PRISME

Responsable d’équipe

Franck Bourdelle (CY)

L’ISTeP s'est enrichi en 2025 d’une 4e équipe scientifique, PRISME (Pétrophysique, Réservoirs,
Interfaces, Structures, Modélisation et Environnement).

Responsable/Animateur de l’équipe : F. Bourdelle
Permanents (5 ETPR) : C. Barnes, F. Bourdelle, C. David, K. El Ganaoui, R. Hébert, B. Ledésert, R.Leprêtre, P. Leturmy, B. Menendez, P. Robion, Professeur Junior (recrutement en 2023 ou 24)
Professeurs et DR émérites : D. Frizon de Lamotte, S. Lallemant, F. Bergerat.
Doctorants : K. Khazraj, B. Avakian, J. Douçot, S. Brown

Le laboratoire « Géosciences & Environnement Cergy » regroupe sur le site de Neuville-sur Oise tous les enseignants-chercheurs en géosciences de l’université de Cergy-Pontoise. Le laboratoire et le département Géosciences et Environnement sont constitués à peu près des même personnels : cinq professeurs, huit maîtres de conférence, trois professeurs associés (PAST), un ingénieur d'étude, une secrétaire et un dessinateur-projeteur.

Orientations scientifiques et choix stratégiques
L’équipe PRISME associe des géologues, expérimentateurs et modélisateurs dans l’étude de la pétrophysique et mécanique des roches, des structures géologiques et des interfaces fluide/solide, de l’échelle du grain à celle du géosystème. L’équipe s’intéresse tout particulièrement aux systèmes de surface et subsurface, tels que les réservoirs ou les géomatériaux. Couplant approches fondamentale et appliquée, la recherche de l’équipe PRISME présente des domaines d’application larges, comme les nouvelles ressources (géothermie, métaux de la transition énergétique…) ou encore la géologie « anthropique » (stockage, construction et patrimoine), avec une démarche contribuant à lier Géosciences et problématiques environnementales.

Thèmes et projets scientifiques
- Pétrophysique des réservoirs, structure, mécanique des interactions fluide-roche
En pétrophysique et en géomécanique, PRISME étudie l’impact de la substitution de fluides sur les propriétés des roches réservoir, en développant des expériences en laboratoire combinant injection de fluides et monitoring géophysique. Une méthodologie originale a été développée visant à minimiser l’effet purement mécanique associé au changement de contraintes effectives au cours de l’injection (qui se fait à très faible pression) afin d’isoler l’effet physico-chimique affaiblissant des fluides. Cette procédure montre que le simple fait d’injecter de l’eau, sans variation notable de l’état de contrainte, dans une roche réservoir soumise à un
chargement déviatorique important suffit à déclencher des instabilités mécaniques induites par le phénomène de « water weakening ». Dans ce contexte, nous avons étudié le comportement de craies du bassin de Paris en collaboration avec l’université de Mons, avec des applications dans le domaine de la stabilité mécanique d’ouvrages souterrains soumis aux battements de nappe (exemple : la carrière de La Malogne en Belgique).
Nous développons également des codes numériques pour simuler la propagation des ondes sismiques à l’échelle de l’échantillon pour mieux comprendre la complexité des signaux enregistrés pendant les essais d’injection de fluides. Cette étude s’insère dans un cadre plus général de développement d’un laboratoire numérique qui permet par l’utilisation de codes de simulation d’aider à la compréhension des observations et de tester des modèles théoriques. Nous avons mis au point un code de propagation des ondes sismiques dans un échantillon hétérogène 3D en pouvant utiliser des rhéologies (visco)élastique anisotrope TI.

Cette approche autour de l’étude mécanique de l’interaction fluide/roche est complétée par l’étude microstructurale de l’espace poreux des réservoirs (volume, forme, orientation préférentielle) et son suivi de l’effet des sollicitations expérimentales en laboratoire et naturelles, sur le terrain. Une de nos activités historiques a consisté à développer tout un arsenal de méthodes et de protocoles permettant de mesurer l’anisotropie des propriétés pétrophysiques (élastiques, électriques, magnétiques) sur ces roches réservoirs à la fois en laboratoire et sur le terrain. Ces approches permettent de suivre l’évolution des capacités réservoir des roches étudiées (porosité, perméabilité) mais aussi d’étudier les paramètres modifiant ces propriétés (contraintes, déformations, température). Dans les roches sédimentaires, nous nous focalisons actuellement sur l’étude de l’influence de la diagenèse sur l’évolution de la porosité et de la perméabilité. Plusieurs chantiers sont actifs sur le sujet. Ils sont de nature géologique avec la caractérisation de la microdéformation et son influence sur les circulations de fluides à l’échelle des nappes phréatiques (collaboration ENI de Sfax, Tunisie) et sur le bassin de Paris où l’on étudie l’enregistrement d’une déformation ténue dans les série mésozoïque et cénozoïque grâce à nos méthodes sensibles (thèse RGF-BRGM). Une approche plus expérimentale consiste à simuler en laboratoire la consolidation d’un système sédimentaire de type oolithique sous l’effet de la circulation des fluides, en l’occurrence la simulation des battements de la nappe phréatique.

