Certains l'aiment encore plus chaud

En Islande, l'énergie géothermique est utilisée depuis des décennies pour produire de l'électricité. Pour ce faire, on fore des sources d'eau chaude souterraines qui atteignent entre 250 et 350 degrés Celsius et qui se trouvent entre un et deux kilomètres de profondeur. Ces sources se forment lorsque des corps magmatiques enfermés dans la roche fondamentale chauffent l'eau souterraine.

Dans leur quête de réservoirs géothermiques encore plus chauds et donc plus énergétiques, les chercheurs islandais de l'"Iceland Deep Drilling Project" (IDDP) ont foré en 2008 sur le champ volcanique de Krafla un trou qui devait atteindre cinq kilomètres sous terre. Mais le foret est resté bloqué à deux kilomètres de profondeur. Un deuxième forage n'a pas non plus atteint son but. La raison : la tête de forage a rencontré ce que l'on appelle une intrusion de magma. Les géologues désignent par intrusion les masses de magma visqueux qui remontent et qui restent bloquées dans la roche de base au lieu d'éclater à la surface.

Réservoir foré avec de l'eau supercritique.

Juste au-dessus de la chambre magmatique, les chercheurs ont toutefois découvert un réservoir géothermique unique à ce jour : de l'eau qui atteint des températures de 450 degrés, ce que les scientifiques appellent supercritique.

L'eau est supercritique lorsque sa température dépasse 374 degrés. Elle se comporte alors comme un mélange de phases gazeuse et liquide. Ces phases ne peuvent plus être séparées et différenciées. Il en résulte un fluide qui peut avoir la densité d'un liquide tout en s'écoulant aussi facilement qu'un gaz.

L'énergie thermique contenue dans cette eau supercritique chauffée par l'intrusion de magma suffirait à produire 35 mégawatts de puissance électrique à partir d'un seul forage. A titre de comparaison, les puits géothermiques normaux actuels fournissent une puissance de 3 à 5 mégawatts et il faut en relier toute une série pour faire fonctionner une centrale de 50 à 100 mégawatts. Avec un co?t de plusieurs millions de dollars par puits, l'utilisation de l'eau géothermique supercritique serait donc particulièrement intéressante.

Deux ans après la découverte de cette source d'énergie inhabituelle, le consortium IDDP a commencé à faire des expériences sur le puits de forage. Mais malgré les nouvelles connaissances acquises, il restait surtout à savoir comment le gisement s'était formé, s'il s'agissait d'un caprice unique de la nature ou si de tels réservoirs étaient plus répandus qu'on ne le pensait jusqu'à présent.

Vue du sous-sol gr?ce au modèle informatique

Trois scientifiques de la Terre de l'ETH ont donc simulé ce système géothermique inhabituel à l'aide d'un nouveau modèle informatique. Ils peuvent ainsi expliquer comment il se forme, quelles sont les conditions nécessaires et où pourraient éventuellement se trouver d'autres systèmes de ce type. Les résultats et les modélisations viennent d'être publiés dans la revue spécialisée Nature Communications.

"Les simulations reproduisent le comportement de ce réservoir de manière proche de la réalité, bien que nous ayons gardé le modèle aussi simple que possible et que nous n'ayons intégré que très peu de paramètres", explique Thomas Driesner, privat-docent à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich. Il est d'autant plus réjouissant, selon lui, que les simulations aient reproduit ce que les chercheurs de l'IDDP ont observé dans le puits de forage.

La perméabilité des roches est déterminante

L'intrusion de magma à environ 1000 degrés est complètement imperméable à l'eau. Gr?ce aux simulations, le doctorant de Driesner, Samuel Scott, a pu démontrer qu'un facteur essentiel conduisant à la formation de tels réservoirs géothermiques est la perméabilité de la roche environnante. Si la roche est bien perméable, l'eau peut s'écouler vers le haut sans résistance. Elle évacue ainsi plus rapidement la chaleur et le corps magmatique se refroidit plus vite. En revanche, si la perméabilité de la roche est faible, l'eau s'accumule au-dessus de l'intrusion, elle s'échauffe davantage, parfois au-delà du point critique. De plus, si le transport de chaleur est "mauvais", la chambre magmatique reste chaude plus longtemps.

Le basalte, un "incubateur" idéal

Mais ce qui est décisif, c'est la perméabilité à proximité immédiate du magma. Là, à des températures élevées, les roches commencent à se déformer plastiquement sous la pression existante. Les fissures et les crevasses par lesquelles l'eau pourrait s'écouler se referment. Les températures auxquelles cela se produit déterminent donc la température à laquelle l'eau peut devenir chaude. La température de cette transition vers un comportement plastique dépend du type de roche. Ainsi, le basalte, une roche volcanique typique, devient plastique et imperméable à des températures de 500 à 800 degrés, alors que cela se produit déjà à 350 degrés pour le granit, plus riche en silicium.

Si la roche secondaire est constituée de basaltes, il y a donc de fortes chances qu'un tel réservoir géothermique puisse se former. "Dans les régions volcaniques comme l'Islande, la Nouvelle-Zélande ou le Japon, de tels réservoirs de chaleur sont donc probablement plus fréquents qu'on ne le pensait jusqu'à présent", concluent les chercheurs de l'ETH à partir des calculs du modèle.

Un modèle aide à la recherche de réservoirs

Le modèle montre comment les différents facteurs géologiques, à savoir la perméabilité de la roche, la roche environnante et sa température de transition vers un comportement plastique, ainsi que la profondeur de l'intrusion, doivent interagir pour créer des conditions optimales pour le réservoir. Cette connaissance aide à rechercher de manière ciblée un tel réservoir d'eau très chaude.

"Le modèle nous donne quelques idées sur les critères selon lesquels de telles zones se développent et à quoi on peut les reconna?tre", poursuit Driesner. Les situations naturelles sont certes plus complexes, mais avec leur modèle, on dispose désormais d'un bon outil pour faciliter la recherche de telles sources d'énergie.

Les chercheurs s'emploient maintenant à élargir la méthode. Dans le cadre d'un projet Sinergia financé par le FNS, ils veulent déterminer, en étroite collaboration avec des géophysiciens, si ces réservoirs peuvent également être détectés par des méthodes sismiques.