Recherche

L’Institut des Sciences de la Terre de Paris (ISTeP) est un laboratoire de géologie, tourné vers une recherche fondamentale aux orientations scientifiques larges, mais soucieux d’opérer un transfert de son expertise vers une recherche appliquée répondant aux nouvelles préoccupations sociétales et aux nouveaux enjeux de la transition environnementale.

L’ISTeP actuel est né de la fusion en 2025 de l’ISTeP pré-existante (créé en 2009) et de l’ancien Laboratoire Géosciences et Environnement Cergy (GEC).

Avec pour tutelles CY Cergy Paris Université, Sorbonne Université et le CNRS, l’ISTeP rassemble 131 chercheurs, enseignants-chercheurs, doctorants, ingénieurs, techniciens et administratifs, sur deux sites : le campus de Neuville-sur-Oise et le campus Jussieu - Pierre et Marie Curie.

L’ISTeP se compose de 4 équipes de recherche :

• PRISME : Pétrophysique des Réservoirs et des Interfaces fluidesroches, Structures, géo-Matériaux et géo-Environnement
• PETROGEODYN : Pétrologie et Géodynamique
• TERREMER : TerreMer, structures et archives
• TECTONIQUE : Tectonique et déformation

Et de 3 axes transverses :

• ALEAS NATURELS : gravitaire, sismique, volcanique et morphohydro-climatique
• TRANSITION : ressources énergétiques décarbonées H₂ et géothermie, séquestration du CO₂, minerais stratégiques (Terres Rares et Li), matériaux nouveaux et patrimoniaux.
• MEDITERRANEE : chantier thématique regroupant les travaux ayant pour thème la géologie de la méditerranée et de sa périphérie

Les travaux de l’ISTeP visent à une meilleure compréhension des processus géologiques qui contrôlent et/ou accompagnent la dynamique de la lithosphère, depuis la surface (reliefs, érosion, sédimentation, paléoenvironnements et paléoclimats, interactions volcanisme-atmosphère, aléas naturels) jusqu’à la profondeur (tectonique profonde, métamorphisme et fluides, fusion partielle et dynamique mantellique), à des échelles de temps de la centaine de Ma (long terme) à la seconde / minute (court terme). Sa démarche s’appuie fondamentalement sur les observations de terrain et la représentation expérimentale des processus, avec une expertise historique largement reconnue dans ces domaines. L'approche adoptée est résolument pluridisciplinaire, avec un champ d’expertises continu qui s’étend depuis le terrain jusqu’à la modélisation numérique à différentes échelles, en passant par l’acquisition et le traitement de données géologiques et géophysiques à terre et en mer et par l’analyse pétrologique et géochimique haute résolution des matériaux (minéraux, agrégats, magmas).

Plus d’infos sur l’ISTeP : site web dédié http://istep.upmc.fr/fr/index.html

Équipe de Direction : Pr Loïc LABROUSSE (ISTeP Sorbonne Université), Pr Béatrice LEDESERT (ISTeP CY Cergy Paris Université), Pr Hélène BALCONE-BOISSARD (ISTeP Sorbonne Université)

Ecole doctorale de rattachement pour les Enseignants-Chercheurs CYU de l’ISTeP : ED Sciences et Ingénieurie (ED SI – n°417) https://collegedoct.cyu.fr/ecoles-doctorales/ecoles-doctorales/sciences-et-ingenierie

 

L’équipe PRISME

Responsable : Pr Franck BOURDELLE

 

L’équipe PRISME (Pétrophysique des Réservoirs et des Interfaces fluides-roches, Structures, géo-Matériaux et géo-Environnement) est essentiellement basée à Neuville-sur-Oise (CY Cergy Paris Université). Elle associe des Géologues, Expérimentateurs et Modélisateurs pour l’étude pétrophysique, géochimique et mécanique des roches, des structures géologiques et des interfaces fluide/solide, de l’échelle du grain à celle du géosystème. L’équipe s’intéresse tout particulièrement aux systèmes de surface et subsurface, tel que les réservoirs ou les géomatériaux. Couplant approches fondamentale et appliquée, la recherche de l’équipe PRISME présente des domaines d’application larges, comme les nouvelles ressources (géothermie, métaux de la transition énergétique…) ou encore la géologie « anthropique » (stockage, construction et patrimoine), avec une démarche contribuant à lier Géosciences et problématiques environnementales.

