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

Abstract

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).