Long-term evolution of a carbonate reservoir submitted to fresh, saline and thermal waters interactions – Jurassic carbonates in the coastal area of the Gulf of Lion margin (southern France) - BRGM - Bureau de recherches géologiques et minières Access content directly
Journal Articles Bulletin de la Société Géologique de France Year : 2023

Long-term evolution of a carbonate reservoir submitted to fresh, saline and thermal waters interactions – Jurassic carbonates in the coastal area of the Gulf of Lion margin (southern France)

Évolution long terme d’un réservoir carbonaté soumis à des interactions entre eaux douces, salines et thermales : les carbonates du Jurassique de la zone côtière de la marge du Golfe du Lion (sud de la France)

Florian Widhen
Michel Séranne
Erwan Le-Ber
Philippe Pezard

Abstract

Securing and managing underground water resources requires a good knowledge of the structure, texture and connections of the reservoir, in order to develop realistic and reliable hydrogeological models. On the coastline of the Gulf of Lion Margin (S. France), the Balaruc-les-Bains deep karst reservoir is subjected to interactions between fresh, marine and deep thermal waters, respectively. Water resource usage for drinking, spa resort, and fish-farming raises important economic and social issues. These were addressed by an integrated research program, involving drilling of an exploratory borehole across the Jurassic carbonate reservoir. This contribution analyses the 750 m cores, in order to (i) characterise the architecture and evolution of the karst reservoir and (ii) investigate the paleo-fluids circulations, witnessed by calcite and dolomite mineralization in the fractures, karst cavities, and as cement of tectonic beccia. The structure of the reservoir is characterised by the superposition of several aquifers separated by marly intervals. At shallow level, the initial grainstone is incompletely dolomitized in metre-thick intervals, while limestone in the 210-340 m interval was completely dolomitized at an early stage. Dolomite has been subjected to penetrative extensional cataclastic deformation, while the preserved limestone is affected by normal faulting, resulting from NNE-SSW extension. Distinct types of karsts have been documented, from the top of the reservoir (paleo-lapiaz filled with Burdigalian marine marls), down to 500 m depth (paleoendokarst filled with continental silts). The upper reservoir (75-150 m) is intensely karstified, and includes 0.1 to 1 m-wide cavities, where present day water fluxes are documented. Analyses of calcite and dolomite crystallisation under natural light and cathodoluminescence indicate precipitation from distinct fluids: formation water in chemical equilibrium with the host rock, water rich in oxides and hydroxides, ascending hydrothermal fluid and corrosive water of meteoric origin. Alternate dolomitization and calcitization observed in the upper reservoir suggests alternate flows of karstic freshwater and marine saltwater. Vertical, metre-long and centimetre wide open cracks are presently used for large water flows; several generations of syntaxial calcite growth provide evidence for varying chemistry of the circulating fluids. Structural cross cutting relationships allowed us to establish a relative chronology of events, which can be correlated with the regional geodynamic evolution. The study reveals that the present-day reservoir architecture results from the superimposition of structures formed during the Early Cretaceous extension, Maastrichtian-Eocene Pyrenean shortening, and Oligocene rifting of the Gulf of Lion. The reservoir was also shaped by successive karstification episodes and marine transgressions. Although the present-day hydrological system is controlled by, and reactivates structures inherited from a long-term evolution, it is characterised by frequent turnovers of the water flow, tuned by high-frequency external forcings such as sea-level changes driven by Pleistocene glacio-eustasy, or varying precipitation rates.
L’approvisionnement et la gestion des eaux souterraines nécessitent une bonne connaissance de la structure, de la texture et des connexions des réservoirs géologiques, afin de développer des modèles hydrogéologiques utilisables et réalistes. Le réservoir karstique profond de Balaruc-les-Bains, situé sur la côte du Golfe du Lion, est soumis à des interactions entre eaux douces, eaux marines et eaux thermales profondes. La gestion des différentes ressources en eau, pour l’alimentation, les thermes et la pisciculture/ostréiculture, constitue d’importants enjeux économiques et sociétaux pour le territoire. Ceux-ci sont abordés dans le cadre d’un programme de recherche impliquant le forage d’un puits carotté d’exploration, dans le réservoir carbonaté du Jurassique. Cette contribution analyse les 750 m de carotte recueillis, afin de (i) caractériser l’architecture et l’évolution du réservoir karstique et (ii) investiguer les paléocirculations de fluides dont témoignent les cristallisations de calcite et dolomite dans les fractures, les cavités karstiques et comme ciment de brèches tectoniques. La structure du réservoir se caractérise par la superposition de plusieurs aquifères séparés par des intervalles marneux. À faible profondeur, le grainstone initial est incomplètement dolomitisé sur des niveaux métriques, alors que le mudstone de l’intervalle 210–340 m est totalement dolomitisé. La dolomie est affectée par une déformation pénétrative, extensive, cataclastique, alors que le calcaire préservé est affecté par des failles normales. L’ensemble résulte d’une extension NNE–SSW. Plusieurs types de karst sont distingués, depuis le sommet du réservoir (paléo-lapiaz remplis de marnes marines du Burdigalien), jusqu’à plus de 500 m de profondeur (paléo-endokarsts remplis de silts d’origine continentale). Le réservoir supérieur est intensément karstifié, présentant des cavités décimétriques à métriques dans lesquelles d’importantes circulations actuelles d’eau ont été mises en évidence. L’observation des cristallisations de calcite et dolomite en lumière naturelle et en cathodoluminescence indique des précipitations à partir de fluides distincts : des eaux de formation en équilibre avec la roche encaissante, des eaux chargée en oxydes et hydroxydes, des fluides hydrothermaux ascendants, et des eaux corrosives d’origine météorique. Des alternances de dolomitisation et de calcitisation observées dans le réservoir supérieur suggèrent des flux alternés d’eaux salées marines et d’eaux douces karstiques. Des fentes verticales ouvertes, d’extension métrique et de largeur centimétrique, permettent des flux importants d’eau ; plusieurs générations de croissance syntaxiale de calcite montrent une évolution de la chimie du fluide qui y circule. Les relations structurales entre les veines permettent d’établir une chronologie relative des évènements, qui est corrélée avec l’évolution géodynamique régionale. Cette étude montre que l’architecte actuelle du réservoir résulte de la superposition de structures formées pendant : l’extension néocomienne, le raccourcissement Pyrénéen entre le Maastrichtien et l’Éocène, et le rifting du Golfe du Lion pendant l’Oligocène. Le réservoir a également été affecté par une succession d’épisodes de karstification et de transgressions marines. Bien que contrôlé par des structures héritées d’une évolution géodynamique sur le long terme, le système hydrologique actuel est caractérisé par de fréquentes inversions des flux hydriques, modulées par des forçages externes de (très) haute-fréquence, tels que les variations du niveau de la mer résultant du glacio-eustatisme pendant le Pléistocène ou des variations du régime de précipitation.
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hal-04102585 , version 1 (22-05-2023)

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Florian Widhen, Michel Séranne, Grégory Ballas, Pierre Labaume, Erwan Le-Ber, et al.. Long-term evolution of a carbonate reservoir submitted to fresh, saline and thermal waters interactions – Jurassic carbonates in the coastal area of the Gulf of Lion margin (southern France). Bulletin de la Société Géologique de France, 2023, 194 (7), pp.25. ⟨10.1051/bsgf/2023005⟩. ⟨hal-04102585⟩
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