En complément du laboratoire numérique, nous développons des méthodes numériques pour
l’imagerie et la caractérisation des réservoirs en utilisant principalement les ondes sismiques. La simulation numérique de l’équation des ondes (visco)élastique est utilisée pour cet objectif à travers le problème inverse appelé “fullwave inversion” (FWI). Notre spécificité est d’appliquer ces méthodes à la sismique de puits.
L’obtention d’information sur plusieurs champs de paramètres permet de caractériser les réservoirs (physiquement puis lithologiquement, ou bien la part fluide) ainsi que l’évolution de leurs propriétés lors de leur exploitation (p.ex. monitoring de l’injection de CO2). Cette recherche est menée par un PAST, président du bureau d’études R&D GIMLabs (voir aussi section Science et Société).

- Géothermie, géochimie des interactions fluide-roche
La géothermie est une thématique en essor au GEC avec l’obtention de plusieurs financements pour un montant total d’environ 1 M€ depuis 2015 : ADEME-Investissements d’avenir (consortium national Geotref, 2015 – 2023+); Programme européen H2020 (consortium MEET associant en particulier le GEC et l’entreprise GIMLabs qu’il héberge); IFPEN; Alliance EUTOPIA de huit universités européennes dont CY est membre. Ces financements ont permis le recrutement de trois doctorants, un post-doc (18 mois), un ingénieur d’étude (29 mois) et trois stagiaires de M2, pour publier douze articles dont huit dans un numéro spécial de Géosciences.
Les travaux en cours et à venir concernent la détermination des chemins de circulation des fluides, la caractérisation des propriétés des réservoirs géothermiques poreux et fracturés en milieux variés (granitique, volcanique, sédimentaire détritique) et le rôle des argiles dans les systèmes géothermiques. Les données pétrographiques et structurales acquises sur l’affleurement et en forage permettent la mise en évidence d’interactions fluide-roche (IFR) caractéristiques de la circulation de fluides naturels et donc les chemins probables de circulation des fluides produits ou injectés dans les réservoirs géothermiques pour produire de
l’électricité. Lorsque des IFR ne sont pas identifiées, la structure et la géométrie des zones perméables sont caractérisées afin de déterminer le potentiel de la ressource, en collaboration avec des chercheurs d’autres disciplines (collaborations avec AMGC Bruxelles, Belgique; Taeknisetur, Islande ; Electricité de Strasbourg Géothermie ; UniLaSalle Beauvais ; ENSG Nancy ; U. Nice Sophia Antipolis).

La géothermie, tout comme l’étude thermique des bassins/réservoirs ou le stockage géologique profond, requiert des outils géochimiques puissants, fondés sur les témoins des IFR - minéraux argileux au sens large, notamment la chlorite ; inclusions fluides - et la matière organique. L’équipe PRISME porte à cet égard une attention particulière au développement ou au perfectionnement d’outils géochimiques et thermométriques, en couplant approche expérimentale et méthodologies innovantes. Aussi, l’équipe développe une plateforme expérimentale munie d’autoclaves instrumentées permettant de simuler les interactions fluide-roche des géosystèmes tout en les caractérisant chimiquement et minéralogiquement, et dispose de l’appareillage utile à l’application des outils (MEB, Raman, plateforme IF). D’autre part, un financement Inex-Emergence obtenu en 2021 (porteur R. Leprêtre, en collaboration avec Aberdeen Univ. & Roma Tre Univ.) vise au développement d’un outil Raman vers les basses températures pour mieux cerner les conditions thermiques dans le domaine
de la diagenèse. D’un point de vue méthodologique, l’équipe PRISME propose une expertise dans l’analyse
de la nanoéchelle à celle du grain, grâce à un savoir-faire en microscopie, microthermométrie et analyse de pointe type RX, rayonnement synchrotron (STXM-XANES). Au delà du développement, l’application de ces outils est un point fort de PRISME, que ce soit (1) en recherche fondamentale : étude thermométrique du massif ardennais, du bassin houiller Nord-Pas de Calais, de bassins carbonifères marocains, étude de la dynamique du prisme de la chaîne tello-rifaine (thèse d’A. Atouabat en co-tutelle avec Roma Tre Univ.) ; (2) à l’interface entre recherche fondamentale et appliquée : par exemple avec l’étude du paléo-système
géothermal de Terre-de-Haut, Guadeloupe (thèse soutenue de G. Beauchamp) ; (3) en recherche appliquée/industrielle : e.g. collaboration avec l’Andra sur l’étude géochimique/minéralogique du stockage géologique profond des déchets radioactifs. Ces quelques projets démontrent une thématique de recherche résolument tournée vers les problématiques environnementales et sociétales, et intégrée en cohérence au sein
de PRISME avec un couplage géochimie/mécanique des interactions fluides-roches comme perspective forte.