Forte d’une dizaine d’enseignants-chercheurs, elle développe sa recherche autour de 3 thèmes prioritaires :

• L’étude des réservoirs, que ce soit pour la géothermie, le stockage de CO2, les ressources en eau (aquifères)
• Les aléas naturels et les forçages anthropiques
• Les nouveaux matériaux et la préservation du patrimoine bâti

L’équipe PRISME dispose d’une large gamme d’appareils de préparation d’échantillons, de simulation, d’expérimentation, d’analyse et de mesure, sur un plateau technique de pointe. Voir onglet « équipement ». L’ISTeP fait également partie de la fédération de laboratoires I-Mat de CY Cergy Paris Université, et dispose d’un accès à sa plateforme analytique (https://cyimat.cyu.fr). L’ISTeP accueille également la plateforme d’impression 3D de structures géologiques U-Maker de CY Cergy Paris Université (https://cyumaker.cyu.fr/)

Les membres de l’équipe PRISME sont également très fortement impliqués dans la diffusion des savoirs. Ils font tous partis du Département d’enseignement Géosciences et Environnement Cergy de CY Cergy Paris Université. Voir onglet « Enseignement et Diplômes ».

 

Thèmes et projets scientifiques

 

– Pétrophysique des réservoirs, structure, mécanique des interactions fluide-roche
 

En pétrophysique et en géomécanique, PRISME étudie l’impact de la substitution de fluides sur les propriétés des roches réservoir, en développant des expériences en laboratoire combinant injection de fluides et monitoring géophysique. Une méthodologie originale a été développée visant à minimiser l’effet purement mécanique associé au changement de contraintes effectives au cours de l’injection (qui se fait à très faible pression) afin d’isoler l’effet physico-chimique affaiblissant des fluides. Cette procédure montre que le simple fait d’injecter de l’eau, sans variation notable de l’état de contrainte, dans une roche réservoir soumise à un chargement déviatorique important suffit à déclencher des instabilités mécaniques induites par le phénomène de « water weakening ». Dans ce contexte, l’équipe PRISME a étudié le comportement de craies du bassin de Paris en collaboration avec l’Université de Mons (Belgique), avec des applications dans le domaine de la stabilité mécanique d’ouvrages souterrains soumis aux battements de nappe (exemple : la carrière de La Malogne en Belgique).

L’équipe PRISME développe également des codes numériques pour simuler la propagation des ondes sismiques à l’échelle de l’échantillon pour mieux comprendre la complexité des signaux enregistrés pendant les essais d’injection de fluides. Cette étude s’insère dans un cadre plus général de développement d’un laboratoire numérique qui permet par l’utilisation de codes de simulation d’aider à la compréhension des observations et de tester des modèles théoriques. Ainsi a été mis au point un code de propagation des ondes sismiques dans un échantillon hétérogène 3D en pouvant utiliser des rhéologies (visco)élastique anisotrope TI.

Cette approche autour de l’étude mécanique de l’interaction fluide/roche est complétée par l’étude microstructurale de l’espace poreux des réservoirs (volume, forme, orientation préférentielle) et son suivi de l’effet des sollicitations expérimentales en laboratoire et naturelles, sur le terrain. Une des activités historiques de PRISME et GEC avant elle a consisté à développer tout un arsenal de méthodes et de protocoles permettant de mesurer l’anisotropie des propriétés pétrophysiques (élastiques, électriques, magnétiques) sur ces roches réservoirs à la fois en laboratoire et sur le terrain. Ces approches permettent de suivre l’évolution des capacités réservoir des roches étudiées (porosité, perméabilité) mais aussi d’étudier les paramètres modifiant ces propriétés (contraintes, déformations, température). Dans les roches sédimentaires, le focus est porté actuellement sur l’étude de l’influence de la diagenèse sur l’évolution de la porosité et de la perméabilité. Plusieurs chantiers sont actifs sur le sujet. Ils sont de nature géologique avec la caractérisation de la microdéformation et son influence sur les circulations de fluides à l’échelle des nappes phréatiques (collaboration ENI de Sfax, Tunisie) et sur le bassin de Paris où est étudié l’enregistrement d’une déformation ténue dans les série mésozoïque et cénozoïque grâce à nos méthodes sensibles (thèse RGF-BRGM). Une approche plus expérimentale consiste à simuler en laboratoire la consolidation d’un système sédimentaire de type oolithique sous l’effet de la circulation des fluides, en l’occurrence la simulation des battements de la nappe phréatique.

