CO₂, sous-sol et surveillance : comprendre le monitoring du stockage géologique
Le stockage géologique du CO₂ ne s’arrête pas au moment de l’injection. Une fois capté, le CO₂ est dirigé vers des réservoirs géologiques profonds, généralement protégés par des roches peu perméables. L’enjeu est ensuite de vérifier qu’il demeure confiné, sans migration indésirable vers les eaux souterraines ou la surface.
Cette vérification est essentielle à la crédibilité du captage et stockage géologique du CO₂. Selon le GIEC, un site bien sélectionné et bien géré peut retenir plus de 99 % du CO₂ injecté sur de longues périodes. [1]
Cet article présente les principes qui permettent de retenir le CO₂ sous terre, ainsi que les principaux outils utilisés pour suivre son comportement du réservoir jusqu’à la surface.
Ce qui retient le CO₂ sous terre — les mécanismes de piégeage géologique
Avant d'examiner comment on surveille le CO₂ stocké, il est utile de comprendre pourquoi il tend à rester en place. Le stockage géologique repose sur plusieurs mécanismes de piégeage qui agissent simultanément et dont l'efficacité s'accroît avec le temps.
L'état supercritique et la profondeur d'injection
Le comportement physique du CO₂ varie fortement selon la pression et la température. À des profondeurs généralement supérieures à environ 800 m, selon les conditions propres à chaque site, le CO₂ peut atteindre un état dit supercritique. Il présente alors une densité beaucoup plus élevée que sous forme gazeuse, ce qui permet de stocker une plus grande quantité de CO₂ dans un même volume de roche. [1]
Cet état favorise le stockage, mais il ne suffit pas à garantir le confinement. Le CO₂ demeure généralement moins dense que l’eau de formation et conserve donc une tendance naturelle à migrer vers le haut. Sa rétention dépend plutôt de la combinaison entre plusieurs mécanismes géologiques : la présence d’un caprock efficace, le piégeage résiduel dans les pores de la roche, la dissolution dans les fluides de formation et, à plus long terme, la minéralisation. [1]
Les quatre mécanismes de piégeage
Le stockage géologique du CO₂ mobilise plusieurs processus complémentaires, dont l'importance relative évolue au fil du temps. Les mécanismes agissant à court terme — comme le piégeage structural — sont progressivement relayés par des processus plus permanents, comme la dissolution et la minéralisation, qui se développent sur des échelles de temps variables, allant de réactions relativement rapides à des processus pouvant s’étendre sur des centaines à des milliers d’années, voire davantage selon les minéraux concernés. [1]
Piégeage structural (caprock) : le CO₂ est retenu sous une roche-couverture (caprock) très peu perméable, qui limite sa migration verticale vers les formations sus-jacentes. Ce mécanisme est le premier à entrer en jeu après l'injection.
Piégeage résiduel : le CO₂ se retrouve immobilisé sous forme de bulles discontinues dans les pores de la roche réservoir, piégé par les forces capillaires au contact de l'eau de formation.
Piégeage par dissolution : le CO₂ se dissout dans les fluides de formation, formant une saumure légèrement plus dense qui tend à s'enfoncer progressivement. [1] Ce mécanisme réduit davantage le risque de migration à long terme.
Piégeage minéral : à long terme, le CO₂ réagit avec les minéraux de la roche pour former des carbonates solides, l'immobilisant de façon durable dans la matrice rocheuse. [1]
Le monitoring du CO₂ — des outils déployés du réservoir jusqu'à la surface
La surveillance d’un site de stockage géologique repose sur plusieurs outils complémentaires. Certains suivent le panache de CO₂ en profondeur, d’autres surveillent l’intégrité des puits, la chimie des eaux souterraines ou les flux de CO₂ en surface. L’objectif n’est pas de dépendre d’une seule méthode, mais de croiser plusieurs types de mesures pour obtenir une lecture plus fiable du site.
La sismique 4D — imager le panache de CO₂ en profondeur
La sismique temps-lapse, également appelée sismique 4D, constitue l’un des principaux outils pour visualiser l’évolution spatiale du panache de CO₂ dans le réservoir. Elle consiste à répéter des acquisitions sismiques tridimensionnelles à intervalles réguliers, puis à comparer les images obtenues pour détecter les changements intervenus dans le sous-sol entre deux campagnes. Ces changements peuvent révéler la progression du CO₂ dans la formation poreuse, ou confirmer que le caprock joue bien son rôle de barrière.