- Matériaux de construction et patrimoniaux
L’axe de recherche sur les matériaux de construction concerne la résilience énergétique et climatique du secteur du batiment. Il s’agit d’un projet transdisciplinaire qui associe les 4 laboratoires de la fédération I-Mat de CY, à savoir: GEC, LPPI (Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces), L2MGC (Laboratoire de Mécanique et Matériaux de Génie Civil) et ERRMECe (Equipe de Recherche sur les Relations Matrice Extracellulaire-Cellule). L’objectif visé est la résilience énergétique et climatique du secteur du
bâtiment par l’utilisation d’une technologie de matériaux à changement de phase (MCP) à transition solide-solide qui a été brevetée (Harlé et al., 2016). La dernière thèse réalisée (Plancher, 2021) a mis en évidence un problème de solubilité partielle avec l’eau de gâchage des matériaux cimentaires et gypseux (Plancher et al., 2022) démontrant une incompatibilité avec les processus de fabrications des matériaux de construction les plus courants. L’objectif dorénavant est d’étudier l’intégration de notre technologie dans des systèmes constructifs préfabriqués alvéolaires comme des briques et blocs bétons creux. Une autre piste envisagée concerne l'incorporation des MCP dans des briques de terre crue compressée, matériau connaissant un regain d'intérêt dans un contexte d’économie circulaire. Ces deux axes de recherche ont fait récemment l’objet de dépôt de projets dans le cadre de l’AMI SATT ADEME “résilience énergétique” et l’AAP 3”CY Générations-horizon”.

Concernant les matériaux patrimoniaux, l’équipe développe deux grands thèmes, de nature
essentiellement expérimentale. Le premier est la conservation et la restauration soutenables du patrimoine bâti.

Une thèse vient de se terminer (Jose Diaz Basteris, 2022) sur le développement de nouveaux mortiers de restauration éco-soutenables, et un programme européen (RISE EU MSCA, “SCORE”, 2021-25) piloté par un membre de l’équipe est en cours. La dégradation des matériaux granulaires par les sels est un autre aspect au long cours de ce thème, et la consolidation des pierres avec des nanoparticules constitue un troisième aspect, plus récent. Le deuxième grand thème est l’étude des impacts futurs du changement climatique et de la pollution sur le patrimoine bâti. Cette approche encore expérimentale consiste à simuler le changement climatique en enceinte climatique à partir des modèles de Météo-France et ECOS-RUNSALT. Les applications possibles dans la conservation du patrimoine culturel de la méthodologie développée sont (i) la prédiction du comportement futur des matériaux de construction du patrimoine culturel en utilisant des modèles climatiques et (ii) une aide à la détermination des conditions optimales pour éviter, autant que possible, les dommages causés par le sel. Le GEC poursuivra sa collaboration avec l’ISTeP sur l’étude du patrimoine industriel, avec un travail sur les carrières de craie de la région d’Arras en collaboration avec le Service Archéologique local.

Collaborations
Nombreuses collaborations internationales avec le Maghreb (ENI de Sfax, Tunisie, Craag Algérie), Univ. de Lund (Suède), quatorze équipes de cinq pays dans le projet européen MSCA RISE, CSIRO (Perth, Australie), Univ Mons et Vrije Universiteit (Belgique), Université d’Oviedo (Espagne), Univ. de Miami (USA), UMass Amherst (USA), swisstopo (Suisse), Taeknisetur (Islande), Electricité de Strasbourg Géothermie, UniLaSalle Beauvais, ENSG Nancy, U. Nice Sophia Antipolis.

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