Potentiel géothermique à la base de la vallée glaciaire du Rhône (région Vétroz–Ardon)

Le potentiel d’exploitation géothermique des sédiments profonds de la vallée du Rhône a été reconnu au début des années 1990 par le Centre de Recherche Scientifique Fondamentales et Appliquées (CRSFA - le CRSFA a été fondé en 1968 et renommé CREALP, Centre de recherche sur l’environnement alpin, en 1998.) à la suite d’une campagne de sismique réflexion menée dans la vallée du Rhône entre Sion et St-Maurice [1] dans le cadre du projet PNR20 «Exploration du soubassement géologique de la Suisse» achevé en 1993 [2]. L’interprétation de la sismique a mis en évidence, dans la partie la plus basse de l’auge glaciaire, une couche de nature différente du reste du remplissage et présente de manière relativement continue. Selon les diverses hypothèses formulées, ce niveau serait issu soit de dépôts morainiques, soit de coulées de débris depuis les flancs de la vallée au moment du retrait du glacier, soit de l’apport de sédiments grossiers par le glacier lui-même et par les écoule­ments d’eau dans un chenal torrentiel sous-glaciaire [3]. La dernière hypothèse est considérée comme la plus vraisemblable. Même si elle demeure encore inconnue à ce stade en l’absence de forage de reconnaissance, la perméabilité des dépôts torrentiels sous glaciaires (DTSG) est supposée bonne car les sismofaciès de ces sédiments sont comparables à ceux observés près du fond de l’auge surcreusée du lac de Zurich [4]. Le carottage sur les bords du lac a démontré que ces sédiments dans la même formation sismique correspondent à des moraines et graviers glaciaires. De même, un forage de prospection pétrolière dans la plaine de l’Orbe a décelé la présence d’un aquifère artésien à la base d’une auge glaciaire surcreusée [5].
D’autres travaux menés par la suite ont contribué à améliorer les connaissances sur le remplissage de la vallée du Rhône, par gravimétrie dans le cadre de travaux de recherche de la Commission Suisse de Géophysique et de l’Institut de Géo­physique de l’Université de Lausanne [6] puis par la sismique réflexion dans le cadre du microzonage sismique spectral (MSS) du canton du Valais [7]. Trois profils sismiques P1, P2 et P3 ont été exécutés en janvier 2013. Le profil P2 concorde avec l’ancienne ligne sismique du PNR20, P3 est à environ 500 m à l’Est de celle-ci et P1 entre 500 m (partie sud) et 1400 m (partie nord) à l’ouest (fig. 1). Les interprétations de ces profils ont permis de situer le toit du rocher à l’altitude de –375 msm au plus profond de l’auge dans ce secteur, soit une épaisseur totale du Quaternaire de 850 m environ. Des DTSG ont été individualisés du fait de leur nature «déstructurée» sur les profils, avec une épaisseur maximale atteignant 175 m. L’épaisseur de 100 m des DTSG est dépassée sur une largeur de 300 m environ.

INVESTIGATION GÉOPHYSIQUE

Profil de sismique réflexion P4 

Suite à ces premiers résultats très encourageants pour la région de Vétroz–Ardon, le distributeur multi-énergie du Valais central OIKEN, qui s’intéresse à la géothermie dans le cadre de la transition énergétique, a décidé de financer une étude détaillée du potentiel géothermique de ce secteur. Ce projet comprend la réalisation d’un nouveau profil de sismique réflexion (P4) de 3 km à travers la plaine du Rhône, ainsi que la construction d’un modèle géologique 3D du remplissage quaternaire dans le but d’identifier de potentiels cibles géothermiques. Afin de minimiser l’impact de l’activité anthropique sur les enregistrements, le profil P4 a été acquis durant la nuit (fig. 2). Les données ont été enregistrées avec un système de géophones nodaux espacés tous les 5 m environ. La position des géophones et des tirs a été relevée par DGPS (Differential Global Positioning System) avec correction RTK (Real Time Kinematic) par système base-rover, garantissant une précision du positionnement centimétrique. Les vibrations ont été générées avec un camion vibrateur léger de type EnviroVibe II, tous les 10 m et durant 60 secondes [8]. Les paramètres d’acquisition utilisés lors de cette campagne de sismique réflexion sont résumés dans le tableau 1.

