Évaluation de la connectivité entre un aquifère sus-jacent et une ressource de gaz de houille à l'aide d'isotopes de méthane, de carbone organique dissous et de tritium

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15996 (2015) Citer cet article

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La production de gaz de houille (CSG) peut avoir un impact sur la qualité et la quantité des eaux souterraines dans les aquifères adjacents ou sus-jacents. Pour évaluer cet impact, nous devons déterminer la chimie de fond des eaux souterraines et cartographier les voies géologiques de connectivité hydraulique entre les aquifères. Dans le sud-est du Queensland (Qld), en Australie, une province d'exploration et de production de CSG d'importance mondiale, nous avons cartographié la connectivité hydraulique entre les mesures de charbon wallonnes (WCM, la formation cible pour la production de gaz) et l'aquifère alluvial de la rivière Condamine (CRAA) sus-jacent. en utilisant la concentration de méthane (CH4) des eaux souterraines et la composition isotopique (δ13C-CH4), la concentration de tritium (3H) des eaux souterraines et de carbone organique dissous (DOC). Un levé mobile continu de CH4 adjacent aux développements CSG a été utilisé pour déterminer la signature source du CH4 dérivée du WCM. Les tendances de la concentration de δ13C-CH4 dans les eaux souterraines par rapport à la concentration de CH4, en association avec la concentration de COD et l'analyse 3H, identifient les emplacements où le CH4 dans les eaux souterraines du CRAA provient très probablement du WCM. La méthodologie est largement applicable dans les régions de développement de gaz non conventionnels du monde entier pour fournir un indicateur précoce des voies géologiques de connectivité hydraulique.

La production de gaz non conventionnels, de plus en plus importante pour l’industrie énergétique mondiale, est au centre de questions environnementales majeures. Les débats sur l’impact de la production de gaz peuvent reposer sur des allégations concernant les fuites et les émissions de CH4, mais les méthodologies permettant d’identifier les sources de gaz sont encore faibles. La production de gaz non conventionnel nécessite généralement l’extraction conjointe de très grandes quantités d’eau souterraine par jour, ce qui peut affecter les niveaux des eaux souterraines des aquifères voisins1,2. Une autre préoccupation environnementale est l’impact de la migration du gaz sur les ressources en eaux souterraines peu profondes1,2,3,4,5. Des études récentes autour des sites de production de gaz de schiste aux États-Unis font état d'une concentration élevée de CH4 dans des aquifères jusqu'à deux kilomètres des puits de production6,7. Des études plus récentes ont avancé que cela pourrait ne pas être dû à la production de gaz de schiste8,9. Bien que la recherche soit largement associée au développement du gaz de schiste aux États-Unis1,2,3,4,5,6,7,8,9, des problèmes similaires associés à la connectivité hydraulique des aquifères accompagnent également les développements du CSG dans le monde entier. Il est clair qu’une méthodologie permettant de quantifier les impacts potentiels de la production de gaz non conventionnel doit être développée, ainsi qu’une compréhension des voies de connectivité hydraulique existantes, avant une production de gaz significative.

Cette recherche teste l'hypothèse selon laquelle le CH4 peut être utilisé pour cartographier des zones et identifier des voies de connectivité hydraulique entre un site de production de gaz et un aquifère d'eau douce adjacent. Les voies naturelles de connectivité peuvent passer par des failles, des réseaux de fractures et des formations sédimentaires perméables10. Il existe également des voies potentielles de connectivité hydraulique via des puits d’exploration abandonnés et des tubages de puits défectueux11,12.

Aux États-Unis, des études antérieures sur la production de gaz de schiste ont utilisé des isotopes stables pour identifier les sources de CH4 dans les eaux souterraines peu profondes13,14. Cette étude, pour la première fois, teste l'opportunité d'utiliser conjointement le δ13C-CH4, la concentration de DOC [DOC] et l'activité de 3H dans les eaux souterraines pour évaluer la connectivité hydraulique. Ces trois mesures fournissent des informations considérables sur les voies de déplacement des eaux souterraines et des gaz car :

- Les activités 3 H renseignent sur les temps de séjour des eaux souterraines et les voies de recharge,

- [DOC] fournit une mesure des apports de carbone, provenant soit de la recharge de la rivière, soit de la migration ascendante du CH4 provenant d'un lit de charbon, et

- δ13C-CH4 peut être utilisé pour caractériser les sources potentielles de CH4 au sein d'un aquifère.

La pertinence de l’utilisation de 3H, [DOC] et δ13C-CH4 comme paramètres clés pour identifier les emplacements où il existe une connectivité hydraulique entre un aquifère d’eau douce et un réservoir de gaz non conventionnel sous-jacent est décrite en détail ci-dessous. La méthodologie est appliquée à une étude de connectivité hydraulique entre le WCM cible (à l'échelle internationale, un grand développement de gaz non conventionnel) et le CRAA sus-jacent, qui fournit de l'eau aux régions agricoles irriguées, produisant pour un milliard de dollars de matières premières. Les méthodologies présentées ici sont applicables aux nombreuses ressources CSG importantes et géologiquement similaires dans le monde, y compris celles des États-Unis, de l'Inde, de la Chine et de l'Afrique du Sud15, car nous mesurons les paramètres géochimiques communs à tous les systèmes sédimentaires.