Expérience de déblocage de fractures par forage : combler le fossé entre les preuves en laboratoire et les preuves sur le terrain

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Le Dr Nicolas Barbosa a lancé en novembre 2020 son projet FNS SPARK intitulé « Expérience de déblocage de fractures par forage : combler le fossé entre les preuves en laboratoire et les preuves sur le terrain ». Ce projet est issu de deux expériences de recherche : d’abord un doctorat avec le prof. Klaus Holliger à l’Institut des sciences de la Terre, au cours duquel le Dr Barbosa a étudié comment la présence de fractures ou de réseaux de fractures affecte les ondes sismiques ; puis un premier postdoc avec le prof. Matteo Lupi à l’UNIGE, où il a cherché à établir si les ondes sismiques de faible amplitude modifient les propriétés d’un milieu fracturé, et de quelle manière.

L’intérieur du laboratoire souterrain qui accueille les expériences, le Bedretto Underground Laboratory for Geosciences (BULG). L’objectif de recherche du Dr Barbosa s’intègre dans d’autres projets en cours dans le BULG, ce qui facilitera non seulement les procédures expérimentales, mais conduira également à des échanges précieux et féconds. (© N. Barbosa)

Quel est l’objectif principal de votre projet Spark ?

Comprendre un phénomène omniprésent et encore largement énigmatique : le « déblocage des fractures ». Il se manifeste par des changements hydrogéologiques majeurs, tels que des variations inexpliquées de niveau dans les eaux souterraines ou de débit au niveau des sources. En outre, il semble que le « déblocage de fractures » puisse agir comme un déclencheur de l’activité volcanique ou sismique. Quelles sont les causes d’un tel phénomène ? Sans doute le passage des ondes sismiques modifie-t-il très légèrement la pression interstitielle, mobilisant des particules appelées colloïdes qui obstruent les fluides à des endroits stratégiques. Mon but est de tester cette hypothèse – jusqu’à présent uniquement étayée par des expériences en laboratoire à petite échelle – par le biais d’expériences de terrain bien contrôlées. Je prévois également de développer un modèle computationnel réaliste, de simuler ces observations et, ainsi, d’améliorer notre compréhension des processus physiques qui gouvernent ces phénomènes.

Le Laboratoire souterrain de géosciences de Bedretto (BULG) se trouve à 1,5 km sous la surface, au milieu d’un tunnel de 5,2 km de long qui relie le Tessin au tunnel de la Furka. Le BULG accueille des projets liés à l’utilisation innovante et durable de l’énergie géothermique. Un accent particulier est mis sur la réduction des risques sismiques associés à la stimulation hydraulique de ces réservoirs. Le BULG est exploité par l’ETH Zürich et offre un environnement unique pour explorer les effets de déblocage des fractures à l’échelle mésoscopique dans des conditions expérimentales exceptionnellement bien contrôlées. (© Marian Hertrich, manager de BULG).

En quoi ce projet est-il important pour vous ?

Le moment le plus déterminant pour un jeune scientifique est sans doute celui où il peut développer et gérer son premier projet de manière indépendante. Grâce à ce programme SPARK, j’ai cette opportunité quelques années plus tôt que ce qui est généralement le cas dans notre système académique. Cela dit, je suis pleinement conscient du fait qu’en fin de compte, le succès de mon projet repose sur un large éventail de collaborations avec d’autres scientifiques et groupes de recherche. La « combustion créative » qui en résultera, avec l’indépendance scientifique et la passion de s’attaquer à un problème non résolu, est un moteur de motivation essentiel pour moi.

La vocation de Spark est de soutenir des projets originaux, non conventionnels et à fort impact. En quoi votre projet présente-t-il ces caractéristiques ?

L’élucidation de la physique sous-jacente du « déblocage des fractures » n’est pas seulement un formidable défi scientifique. Elle pourra conduire à un certain nombre d’applications pratiques potentiellement importantes. Par exemple, la stimulation « douce » (c’est-à-dire sans tremblement de terre) des réservoirs d’hydrocarbures et géothermiques dans le but d’augmenter la production d’énergie, ainsi qu’une meilleure évaluation des risques pour divers dangers naturels, tels que les éruptions volcaniques ou les tremblements de terre. Jusqu’à présent, les seules tentatives de reproduire ce processus ont été effectuées sur des échantillons de roche à l’échelle du centimètre, dans des conditions de laboratoire très particulières. Il reste donc à tenter de reproduire l’expérience à l’échelle du terrain, c’est-à-dire à une échelle au moins 100 000 fois supérieure, avec toutes les complexités et inconnues que cela implique. Mon idée est de réaliser ces expériences à l’échelle méso (entre le cm et le km) dans les conditions bien contrôlées du laboratoire souterrain de Bedretto. Plus précisément, je prévois d’utiliser une approche d’oscillation de la pression des fluides analogue à celle des expériences de laboratoire précédentes et diverses techniques géophysiques pour un suivi non invasif.

Pourquoi avez-vous choisi la FGSE et l’ISTE pour réaliser votre projet ?

J’ai vraiment apprécié mon séjour en tant que doctorant à l’ISTE. Pendant mon post-doc, j’ai continué à collaborer avec le groupe de recherche du Prof. Holliger. Ce groupe, en plus d’une orientation scientifique commune, possède les ressources techniques nécessaires, et il a déjà travaillé au BULG. Il possède donc une connaissance pertinente de l’installation et des personnes impliquées. Cela a considérablement facilité l’élaboration et la planification de mon projet. Depuis le début, j’ai reçu le soutien total de l’ISTE et de la FGSE pour accueillir mon projet. Le projet a récemment reçu un soutien financier supplémentaire de la FGSE par le programme Matterhorn Grants, ce dont je suis également très reconnaissant. Ce fonds permettra d’installer des instruments géophysiques dans de petits forages supplémentaires, afin de suivre en permanence l’expérience hydraulique.