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Mémoire de fin d’étude en vue de l’obtention du diplôme

d’Ingénieur GéologueIngénieur GéologueIngénieur GéologueIngénieur Géologue

EVALUATION DU POTENTIEL

GEOTHERMIQUE DU PROSPECT DE

RANOMAFANA-BETAFO

par

MAMITIANANOMENJANAHARY Annie Denise

Le 31 janvier 2014

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT DE GEOLOGIE

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Promotion 2011

Mémoire de fin d’étude en vue de l’obtention du diplôme

d’Ingénieur Géologue Ingénieur Géologue Ingénieur Géologue Ingénieur Géologue

EVALUATION DU POTENTIEL

GEOTHERMIQUE DU PROSPECT DE

RANOMAFANA-BETAFO

par

MAMITIANANOMENJANAHARY Annie Denise

Soutenu publiquement le 31 janvier 2014,

devant les membres du jury composé de

Président : Monsieur MANDIMBIHARISON Aurélien

Examinateurs : Madame RAHARIJAONA RAHARISON Léa Jacqueline

Monsieur RAKOTONINDRAINY

Monsieur ZOKIMILA Niainarivony Pierre

Rapporteur : Monsieur ANDRIANAIVO Lala

Co-rapporteur : Madame RAMASIARINORO Voahanginirina

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT DE GEOLOGIE

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MEMOIRES DE FIN D’ETUDES, Géologie, ESPA 2011 Page | i

REMERCIEMENTS

En premier lieu, permettez-moi d’exprimer ma gratitude à Dieu tout puissant pour sa bénédiction, et pour m’avoir donné force, santé, et courage pour que j’aie pu terminer ce mémoire.

Je tiens aussi à exprimer mes vifs remerciements :

- au Professeur ANDRIANARY Philippe Antoine, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo qui m’a bien permis d’être parmi les étudiants bénéficiant des formations d’ingénieurs dans son établissement et pour m’avoir permis de soutenir ce mémoire ;

- à Monsieur MANDIMBIHARISON Aurélien, Maître de Conférences, Chef du Département de la Géologie et Président de Jury de ce mémoire ;

- à Monsieur ANDRIANAIVO Lala, Professeur à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo, mon encadreur, pour l’efficience de son encadrement, pour sa bienveillance au bon déroulement de ce travail, et qui n’a aménagé ni son temps, ni ses expériences pratiques pour m’apporter ses précieux conseils, afin de mener à terme ce mémoire.

Je tiens à témoigner toute ma gratitude à :

- Madame RAHARIJAONA RAHARISON Léa Jacqueline, Géologue, Maître de Conférences à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo ;

-Madame RAMASIARINORO Voahanginirina, Professeur à la Faculté des Sciences ;

- Monsieur RAKOTONINDRAINY, Professeur titulaire à l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo ;

-Monsieur ZOKIMILA Niainarivony Pierre, enseignant à l’l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo

pour leur amabilité de bien vouloir être les membres de jury de ce mémoire ;

Je tiens à remercier également,

- Mes parents, toute ma famille, pour m’avoir soutenue moralement, matériellement et financièrement tout au long de mes études et qui m’ont encouragée durant ce travail.

- Tous mes amis et mes collègues pour leur précieuse aide

- Tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à l’élaboration de cet ouvrage

Merci à tous.

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LISTE DES FIGURES Figure 1: Carte de localisation de la zone d'étude ................................................................................... 2

Figure 2: Organigramme de la méthodologie de travail .......................................................................... 4

Figure 3: Carte des domaines géologiques de Madagascar ..................................................................... 6

Figure 4: Carte du volcanisme de Madagascar ........................................................................................ 8

Figure 5: Carte géologique de la zone d'étude ....................................................................................... 12

Figure 6: Gradient géothermique .......................................................................................................... 27

Figure 7: Source près des rizières .......................................................................................................... 32

Figure 8: Sources aveugles dans le lit de la rivière Iandratsay .............................................................. 33

Figure 9 : Source captée et aménagée en borne fontaine ...................................................................... 33

Figure 10: Source captée alimentant les nouvelles installations ........................................................... 34

Figure 11: Piscine alimentée par captage de source thermale ............................................................... 34

Figure 12: Diagramme ternaire Na+K-Ca-Mg ...................................................................................... 37

Figure 13: Diagramme ternaire Cl-SO4-CO2 ......................................................................................... 38

Figure 14: Diagramme Na/1000-K/100-Mg1/2 ...................................................................................... 39

Figure 15: Carte des trajectoires de fractures de la zone géothermale d’Andranomafana-Betafo et ses environ ................................................................................................................................................... 43

Figure 16: Carte du réseau hydrographique .......................................................................................... 43

Figure 17: : Carte des channel segments de la zone géothermale d’Andranomafana-Betafo et ses environs ................................................................................................................................................. 44

Figure 18: Rosace des trajectoires de fractures ..................................................................................... 47

Figure 19: Rosace des channel segments .............................................................................................. 47

Figure 20 :Schéma stratigraphique du site géothermal d’Andranomafana-Betafo ............................... 50

Figure 21: Séchage à courants croisés ................................................................................................... 56

Figure 22: Schéma du principe de fonctionnement d’une pompe a chaleur .......................................... 57

Figure 23 :Schéma du principe de fonctionnement d’un sécheur silo ................................................... 59

Figure 24: Courbe de tendance de la température limite de refroidissement par rapport à la température de l’air chaud ......................................................................................................................................... 60

Figure 25: Courbe de tendance de la consommation thermique spécifique minimale par rapport à la température de l’air chaud ..................................................................................................................... 60

Figure 26: Courbe de tendance de la consommation thermique spécifique minimale par rapport à la température de l’air ambiant .................................................................................................................. 61

Figure 27: Schéma de principe de la boucle thermodynamique ............................................................ 66

MEMOIRES DE FIN D’ETUDES, Géologie, ESPA 2011 Page | iii

LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Ordre chronologique et ordre d’émission des roches de l’Ankaratra .................................. 11

Tableau 2: Effectif de la population de la région Vakinankaratra ......................................................... 17

Tableau 3 : Types d’eau selon la température ....................................................................................... 23

Tableau 4 : Types d’eau selon la composition chimique....................................................................... 24

Tableau 5: Les différentes formes de géothermie ................................................................................. 26

Tableau 6: Conductivité thermique de divers types de roche à température ambiante ........................ 28

Tableau 7: Diagramme de Lindal .......................................................................................................... 30

Tableau 8: Paramètres organoleptiques et température de l’eau thermale de Ranomafana-Betafo. ..... 35

Tableau 9: Mesures des paramètres physico-chimiques de l’eau thermale Andranomafana-Betafo .... 36

Tableau 10: Concentrations relatives en (Na+K), Ca et Mg ................................................................. 37

Tableau 11: Concentrations relatives en Cl, SO4 et CO2 ....................................................................... 38