Tab. 1 Paramètres d’acquisition du profil P4.

Les données acquises en 2013 avaient été enregistrées avec un système filaire de 96 canaux actifs, composés chacun d’une grappe de 6 géophones, espacés de 5 m (déport maximum de 480 m). Les tirs espacés de 10 m avaient été réalisés à l’explosif. La longueur approximative des profils était de l’ordre de 2,3 km.

Traitement des données 

Dans un souci de cohérence, les profils P1, P2 et P3 acquis en 2013 ont été retraités par le même géophysicien, conjointement au profil P4 de 2021 et en harmonisant le plus possible les paramètres de traitement. En l’absence de forage, la conversion temps-profondeur a été réalisée en utilisant les vitesses Vrms (root-mean-square velocity) issues de traitement en temps PSTM (Pre-Stack Time Migration) et converties en vitesse de Dix (fig. 3). Compte tenu des offsets limités par l’encaissement de la vallée et le dispositif de 2013, l’incertitude sur les profondeurs demeure importante. Lors du traitement, il a été constaté que les vitesses de la ligne nouvellement acquise (P4) étaient légèrement plus lentes que celles des lignes existantes (P1 à P3). La longueur des offsets du P4 étant de loin supérieure à celle des autres lignes, les vitesses de P4 ont été préférées pour convertir les lignes de 2013. Ce travail a permis d’améliorer significativement les images de P1 à P3 et par conséquent de positionner les différentes interfaces du remplissage quaternaire de manière plus robuste et plus cohérente. Les résultats de la conversion temps-profondeur ont été comparés aux estimations de profondeur existantes basées sur les études antérieures et se sont avérés cohérents.

Interprétation géologique 

L’interprétation géologique de l’ensemble des données traitées a été effectuée avec l'objectif de délimiter l’interface rocher-Quaternaire et les différentes formations au sein du remplissage sédimentaire là où c’était possible, selon plusieurs attributs sismiques proposés par le logiciel d’interprétation Kingdom (Amplitude, Average Energy, Envelope, et Phase; Logiciel Kingdom® Seismic and geological interpreta­tion, IHS Markit). Ces attributs facilitent l’identification des différentes formations. Les connaissances sur les processus de dépôt des types de sédiments dans les vallées glaciaires, décrites dans de nombreuses références, aident à interpréter les résultats.

Toit du substratum rocheux

La limite rocher – remplissage quaternaire est bien imagée sur les différents profils, surtout sur le prolongement des deux versants. Au fond de la vallée, cette limite est moins nette en raison d’une géométrie en V peu favorable à l’imagerie géophysique. Ceci accroît l’incertitude de l’épaisseur du remplissage quaternaire et des DTSG. À noter également sur le versant en rive droite la présence de réflecteurs dédoublés du toit du substratum rocheux. Ceci est probablement dû à la rugosité du versant, où le côté haut et le côté bas d’une crête peuvent être imagés en même temps en raison de propagations hors plan. Il s’agit d’une caractéristique limitante de la sismique 2D.

