Characterisation of fluid flow conditions and paths in the Buntsandstein Gp. sandstones reservoirs, Upper Rhine Graben

Caractérisation des conditions et des chemins de circulations de fluides dans les réservoirs gréseux du Buntsandstein Gp., Graben du Rhin supérieur

¹ GeoRessources, Université de Lorraine, Nancy 54000, France, now at Geothermal Science and Technology, Technical University of Darmstadt, Darmstadt 64287, Germany
² GeoRessources, Université de Lorraine, Nancy 54000, France
³ Neptune Energy, Lingen 49808, Germany
⁴ IFPEN, Rueil-Malmaison, France
⁵ Enerex, Vandoeuvre-lès-Nancy 54500, France
⁶ ENGIE, Courbevoie 92400, France, now at E2S, UPPA, Pau 64012, France
⁷ IsTEP, UPMC, Paris 75005, France

^* Corresponding author: bossennec.claire@gmail.com; claire.bossennec@tu-darmstadt.de

Received: 18 June 2020
Accepted: 13 July 2021

Abstract

Deeply buried sandstone reservoirs are targeted in the Upper Rhine Graben (URG) for geothermal and hydrocarbon resources. These reservoirs are affected by a convective heat flow along fault zones and have a complex diagenetic and deformation history recorded in their paragenetic sequence. Here, the focus is made on siderite and barite cementation characterisation, which trace paleo geothermal circulations within the fracture network affecting the Buntsandstein Gp. sandstones. A double approach on geochemistry and fracture network features is used to characterise fluid-flow episodes in the rift basin and on its shoulders. Barite sulphur isotopic signature suggests a common source for all the locations. However, Rare Earth Elements distribution patterns, oxygen isotopic ratios, and fluid inclusion study suggest two distinct flow regimes for fluids associated with barite precipitation along the shoulders and at depth in the middle of the graben. The barite has a higher content in total REE and contains non-saline fluid inclusions on the graben shoulders, suggesting that fluid circulations within the border faults interact with sulphate rich layers and precipitate at temperature above 150 °C. In deep-seated samples from the central part of the basin, barite fluid inclusions show a wide range of salinities, suggesting a higher contribution of sedimentary brines and precipitation at lower temperatures (< 150 °C). According to their REE signature, these barite mineralisations are associated with siderite and apatite with a diagenetic source. A conceptual model for fluid circulation within the basin is built from this new dataset. Fast and deep down- and up-flows occur along the major border faults, locally leaching evaporitic horizons. A part of the infiltrated meteoric waters reaches the centre of the basin, where it then mixes with the brines in sedimentary. This new characterisation of fluid pathways in the targeted reservoir brings insights into geothermal circulation compartmentalisation at the basin scale.

Résumé

Les réservoirs gréseux profonds du Graben du Rhin supérieur (URG) sont des cibles pour l’exploration et l’exploitation des ressources géothermiques et d’hydrocarbures. Ces réservoirs, affectés par des transferts convectifs de chaleur le long des zones de faille, ont une histoire diagénétique et de déformation complexe, enregistrée par la séquence paragénétique des fractures. Dans cette étude, l’accent est mis sur la caractérisation des cimentations de sidérite et de barytine qui retracent des paléo-circulations géothermiques au sein du réseau de fractures affectant les grès du Buntsandstein Gp. Ces minéralisations sont étudiées avec une double approche géochimique et structurale (failles et réseaux de fractures associés), afin de caractériser les épisodes d’écoulement de fluides pour différents éléments structuraux dans la partie centrale du fossé et sur ses épaules Une source commune est suggérée pour le soufre par la signature isotopique de la barytine, et e qu’importe la provenance des échantillons. La répartition des terres rares, les rapports isotopiques de l’oxygène et l’étude des inclusions fluides suggèrent cependant deux régimes d’écoulement des fluides minéralisateurs de la barytine. Sur les épaules du fossé, la barytine a une teneur plus élevée en terres rares et contient des inclusions de fluides non salins. Ceci suggère que les fluides au niveau des failles de la bordure du Graben interagissent avec les couches riches en sulfate et précipitent à des températures élevées (> 150 °C). Dans les réservoirs gréseux profonds, situés dans la partie centrale du fossé, les inclusions fluides dans les barytines présentent une large gamme de salinités et des températures plus basses de piégeage (< 150 °C), ce qui suggère une contribution plus importante des saumures sédimentaires. Ces minéralisations de barytine sont associées à des sidérites et à de l’apatite d’origine diagénétique, selon leur signature en terres rares. Ces données sont utilisées pour construire un modèle conceptuel de circulation des fluides dans le Graben, selon lequel l’eau météorique s’infiltre rapidement le long des failles bordières, jusqu’à la base du bassin, avec un lessivage local des horizons évaporitiques, puis une précipitation à partir de ces fluides géothermiques qui remontent durant l’activité de la faille. Une partie de ces fluides météoriques atteint le centre du bassin, où ces fluides ascendants se mélangent aux saumures sédimentaires. Cette nouvelle caractérisation des remplissages de fractures au sein de ce réservoir sédimentaire apporte des perspectives sur la compréhension de la compartimentation des circulations géothermales à l’échelle du bassin.