dosés sont : les fluorures, les chlorures, les sulfates, les nitrates, ainsi que le lithium, le sodium et le potassium analysés par les techniques de la chromatographie ionique (anions et cations); le fer et la silice analysés par colorimétrie; le calcium et le magnésium par titrimétrie automatisée. Sur le chantier au cours de la phase destructive, 250 échantillons ont été analysés et 140 échantillons pendant la phase carottée. Les analyses ont pu être réalisées dans les 36 h suivant le prélèvement, ce qui a permis d’assurer le suivi chimique régulier de la boue. (c) Prélèvements des venues d’eaux (prélèvements de fonds). — En l’absence de venue d’eau significative, aucun prélèvement de fond n’a été réalisé pendant la phase de foration. (d) Réalisation d’une collection de référence d’échantillons d’eaux et de prélèvements de gaz. — Sur le forage, un de nos objectifs a été de réaliser une « aquathèque », la plus complète possible, en conservant les échantillons d’eaux prélevés en chambre froide (5°C) après un conditionnement adapté aux analyses ultérieures. Outre les fluides de foration, des prélèvements conservatoires ont été réalisés pour les fluides interstitiels (gaz occlus et eaux), contenus dans les carottes de la seconde partie du forage. Pour le prélèvement et la conservation des gaz occlus, 28 carottes ont été échantillonnées (pas de 20 m). Dès la sortie du carottier, l’échantillon est plongé dans une solution bactéricide puis conditionné sous atmosphère inerte (Néon) dans un bocal hermétiquement clos. La méthode consiste à laisser dégager la carotte environ 3 semaines, puis à prélever le gaz dans l'espace de tête du récipient pour une analyse différée des constituants volatils. Pour caractériser les eaux interstitielles et les phases solubles, nous avons effectué une opération de lessivage à l'eau distillée sur des prélèvements de carottes. Le lessivage est réalisé sur la partie centrale d'un tronçon de 5 cm de roche afin de s'affranchir au maximum de la pollution par la boue de forage. 90 extractions, une par carottier remonté, ont été réalisées après mesure du poids et de l'humidité du prélèvement
contenus dans les carottes de la seconde partie du forage. Pour le prélèvement et la conservation des gaz occlus, 28 carottes ont été échantillonnées (pas de 20 m). Dès la sortie du carottier, l’échantillon est plongé dans une solution bactéricide puis conditionné sous atmosphère inerte (Néon) dans un bocal hermétiquement clos. La méthode consiste à laisser dégager la carotte environ 3 semaines, puis à prélever le gaz dans l'espace de tête du récipient pour une analyse différée des constituants volatils. Pour caractériser les eaux interstitielles et les phases solubles, nous avons effectué une opération de lessivage à l'eau distillée sur des prélèvements de carottes. Le lessivage est réalisé sur la partie centrale d'un tronçon de 5 cm de roche afin de s'affranchir au maximum de la pollution par la boue de forage. 90 extractions, une par carottier remonté, ont été réalisées après mesure du poids et de l'humidité du prélèvement de roche. III. PREMIERS RÉSULTATS. — La diagraphie géochimique présentée ne concerne que les résultats obtenus pendant le déroulement du forage. Les mesures ont été réalisées dans les laboratoires de géochimie du chantier. Le simple suivi en continu des paramètres chimiques majeurs de la boue sur toute la hauteur du sondage met en évidence des variations de concentrations (Ca, Mg, K, Cl, F, SO4, SiO2), des corrélations entre les éléments (Ca-SO4, Ca-Mg, K-Cl-F, SiO2-pH) et des relations entre les signatures géochimiques et la lithologie à l'échelle de la série ou d'une formation. Un des facteurs limitant de la méthode pouvait être les modifications apportées à la composition chimique de la boue par le foreur. Sur la figure 1, on observe un effet de dilution provoqué par l'ajout de boue nouvellement préparée (16 m3, environ un tiers du volume total circulant) et beaucoup moins chargée chimiquement. On note, sur la diagraphie, en entrée de la boue dans le forage, une brusque diminution des concentrations en chlorures, sulfates et plus particulièrement en sodium. Ces éléments deviennent indépendants de la chimie des formations traversées. Cet artefact est de courte durée, l'équilibre chimique entre la formation et la boue se rétablit en quelques mètres