Le site de Sleipner, en mer du Nord, est l’un des exemples les mieux documentés de surveillance sismique 4D. Des levés répétés y ont permis de suivre l’évolution du panache de CO₂ dans la Formation d’Utsira, de mieux comprendre sa distribution dans le réservoir et de comparer les observations aux modèles de simulation. [2] [3] Ce type de suivi aide à vérifier si le comportement réel du CO₂ correspond aux prévisions établies avant et pendant l’injection.
Les fibres optiques et la surveillance en puits
Les puits d’injection sont des points sensibles dans un site de stockage géologique, car ils relient la surface au réservoir profond. Leur intégrité doit donc être suivie de près, autant pendant l’injection qu’après celle-ci. Les systèmes de détection distribués par fibres optiques offrent une solution complémentaire aux méthodes géophysiques plus ponctuelles : une fibre installée le long d’un puits peut servir de capteur continu, capable d’enregistrer des variations de température, de vibrations ou de déformation sur toute sa longueur. [6]
Cette approche est utile parce qu’elle permet de surveiller le puits à différentes profondeurs, plutôt que seulement à quelques points de mesure isolés. Elle peut contribuer à détecter des changements associés aux conditions d’injection, à l’intégrité du ciment et du tubage, ou à d’éventuelles migrations de fluides près du puits. Les fibres optiques ne remplacent pas la sismique, la géochimie ou les mesures de surface, mais elles ajoutent une couche de surveillance continue à proximité directe des infrastructures d’injection.
Trois types de mesures sont couramment associés à ces systèmes :
DTS (Distributed Temperature Sensing) : le DTS mesure la température le long de la fibre optique. Des variations inhabituelles peuvent indiquer un changement dans les conditions d’injection, une circulation de fluide près du puits ou une anomalie thermique liée à l’intégrité du ciment ou du tubage. Cette mesure est particulièrement utile pour suivre le comportement thermique du puits et repérer des signaux qui méritent une analyse plus approfondie. [5]
DAS (Distributed Acoustic Sensing) : le DAS transforme la fibre optique en capteur acoustique distribué. Il permet d’enregistrer des vibrations et des signaux sismiques le long du puits, ce qui peut servir au suivi sismique, à l’analyse du profil d’injection ou à la détection de certains événements associés aux écoulements et à l’intégrité du puits. [5]
DSS (Distributed Strain Sensing) : le DSS mesure les déformations mécaniques le long de la fibre. Il peut fournir des informations sur les déformations du puits et, combiné à une interprétation géomécanique, contribuer à évaluer les contraintes et les réactions mécaniques du système puits-réservoir. [6]
En pratique, l’intérêt des fibres optiques réside surtout dans leur capacité à fournir une surveillance continue, localisée et complémentaire. Les données obtenues doivent toutefois être interprétées avec les autres observations du site, car une variation de température, de vibration ou de déformation ne signifie pas automatiquement qu’il y a une fuite. Elle constitue plutôt un signal à analyser dans le contexte géologique et opérationnel du projet.
Géochimie des eaux souterraines et surveillance de surface
La surveillance géochimique vise à repérer des changements dans la composition des eaux souterraines qui pourraient indiquer une migration du CO₂ ou de fluides profonds vers des aquifères situés au-dessus du réservoir. Elle ne consiste donc pas seulement à chercher du CO₂ directement, mais aussi à observer les réactions chimiques qui peuvent se produire lorsque l’eau, la roche et les fluides de formation interagissent.
Dans un programme de monitoring, plusieurs paramètres géochimiques peuvent être suivis :
pH et composition chimique de l’eau : une diminution du pH ainsi que des changements dans les concentrations de certains éléments dissous peuvent accompagner l’arrivée de CO₂ dans les eaux souterraines ;
éléments dissous : des éléments comme Na, K, Ca, Sr et Si peuvent évoluer en réponse aux interactions entre le CO₂ dissous, l’eau et les minéraux de l’aquifère ;
traceurs isotopiques : la composition isotopique du carbone inorganique dissous (δ¹³C) et le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr peuvent contribuer à suivre le déplacement d’un panache de CO₂ et à mieux comprendre les réactions géochimiques qui l’accompagnent. [7]
Dans une étude expérimentale où du CO₂ dissous a été introduit de façon contrôlée dans un aquifère, Newell et al. ont observé que l’arrivée du panache dans les puits de surveillance s’accompagnait d’une diminution du pH et de variations dans la concentration de plusieurs éléments dissous. Les variations de δ¹³C et de ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ont également permis de suivre le déplacement du panache et certaines réactions entre le CO₂, l’eau souterraine et les minéraux de l’aquifère. [7] Ces observations illustrent l’intérêt de combiner plusieurs indicateurs géochimiques afin de détecter et d’interpréter d’éventuels changements dans les eaux souterraines.
