Géologie et connaissance du sous-sol

Produire une information de référence sur le sous-sol est au coeur des missions de service géologique national du BRGM. La gestion durable des ressources et des territoires exige de disposer d’une connaissance du sous-sol approfondie, fiable et constamment mise à jour.

L'enjeu

L’élaboration de nouvelles connaissances relatives au sous-sol et la compréhension du système Terre constituent un enjeu scientifique en soi. Cette connaissance est déterminante dans la mesure où elle apporte les fondements pour une meilleure utilisation des ressources (eau, énergie, minéraux, métaux), l’adaptation aux impacts du changement climatique, une anticipation et une mitigation des risques naturels, et leur prise en compte pour l’aménagement du territoire. Cela concerne tant les professionnels de l’aménagement du territoire que les acteurs économiques, les gestionnaires de l’environnement, les acteurs de l’enseignement, la société civile et le grand public.

Cet enjeu est le coeur de la mission de service géologique national du BRGM, à l’instar de ses homologues européens et internationaux. Aujourd’hui cette mission doit être considérée à l’aune des progrès accomplis dans les technologies numériques et au vu de la nécessité de poursuivre l’acquisition de connaissances de référence fiables intégrant des concepts de géologie modernes. Il s’agit également d’améliorer la diffusion de cette connaissance du sous-sol qui en découle selon des référentiels adaptés aux différentes finalités et usages du sous-sol.

Campagne de mesures par géophysique héliportée à la Réunion

Campagne de mesures par géophysique héliportée à la Réunion. 

© BRGM - René Carayol 

L'ambition du BRGM

Face à cet enjeu, l’ambition du BRGM est de produire une information de référence sur le sous-sol, en acquérant des connaissances nouvelles et en animant la communauté des géologues à l’échelle nationale au travers du programme "Référentiel géologique de la France".

Il s’agit :

  • de produire, capitaliser et structurer les connaissances géoscientifiques sous la forme d’un référentiel homogène pour une représentation plus cohérente et complète des connaissances ;
  • de comprendre l’évolution géodynamique des systèmes géologiques et leur impact sur les transferts profonds et superficiels de matières ;
  • de caractériser, imager et modéliser l’architecture du sous-sol pour servir les usages, qu’ils soient d’exploitation des ressources, pour les risques ou l’aménagement.

Pour cela, deux programmes scientifiques complémentaires sont mis en oeuvre : les programmes "Connaissance des systèmes géologiques" et "Imagerie et modélisation du sous-sol".

Nos résultats et données

Vue de cartes géologiques éditées par le BRGM
Publications scientifiques
Les publications scientifiques du BRGM sont accessibles en ligne, sur la plateforme d'archives ouvertes HAL-BRGM.
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Le Pic du Midi d'Ossau, Pyrénées Atlantiques
Rapports publics
Les résultats scientifiques du BRGM sont notamment valorisés à travers ses rapports publics, accessibles sur le portail InfoTerre.
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Ravinement dans des argiles riches en oxyde de fer, Hérault
Thèses et post-doctorats
Le co-encadrement de thèses de doctorat constitue un pilier essentiel de l’activité de recherche au BRGM.
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Etude des flyschs de Zumaia, Pays Basque espagnol

Programme scientifique : Connaissance des systèmes géologiques

Ce programme s’inscrit dans la mission nationale du BRGM de développer la connaissance géologique du territoire français. Son objectif vise notamment à fournir des informations géoscientifiques sur l’architecture du sous-sol. Il s’agit notamment d’augmenter la résolution de la connaissance géologique et de mener des recherches visant à comprendre les processus de mise en place et d’évolution des systèmes géologiques.

Les objets d’études se focalisent sur les processus et les objets géologiques en lien avec les ressources naturelles (minérales, eau et énergie), des risques et de l’aménagement. Il s’agit notamment d’assurer au mieux un continuum entre les questionnements de recherche, les besoins en expertise et contribuer aux recherches et développements tirés par les finalités en matière de gestion durable et d’usage du sol et du sous-sol.

L’essentiel de l’action du programme est mis en oeuvre dans le cadre du programme du Référentiel géologique de la France (RGF) mené en concertation étroite avec le CNRS/INSU et de la communauté universitaire. Le programme vise également à décliner ces approches sur des systèmes géologiques à l’international, notamment en lien avec les projets de cartographie géologique en Afrique. Le choix des zones d’études combinera à la fois des grands challenges scientifiques associés à des territoires à fort enjeu socio-économique.

Comprendre les processus géologiques et leur impact sur l’architecture du sous-sol

Il s'agit de mieux répondre aux besoins de connaissance du sous-sol, ce qui suppose de mieux comprendre les processus influençant leur formation et transformation au cours du temps. Cela implique la mise en oeuvre de travaux de recherche autour de concepts nouveaux sur les domaines orogéniques anciens et actuels, les domaines de bassins sédimentaires et les domaines de surface.

