Caractérisationhydrogéophysiquedes milieux fracturés :développementinstrumental etmodélisation desvitesses d’écoulementen forage

The fractured media are characterized by a strong heterogeneity of the velocity fieldrelated to the localization of flow in the local permeable zones of the fracture network. In thiscontext, predicting the flow or transport needs to provide enough constraints on the lithologyand the flow velocity. We bring some information for this question through threecomplementary approaches: (i) a study of the relationship between fracturing and deformationzones and flow observed in the Ploemeur’s experimental site, (ii) implementation of anumerical flowmetry model for imaging hydraugeologic properties between boreholes, and(iii) the development of a new borehole tool for horizontal velocities measurement, inpartnership with the Technical Division of INSU (Brest). A recurring issue raised in thismanuscript is in what extent the data at the local scale can provide sufficient information onthe overall behavior.The log analysis and core drilling Ploemeur’s site clearly shows that the maindeformation zones are characterized by intense deformation and by fault breccia or gougezones associated or not associated with very fractured pegmatites. Locally, the link betweendeformation zones or fracturing and flow is difficult to corelate because of the importantvariability of local properties. At the site scale, the intense fractured zone with fracturedpegmatite is corelated to important connected zone. At the regional scale, it appears that thesubvertical fracturing N110 ° and N20 ° associated with high strain zone, forms the contactbetween the Pouldu mica and Ploemeur granite, controls part of the flows.The numerical model allowed us to replicate these experiments of flowmetryinterference tests to establish the standard answers that must be observed according to thewellbore storage and hydraulic properties of fractures. The characterization of theconnectivity of the different structures connected to the wells is easily identified through theanalysis of transient flows. The main difficultie related to the inversion is due to the presenceof indirect pathsway, and deficiency of real pumping rate in each connected structures. Wealso showed that the fractures storage coefficient significantly controlled the response ofvertical flow. Finally, we show how disconnected structures from the pumping well caninfluence the hydrogeological response. This work is illustrated by an field application.For the characterization of in situ velocities in fractured media, we have participatedin the development of a new sensor (PIVEF) able to measure the velocity by particle tracking.This probe was calibrated and validated in the laboratory. With its large viewing window, wecan characterize the velocity accurately. We can observe the velocity field in situ on a widerange (1.10-5 to 1.10-2 m/s). This velocity accuraty is allowed for both homogeneous and infractured media, provided that the fracture dips is not too important. The velocitymeasurement can be done constinuously over the entire height of the measurement area. Weobserved in fractured media the precense of recirculation loops. This recirculation loopscreating disturbances in the water column. Despite these inherent difficulties in this kind ofmeasurement, a field application showed the full potential of the toolLes milieux fracturés se caractérisent par une forte hétérogénéité du champ de vitesseliée à la localisation des flux dans les zones les plus perméables du réseau de fractures. Dansun tel contexte, prédire les écoulements ou test le transport nécessite d’apporter descontraintes assez fines sur le milieu et sur les flux. Nous avons abordé cette question à traverstrois approches complémentaires : (i) une étude des liens entre fracturation, zones dedéformation, et écoulements observés sur le site expérimental de Ploemeur ; (ii) la réalisationd’un modèle numérique de débitmétrie destiné à imager les propriétés hydrauliques entreforages ; et (iii) le développement d’une nouvelle sonde permettant la mesure des vitessesd’écoulement horizontales en partenariat avec la division technique de l’INSU (Brest).L’analyse des diagraphies et des carottes de forage du site de Ploemeur a clairementmis en évidence que les principales zones de déformation se caractérisaient par unedéformation intense, par des brèches de faille ou bien par des zones broyées, associées ou nonà des pegmatites très fracturées. À l’échelle locale, la corrélation entre zones de déformationou de fracturation et zones d’écoulements fut difficile à faire tant la variabilité locale despropriétés était importante. Cependant, à l’échelle du site, les zones broyées profondes sousles pegmatites fracturées semblaient très transmissives. A l’échelle régionale, les fracturationssubverticales N110° et N20° couplées à la zone de déformation intense que constitue lecontact entre les micaschistes du Pouldu et le granite de Ploemeur, contrôlaient une partie desécoulements$!Le modèle numérique nous a permis de reproduire les expériences de testsd’interférences de débitmétrie pour établir les réponses types que l’on doit observer enfonction de l’emmagasinement du forage et des propriétés hydrauliques des fractures. Lacaractérisation de la connectivité des différentes structures connectées aux puits est facilementidentifiable à travers l’analyse des flux transitoires. Une des difficultés liées à l’inversionprovient de la présence de cheminements indirects et de la méconnaissance du débit effectifpompé dans les structures connectées. Nous avons aussi montré que le coefficientd’emmagasinement des fractures contrôlait significativement la réponse des flux verticaux.Enfin, nous avons mis en évidence la façon dont les structures déconnectées du puits depompage pouvaient influencer la réponse hydrologique. Ces travaux ont été illustrés par uneapplication de terrain.Dans le cadre de la caractérisation des vitesses in situ en milieu fracturé, nous avonsparticipé au développement d’une nouvelle sonde (PIVEF) permettant la mesure de vitessepar suivi de particules. Cette sonde a été calibrée et validée au sein du laboratoire. Grâce à salarge fenêtre d’observation, nous pouvons caractériser de façon pertinente les vitessesd’écoulement du fluide. Nous pouvons observer des vitesses in situ sur une gamme large(1.10-5 à 1.10-2 m/s) aussi bien en milieu homogène que dans des milieux fracturés, àcondition que les pendages ne soient pas trop importants. La mesure de vitesse peut se fairede manière continue sur toute la hauteur de la zone de mesure. Nous avons observé dans lesmilieux hétérogènes la présence de boucles de recirculation créant des perturbations dans lacolonne d’eau. Malgré les difficultés inhérentes à ce genre de mesure, une application sur leterrain a permis de montrer toutes les potentialités de l’outil