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Forages en Nouvelle-Zélande

Dans une récente publication parue dans Nature1, il est question de résultats obtenus lors de la 2ème phase du projet de forage de la faille alpine de Nouvelle-Zélande ’Deep Fault Drilling Project’ (DFDP-2). Bernard Célérier, Gilles Henry, Jehanne Paris et Olivier Nitsch, de l’équipe TMP avec avec Mai-Linh Doan de l’université de Grenoble ont participé, fin 2014, à la mission DFDP-2 pour assurer, en rotation, le logging sur le site de Whataroa situé dans la partie ouest de l’île sud de Nouvelle-Zélande.

L’objectif du projet DFDP consiste à sonder par forage cette grande faille active qui absorbe la plupart du déplacement oblique entre la plaque australienne et la plaque Pacifique. Dans la région du site de forage, la faille pend vers l’est de 45-60° et le déplacement oblique est décrochant dextre (∼2-3 cm/an) et inverse (∼6-9 mm/an). On est donc à cet endroit dans le cas d’une convergence oblique sans partitionnement. De plus, cette faille a engendré des séismes de magnitude estimée à 7-8 avec un temps de récurrence de 200-300 ans, le dernier grand séisme datant de 1717. Elle se trouve donc vers la fin de son cycle pré-sismique contrairement à toutes les failles actives forées jusqu’à présent qui l’ont été après un séisme majeur (San-Andreas à SAFOD, Chelungpu à Taïwan, Nojima au Japon, faille du séisme de Tohoku-Oki, faille d’Aigion dans le golfe de Corinthe, faille du séisme de Wenchuan). Ces particularités ont constitué les principales motivations du projet.

La première phase du projet DFDP-1 a débuté en 2011 par un forage sur le site de Gaunt Creek où la faille a été intersectée à 130 mètres de profondeur, ce qui a donné lieu à de nombreuses analyses sur carottes détaillant l’évolution de la déformation et de la perméabilité lors de l’approche du cœur de la faille principale.2

La seconde phase, DFDP-2 a eu lieu d’août 2014 à janvier 2015. Elle consistait à intersecter la faille vers 1000 mètres de profondeur dans la vallée de Whataroa à environ sept kilomètres du site DFDP-1. Il s’agissait de pénétrer les sédiments avec un premier système de forage, puis, avec un deuxième système de forage,de pénétrer le socle cristallin, composé de gneiss, sans le carotter mais en surveillant attentivement les cuttings pour détecter l’entrée dans la zone de mylonite près de la faille principale. À ce point, le forage devait se poursuivre en carottage continu en particulier pour caractériser la transition mylonite/ultramylonite.3
Figure 1 : le site DFDP-2 en activité fin 2014

La foration a rencontré de multiples problèmes : épaisseur de sédiment double de celle prévue (240 mètres au lieu de 90 mètres), difficultés à forer une roche dure avec une foliation inclinée d’environ 60°, déviation progressive du puits qui atteint 45° au fond, rupture d’un câble de traction qui a entraîné la chute d’un ’bottom home assembly’ de 8,6 tonnes au fond du trou. Ces problèmes furent surmontés après, en autre, plusieurs jours de ’fishing’ qui rapportèrent à la surface le ’bottom home assembly’ par morceaux. Les mesures en forage ont joué leur rôle dans les opérations en aidant à cerner les problèmes : au début en confirmant que le socle était bien atteint pour changer le système de forage, ensuite en documentant la déviation progressive du puits et les températures élevées de la formation et en localisant des pièces métalliques à récupérer. Les arrêts des opérations de forages induits par ces difficultés nous laissèrent ainsi de nombreuses nuits où nous pûmes tenir intimement compagnie au puits délaissé par les foreurs. Ceci permit d’acquérir des logs répétés sur certaines sections qui s’avérèrent utiles pour analyser les phénomènes transitoires (température, invasion de la formation par la boue de forage ou, inversement, arrivée d’eau de la formation dans le forage).

