Résultats de la chaire junior E2S DIStuRB de Nicolas Beaudoin

Résultats de la chaire junior E2S DIStuRB de Nicolas Beaudoin

Nicolas Beaudoin est spécialiste des déformations cassantes et des interactions fluide-roche dans le domaine sédimentaire. Après un master et une thèse en géologie à l’Université Paris VI, il a travaillé à l’Université de Glasgow (Écosse) pendant 5 ans, dans le cadre d’un projet européen puis d’un projet national. Il a rejoint l’UPPA début 2018 au sein du Laboratoire des fluides complexes et leurs réservoirs (LFCR) à Pau.

La chaire “Diagénèse structurale des carbonates” (DIStuRB) avait pour objectif de développer de nouveaux outils pour quantifier les processus qui modifient les propriétés physiques et chimiques des carbonates lors de leur déformation, afin de mieux comprendre l’évolution des roches-réservoirs en sous-sol.

Ces réservoirs étant susceptibles de servir au stockage de CO₂, d’hydrogène ou même de déchets nucléaires, il est important de savoir comment ils peuvent réagir aux déformations mécaniques (pression qui peut entraîner une sismicité induite par exemple) et aux transformations chimiques liées à l’interaction avec des fluides.

En comparant les approches en laboratoire à des observations sur le terrain, l’équipe a étudié les motifs associés aux transformations chimiques (remplacement) et mécaniques (fracturation, pression-solution) observés dans les carbonates, de l’échelle du cristal à l’échelle du bassin sédimentaire.

Sur le terrain, dans des contextes de pression différents

L’équipe a notamment cherché à savoir pourquoi, à une certaine profondeur, les hydrocarbures arrêtent de se constituer. L’objectif : déterminer les conditions favorables à leur formation. Elle a donc travaillé dans trois contextes différents : une doctorante a fait des recherches dans les Appenins, en Italie, dans un avant-pays de montagne, un doctorant sur des champs pétroliers offshore au large du Congo, et un post-doctorant dans le chaînon béarnais.

Les chercheurs ont ainsi établi des modèles d’enfouissement qui permettent de savoir qu’à un temps donné il s’est passé un événement majeur dans l’histoire du bassin : migration d’hydrocarbures, passage à un état compressif dans les chaînes d’avant-pays de montagne, etc.

L’un des résultats principaux de cette partie a été d’établir un baromètre sur des temps géologiques (il y a quelques millions d’années) permettant de reconstruire les pressions subies par les roches, avec leurs conditions de profondeur, de température et d’âge. Des connaissances très utiles pour savoir à quel moment la roche va se fracturer ou devenir poreuse, et donc entraîner une déperdition de ressources dans les réservoirs.

Remplacement chimique et modélisation mathématique

Autre partie de la chaire : étudier comment un remplacement chimique, par exemple la transformation d’une roche-réservoir, altère sa capacité à maintenir une porosité et à supporter la pression. Ces connaissances sont particulièrement utiles dans les domaines du stockage du CO₂ et de la géothermie.

Le fluide injecté interagit avec la roche soit en la dissolvant (les gaz riches en CO₂ sont très acides et dissolvent les carbonates), soit en précipitant des espèces minéralogiques (par exemple un fluide trop chargé en calcium va piéger le calcium de façon solide, ce qui va influencer la porosité de la roche). L’idée était de prendre une roche, naturelle ou synthétique, de la remplacer en laboratoire et d’observer le processus.

En couplant une approche expérimentale, menée en collaboration avec le Laboratoire de Thermique, Énergétique et Procédés (LaTEP), et l’imagerie à rayons X en trois dimensions (micro-tomographie 3D disponible au centre DMEX de l’UPPA), la dynamique de la migration du fluide à petite échelle a été mise en images. L’étude, réalisée dans un contexte de dolomitisation (phénomène par lequel le calcaire se transforme en dolomite, un minéral riche en magnésium), a ainsi révélé le rôle des joints de grain, c’est-à-dire le bord des grains, dans le passage du fluide réactif.

Ces recherches ont été utiles aux mathématiciens du LMAP, par exemple. Ceux-ci établissent des modèles de migration de fluides dans les milieux poreux et ont besoin de points de contrôle pour vérifier que leurs modèles mathématiques ou physiques sont justes, et qu’on arrive à les reproduire en laboratoire.

L'équipe a également pu montrer que des motifs classiques d’hydro-fracturation observables au niveau de l’anticlinal du Mail Arrouy dans le Béarn (cf. la roche noire et blanche sur le bureau, sur la photo), ne sont pas liés à une sur-pression comme généralement pensé, mais à un fluide réactif.

A noter que la chaire a obtenu des financements supplémentaires du réseau Carnot (ISIFoR et IFPen), de TotalEnergies (thèse Cifre), de l’Institut national des sciences de l’Univers et de l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes (CNRS), de la Communauté de Communes de Lacq Orthez et de la Communauté d’agglomération Pau Béarn Pyrénées.

Nouveaux projets et enseignement

Nicolas Beaudoin travaille actuellement avec plusieurs partenaires sur la carbonation des roches mafiques (basaltes…) pour stocker le CO₂ sous forme minéralogique.

Il a obtenu son habilitation à diriger des recherches (HDR) fin 2022 et encadre deux thèses sur les mécanismes de déformation dans les roches-réservoirs non poreuses, avec des manipulations à l’accélérateur de particules (synchrotron) Diamond Light Source à Oxford (en collaboration avec l’Université d’Herriot Watt en Écosse), et sur les façons dont on peut traquer les migrations de fluide lors de la déformation dans le bassin du Sud-Est français (collaboration avec Sorbonne Université). Une nouvelle thèse questionnant les mécanismes de migrations de fluide à l’échelle de la croûte terrestre (profondeur moyennes de 30 km) va commencer à la rentrée, en partenariat avec la chaire Origami.

Nicolas Beaudoin est responsable de la 1^re année de licence en sciences de la terre ; il enseigne la sédimentologie et intervient sur le terrain (géologie structurale) sur l’ensemble de la licence. Il donne également des cours dans le master Géoénergies sur les façons dont le réservoir évolue sous la pression : déformations, micro-structures et migrations de fluides (marqueurs de températures, marqueurs de contrainte).