En complément du laboratoire numérique, l’équipe PRISME développe des méthodes numériques pour l’imagerie et la caractérisation des réservoirs en utilisant principalement les ondes sismiques. La simulation numérique de l’équation des ondes (visco)élastique est utilisée pour cet objectif à travers le problème inverse appelé “fullwave inversion” (FWI). La spécificité ici est d’appliquer ces méthodes à la sismique de puits.

L’obtention d’information sur plusieurs champs de paramètres permet de caractériser les réservoirs (physiquement puis lithologiquement, ou bien la part fluide) ainsi que l’évolution de leurs propriétés lors de leur exploitation (p.ex. monitoring de l’injection de CO2). Cette recherche est menée en étroite collaboration avec le bureau d’études R&D GIMLabs.

 

– Géothermie, géochimie des interactions fluide-roche
 

La géothermie est une thématique forte de l’équipe PRISME avec l’obtention de plusieurs financements d’importance : ADEME-Investissements d’avenir (consortium national Geotref, 2015 – 2023+); Programme européen H2020 (consortium MEET); IFPEN; Alliance EUTOPIA de huit universités européennes dont CY est membre.

Les travaux en cours et à venir concernent la détermination des chemins de circulation des fluides, la caractérisation des propriétés des réservoirs géothermiques poreux et fracturés en milieux variés (granitique, volcanique, sédimentaire détritique) et le rôle des argiles dans les systèmes géothermiques. Les données pétrographiques et structurales acquises sur l’affleurement et en forage permettent la mise en évidence d’interactions fluide-roche (IFR) caractéristiques de la circulation de fluides naturels et donc les chemins probables de circulation des fluides produits ou injectés dans les réservoirs géothermiques pour produire de l’électricité. Lorsque des IFR ne sont pas identifiées, la structure et la géométrie des zones perméables sont caractérisées afin de déterminer le potentiel de la ressource, en collaboration avec des chercheurs d’autres disciplines (collaborations avec AMGC Bruxelles, Belgique; Taeknisetur, Islande ; Electricité de Strasbourg Géothermie ; UniLaSalle Beauvais ; ENSG Nancy ; U. Nice Sophia Antipolis).

La géothermie, tout comme l’étude thermique des bassins/réservoirs ou le stockage géologique profond, requiert des outils géochimiques puissants, fondés sur les témoins des IFR – minéraux argileux au sens large, notamment la chlorite ; inclusions fluides – et la matière organique. L’équipe PRISME porte à cet égard une attention particulière au développement ou au perfectionnement d’outils géochimiques et thermométriques, en couplant approche expérimentale et méthodologies innovantes. Aussi, l’équipe développe une plateforme expérimentale munie d’autoclaves instrumentés permettant de simuler les interactions fluide-roche des géosystèmes tout en les caractérisant chimiquement et minéralogiquement, et dispose de l’appareillage utile à l’application des outils (MEB, Raman, plateforme IF). D’un point de vue méthodologique, l’équipe PRISME propose une expertise dans l’analyse de la nanoéchelle à celle du grain, grâce à un savoir-faire en microscopie, microthermométrie et analyse de pointe type RX, rayonnement synchrotron (STXM-XANES). Au delà du développement, l’application de ces outils est un point fort de PRISME, que ce soit (1) en recherche fondamentale : étude thermométrique du massif ardennais, du bassin houiller Nord-Pas de Calais, de bassins carbonifères marocains, étude de la dynamique du prisme de la chaîne tello-rifaine (thèse d’A. Atouabat en co-tutelle avec Roma Tre Univ.) ; (2) à l’interface entre recherche fondamentale et appliquée : par exemple avec l’étude du paléo-système géothermal de Terre-de-Haut, Guadeloupe (thèse soutenue de G.Beauchamp) ; (3) en recherche appliquée/industrielle : e.g. collaboration avec l’Andra sur l’étude géochimique/minéralogique du stockage géologique profond des déchets radioactifs. Ces quelques projets démontrent une thématique de recherche résolument tournée vers les problématiques environnementales et sociétales, et intégrée en cohérence au sein de PRISME avec un couplage géochimie/mécanique des interactions fluides-roches comme perspective forte.