À partir de 830 mètres les ’cuttings’ commencèrent à montrer une réduction de la taille des grains annonciatrice de la zone de mylonite. Il fut donc décidé d’interrompre le forage à 893 mètres et de consolider le puits en le gainant avec du ciment casing avant de poursuivre. Une rupture de ce casing avant la cimentation laissa pénétrer du ciment à l’intérieur du forage,ce qui le reboucha partiellement. Notre dernière intervention consista à confirmer la localisation de cette rupture en mesurant l’atténuation des rayons gammas naturels. Ce dernier problème entraîna l’abandon de la foration du puits DFDP-2B à une distance estimée à 200-400 mètres du cœur de la faille (vulnerant omnes, ultima necat).

Bien que l’objectif principal n’ait pas été atteint, un certain nombre de résultats significatifs ont été obtenus.

D’abord, une fibre optique installée avec le casing a permis d’enregistrer la température sur toute la profondeur forée de façon permanente et une station sismologique, permanente également, a été installée au fond de la partie libre du forage à 400 mètres.
Ensuite les observations sur cuttings expliquent l’évolution de la déformation à l’approche de faille principale.4
Enfin, une publication vient d’être soumise (Townend et al., soumis à G3) décrivant une étude synthétique des 19 km de logs enregistrés lors des 52 passages de chaîne d’outils pendant les 20 sessions de mesures, essentiellement réalisées la nuit et bercées par les divers rythmes de la pluie de la vallée de Whataroa. Parmi ces logs, 4,8 km d’images acoustiques (BoreHole Televiewer) ont été enregistrés. Leur analyse structurale, conduite dans le cadre de la thèse de Cécile Massiot 5 soutenue en 2017 à l’université de Wellington, montre une grande stabilité de la foliation et des fractures qui lui sont parallèles ainsi que l’existence de deux autres familles de fractures quasi normales à cette foliation.

Un des résultats majeur de DFDP-2 concerne le régime géothermique de la vallée de Whataroa 1. Dès les premiers logs de température, il apparaît que le gradient géothermique est bien au delà de ce qui était prévu, même si ces mesures sont hors équilibre car affectées par le processus de forage. La fibre optique confirme ce résultat à l’équilibre quelques mois après la fin du forage en mettant en évidence un gradient de 125°/km. Ce fort gradient trouve son explication dans la conjonction de deux phénomènes : l’advection verticale des roches due à la composante inverse du déplacement de la faille alpine et la convection des eaux souterraines liée au fort gradient topographique de cette chaîne et à la barrière hydrologique correspondant à la faille.

D’autres investigations basées sur les données de logs sont en cours, notamment sur la détection des échanges hydrauliques par analyse des logs de température (thèse en cours de Lucie Capova, université de Wellington) et sur la structure de vitesse sous la vallée de Whataroa par analyse des logs soniques (thèse en cours de Tamara Jeppson, université du Wisconsin à Madison).


1 Sutherland, R. et al. (2017), Extreme hydrothermal conditions at an active plate-bounding fault, Nature, 546(7656), 137–140, doi:10.1038/nature22355

2 Sutherland, R.et al. (2012), Drilling reveals fluid control on architecture and rupture of the Alpine fault, New Zealand, Geology, 40(12), 1143, doi:10.1130/G33614.1

3 Sutherland, R. et al. (2015), Deep Fault Drilling Project (DFDP), Alpine fault boreholes DFDP-2A and DFDP-2B technical completion report, GNS Science Report 2015/50, Institute of Geological and Nuclear Sciences, Lower Hutt, New Zealand,

4 Toy, V., R. et al. (sous presse), Bedrock geology of DFDP-2B, central Alpine Fault, New Zealand, New Zealand Journal of Geology and Geophysics, doi:10.1080/00288306.2017.1375533

5 Massiot, C. (2017), Fracture system characterisation and implications for fluid flow in volcanic and metamorphic rocks, Ph.D. thesis, Victoria University of Wellington, New Zealand