Tableau 12: Concentrations relatives en Na/1000, K/100 et Mg1/2 ....................................................... 39

Tableau 13 : Températures calculées à partir de quelques géothermomètres ....................................... 40

Tableau 14: Statistique des trajectoires de fractures relevées dans la zone d’étude .............................. 45

Tableau 15 : Statistiques des channel segments relevés dans la zone d’étude ...................................... 45

Tableau 16 : Composition chimique des eaux thermales d’Antsirabe .................................................. 51 Tableau 17: Composition chimique des eaux thermales de Betafo ....................................................... 51

Tableau 18: Températures estimées en profondeur des eaux thermales d’Antsirabe ............................ 52

Tableau 19: Températures estimées en profondeur des eaux thermales d’Andranomafana-Betafo ...... 52

Tableau 20: Tableau récapitulatif de la comparaison des sites d'Antsirabe et Betafo ........................... 53

Tableau 21 : Bases de calcul de la puissance possible .......................................................................... 58

Tableau 22: Caractéristiques du procédé du séchage silo ..................................................................... 59

Tableau 23: Température limite de refroidissement et consommations spécifiques minimales .......... 60

Tableau 24 : Consommations thermiques spécifiques minimales ......................................................... 61

Tableau 25: Puissances nécessaires en fonction de la température de l’air chaud ................................ 62

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LISTE DES ABREVIATIONS BD : Base de données BP : Basse Pression COP : Coefficient de Performance E : Est EPP: Ecole Primaire Publique GNS : Geological and Nuclear Sciences HP : Haute Pression Hab : Habitant JIRAMA : Jiro sy Rano Malagasy N : Nord NM : Norme Malagasy PAC : Pompe à Chaleur PGRM : Projet de Gouvernance des Ressources Minérales RN : Route Nationale S : Sud T : Température VMA : Valeur Maximale Admissible W : Ouest

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LISTE DES UNITES

l : Litre

s : Seconde

h : Heure

Ma : Millions d'années

Ga : Giga-années (milliards d’années)

°C : Degré Celsius

°K : Degré Kelvin

cm : Centimètre

m: Mètre

km : Kilomètre

mg: Milligramme

g: Gramme

kg: Kilogramme

t: Tonne

mW: Milliwatt

W: Watt

kW: Kilowatt

mcal: Millicalorie

cal: Calorie

kcal: Kilocalorie

LISTE DES SYMBOLES CHIMIQUES

Ca: Calcium Cl: Chlorure CO2: Dioxyde de carbone H2S: Dihydrogène sulfurée K: Potassium Mg: Magnésium Na: Soude SiO2: Silice SO4: Sulfate

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SOMMAIRE REMERCIEMENTS ................................................................................................................................ i

LISTE DES FIGURES ............................................................................................................................ ii

LISTE DES TABLEAUX ...................................................................................................................... iii

LISTE DES ABREVIATIONS .............................................................................................................. iv

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................. 1

CHAPITRE 1 : CADRE GEOLOGIQUE ............................................................................................... 5

1-1-GEOLOGIE DE MADAGASCAR .............................................................................................. 5

1-2-GEOLOGIE D’ANTSIRABE-BETAFO .................................................................................... 12

CHAPITRE 2 : CADRE GEOGRAPHIQUE ........................................................................................ 17

2-1-GEOGRAPHIE PHYSIQUE ET ADMINISTRATION ............................................................. 17

2-2-GEOGRAPHIE SOCIO-ECONOMIQUE .................................................................................. 19

CHAPITRE 3 : LA GEOTHERMIE ..................................................................................................... 21

3-1 LES SOURCES THERMALES .................................................................................................. 21

3-2-LA GEOTHERMIE .................................................................................................................... 25

CHAPITRE 4 : LE PROSPECT GEOTHERMIQUE DE BETAFO .................................................... 32

4-1-ETUDES DES SOURCES THERMALES DE BETAFO ......................................................... 32

4-2-CADRE GEOLOGIQUE ET STRUCTURAL DU PROSPECT ............................................... 41

4-3-COMPARAISON ENTRE LE SITE GEOTHERMAL D’ANTSIRABE ET CELUI DE BETAFO ........................................................................................................................................... 48

CHAPITRE 5 : POSSIBILITES D’USAGES DE LA GEOTHERMIE A BETAFO ........................... 54

5-1 MODELE DE MONTAGE D’UNE UNITE DE SECHAGE ..................................................... 54

5-2-ETUDE D’UNE MICROCENTRALE GEOTHERMIQUE A RANOMAFANA-BETAFO ... 63

MEMOIRES DE FIN D’ETUDES, Géologie, ESPA 2011 Page | 1

INTRODUCTION GENERALE La politique énergétique de Madagascar vise à mettre en valeur ses ressources énergétiques localement disponibles en vue de la limitation au strict minimum l’importation d’énergie et, par suite de réduire sa dépendance énergétique. Par ailleurs le développement économique du pays repose en grande partie sur sa capacité à satisfaire les demandes énergétiques des différents secteurs concernés.

A Madagascar, l’énergie produite par les centrales hydroélectriques ne satisfait pas les besoins de l’ensemble du pays. Ainsi un très grand nombre de centrales thermiques est encore utilisé. Le potentiel hydroélectrique est très important et depuis quelques années le Ministère de l’Energie est chargé de promouvoir la production d’énergie propre (éolienne, biomasse, solaires, géothermie, etc.). L’utilisation de l’énergie fossile basée sur des réactions de combustion produit une très grande quantité de gaz à effet de serre. Les technologies de production d’énergie électrique qui permettent d’éviter l’émission de gaz à effet de serre sont nombreuses et variées. L’énergie géothermique est l’une des énergies alternatives les plus propres, les plus accessibles et les moins chères (du point de vue usage direct) du monde entier.

L’effort déployé dans le domaine de la géothermie a débuté par l’enquête de reconnaissance dans le domaine des ressources géothermiques, objet du projet PNUD MAG/77/017, effectuée de 1978 à 1981 par la société Islandaise VIRKIR S.A. Ceci visant à évaluer le potentiel géothermique du pays et consistait en des inventaires, des localisations, des échantillonnages et des analyses chimiques des principales sources thermales identifiées. En 2008, un travail de recherche effectué par "GNS" Company (siège à la Nouvelle Zélande) et conduit par le Dr. Colin Harvey a été entrepris. Ils ont concentré leurs études sur la reconnaissance des traits géothermiques et des jeunes volcans, ainsi que les possibilités d’utilisation de la géothermie à Madagascar. Pour cause de confidentialité le rapport final n’est pas accessible au public. Suite à ses travaux d’exploration effectués dans la Grande Ile, Marshfield Energy PTE Ltd.(installé à Singapour) a déjà programmé l’installation de centrales géothermiques de capacité de moins de 10 mégawatts dans quelques régions de Madagascar. Ce report final de 2008 reste confidentiel.