La surveillance de surface complète cette approche en observant ce qui se passe au niveau du sol et dans l’air au-dessus du site. Les objectifs sont différents, mais complémentaires :
les chambres d’accumulation mesurent les flux de CO₂ émis par le sol à des points précis ;
la covariance des tourbillons, ou eddy covariance, mesure les échanges de CO₂ entre le sol et l’atmosphère sur une zone plus large ;
la télédétection atmosphérique, notamment avec des outils comme le DIAL, peut être utilisée pour cartographier des concentrations anormalement élevées de CO₂. [9]
Ces méthodes doivent toutefois être interprétées avec prudence, car les sols produisent naturellement du CO₂ par la respiration des racines et la décomposition de la matière organique. Ces émissions varient selon les saisons, l’humidité, la température et les caractéristiques locales du terrain. Des mesures de référence avant l’injection sont donc essentielles pour établir le niveau de fond naturel et distinguer une variation normale d’un signal inhabituel. La surveillance géochimique et la surveillance de surface s’intègrent ainsi dans un programme de monitoring multicouche, où chaque mesure contribue à vérifier si le CO₂ demeure confiné et si le site évolue conformément aux attentes.
Tableau I — Principales technologies de monitoring du CO₂ stocké selon la profondeur et l'objectif
| Technologie | Zone surveillée | Type de mesure | Objectif |
|---|---|---|---|
| Sismique 4D (temps-lapse) | Réservoir profond | Indirecte (géophysique) | Suivi du panache, vérification du caprock |
| DAS / DTS / DSS (fibres optiques) | Puits (surface → réservoir) | Distribuée : acoustique/sismique, température, déformation | Intégrité et comportement du puits, profils d'injection, signaux géomécaniques |
| Surveillance géochimique des eaux | Aquifères intermédiaires | Directe (chimique) | Détection de migration vers les eaux souterraines |
| Flux de sol / chambres d'accumulation | Surface | Directe (flux gazeux) | Détection de fuites en surface |
| DIAL / eddy covariance | Atmosphère | Optique / micrométéorologique | Cartographie des concentrations et estimation des flux atmosphériques |
| InSAR (satellite) | Surface | Indirecte (déformation) | Déformation de surface; inférence des changements de pression et du comportement géomécanique |
| Microsismicité | Réservoir / caprock | Indirecte (acoustique) | Détection de glissements sur failles, comportement du caprock |
InSAR et microsismicité : surveiller l’intégrité géomécanique du site
En plus de suivre directement le CO₂ dans le réservoir, un programme de monitoring doit aussi observer la réaction mécanique du sous-sol à l’injection. L’augmentation de pression peut provoquer de légères déformations, modifier les contraintes autour du réservoir ou réactiver de petites discontinuités géologiques. Ces signaux ne mesurent pas directement la présence de CO₂, mais ils aident à évaluer la stabilité du réservoir, du caprock et des structures environnantes.
Deux approches sont particulièrement pertinentes pour ce type de surveillance :
InSAR, pour détecter les déformations de surface : l’interférométrie radar par satellite compare des images radar prises à différents moments afin de mesurer des déplacements très faibles de la surface, parfois à l’échelle millimétrique. Dans un contexte de stockage géologique du CO₂, ces déformations peuvent indiquer des changements de pression en profondeur. L’InSAR permet ainsi de suivre indirectement le comportement géomécanique du réservoir et du caprock, à condition d’interpréter les résultats avec des modèles adaptés. [4]
Microsismicité, pour écouter les réactions du sous-sol : la surveillance microsismique détecte de petits événements microsismiques associés aux changements de pression et aux déformations dans ou autour du réservoir. La localisation et la caractérisation de ces signaux peuvent renseigner sur le comportement mécanique des roches, la présence de failles actives ou l’évolution des contraintes. Ces événements ne doivent pas être automatiquement interprétés comme des signes de fuite ; leur signification dépend du contexte géologique, du type de roche et de l’historique d’injection.
