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Thèse Année : 2013

Fracture Network Characterization using Hydrological and Geophysical Data

La caractérisation des aquiféres fracturés: des données hydrologiques et geophysique

Caroline Dorn
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 906006

Résumé

Groundwater management decisions must often rely on quantitative aquifer models that capture the heterogeneity of hydraulic properties. Fractured aquifers are one of the most heterogeneous types of aquifers and are very challenging to investigate. Connected millimeter-aperture fractures can act as hydraulic conductors and may provide very localized preferential pathways for fluid flow. The generally poor knowledge about the spatial distribution of hydraulically important fractures limits the ability to derive quantitative flow and transport models in such formations. The distribution of fractures are often poorly constrained by data that are spatially restricted, noisy, and represent indirect measures of physical properties. These data limitations can be partly overcome by combining different data types, such as hydrological and ground penetrating radar (GPR) reflection data. Borehole GPR imaging is a promising tool to image individual fractures up to some tens of meters away from boreholes. In this thesis, I develop approaches to combine GPR and hydrological data to improve the characterization of fractured aquifers. At a crystalline aquifer in Brittany, France, intensive borehole-based hydrologic investigations in three adjacent boreholes were previously performed, but a fracture length scale and the 3-D geometry of the conductive fracture network was poorly known. To overcome these limitations, I use GPR data to improve the fracture network characterization. First, I propose an advanced processing work flow that enables the imaging of fractures using multiple-offset borehole GPR data. The results illustrate that permeable fractures previously identified in borehole logs can be geometrically characterized away from their borehole intersections and that fractures that do not intersect the borehole can be identified. The results from a second study show that GPR reflection monitoring of saline tracer transport is a powerful tool to identify the fractures that are part of the conductive and connected fracture network that dominates local flow and transport processes. This is the first time that tracer transport over tens of meters in individual connected fractures could be imaged. A third study con- firms these findings by repeated experiments and additional tracer tests stimulating different parts of the connected discrete fracture network. Furthermore, the combined interpretation of hydrological and GPR monitoring data acquired during tracer tests provides evidence that temporal changes of GPR amplitudes can provide information about relative changes in tracer concentrations away from the boreholes. Hence, the hydrological and geophysical imaging data are complementary. I then propose a stochastic inversion approach to generate 3-D discrete fracture models that are conditioned to all available data within their uncertainty ranges. The stochastic generation of GPR-conditioned fracture models is able to reproduce the observed hydraulic connections and their contribution to flow. The set of proposed conditioned models provides quantitative estimates of the length scales and the spatial organization of hydraulically important fractures. The different studies described herein give clear evidence that GPR imaging is a useful tool to characterize fractures. Its combination with hydrological data is able to successfully condition networks of hydraulically connected fractures and to provide quantitative fracture models. The presented approaches can be applied in other types of fractured rock formations where the host rock is electrically resistive.
Les décisions de gestion des eaux souterraines doivent souvent être justifiées par des modèles quantitatifs d'aquifères qui tiennent compte de l'hétérogénéité des propriétés hydrauliques. Les aquifères fracturés sont parmi les plus hétérogènes et très difficiles à étudier. Dans ceux-ci, les fractures connectées, d'ouverture millimétrique, peuvent agir comme conducteurs hydrauliques et donc créer des écoulements très localisés. Le manque général d'informations sur la distribution spatiale des fractures limite la possibilité de construire des modèles quantitatifs de flux et de transport. Les données qui conditionnent les modèles sont généralement spatialement limitées, bruitées et elles ne représentent que des mesures indirectes de propriétés physiques. Ces limitations aux données peuvent être en partie surmontées en combinant différents types de données, telles que les données hydrologiques et de radar à pénétration de sol plus communément appelé géoradar. L'utilisation du géoradar en forage est un outil prometteur pour identifiées les fractures individuelles jusqu'à quelques dizaines de mètres dans la formation. Dans cette thèse, je développe des approches pour combiner le géoradar avec les données hydrologiques afin d'améliorer la caractérisation des aquifères fracturés. Des investigations hydrologiques intensives ont déjà été réalisées à partir de trois forage adjacents dans un aquifère cristallin en Bretagne (France). Néanmoins, la dimension des fractures et la géométrie 3-D des fractures conductives restaient mal connue. Afin d'améliorer la caractérisation du réseau de fractures je propose dans un premier temps un traitement géoradar avancé qui permet l'imagerie des fractures individuellement. Les résultats montrent que les fractures perméables précédemment identifiées dans les forages peuvent être caractérisées géométriquement loin du forage et que les fractures qui ne croisent pas les forages peuvent aussi être identifiées. Les résultats d'une deuxième étude montrent que les données géoradar peuvent suivre le transport d'un traceur salin. Ainsi, les fractures qui font partie du réseau conductif et connecté qui dominent l'écoulement et le transport local sont identifiées. C'est la première fois que le transport d'un traceur salin a pu être imagé sur une dizaines de mètres dans des fractures individuelles. Une troisième étude confirme ces résultats par des expériences répétées et des essais de traçage supplémentaires dans différentes parties du réseau local. En outre, la combinaison des données de surveillance hydrologique et géoradar fournit la preuve que les variations temporelles d'amplitude des signaux géoradar peuvent nous informer sur les changements relatifs de concentrations de traceurs dans la formation. Par conséquent, les données géoradar et hydrologiques sont complémentaires. Je propose ensuite une approche d'inversion stochastique pour générer des modèles 3-D de fractures discrètes qui sont conditionnés à toutes les données disponibles en respectant leurs incertitudes. La génération stochastique des modèles conditionnés par géoradar est capable de reproduire les connexions hydrauliques observées et leur contribution aux écoulements. L'ensemble des modèles conditionnés fournit des estimations quantitatives des dimensions et de l'organisation spatiale des fractures hydrauliquement importantes. Cette thèse montre clairement que l'imagerie géoradar est un outil utile pour caractériser les fractures. La combinaison de mesures géoradar avec des données hydrologiques permet de conditionner avec succès le réseau de fractures et de fournir des modèles quantitatifs. Les approches présentées peuvent être appliquées dans d'autres types de formations rocheuses fracturées où la roche est électriquement résistive.
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Dates et versions

tel-01099410 , version 1 (08-01-2015)

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  • HAL Id : tel-01099410 , version 1

Citer

Caroline Dorn. Fracture Network Characterization using Hydrological and Geophysical Data. Environmental Sciences. Université Lausanne, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01099410⟩
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