Control of lithospheric to crustal fault architecture on Cenozoic Rift geothermal systems (Upper Rhine, Bresse and Limagne, France)

Contrôle des failles de la lithosphère à la croûte dans le système géothermique du rift cénozoïque (Rhénan, Bressan et Limagne).

¹ Biogéosciences UMR 6282, CNRS, Université Bourgogne Europe, 6 Boulevard Gabriel, 21000 Dijon, France
² CVA ENGINEERING – 14 rue Coubertin, 21000 Dijon, France
³ Géosciences Montpellier, UMR 5243 CNRS, Université de Montpellier, 34090 Montpellier, France
⁴ BRGM, Direction des Affaires Territoriales de Bourgogne Franche Comté, 21000 Dijon, France

^* Corresponding author: Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Received: 17 October 2024
Accepted: 7 October 2025

Abstract

Hydrothermal groundwater systems are key to renewable energy due to their high thermal efficiency. Effective geothermal resources require not only a heat source but also permeable geological formations and appropriate flow patterns. Fault zones, play a critical role in this process, potentially acting as either drains or barriers. This study investigates the origins of heat flow in geothermal reservoirs by comparing the Bresse, Limagne, and Upper Rhine Grabens within the European Cenozoic Rift System (ECRIS), using a multidisciplinary approach to examine thermal properties, subsurface structure, and the role of fault zones in surface heat flow anomalies. Surface heat flow data from 943 points, geological maps, seismicity databases, and stress orientation data characterize crustal structures and fault networks, while seismic tomography, gravimetric maps, Moho and LAB depths, and SKS splitting measurements provide insights into mantle density variations, structural boundaries, and flow directions—together informing the model of heat distribution and high-temperature fluid migration.

This synthesis highlights different scale of heat flow anomalies above the continental average of 67 mW/m²: (i) a long-wavelength anomaly, (ii) three high-wavelength anomalies, and (iii) seven areas with very high-wavelength anomalies exceeding 175 mW/m². High surface heat flow anomalies are linked to fault zones, such as the Sillon Houiller fault. In contrast, the long wavelength anomaly at the scale of the French Massif Central (FMC) is probably not linked to a lithospheric fault. Characterizing the lithosphere-asthenosphere architecture reveals that the long-wavelength thermal anomaly aligns with a thin lithosphere-crust corridor and a positive seismic velocity anomaly, indicating an increase in the mantle heat flux beneath the thin lithosphere of the FMC and the Rhine Graben. In Upper Rhine and Bresse Grabens areas, high crustal fault density network connecting with major lithospheric discontinuities often corresponds to high surface heat flow. The active and crustal faults (Sillon Houiller, La Marche, and Vittel) facilitate the upward migration of high temperature fluid. Finally, this study highlights the importance of integrating multidisciplinary methods to understand surface heat flow and its implications for geothermal energy.

Résumé

Les systèmes hydrothermaux souterrains jouent un rôle clé dans les énergies renouvelables en raison de leur haute efficacité thermique. Des ressources géothermiques efficaces nécessitent non seulement une source de chaleur, mais aussi des formations géologiques perméables et des schémas d’écoulement adaptés. Les zones de failles jouent un rôle crucial dans ce processus, pouvant agir soit comme drains, soit comme barrières. Cette étude examine l’origine du flux de chaleur dans les réservoirs géothermiques en comparant les grabens de Bresse, de Limagne et du Rhin supérieur, appartenant au Système de Rift Cénozoïque Européen (ECRIS), à l’aide d’une approche multidisciplinaire analysant les propriétés thermiques, la structure profonde et le rôle des zones de failles dans les anomalies de flux de chaleur en surface.

Les données de flux de chaleur issues de 943 points, les cartes géologiques, les bases de données sur la sismicité et les données d’orientation des contraintes permettent de caractériser les structures crustales et les réseaux de failles. Par contre, la tomographie sismique, les cartes gravimétriques, les profondeurs du Moho et de la LAB, ainsi que les mesures SKS apportent des informations sur les variations de densité du manteau, les limites structurales et les directions d’écoulement mantellique, contribuant ensemble à la modélisation de la distribution de la chaleur et de la migration des fluides à haute température.

Cette synthèse met en évidence différentes échelles d’anomalies de flux de chaleur supérieures à la moyenne continentale de 67 mW/m² : (i) une anomalie de grande longueur d’onde, (ii) trois anomalies de longueur d’onde moyenne, et (iii) sept zones présentant des anomalies de très courte longueur d’onde dépassant 175 mW/m². Les anomalies élevées de flux de chaleur en surface sont associées aux zones de failles, telles que la faille du Sillon Houiller. En revanche, l’anomalie de grande longueur d’onde à l’échelle du Massif Central français (MCF) ne semble pas liée à une faille lithosphérique. La caractérisation de l’architecture lithosphère-asthénosphère montre que cette anomalie thermique de grande échelle coïncide avec un corridor de lithosphère mince, une anomalie positive de vitesse sismique, et indique une augmentation du flux de chaleur mantellique sous la lithosphère amincie du MCF et du Graben du Rhin. Dans les régions des grabens du Rhin supérieur et de la Bresse, une densité élevée de failles crustales connectées à des discontinuités lithosphériques majeures correspond probablement à un flux de chaleur élevé en surface. Les failles crustales actives (Sillon Houiller, La Marche et Vittel) facilitent vraisemblablement la remontée de fluides à haute température.

Enfin, cette étude souligne l’importance d’intégrer des méthodes multidisciplinaires pour comprendre le flux de chaleur en surface et ses implications pour l’énergie géothermique.