Étude de la dynamique d’écoulement dans le système hydrothermal du rift d’Asal, République de Djibouti.

Hassan Aden, Abdek (2022). Étude de la dynamique d’écoulement dans le système hydrothermal du rift d’Asal, République de Djibouti. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 156 p.

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Résumé

L’inversion des données géophysiques et la modélisation hydrogéologique permettent de mieux comprendre les systèmes hydrothermaux et les facteurs clés qui contrôlent la dynamique de circulation des fluides. L’influence de l’anisotropie de perméabilité au sein des unités géologiques du rift d’Asal convoité pour ses ressources géothermiques n’a jusqu’à maintenant pas été évaluée. L’objectif de cette thèse de doctorat est de mieux comprendre le système hydrothermal qui constitue le rift d’Asal en interprétant ses structures géo-électriques profondes avec la méthode magnétotellurique et en simulant les mouvements des fluides hydrothermaux par modélisation numérique multiphasique considérant cette anisotropie de perméabilité. L’interprétation conjointe des résultats d’inversion 1D des données magnétotelluriques (MT) provenant de 81 sondages et les mesures de températures des puits géothermiques ont permis d’inférer la présence d’un système hydrothermal au nord-est du rift d’Asal. Ces résultats d’inversion 1D suggèrent qu’une faille majeure parallèle à l’axe du rift (faille H) agirait comme une barrière hydrogéologique séparant le rift en deux zones de résistivité distinctes. La modélisation numérique multiphasique d’une section parallèle à l’axe du rift indique que la direction d’écoulement des fluides hydrothermaux est à la fois vers le Lac Asal et vers la mer de Ghoubbet et suggère que l’écoulement hydrothermal profond joue un rôle prépondérant sur la répartition des directions des fluides. De plus, l’analyse de la dimensionnalité des données MT d’une section perpendiculaire à l’axe du rift suggère la présence d’une direction nord-est d’anisotropie électrique pour la croûte supérieure et une direction nord-sud d’anisotropie électrique pour la croûte inférieure et/ou le manteau supérieur. Ces directions d’anisotropie électriques seraient parallèles aux directions des mouvements des plaques qui changent ou dévient selon la direction des contraintes dominantes. Un modèle d’inversion 2D de conductivité électrique développé à partir d’une section perpendiculaire à l’axe du rift indique la présence d’un aquifère proche de la surface qui couvre un ensemble de couches poreuses superposées et qui sont associées à un large système hydrothermal. Ce dernier recouvre un potentiel système magmatique contenant des roches en fusion et serait localisé sous la projection verticale de la faille H. La modélisation numérique multiphasique perpendiculaire à l’axe du rift a permis de mettre en lumière deux principales zones de fluides hydrothermaux avec mouvements ascendants. Les résultats montrent que les failles majeures (H et F) au centre du rift agiraient principalement comme zones de décharge du fluide hydrothermal alors que les failles majeures situées sur les marges du rift (failles J et β) agiraient principalement comme zones de recharge. Le comportement hydrologique des failles est modifié selon le nombre de failles considérées dans le modèle conceptuel, mais aussi selon l’injection de fluide magmatique qui semble affecter le comportement hydrogéologique des failles externes (J et β) qui sous cette hypothèse peuvent devenir des zones de décharge du fluide. L’anisotropie hydraulique horizontale considérée dans les simulations permet de reproduire l’état thermique observé dans les puits géothermiques. La présence d’un point de selle pour l’écoulement des fluides est ici suggérée selon lequel quatre directions d’écoulement du fluide existeraient dans le rift d’Asal avec une remontée des fluides au centre. La zone entre les failles H et F serait la cible de choix pour des forages profonds lors d’éventuels travaux d’exploration des ressources géothermiques du rift d’Asal.

Geophysical data inversion and hydrogeological modeling provide a better understanding of hydrothermal systems and the key factors that control fluid flow dynamics. The influence of permeability anisotropy within the geological units of the Asal rift, which is coveted for its geothermal resources, has not been evaluated to date. The objective of this PhD thesis is to better understand the hydrothermal system that constitutes the Asal rift by interpreting its deep geoelectric structures with the magnetotelluric method and by simulating the hydrothermal fluid movements by multiphase numerical modeling considering this permeability anisotropy. The joint interpretation of 1D inversion results of magnetotelluric (MT) data from 81 stations and temperature measurements of geothermal wells allowed us to infer the presence of a hydrothermal system in the north-east of the Asal rift. The 1D inversion results suggest that a major fault parallel to the rift axis (H fault) acts as a hydrogeological barrier separating the rift into two distinct resistivity zones. Multiphase numerical modeling of a section parallel to the rift axis indicates that the direction of flow of hydrothermal fluids is toward both Lake Asal and the Ghoubbet Sea and suggests that the deep hydrothermal circulation plays a dominant role in the distribution of fluid directions. Furthermore, dimensionality analysis of MT data from a section perpendicular to the rift axis suggests the presence of a north-east direction of electrical anisotropy for the upper crust and a north-south direction of electrical anisotropy for the lower crust and/or upper mantle. These electrical anisotropy directions would be parallel to the directions of plate motions that change or deviate according to the direction of the prevailing fields stresses. A 2D inversion model of electrical conductivity developed from a section perpendicular to the rift axis indicates the presence of a near-surface aquifer that covers a set of superimposed porous mediums that are associated with a large hydrothermal system. The latter overlies a potential magmatic system containing molten rocks and would be located under the vertical projection of the H fault. Multiphase numerical modeling perpendicular to the rift axis has highlighted two main zones of upward hydrothermal fluid movement. Results show that major faults (H and F) in the rift center would act primarily as hydrothermal fluid discharge zones while major faults on the rift margins (J and β faults) would act primarily as recharge zones. The hydrological behavior of the faults is modified when changing the number of faults considered in the conceptual model, but also according to the injection of magmatic fluid which seems to affect the hydrogeological behavior of the external faults (J and β faults) which under this last assumption may become fluid discharge zones. The horizontal hydraulic anisotropy considered in the simulations reproduces the thermal state observed in geothermal wells. The presence of a saddle point for fluid flow is suggested here according to which four directions of fluid flow can exist in the Asal rift with rising fluids at the center. The area between the H and F faults are promising future drilling target for potential exploration of geothermal resources in the Asal rift.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Raymond, Jasmin
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Giroux, Bernard
Mots-clés libres:	géothermie; géophysique; Djibouti;
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	12 avr. 2023 21:08
Dernière modification:	28 juin 2023 14:03
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13189

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