Face à l’engouement actuel pour les énergies renouvelables, notamment l’énergie géothermique, et en ayant connaissance que Madagascar possède autant de potentiel malheureusement encore très peu exploité, nous nous proposons d’étudier le prospect de Ranomafana-Betafo (figure 1). Nous avons choisi ce site car du point de vue technique et technologique, l’eau thermale de Betafo possède une température de surface (58°C) et un débit assez élevés (0,4l/s) ce qui présage un potentiel assez prometteur. D’où notre thème «Evaluation du potentiel géothermique du prospect de Ranomafana-Betafo»


Figure 1: Carte de localisation de la zone d'étude


Ce travail a pour but d’approfondir les connaissances du site de Ranomafana-Betafo et d’évaluer au mieux son potentiel géothermique afin d’aider au développement de la zone.

La première partie de ce mémoire, consiste en une analyse bibliographique relative à la zone d’étude et la géothermie, elle comprend les chapitres suivants :

• le cadre géologique de la zone d’étude ;

• le cadre géographique de la zone d’étude ; • les généralités sur la géothermie.

La deuxième partie, comprenant les chapitres 4 et 5, rapporte notre travail personnel qui est détaillé comme suit :

• le prospect géothermique de la zone d’étude;

• usages possibles des ressources géothermales de la zone d’étude.

La méthodologie de travail est détaillée dans l’organigramme suivant (figure 2) :


Figure 2: Organigramme de la méthodologie de travail


CHAPITRE 1 : CADRE GEOLOGIQUE Pour bien mener notre étude, il est nécessaire de voir au préalable le contexte général auquel appartient notre prospect, c’est pourquoi nous rappelons dans ce chapitre la géologie de Madagascar et celle de Betafo. Nous nous focaliserons plus sur le socle cristallin de Madagascar, en particulier sur le domaine d’Antananarivo car notre zone d’étude s’y trouve. Nous nous intéresserons aussi au volcanisme d’Ankaratra du fait que notre zone y est clairement liée.

1-1-GEOLOGIE DE MADAGASCAR A première vue, la carte géologique de Madagascar est simple. Dans ses deux-tiers orientaux, l'Île est constituée par un socle Précambrien de schistes cristallins, granites et roches ignées basiques. Il est bordé à l’Ouest et au Nord par des bassins sédimentaires non plissés d’âge Permo-Triassique (couches du Karoo) à Cénozoïque où sont intercalés des basaltes crétacés et à l’Est par une étroite bande de basaltes et rhyolites également crétacés. Cet ensemble est recoupé par quelques grands massifs volcaniques d’âge crétacé à quaternaire.

1-1-1-LE SOCLE CRISTALLIN PRECAMBRIEN (PGRM, 2012)

Du point de vue géologique, le socle Précambrien de Madagascar peut être subdivisé en six grands domaines géologiques : Antongil-Masora, Antananarivo (Tsaratanana), Ikalamavony, Androyen-Anosyen, Bemarivo et Vohibory (figure 3). Leurs limites ne correspondent pas nécessairement à de grandes zones de cisaillement ou à des sutures entre blocs. Trois suites magmatiques singulières recoupent ces domaines. Il s’agit des suites de Dabolava (~1 Ga), Imorona-Itremo (820~760Ma) et Ambalavao-Kiangara-Maevarano (570-520Ma).

Les domaines d’Antongil-Masora et d’Antananarivo

Le centre de l’île est représenté par les terrains d’âge Archéen du domaine Antongil-Masora (à l’est) et du domaine d’Antananarivo (à son contact occidental).

Le domaine d’Antongil-Masora est interprété comme un fragment du craton du Dharwar, en Inde. Le domaine adjacent d’Antananarivo, est caractérisé par la présence de quatre unités de gneiss basiques-ultrabasiques connue sous le nom de « Complexe de Tsaratanàna » et interprétées comme des ceintures de roches vertes métamorphisées.

Dans le schéma d’évolution géodynamique antérieur à cette nouvelle synthèse, les formations métasédimentaires singulières, séparant les domaines d’Antongil-Masora et d’Antananarivo, étaient interprétées comme une zone de suture panafricaine appelée « Suture de Betsimisaraka ». L’existence de cette suture a initialement été avancée pour expliquer l’opposition entre les terrains d’âge mésoarchéen d’affinité indienne du domaine d’Antongil-Masora, et ceux d’âge Néoarchéen du domaine d’Antananarivo, qui seraient d’affinité africaine. Dans ce même schéma, le « Complexe de Tsaratanàna » était considéré comme une seule et même unité lithotectonique charriée sur le socle granito-gneisssique d’Antananarivo au cours de l’orogenèse Panafricaine.


Figure 3: Carte des domaines géologiques de Madagascar (PGRM, 2012)


Le domaine d’Antananarivo forme le substratum de deux bassins sédimentaires formés en cours d’une période d’extension intracontinentale. Les sédiments se seraient déposés légèrement auparavant ou de manière synchrone au magmatisme de la suite d’Imorona-Itsindro, c’est-à-dire au Mésoprotérozoîque entre 820 et 760Ma.

Le domaine d’Antongil est recoupé par un magmatisme plus récent d’âge Paléoprotérozoïque représenté par des filons basiques et des orthogneiss tonalitiques à dioritiques. Certains complexes basiques à ultrabasiques non datés appartiennent également à cet évènement magmatique. Il est à noter que les images du magnétisme aéroporté semblent montrer une prolongation de ce réseau filonien d’âge Paléoprotérozoïque dans le domaine d’Antananarivo. Bien que sa signification reste à préciser à Madagascar, notons qu’un magmatisme du même âge est également identifié en Inde.

A l’échelle du Gondwana, on remarque que l’architecture et la nature lithologique des blocs de l’archéen de Madagascar sont très similaires à ceux de l’Inde. Ainsi le domaine de l’Antongil-Masora et la partie occidentale du craton de Dharwar sont deux fragments d’un seul et même ensemble d’âge Mésoarchéen. Le domaine Néoarchéen d’Antananarivo, incluant le « Complexe de Tsaratanana »est, quant à lui, très similaire à la partie orientale du craton de Dharwar oriental. Les terrains d’âge Néoarchéen du craton de Dharwar oriental et du domaine d’Antananarivo aient été disposés symétriquement autour d’un noyau d’âge Mésoarchéen constitué par le craton du Dharwar occidental et le domaine d’Antongil-Masora pour former le « Greater Dharwar Craton ».