Remplissage sédimentaire

La première couche au fond de l’auge glaciaire (D, fig. 4) montre un faciès déstructuré par comparaison aux dépôts qui la surmontent, à l’exception de quelques marqueurs très réflectifs. Elle représenterait des DTSG et/ou des dépôts morainiques. Un niveau stratifié de 50 à 100 m d’épaisseur (C, fig. 4), drape les DTSG et les flancs de l’auge glaciaire. Il comporte des structures sédimentaires (clinoformes en downlap, troncatures) et pourrait représenter des dépôts glacio-lacustres érodés à leur toit, peut-être par une phase de réavancée glaciaire. Le remplissage principal de la vallée (B, fig. 4) montre un faciès finement stratifié, globalement homogène, drapant les niveaux sous-jacents et s’appuyant en onlap contre les flancs de la vallée. Il correspond à des dépôts lacustres atteignant jusqu’à 600 m d’épaisseur. Enfin, le niveau superficiel caractérisé par des réflexions énergiques mais discontinues représente les formations alluvionnaires du Rhône sur une épaisseur d’environ 100 m (A, fig. 4). Elles sont imbriquées avec les dépôts torrentiels de la Lizerne (faciès sismique plus transparent) au NNO de la section.
Cette succession mise en évidence dans la vallée du Rhône à plusieurs endroits (Martigny, Riddes, Vétroz–Ardon, Sion et Sierre) est comparable à des séquences documentées dans d’autres vallées alpines comme par exemple à Lienz [9], dans les Préalpes suisses [10] ou dans le Tyrol autrichien [11] suite à des reconnaissances par des méthodes géophysiques.

Modèle géologique 

L’interpolation de surfaces 3D a été réalisée avec les programmes de calcul Kingdom et Global Mapper  (Logiciel Global Mapper ®, Blue Marble Geographics) à partir des données des 4 lignes de sismique réflexion. L’interpolation a engendré dans un premier temps des artéfacts qui apparaissent comme des bosses et des creux dans la topologie. Ces ondulations artificiellement générées qui résultent de la distribution non homogène des points de données et des effets de bord ont été corrigées manuellement de manière à lisser les différentes interfaces (tops). Les surfaces ainsi obtenues ne présentent pas moins d’incertitude, mais elles sont géologiquement plus réalistes (fig. 5 et 6).

Toit du substratum rocheux

Dans les profils P2, P3 et P4, le fond de l’auge glaciaire montre deux thalwegs ou paléo-vallées séparés par une structure bombée assimilable au substratum rocheux. Ce relief se situe dans l’alignement direct de la Crête des Maladaires (fig. 1) et il pourrait correspondre à son prolongement sous les formations quaternaires. Cette structure s’estompe vers le SSO et n’est plus visible sur le profil P1. Le fond de l’auge glaciaire apparait irrégulier, probablement en raison de l’érosion différentielle des lithologies du substratum rocheux et du surcreusement des zones de dégâts des failles qui longent la vallée (fig. 7 et 8).
La base du remplissage quaternaire se situe au plus profond à l’altitude d’environ –400 m (P1), ce qui est cohérent avec les précédentes interprétations (–375 m selon [7]). L’épaisseur des DTSG est la plus grande dans les deux paléo-vallées, jusqu’à 160 m dans P3 (paléo-vallée Sud). À la jointure des deux paléo-vallées vers P1, les DTSG ont une épaisseur de 100 à 120 m.

Remplissage sédimentaire

Découlant de la conversion temps-profondeur, des incertitudes existent sur la position des différentes interfaces du remplissage quaternaire et par conséquent sur les épaisseurs des différentes formations issues de l’interprétation des 4 profils. D’autres incertitudes existent et ne peuvent être levées que par la réalisation d’un forage de reconnaissance. Il s’agit notamment de la lithologie et de la perméabilité des différentes formations du Quaternaire et du rocher sous-jacent, ainsi que de la température et des propriétés physico-chimiques des eaux. Le rocher sous-jacent est supposé fracturé, avec des perméabilités élevées dans les premiers 100 à 200 m environ (comme observé dans le forage P101 à Saillon; communication BEG SA) suite à la décompression de la roche lors du retrait glaciaire. La plus grande incertitude réside sur la nature du rocher au fond de l’auge glaciaire (fig. 8): Nappe de Sion–Courmayeur (Unité du Roignais-Versoyen: méta-flysch; Mélange de la Pierre Avoi: méta-conglomérat, blocs de marbre, de dolomie et de quartzite) ou Nappes du Mont Gond et du Sublage (calcaires, schistes et évaporites)?