Ces méthodes complètent la sismique, la géochimie et les mesures de surface. Leur intérêt principal est de fournir une lecture indirecte de l’intégrité géomécanique du site, en aidant à repérer les changements qui pourraient nécessiter une analyse plus approfondie.
Conclusion
Le monitoring du CO₂ stocké repose sur une combinaison de mécanismes géologiques naturels et de technologies de surveillance complémentaires. Du réservoir profond jusqu’à la surface, ces outils permettent de suivre le comportement du CO₂, d’évaluer l’intégrité du caprock et de détecter d’éventuelles anomalies. Selon le GIEC, pour des sites bien sélectionnés et bien gérés, il est très probable que plus de 99 % du CO₂ injecté soit retenu pendant les 100 premières années, et probable que cette rétention dépasse 99 % sur 1 000 ans. [1]
Cette surveillance répond aussi à un enjeu de confiance. Dans un contexte où les réductions d’émissions doivent être mesurées, vérifiées et comptabilisées avec rigueur, démontrer que le CO₂ reste confiné devient une condition essentielle pour la crédibilité des projets de stockage géologique. Chaque site possède ses propres caractéristiques, ce qui exige une approche adaptée aux conditions locales et aux risques potentiels.
Le stockage géologique du CO₂ illustre ainsi le rôle central de la compréhension du sous-sol dans la transition énergétique. Géologie, ingénierie et réglementation doivent y fonctionner ensemble pour répondre à des objectifs à la fois techniques, environnementaux et climatiques.
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Note: Les informations présentées dans cet article sont de nature générale et informative. Elles ne constituent pas un avis technique, réglementaire ou opérationnel, et ne doivent pas être interprétées comme une représentation des projets, travaux de terrain ou engagements spécifiques de Squatex dans le domaine du CCUS
Références
[1] Intergovernmental Panel on Climate Change. "Underground Geological Storage." Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, 2005, pp. 195–265. IPCC, https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_chapter5-1.pdf.
[2] Corlay, Q., L. Tortarolo, and L. Souche. "4D Seismic Monitoring of Sleipner Field Leveraging a New Quantitative 4D Time-Shift Estimation Workflow." World CCUS Conference 2025, European Association of Geoscientists & Engineers, Sept. 2025, vol. 2025, pp. 1–5. EarthDoc, https://www.earthdoc.org/content/papers/10.3997/2214-4609.202522040.
[3] Fornel, Alexandre, and Audrey Estublier. "To a Dynamic Update of the Sleipner CO₂ Storage Geological Model Using 4D Seismic Data." Energy Procedia, vol. 37, 2013, pp. 4902–4909. Elsevier, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610213006449.
[4] Bohloli, Bahman, et al. "Monitoring CO₂ Storage Sites Onshore and Offshore Using InSAR Data and Strain Sensing Fibre Optics Cables." Proceedings of the 16th Greenhouse Gas Control Technologies Conference (GHGT-16), 2022. SSRN, https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4286039.
[5] Syed, Talib. Fiber-Optic Monitoring of Well Integrity of CO₂ Storage Wells. Ground Water Protection Council, 2023. https://www.gwpc.org/wp-content/uploads/2023/01/CCS_TalibSyed.pdf.
[6] Macquet, Marie, Dana Jurick, Don Lawton, and Artur Guzik. "Using Continuous Fiber Optic for Carbon Storage Monitoring — DSS and DAS Applications from the CMC-CaMI Newell County Facility." GeoConvention 2024, GeoConvention, 2024. https://geoconvention.com/wp-content/uploads/abstracts/2024/103990-using-continuous-fiber-optic-for-carbon-storage-mo.pdf.
[7] D.L. Newell, T.E. Larson, G. Perkins, J.D. Pugh, B.W. Stewart, R.C. Capo, R.C. Trautz, Tracing CO2 leakage into groundwater using carbon and strontium isotopes during a controlled CO2 release field test, International Journal of Greenhouse Gas Control, Volume 29, 2014, Pages 200-208, https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2014.08.015.