1-1-2-LES BASSINS SEDIMENTAIRES PHANEROZOÏQUES (Mining journal, 2004)

À la suite de l’orogenèse Panafricaine, le domaine Précambrien malgache est resté émergé jusqu’au Carbonifère, où se dépose des assemblages semblables aux séries du Karoo d’Afrique Australe. La mise en place de ces séries sédimentaires correspond à une phase de rifting intracontinental, le “Rifting Karoo”, phase initiale de la dislocation du Gondwana, dès le Carbonifère Supérieur et jusqu’au Jurassique Inférieur. Les séries du Karoo se déposent dans 3 bassins d'effondrement ou «graben»:

• le Bassin d’Ambilobe dans l'extrême Nord de l'île

• le Bassin de Majunga au Nord-Ouest : second plus grand bassin phanérozoïque de Madagascar, il s'étend sur quelques 400 km selon un axe NE-SW, le long de la côte nord-ouest de Madagascar.

• le Bassin de Morondava au Sud-Ouest : il est le plus grand bassin sédimentaire de l'île, s'étendant sur plus de 1 000 km le long de la côte Ouest du centre-ouest jusqu'à l'extrême sud de l'Île. C'est dans le Sud de ce bassin que sont préservés des dépôts glaciaires spectaculaires en discontinuité sur le socle Précambrien.

Au Néogène, l’ensemble de l’île a subit un basculement généralisé vers l’Est, avec l’activation d’ancienne failles subméridiennes en faille normales conduisant à l’individualisation de petits bassins d’effondrement (Lac d’Alaotra) isolés à sédimentation terrigène à lacustre dans la masse insulaire.


1-1-3-ASSEMBLAGES VOLCANIQUES PHANEROZOÏQUES (Mining journal,2004)

Les roches volcaniques représentent une fraction relativement importante de la superficie de Madagascar dont la distribution est contrôlée par des centres d'émission (Montagne d'Ambre, Tsaratanana, Ankaratra, Itasy, Massif de l'Androy, et quelques autres...) recoupant les 2 ensembles précédents pour le volcanisme récent Cénozoïque (-10 Ma) et Crétacé (Volcan de l'Androy), mais aussi par les bassins sédimentaires côtiers dans lesquels d'importantes successions volcaniques d'âge crétacé sont interstratifiées (figure 4). Elles sont d'affinité tholéiitique, transitionnelle, intermédiaire alcaline à franchement alcaline.

Figure 4: Carte du volcanisme de Madagascar


1-1-3-1/Le Volcanisme Crétacé

C’est au Crétacé que Madagascar s’est séparé définitivement du « continent Gondwana » qui réunissait l’Inde et l’Afrique. Cette dislocation marquée par les grandes failles de la côte Est, a été suivie, d’une part par le soulèvement des Hautes terres telles un énorme « horst », d’autre part, consécutivement à la fracturation N-S, par des épanchements volcaniques fissuraux à dominance basaltique, très étendus et abondants sur toute la périphérie de l’Ile et une partie du Centre Nord des Hauts plateaux.

1-1-3-2/ Le Volcanisme Cénozoïque (Miocène) à Quaternaire

Il s’agit des massifs de l’Ankaratra et de la montagne d’Ambre. Après la grande phase tectonique du Crétacé (fracturation Gondwanienne) c’est au milieu et à la fin du Tertiaire que le soulèvement, le bombement et la fracturation des Hauts plateaux ont repris de l’ampleur, toujours selon une direction sub-méridienne. Il s’en est suivi un volcanisme intense qui a commencé il y a 7 millions d’années dans l’Ankaratra et il y a 9 millions d’années dans la montagne d’Ambre.

La chronologie des évènements s’est déroulée comme suit :

� Mise en place du volcanisme mio-pliocène

Les fissures ouvertes pendant la phase tectonique qui a débuté fin miocène ont livré passage à d’énormes quantités de laves, émises à la fin du Miocène et au Pliocène (7 millions d’années environ).

� Phases d’effondrements volcano-tectoniques

Les émissions considérables de laves au Mio-Pliocène et le bombement continu du socle ont eu pour conséquence au Pliocène des réajustements tectoniques qui se sont traduits par des effondrements le long de lignes de fractures antérieures :

� La faille du Betampona

� La faille du Mandray

� Des cuvettes intra-montagnardes : des fractures situées à l’Ouest de celles du Betampona et au Nord-est du massif granitique de Vavavato, évoluent en faille qui cisaillent le socle cristallin, avec rejet vers l’Est isolant ainsi de petits bassins remplis d’alluvions fluviatiles dont les principaux sont ceux de Faratsiho, de Vinaninony et d’Ambohibary-Sambaina.

� Les venues de volcanisme acide consécutives aux effondrements

La tectonique d’effondrement a occasionné l’émission de laves acides (trachytes et trachy-phonolites) probablement issues de la « fonte » du socle cristallin (riche en silice) effondré. Au Plio-Pléistocène, des extrusions visqueuses sont sorties en de nombreux endroits, jalonnant un certain nombre de fissures du socle. Comme pour la phase initiale de volcanisme acide, il s’agit de dômes et pitons à formes encore bien reconnaissables.


� Les épanchements d’Ankaratrites

Au début du plio-pléistocène, la fracture principale sub-méridienne livre à nouveau passage à un volcanisme basique fissural. Il s’agit de la « série basique moyenne » par opposition avec la « série basique ancienne » Mio-Pliocène. Elle est constituée d’épanchements fluides d’ankaratrites qui achèvent la construction du massif de l’Ankaratra. L’âge de ces émissions a été attribué à environ 3 millions d’années. Il n’y a pas eu une grande interruption entre les deux séries basiques. Actuellement les ankaratrites constituent la crête sommitale déchiquetée de l’Ankaratra à plus de 2200m d’altitude.

1-1-3-3/Volcanisme d’Ankaratra (Bésairie, 1957)

a/Contexte géographique

Le massif de l’Ankaratra, situé à peu près au centre de Madagascar, forme une puissante barrière (Nord-Nord-est, Sud-Sud-ouest) s’étendant du Sud-est d’Arivonimamo jusqu’au Nord-est de Betafo. Cette chaîne d’une longueur de 100km, correspond à un alignement de système volcanique dont les coulées se sont répandues latéralement sur près de 30km, couvrant une surface totale de 3800km². Ce massif volcanique comprend des sommets qui comptent parmi les plus hauts de l’île : le Tsiafajavona (2680m), le Tsiafakafo (2530m), l’Ankavitra (2603m) et l’Ambohimainty (2595m).