 

– Matériaux de construction et patrimoniaux
 

L’axe de recherche sur les matériaux de construction concerne la résilience énergétique et climatique du secteur du bâtiment. Il s’agit d’un projet transdisciplinaire qui associe les 4 laboratoires de la fédération I-Mat de CY, à savoir l’ISTeP, le LPPI (Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces), le L2MGC (Laboratoire de Mécanique et Matériaux de Génie Civil) et ERRMECe (Equipe de Recherche sur les Relations Matrice Extracellulaire-Cellule). L’objectif visé est la résilience énergétique et climatique du secteur du bâtiment par l’utilisation d’une technologie de matériaux à changement de phase (MCP) à transition solide-solide, technique qui a été brevetée (Harlé et al., 2016). Les travaux récents de l’équipe PRISME a mis en évidence un problème de solubilité partielle avec l’eau de gâchage des matériaux cimentaires et gypseux (Plancher et al., 2022) démontrant une incompatibilité avec les processus de fabrications des matériaux de construction les plus courants. L’objectif dorénavant est d’étudier l’intégration de cette technologie dans des systèmes constructifs préfabriqués alvéolaires comme des briques et blocs bétons creux. Une autre piste envisagée concerne l’incorporation des MCP dans des briques de terre crue compressée, matériau connaissant un regain d’intérêt dans un contexte d’économie circulaire.

Concernant les matériaux patrimoniaux, l’équipe développe deux grands thèmes, de nature essentiellement expérimentale. Le premier est la conservation et la restauration soutenables du patrimoine bâti. Les travaux récents de l’équipe ont porté sur le développement de nouveaux mortiers de restauration éco-soutenables, via un programme européen (RISE EU MSCA, “SCORE”, 2021-25) piloté par un membre de PRISME. La dégradation des matériaux granulaires par les sels est un autre aspect au long cours de ce thème, et la consolidation des pierres avec des nanoparticules constitue un troisième aspect, plus récent. Le deuxième grand thème est l’étude des impacts futurs du changement climatique et de la pollution sur le patrimoine bâti. Cette approche encore expérimentale consiste à simuler le changement climatique en enceinte climatique à partir des modèles de Météo-France et ECOS-RUNSALT. Les applications possibles dans la conservation du patrimoine culturel de la méthodologie développée sont (i) la prédiction du comportement futur des matériaux de construction du patrimoine culturel en utilisant des modèles climatiques et (ii) une aide à la détermination des conditions optimales pour éviter, autant que possible, les dommages causés par le sel.

 

– Collaborations

 

Nombreuses collaborations internationales avec le Maghreb (ENI de Sfax, Tunisie, Craag Algérie), Univ. de Lund (Suède), quatorze équipes de cinq pays dans le projet européen MSCA RISE, CSIRO (Perth, Australie), Univ Mons et Vrije Universiteit (Belgique), Université d’Oviedo (Espagne), Univ. de Miami (USA), UMass Amherst (USA), swisstopo (Suisse), Taeknisetur (Islande), Electricité de Strasbourg Géothermie, UniLaSalle Beauvais, ENSG Nancy, U. Nice Sophia Antipolis.