un saut d 400°C à 2 km de profondeur, c’est possible à Krafla pour se faire cuire un bœuf !
Cette étude permet d’expliquer le transfert de chaleur entre un réservoir magmatique et la roche environnante dans la région d’exploration pour la géothermie haute enthalpie de Krafla, Islande. Des modèles numériques thermo-mécaniques expliquent le saut brutal subi lors d’un forage en 2009 : la fusion partielle progressive de la croûte, en 35 ans, au contact d’une injection magmatique à plus de 900°C génère de la convection, et un saut de 400°C en seulement 15 mètres. Ce résultat permettra de mieux anticiper de futurs forages dans des zones similaires.
Lorsque l’on veut employer pour le chauffage, la chaleur produite par les roches magmatiques près des volcans, il faut forer. Cette géothermie haute enthalpie est courante notamment en Italie, en Islande, en Nouvelle-Zélande ou au Japon. Le complexe volcanique de Krafla au nord de l’Islande a érupté entre 1975 et 1984 (les « Feux de Krafla ») et 35 ans plus tard, deux forages furent effectués pour évaluer le potentiel géothermal associé à cet évènement, visant 4 km de profondeur d’après les données géophysiques de l’époque: or à 2 km de profondeur, le foret rencontra de la lave, enregistrant une augmentation brutale de 400°C en moins de 20 mètres ; il s’est cassé, mais quelques échantillons de roche purent être remontés en surface et fournirent des informations supplémentaires. Comment une telle température peut-elle se maintenir à si faible profondeur ?
Nous avons développé un modèle numérique dans lequel nous avons supposé qu’une poche de magma à plus de 900°C et de 100 à 300 m d’épaisseur (trop petite pour être détectée), avait été injectée dans la roche encaissante froide. Nous avons simulé comment ce magma très chaud avait pu réchauffer progressivement la roche alentour, et nous montrons qu’en 35 ans celle-ci se met à fondre elle-même suffisamment pour convecter sur quelques dizaines de mètres d’épaisseur. Ce phénomène de convection uniformise la chaleur, par opposition à la conduction « classique » qui caractérise le gradient thermique dans une croûte normale, produisant des cellules de circulation rapide comme l’eau bouillant dans une casserole. A ce moment-là, le gradient de température à la transition entre le domaine froid, conductif, et le domaine chaud convectif, saute brutalement de 400°C en quelques dizaines de mètres. Il faudra encore quelques dizaines d’années pour que toute cette zone se refroidisse et revienne à un état thermique stable.
Le solveur numérique développé (plateforme openFoam) simule l’écoulement entre fluides immiscibles, et tient compte des variations de viscosité, densité, capacité calorifique (etc.) lors de la fusion partielle des roches. Ces magmas ont de très faibles viscosités et nécessitent une haute résolution des mailles de calcul de l’ordre de 10 mètres pour reproduire correctement le transfert de chaleur impliqué. Nous avons réussi cela via des cas tournant sur le cluster régional de calcul CALMIP sur plus de 3 mois.
Contacts GET: Muriel Gerbault, Anastassia Borisova