b/Contexte géologique

L’ensemble du massif est profondément entaillé par les vallées où apparaît souvent le substratum gneissique. Les deux plus profondes vallées drainées sont celles de l’Ampitambe, affluent de Kitsamby, à direction Nord-Ouest, et celle de l’Ianakitay à direction Nord-Sud ; ces deux rivières ne sont séparées que par une étroite crête basaltique et divisent le massif en deux parties. Dans la partie Nord, l’altitude moyenne du substratum gneissique est d’environ 1400m, alors que dans la partie Sud elle atteint 2000m et plus. Les pentes Nord-est du massif sont très douces. Les flancs Est et Ouest sont creusés de vallées profondes, très larges à fond plat quand elles reposent sur les basaltes, pénétrant jusqu’au cœur du massif avec des pentes faibles, où elles débutent par des abrupts parfois situés au fond de grands cirques. Le bord des plateaux dominant ces vallées montrent de nombreuses coulées de laves souvent sculptées en colonnade. Un certain nombre de coulées ont emprunté le fond des vallées encaissées dans le substratum, par exemple la haute vallée du Kitsamby. Dans la partie centrale du massif, il n’existe plus d’appareils superficiels. Par contre sur les bordures, ces appareils ont été plus ou moins conservés, en particulier dans la région méridionale Betafo-Antsirabe : cratère d’explosion de Tritriva, cônes ébréchés d’Iavoko, d’Antsifotra, d’Ampotombohitra. La région de Soanindrariny présente de pittoresques pitons et dômes trachytiques ou phonolitiques comme le Vontovorona, Iankiana ; de même vers l’Est en direction de l’Onive, dômes de Marovitsika, Indroso, Tsiafakailika…

Les matériaux de projection sont abondants, mais peu apparent car ils ont été particulièrement affectés par la décomposition. D’ailleurs toutes les roches sont très altérées superficiellement et transformées en terre rouge ; presque toute sont couverte de hautes herbes.


c/Contexte pétrographique

Au point de vue pétrographie, il existe deux types de laves : basaltoïdique (prédominant) et trachytoïdique.

Les laves basaltoïdiques : des basaltes avec types minéralogiques variés, compact, riche en zéolithes, a olivine sans feldspath avec de la néphéline et de la mélilite désigné sous le nom d’Ankaratrite.

Les laves trachytoïdiques englobent des rhyolites, trachytes calco-alcalins, trachyphonolites et quelques phonolites.

d/Phénomènes actuels

Les seules manifestations actuelles du volcanisme du massif de l’Ankaratra sont représentées par diverses sources thermo-minérales localisées dans le bassin d’Antsirabe et le bassin de Sambaina. Ces sources donnent à peu près toutes des eaux bicarbonatées sodiques légèrement calciques. Les températures des eaux varient suivant les sources de 21 à 51°C. Ces eaux sont généralement très chargées en gaz dont une partie diffuse à travers les cinérites très perméables. C’est à cette diffusion que sont dues les venues gazeuses, soufflards, etc.

Ces sources thermo minérales sont en relation avec les fractures antérieures aux dépôts lacustres qui ne sont pas affectés. Ces fractures font donc partie des mouvements tectoniques qui ont précédé la première période volcanique de l’Ankaratra.

e/Age

L’ordre de superposition et la situation respective des coulées et des appareils volcaniques, leur fraîcheur, permettent de définir l’ordre chronologique des diverses éruptions de l’Ankaratra. Ce qui est synthétisé dans le tableau 1:

Tableau 1: Ordre chronologique et ordre d’émission des roches de l’Ankaratra(Bésairie,1957)

Age Roches émises Série

Série supérieure

Quaternaire subactuelle Basanitoïde, basanite

Se plaçant à la limite des séries alcalines et alcalino-calciques

Pléistocène Ankaratrite, basalte

Pliocène supérieure Basalte, andésite

Pliocène moyen Trachyte, trachyphonolite

Série inférieure Pliocène inférieure Trachyte, andésite, rhyolite


1-2-GEOLOGIE D’ANTSIRABE-BETAFO (Zebrowsky et

Ratsimbazafy, 1979)

Trois ensembles géologiques peuvent être distingués (figure :

- le socle cristallin,

- le massif volcanique,

- les alluvions volcano-lacustres.

Figure 5: Carte géologique de la zone d'étude


1-2-1-LE SOCLE CRISTALLIN

Il est constitué de schistes cristallins (socle migmatitique, micaschistes et quartzites) et de roches éruptives (essentiellement granites et gabbros).

Les migmatites et migmatites "granitoïdes" constituent une grande partie des affleurements du socle, notamment dans le sud de la zone étudiée. Ce sont des roches à biotite ou à amphibole avec quelques passages d'amphibolites feldspathiques.

Les micaschistes forment une bande étroite au sud-ouest de la carte, ils contiennent de la muscovite ou de la biotite.

Les quartzites occupent une faible étendue dans le coin sud-ouest de la zone où elles forment le massif de Tongafeno.

Les granites occupent une importante surface au nord-ouest de la zone où ils forment le massif des Vavavato. Au sud de Betafo ils constituent le massif de l'Andaingo.

Ce sont des granites migmatitiques leucocrates porphyroblastiques. Ils renferment de la biotite, de l'amphibole et du pyroxène en faible quantité, associés à des minéraux accessoires tels que le sphène.

Les gabbros forment des massifs peu importants au nord-est de Betafo.

1-2-2- LES SEDIMENTS VOLCANO-LACUSTRES

Le bassin lacustre d'Antsirabe a pour origine initiale un phénomène tectonique : abaissement du compartiment ouest après fractures d'une surface initiale, les escarpements de Betampona et du Mandray étant les témoins de ces failles.

Le dépôt de sédiments dans le bassin serait surtout consécutif àla formation du massif de l'Ankaratra qui aurait joué un rôle de barrage pour le réseau hydrographique qui s'écoulait initialement vers l'ouest (Lenoble, 1946).

Les premiers dépôts datent du Pliocène et sont constitués par un conglomérat à galets (galets de trachyte ou du socle métamorphique). Au cours du Pliocène et du Pléistocène le comblement du bassin s'est réalisé par des dépôts lacustres dans lesquels sont venus s'intercaler des coulées et des projections volcaniques. Ces sédiments volcano-lacustres constituent le matériau originel, très hétérogène.

Ils sont essentiellement argileux, avec des sables et des produits de projections cendreux. Ils montrent une histoire complexe avec des sédimentations perturbées par des discordances, des conglomérats, des grès entrecroisés, des failles.

Les sédiments les plus récents ont fourni, à Antsirabe même, de nombreux restes de la faune subfossile (Hippopotames, Aépyornis, Lémuriens).

1-2-3- LE VOLCANISME

Pétrographiquement tous les termes, depuis les trachytes jusqu'aux ankaratrites, sont représentés. Sur le terrain la détermination exacte des roches n'est pas toujours possible. Seul le caractère acide ou basique des roches peut être apprécié.


Les différents travaux géologiques portent surtout sur un essai de classification chronologique des éruptions volcaniques de l’Ankaratra. Celles-ci auraient commencé au début du pliocène pour se terminer au quaternaire récent (Lenoble, 1946).

La chronologie des éruptions serait :

1) Emission de laves acides : rhyolites, trachytes et phonolites,

2) Epanchements de basaltes et d'andésites,

3) Coulées d'ankaratrites,

4) Eruptions récentes : basanites et basanitoïdes.