Les besoins concernent une meilleure quantification des processus de surface (altération et érosion, transferts solides et en solution, sédimentation) à différentes échelles temporelles, à commencer par les plus récentes : Quaternaire, Holocène et actuelle. Cette approche « Source to Sink » intégrera une quantification des déformations passées et actuelles.

Cette compréhension qualifiée et quantifiée des processus géologiques et leur impact sur l’évolution du sous-sol (incluant les transferts de fluide et d’énergie) est la condition d’une modélisation plus fine de la géométrie et du contenu des objets dans une démarche de géoscience prédictive.

Avec cet objectif, le BRGM poursuit - en partenariat - son investissement dans la promotion, le montage et la réalisation de programmes d’acquisition ambitieux sur des zones à enjeux en France et à l’international :

  • forages dans le 0-100m et forages profonds dans le cadre du programme ICDP ;
  • nouvelles cartographies géologiques ;
  • sismique HR ;
  • levers géophysiques aéroportés ;
  • infrastructures géochimiques (élémentaires et isotopiques).

Orientations de recherche

  • Compréhension des dynamiques crustales et leur incidence sur l’évolution tectono-sédimentaire et les transferts de matière et de fluides des orogènes et des bassins sédimentaires, nécessaires à l’exploration de leurs ressources et à la maîtrise des aléas ; pour cela, améliorer la datation des processus et des objets géologiques récents et anciens pour mieux contraindre l’histoire géologique.
  • Quantification des processus d’altération - érosion - transfert - sédimentation ; plus particulièrement les processus de formation des régolithes et d’évolution des bassins pour répondre aux besoins de prévision.
  • Caractérisation de la tectonique actuelle (déformations grandes longueurs d’ondes, failles actives).
  • Contraindre les processus géologiques actuels en lien avec la dynamique du changement climatique.

Mieux caractériser les géométries et propriétés du sous-sol

La connaissance de l’architecture du proche sous-sol à différentes échelles concerne notamment la caractérisation des réservoirs du sous-sol (pour l’eau, les géoressources, les stockages) et la zone critique (régolithe), à l’interface entre la Terre solide et les enveloppes externes, soumises à de nombreuses sollicitations (anthropiques, climatiques).

Cela suppose de mieux caractériser et paramétriser les géométries du sous-sol en 3D. Les « cartes géologiques numériques » multi-échelles vont devoir évoluer progressivement vers des systèmes d’information 3D intégrant des informations complémentaires sur le sous-sol et constituant la base de services numériques nouveaux. Il s’agira de répondre à des questions : « quelle est la nature de la roche à tel endroit en x, y et z, quelles sont ses propriétés, avec quelles incertitudes ? ») ; ou de réaliser des traitements (ex. calculs d’épaisseur, de profondeur, réalisation de projections sous forme de cartes ou de coupes, utilisation dans une démarche de géosciences prédictives…).

Les travaux seront réalisés en priorité sur les chantiers RGF, et notamment les nouveaux chantiers « Bassin parisien » et « Alpes et bassins périphériques ».

Orientations de recherche

  • Réalisation de la mise en cohérence 3D des données disponibles et acquisition de nouvelles connaissances dans les chantiers du RGF.
  • Développement des nouveaux référentiels permettant de décrire les objets géologiques à usage de la communauté scientifique nationale et internationale.
  • Renforcement de la collecte, la capitalisation et la mise à disposition des données/connaissances géologiques.
Scan 3D d’une galerie souterraine, Haute-Vienne

Programme scientifique : Imagerie et modélisation du sous-sol

Ce programme cible plus particulièrement une connaissance du sous-sol anthropisé à la fois plus diversifiée, de meilleure résolution et renseignant sur des paramètres du sous-sol plus pertinents, en fonction des applications et avec des incertitudes mieux maîtrisées.

Le programme revêt une dimension technologique forte au travers de l’instrumentation requise pour investiguer l’espace souterrain à une échelle appropriée. Il doit également intégrer une ambitieuse composante numérique et logicielle, indispensable pour traiter et analyser les signaux enregistrés afin de les restituer sous forme d’éléments (cartes, modèles 3D, maillages géologiques…).

Une des finalités à moyen terme consistera à proposer, en lien avec les nouvelles capacités numériques (référentiels interopérables, intelligence artificielle…), des méthodes et outils de construction de "jumeaux numériques" pour simuler différents usages du sous-sol.

Déployer des moyens d’imagerie géophysique du sol et du sous-sol à la fois plus performants, diversifiés et multi-échelles

La recherche du BRGM dans ce secteur se positionne essentiellement sur l’adaptation de capteurs existants, essentiellement en géophysique. Ces adaptations visent à produire de nouveaux types d’images, donnant accès, par exemple, à de meilleures résolutions, une mise en oeuvre plus rapide, avec des fréquences de répétition plus élevées, etc.

En parallèle, des actions de R&D sont également à mener sur de nouvelles configurations de mesure (utilisation des drones, adaptation au milieu urbain…) pour contribuer à renouveler l’imagerie du sous-sol, à des échelles nouvelles.