sondage met en évidence des variations de concentrations (Ca, Mg, K, Cl, F, SO4, SiO2), des corrélations entre les éléments (Ca-SO4, Ca-Mg, K-Cl-F, SiO2-pH) et des relations entre les signatures géochimiques et la lithologie à l'échelle de la série ou d'une formation. Un des facteurs limitant de la méthode pouvait être les modifications apportées à la composition chimique de la boue par le foreur. Sur la figure 1, on observe un effet de dilution provoqué par l'ajout de boue nouvellement préparée (16 m3, environ un tiers du volume total circulant) et beaucoup moins chargée chimiquement. On note, sur la diagraphie, en entrée de la boue dans le forage, une brusque diminution des concentrations en chlorures, sulfates et plus particulièrement en sodium. Ces éléments deviennent indépendants de la chimie des formations traversées. Cet artefact est de courte durée, l'équilibre chimique entre la formation et la boue se rétablit en quelques mètres forés. La diminution de la quantité de bentonite dans la boue entraîne une augmentation dans la phase fluide de la concentration en magnésium. Cet élément est alors relativement moins fixé par l'argile. Néanmoins, cet effet (à l'entrée du forage) est peu marqué en comparaison avec l'apport de magnésium (mesuré en sortie du forage) fourni par la formation dolomitique traversée à ce moment (fig. 1). Certaines corrélations sont liées à la nature chimique de la boue de forage. Le pH élevé (entre 8 et 12) est en relation avec les ajouts de soude et la présence de bentonite. Ces ajouts ne permettent pas d'utiliser directement la mesure des concentrations en silice et sodium qui sont trop importantes dans la boue injectée et qui masquent les variations liées aux formations traversées. En revanche, pour les autres éléments, les variations observées peuvent être attribuées à des changements dans la composition des formations géologiques recoupées par le forage. De façon générale la chlorinité (fig. 2) croît régulièrement avec la profondeur jusqu'à la base du Jurassique comme cela a pu être observé dans d'autres bassins sédimentaires ([14], [15]). Le Trias supérieur se caractérise par une augmentation de cet élément qui marque le Rhétien et la
sortie du forage) fourni par la formation dolomitique traversée à ce moment (fig. 1). Certaines corrélations sont liées à la nature chimique de la boue de forage. Le pH élevé (entre 8 et 12) est en relation avec les ajouts de soude et la présence de bentonite. Ces ajouts ne permettent pas d'utiliser directement la mesure des concentrations en silice et sodium qui sont trop importantes dans la boue injectée et qui masquent les variations liées aux formations traversées. En revanche, pour les autres éléments, les variations observées peuvent être attribuées à des changements dans la composition des formations géologiques recoupées par le forage. De façon générale la chlorinité (fig. 2) croît régulièrement avec la profondeur jusqu'à la base du Jurassique comme cela a pu être observé dans d'autres bassins sédimentaires ([14], [15]). Le Trias supérieur se caractérise par une augmentation de cet élément qui marque le Rhétien et la partie basale du Norien. Calcium et sulfates (fig. 2) sont liés à la présence de niveaux à minéraux sulfatés, reconnus principalement dans le Trias. Ces minéraux sont également présents dans le Lias carbonaté où ils témoignent de l'importante diagenèse qui affecte la série. Ces signatures chimiques permettent ainsi de suivre à la fois l'évolution des milieux de dépôt Fig. 1. — Évolution des concentrations chimiques dans la boue de forage entre 1 250 et 1 320 m (Hettangien). Le point A situe le moment correspondant à un ajout de boue nouvelle par le foreur. Fig. 1. — Evolution of drilling mud (chemical concentration) between 1,250 and 1,320 m depth (Hettangian). Point A shows the input of newly prepared mud in the hole. et la nature sulfatée de la diagenèse pour le Lias. De même ce suivi géochimique montre que les variations des concentrations en magnésium marquent les niveaux dolomitiques et soulignent les changements lithologiques dans les faciès carbonatés (fig. 1). Un complément analytique et une phase d'interprétation plus détaillée des données restent nécessaires, mais déjà, ces premiers résultats montrent que le suivi chimique des fluides de forage constitue un outil performant de connaissance indirecte de la géochimie des formations géologiques