Les trachytes, les phonolites et les basaltes anciens couvrent le quart nord-est de la zone, mais les roches acides ont une extension beaucoup plus importante que celle indiquée jusqu'ici. En effet des projections acides, difficilement identifiables parce que fortement altérées recouvrent la plupart des coulées anciennes. La présence de ces projections dans les positions topographiques les plus variées leur confère une origine relativement récente. Des études ont d'ailleurs déjà montré que les venues trachytiques ne sont pas limitées aux premières éruptions de l’Ankaratra mais ont pu se produire beaucoup plus tardivement.

Les basanites et basanitoïdes constituent la plupart des appareils volcaniques des environs d'Antsirabe et de Betafo. Par opposition aux émissions anciennes, ces manifestations volcaniques sont qualifiées par Lenoble de récentes ou subactuelles.

Ilest en fait possible de distinguer dans ce volcanisme récent au moins deux périodes d'activités séparées par une période de pédogenèse. Les coulées fortement altérées issues des édifices de la région d'Antsirabe sont en effet recouvertes par des matériaux pyroclastiques provenant d'édifices plus récents tels Tritriva.

En conclusion trois périodes ont été distingué dans le volcanisme:

Période I : elle correspond à la mise en place du volcanisme ancien : édifices trachytiques, dômes phonolitiques et coulées basaltiques. L'altération de ces formations est profonde.

Période II : cette période correspond à une phase d'activité récente (Quaternaire récent ?) durant laquelle se mettent en place les édifices volcaniques de basanite et basanitoïdes des régions d'Antsirabe et de l'Ifasina. Les édifices sont relativement bien conservés, les sols développés sur les coulées et lapillis ne sont jamais très épais. A cette période sont rattachés, bien qu'ils soient un peu plus anciens, d'une part l'apparition du massif trachytique de l'Ambohimadinika, d'autre part le recouvrement des basaltes anciens par les matériaux pyroclastiques acides.

Période III: elle correspond à la phase d'activité la plus récente (moins de 10.000 ans) du volcanisme de l'Ankaratra. Les formations volcaniques encore très bien conservées de Betafo et de Tritriva (cônes de scories et coulées de basanites et basanitoïdes) sont à rattachées à cette période.


1-2-4-HYDROGEOLOGIE (Rafalimanana, 1982)

D’après les données géologiques, la présence de quartz et de quartzite renseigne sur l’existence d’une nappe dans les couches alternées de quartzites. A titre d’observation et de remarque, les débits des rivières environnantes restent toujours importants même en période d’étiage (Iandrantsay et Andohalambo). Les nappes de Betafo sont donc bien alimentées, très stables et de grandes dimensions.

Dans la partie centrale de Madagascar y compris Betafo : selon les conditions de localisation, les eaux minérales et thermales forment des gisements de plusieurs types. Les gisements d’envergures locales s’associent avec les systèmes d’eau fissuro-filoniens.

Les voies de circulation et réservoirs d’eau de ces gisements s’attachent avec les systèmes fissuraux qui sont à leur tour liés avec les accidents tectoniques divers (glissements, déplacements, failles inverses, chevauchements, dykes linéaires et circulaires), avec les exocontacts des intrusions de filons pegmatitiques, etc.

A la suite de la petite capacité des systèmes fissuraux, les réserves probables des gisements de ce genre sont déterminées par les ressources naturelles qui ne dépassent pas 500-1000m3 /24h.

Mais les gisements des zones de cohésion des systèmes fissuro-filoniens sont plus propices concernant leurs réserves d’exploitation. La particularité principale de ces gisements est que leurs roches cristallines sont pourvues de fissures suivant lesquelles les eaux minérales remontantes pénètrent dans le système stratiforme ayant ordinairement une importante capacité.

Dans ces formations du Pléistocène, les valeurs des pressions hydrodynamiques d’eau dans les fentes d’alimentation se sont révélées suffisantes pour assurer aussi l’émergence naturelle à partir du système stratiforme.

1-2-5-GEOMORPHOLOGIE (Zebrowsky et Ratsimbazafy, 1979)

La région présente des unités très diversifiées selon la nature et l'histoire géologique du substrat. On peut distinguer :

� Au nord-ouest : le massif granitique de Vavavato.

� Au sud-ouest : un ensemble montagneux formé de trois massifs : le massif de l'Itongafeno, le massif granitique de l'Andaingo et le massif de l'Inanohazana au nord des précédents

� Au sud : le plateau du Mangaranoet le plateau de Nanondranana.

� A l'est : un ensemble de collines qui se raccordent à la dépression d'Antsirabe par l'escarpement du Mandray.

� Au nord : la partie méridionale du massif volcanique de l'Ankaratra.

� Au centre : les formations volcaniques récentes ainsi que la plaine correspondant aux sédiments volcano-lacustres d'Antsirabe.


� Les formations volcaniques récentes offrent un paysage légèrement vallonné duquel émergent les appareils volcaniques. Ces derniers, remarquablement bien conservés dans la région de Betafo (période III), y présentent des pentes longitudinales rectilignes dont le raccordement à la surface de base est brutal. Par contre dans la région d'Antsirabe et de l'Ifasina (période II) les cônes sont déjà moins bien conservés, leur ligne de plus grande pente est souvent convexo-concave.

� La plaine, correspondant aux sédiments volcano-lacustres, présente une très légère pente vers le sud. Elle offre de grandes surfaces planes séparées par des vallées étroites, peu profondes mais aux pentes transversales fortes.

CONCLUSION PARTIELLE

Notre zone d’étude se trouve sur le socle précambrien et est compris dans le domaine d’Antananarivo. Son étude ne peut se faire sans celle du volcanisme d’Ankaratra qui lui est clairement rattachée. De ce fait, la zone est constituée essentiellement par le socle cristallin, une partie du massif volcanique d’Ankaratra et des alluvions volcano lacustres. La zone présente un relief accidenté dans lequel dominent les massifs montagneux aux pentes fortes. Dans ces massifs les phénomènes d'érosion et de rajeunissement des sols sont intenses. On constate aussi la relation entre volcanisme et tectonisme lors de la mise en place de l’Ankaratra.


CHAPITRE 2 : CADRE GEOGRAPHIQUE

2-1-GEOGRAPHIE PHYSIQUE ET ADMINISTRATION

2-1-1-ADMINISTRATION (Institut National de la Statistique, Novembre 2004)

2-1-1-1/La Région Vakinankaratra La Région Vakinankaratra, inclue dans l’ex-province d’Antananarivo, est constituée de six (6) districts, à savoir Antsirabe I, Antsirabe II, Ambatolampy, Antanifotsy, Betafo et Faratsiho soit 86 communes au total.

La Région est privilégiée par la nature : qualité de sol, climat propice. Elle est à vocation agropastorale et industrielle (2ème rang dans le pays).