Enfin, les méthodologies d’acquisition de données pour une approche « multi-échelle », pour laquelle le BRGM a de forts atouts, sont à développer : depuis le laboratoire, le terrain, l’imagerie proximale par drones, plus régionale par moyens aériens et globale par les imageurs spatiaux. L’imagerie géophysique dite « timelapse » est un autre domaine à investiguer, utilisée de façon croissante dans le suivi temporel de phénomènes souterrains naturels ou d’origine humaine.

Orientations de recherche

  • Doter le BRGM, en propre ou en collaboration, de moyens innovants d’imagerie combinée au sol et par drone, pour la caractérisation physique et chimique de la surface et en profondeur.
  • Consolider certains axes de co-développement en instrumentation géophysique avec notre filiale Iris Instruments, tels que la résistivité par dispositif Multi TX-RX ou les émetteurs forte puissance.
  • Approfondir nos capacités de mesures géophysiques en forages et/ou répétées au cours du temps, pour la caractérisation fine de la Zone non saturée (ZNS), l’aménagement du sous-sol urbain…
  • Développer et valoriser nos capacités d’imagerie du sol et du sous-sol en combinant les outils et les échelles d’investigation, depuis le laboratoire jusqu’au satellite.

Développer les traitements avancés d’imagerie, permettant une description quantifiée fine de la complexité du sous-sol

De façon générale, le traitement avancé constitue une « zone grise », encore peu valorisée, qui se révèle pourtant une étape clé du processus de modélisation du sous-sol, en améliorant la qualité des signaux et en augmentant la productivité sur ces méthodes (par ex. outils de filtrages semi-automatiques).

L’étape suivante consiste à optimiser l’intégration des signaux et des informations disponibles, par fusion, analyse numérique par modélisation/inversion, ou approches prédictives multivariées, dans le but de restituer des modèles du sol et du sous-sol aussi riches et réalistes que possible.

De façon connexe, l’évaluation des incertitudes associées à ces transformations, indispensable pour fournir une description robuste du sous-sol, mais encore mal intégrée dans les travaux, s’impose. Il s’agit d’étendre les approches géostatistiques, mais aussi plus généralement les approches probabilistes qui permettent d’investiguer l’espace des modèles possibles et d’en extraire des indicateurs d’erreur.

Orientations de recherche

  • Diversifier les développements d’outils d’analyse / traitement / cartographie prédictive mono ou multi-source, en visant des gains de qualité, productivité ou de nouveaux produits / services.
  • Développer et valoriser nos capacités de modélisation / inversion géophysique, seul ou en partenariat, en vue de disposer d’outils qui nous démarquent et opérationnels.
  • Mener une recherche d’excellence sur l’implémentation des méthodes mathématiques d’estimation de l’incertitude et les intégrer aux outils de modélisation géologique / géophysique.
  • Collaborer avec la filiale Iris Instruments, pour l’implémentation logicielle de routines de traitement / inversion géophysique.

Améliorer l’information géologique numérique 3D et l’interfaçage avec les applications d’usages et l’ingénierie du sous-sol

In fine, l’objectif est de passer des images de la complexité du sous-sol, aussi finement quantifiées soient-elles, issues des propriétés physiques, à des modèles géologiques 3D (géométries de structures et objets géologiques, champs 3D de paramètres…) utiles aux études finalisées. Ces modèles sont destinés à constituer un référentiel commun quantifié, dans une perspective de diffusion scientifique et de transfert vers les applications avales.

Cela imposera au BRGM, sur la base de ses outils actuels (GDM-Multilayer et 3DGeomodeller), d’intégrer les évolutions des technologies numériques et de les adapter, aux besoins évolutifs des utilisateurs et de l’industrie. Il s’agira d’améliorer et diversifier nos capacités en géomodélisation, vraisemblablement en allant vers plus de modularité et d’intégration transversale et en privilégiant les services rendus plutôt que les outils.

Une des évolutions majeures sera d’accroître l’interaction des modèles géologiques avec certains modèles phénoménologiques pour permettre d’en simuler le comportement. Pour cela, on s’appuiera sur le concept de « jumeau numérique », transposé de l’industrie.

Orientations de recherche

  • Mener une recherche d’excellence sur les méthodes numériques en géostatistique, maillages, etc. et les intégrer aux outils de modélisation géologique.
  • Évaluer la pertinence et initier la convergence des outils de modélisation géologique / géophysique 3D du BRGM, pour à terme constituer une plateforme modulaire de géomodélisation.
  • Développer les outils numériques et les méthodologies permettant de produire, à différentes échelles, des modèles 3D réalistes de paramètres du sous-sol, utiles aux usages.
  • Intégrer la description du sous-sol dans la conceptualisation globale fonctionnelle de type industrielle de « jumeau numérique », à l’interface avec les techniques d’ingénierie du sous-sol.