2-1-1-2/ Le District de Betafo C’est une région située à l’extrême Sud-Ouest de la province d’Antananarivo, entre 19°22’ et 22°16’ de latitude sud et 45°46’et 47°1’ de longitude Est. Le district de Betafo est limité: au Nord par les districts de Tsiroanomandidy, de Faratsiho et de Soavinandriana, à l’Est par les districts d’Antsirabe I et d’Antsirabe II ; au Sud par les districts d’Ambositra et d’Ambatofinandrahana (ex-province de Fianarantsoa), à l’Ouest par le district de Miandrivazo (ex-province de Tuléar).

2-1-1-3 / La Commune Rurale de Ranomafana Ranomafana est située à 3 km, à l’Ouest de la ville de Betafo, à 70m au Sud de la route menant vers Miandrivazo. Soit à 25 km à l’Ouest d’Antsirabe sur la route nationale 34 reliant Antsirabe à Miandrivazo.

Elle est à la longitude 46°49'32,6" à la latitude 19°49'49,0’’

La RN 34 bitumée est praticable pendant toute l’année. Des taxis-brousse assurent la liaison Antsirabe –Betafo. La liaison entre Ranomafana-Betafo peut s’effectuer soit par voiture particulière, soit par motocyclette ou bicyclette, soit enfin à pied.

2-1-2-POPULATION

L’effectif de la population est détaillé dans le tableau suivant :

Tableau 2: Effectif de la population de la région Vakinankaratra

Nombre d’habitants Région Vakinankaratra 1 708 685 District de Betafo 241 369 Commune de Betafo 27 974 Commune de Ranomafana-Betafo 3 885


2-1-2-RELIEF ETHYDROGRAPHIE La partie orientale est caractérisée par de nombreux cônes volcaniques, des collines et des plaines, aux sols volcaniques. Elle a une altitude élevée (plus de 1200m). La partie occidentale a une topographie généralement accidentée avec alternance de plateaux caractéristiques du moyen Ouest et des massifs granitiques, quartziques culminant à plus de 1000m. L’altitude du District est à 1250m (en moyenne).

La région de Betafo est marquée par des montagnes volcaniques les plus connues à Madagascar, ainsi que par l’existence du lac artificiel Tatamarina.

Comme cette région est volcanique, les éruptions sont précédées par des tremblements de terre aux environs du lieu d’émission volcanique. Ces tremblements peuvent provoquer des fissures ou même des failles ce qui explique les linéaments de certains réseaux hydrographiques.

Le réseau hydrographique de la zone de Betafo est dichotomique c’est-à-dire que la division du réseau en deux parties (figure 16). En général, le chevelu hydrographique est dense. Le district de Betafo est traversé au centre par le fleuve Iandratsay, limité au nord par les rivières Sahasarotra ; Kitsamby ; Lavaratsy et Andranomihanaka et au sud, par les rivières Manandona et Mania.

2-1-3-CLIMAT ET VEGETATION Le climat de la région de Betafo est de type tropical d'altitude, avec deux saisons très marquées : un hiver austral, avec peu de pluie, et un été pluvieux. Les températures moyennes mensuelles varient entre11 et 20°C. La pluviosité moyenne annuelle est de 1400mm à 1500mm, répartie en 110 jours de pluies, dont 85 % de novembre à mars. La petite cuvette de Betafo, située entre 1 300 et 1 600 m, et enserrée dans des montagnes dépassant l'altitude de 1800 m, jouit d'un climat beaucoup plus doux que les environs.

Les conditions écologiques ont entraîné en particulier des sols très favorables, riches en matières organiques. Une grande partie des besoins en eau est satisfaite. La baisse de température en altitude entraîne des différences dans les types de cultures. Le calendrier des cultures des parties basses de la cuvette est très flou, les époques de semis ou plantation s'étalent largement dans le temps.

2-1-4-PEDOLOGIE Les sols dans la partie de Betafo sont considérés comme les sols les plus fertiles à Madagascar. Les projections volcaniques sont basiques ce qui explique cette fertilité.

Les sols jeunes développés sur cendres et scories mélangées ou alternées sont de couleurs sombres dans leur partie supérieure. Cet horizon humifère a une épaisseur de 20 à 60 cm.

Cette épaisseur dépend du profil topographique : faible dans les parties hautes, importante dans les bas des pentes.

En dessous du sol organique se trouve le sol andique proprement dit. On passe assez rapidement au matériau volcanique peu altéré formé par des scories plus ou moins fines et


litées. Mais avant cela, on trouve d’abord la zone de transition (ou horizon B) de 20 à 40cm d’épaisseur, de couleur brune à brun-jaune, de texture limono-sableuse et de consistance friable.

Puis on passe vers 1m de profondeur aux scories altérées de couleur jaunâtre, d’aspect sablo-gravillonnaire, avant d’arriver aux scories litées non altérées de couleur plutôt noirâtre souvent assez compactes et peu pénétrables par les racines.

2-2-GEOGRAPHIE SOCIO-ECONOMIQUE

2-2-1-BETAFO (Institut National de la Statistique, Novembre 2004)

On peut dire que la population de Betafo est relativement jeune avec 50,36% des gens qui ont l’âge entre 0 et 17 ans. C’est aussi une population active car le nombre des individus d’âge de 10 à 60 ans est plus de 54 %.

L’effectif des femmes est supérieur à celui des hommes et cette population féminine représente les 51 % de la population totale de Betafo.

Betafo est une région à vocation agricole et élevage. Ces secteurs occupent l’essentiel de la population active. L’artisanat est un troisième secteur qui se favorise de plus en plus.

2-2-1-1/Agriculture (Institut National de la Statistique, 2004-2005)

L’agriculture est la principale activité de la commune de Betafo avec la prédominance de la culture vivrière : riz, manioc, maïs, pomme de terre, carotte et fruits et des cultures industrielles telles que l’orge et le tabac.

2-2-1-2/Elevage

L’élevage des volailles est le plus dominant par rapport à l’élevage bovin et porcin. Peu de gens élèvent des moutons et des chèvres.

2-2-1-3/Transport et tourisme

La région est bien dotée d’infrastructure routière. Elle est ainsi en bonne liaison avec beaucoup de grands centres urbains comme Antsirabe, Antananarivo, Fianarantsoa, Malaimbandy et Morondava (par les RN34 et RN7).

Betafo attire beaucoup de touristes car c’est là que se trouvent les tombeaux des premiers rois du Vakinankaratra. La station thermale d’Andranomafana oblige aussi certains malades à s’y rendre.

2-2-1-4/Ressources minières (Rasamoela, 2011)

La région possède des carrières de pouzzolane qui ravitaillent les grandes cimenteries de Madagascar. On y trouve aussi des pegmatites, graphites, uranium, etc.


2-2-2-RANOMAFANA (Institut National de la Statistique, Novembre 2004 et Institut National de la Statistique 2004-2005)

La commune rurale de Ranomafana compte 3885 habitants d’après le dernier recensement (2004) formant 555 ménages répartis dans 6 fokontany sur une superficie de 48km2

Comme infrastructures la commune possède :

� 7 routes bitumées, une route carrossable et 16 pistes ;

� 8 barrages dominant une superficie de 240 Ha dont 220 Ha irriguée;

� 3 EPP et un établissement privé confessionnel primaire comptant au total 675 élèves.

� Aucun centre de santé.

� Seul un fokontany sur 6 a accès à l’électricité et 2 fokontany seulement sont dotés de bornes fontaines

2-2-2-1/Elevage

L’élevage bovin et porcin domine avec un effectif respectif de 851 et de 585.

2-2-2-2/Pêche et aquaculture

50 ménages agricoles pratiquent la rizipisciculture.

2-2-2-3/Ressources minières

Les principaux produits miniers sont : le béryl, le crystal et l’anjamanga (chrome).

2-2-2-4/Agriculture

L’agriculture est la principale activité de la commune d’Andranomafana. Les principaux produits sont : maïs, riz, pomme de terre, manioc, patate douce, soja, haricot, oignon, tomate et l’arachide.


Il semble que la zone étudiée possède un potentiel économique non négligeable. En effet, elle possède des sources de richesse avec des secteurs d’activité économique intéressants comme l’agriculture et la pêche qui, avec une exploitation efficace, peuvent être la clé du développement économique local. Le problème qui se pose étant le manque, voire l’inexistence d’énergie ; nous proposons parmi toutes les énergies disponibles (électrique, éolienne, solaire etc.) la géothermie qui a l’avantage d’être propre, renouvelable et la ressource est inépuisable.


CHAPITRE 3 : LA GEOTHERMIE

3-1 LES SOURCES THERMALES (Garneau et Fauteux, 2009)

On appelle eau thermale toute eau minérale chaude, mais la température n’est pas obligatoirement élevée. La notion de thermalité dépend de la température de l’eau à la source.

Les sources thermales sont des émanations d'eau, de vapeur d'eau et d'anhydride carbonique à température élevée.

Elles doivent leur origine à des émanations de vapeur d'eau provenant de zones profondes qui, lorsqu'elles atteignent les couches superficielles, se refroidissent et se condensent, donnant naissance à des eaux de températures très élevées. Dans certains cas, la vapeur d'origine magmatique rencontre sur son chemin ascendant des manteaux aquifères souterrains et transforme leurs eaux en eaux thermales. Bien que ces sources soient fréquentes dans les zones volcaniques, elles peuvent jaillir aussi dans des aires présentant des valeurs du degré géothermique supérieures à la normale.

La température plus ou moins élevée des eaux thermales est non seulement importante du point de vue thérapeutique et énergétique, mais aussi parce qu’elle autorise souvent une notable concentration en sels dissous.

Cette thermalité provient d’un parcours souterrain atteignant une profondeur telle qu’elle leur fait rencontrer des zones où la température est plus élevée qu’en surface. Ceci est particulièrement net dans les régions du volcanisme récent où l’accroissement de la température en fonction de la profondeur (gradient géothermique) est plus grand qu’ailleurs. Mais d’autres agents peuvent intervenir localement au cours du circuit thermal, tels que des réactions exothermiques (oxydation des pyrites, hydratation de l’anhydrite, etc.) et la désintégration des minéraux radioactifs.

3-1-1-CARACTERES HYDROGEOLOGIQUES DES EAUX THERMALE S (Rafalimanana , 1982)

3-1-1-1/Types de gisement

On peut retenir, en simplifiant à l’extrême, l’existence de deux grandes catégories de sources médicinales (appellation ancienne de l’eau thermale) :

− les sources froides, provenant d’eaux artésiennes de moyenne ou grande profondeur à circulation lente ou très lente.

− les sources chaudes provenant d’eaux artésiennes de moyenne ou grande profondeur en grande partie d’origine météorique, plus ou moins réchauffée dans les régions affectées par le volcanisme ou la tectonique, sur un parcours en thermosiphon.


3-1-1-2/Types d’émergences

La remontée des eaux thermales se fait préférentiellement dans les zones de moindre résistance de l’écorce terrestre et grâce à des accidents géologiques de nature diverse (tectonique, lithologique, etc.) déterminant une solution de continuité dans la roche aquifère et dans les couches imperméables qui le surmontent et maintiennent captive la nappe hydrominérale. D’où l’intérêt d’une étude géologique complète de l’aire d’émergence.

On peut donc avoir:

• une émergence par diaclase et boyaux ;

• une émergence par plissement ;

• une émergence par faille (faille thermale) ;

• une émergence par contact de terrains différents ;

• une émergence par filon.

3-1-1-3/ Localisation des émergences

Les griffons (endroits où émergent une source minérale ou thermale) se localisent là où la charge hydrostatique qui s’oppose à l’écoulement des eaux ascendantes est la plus faible, c'est-à-dire vers les points bas de la topographie (vallées, vallons, gorges) recoupés par la faille thermale, la zone diaclasée, etc., qui facilite le cheminement ascendant. Ajoutons qu’il est rare qu’une source ait un griffon unique ; la plupart du temps, l’émergence se fait par plusieurs griffons voisins.

3-1-1-4/ Débit

Le débit d’une source thermale est un de ses caractères les plus importants.

Il est assez rare que le débit d’une source thermale soit absolument constant. Il subit des variations spontanées dont les causes principales sont :

• l’engorgement des griffons ou des canalisations par le dépôt de substances minérales incrustantes, tufs calcaires ou siliceux par exemple ;

• le régime météorologique local (fluctuation des eaux souterraines normales) ;

• le régime des eaux de surface et, en particulier, des cours d’eau qui, on l’a vu à propos de la localisation des émergences, sont souvent très voisins de celles-ci.


3-1-2-CARACTERES PHYSICO-CHIMIQUES DES EAUX THERMAL ES

3-1-2-1/ Classification des eaux thermales

La classification des eaux thermales peut se faire suivant plusieurs critères: la température; la minéralisation et la composition chimique (Ratsimbazafy, 2006).

a) La température

La température de l’eau au griffon est étudiée comme critère de classification des eaux thermales (tableau 3).

Tableau 3 : types d’eau selon la température (Ratsimbazafy, 2006)

Type d’eau Température

Eau froide ‹ 20°C

Eau hypothermale 20°C – 35°C

Eau thermale 35°C – 50°C

Eau hyperthermale › 50°C

b) La minéralisation et la composition chimique

Comme les eaux normales, mais en général en plus forte proportion, les eaux thermales contiennent des sels dissous, dissociés en anions et cations de faibles concentrations.

Selon leurs minéralisations et compositions, on peut classer les eaux comme suit (tableau 4) :


Tableau 4 : Types d’eau selon la composition chimique (Ratsimbazafy, 2006)

Appellations des eaux

Appellations accessoires Particularités chimiques fondamentales

Autres caractères

Bicarbonatées (CO3)2-

1-Sodiques

Minéralisation souvent comprise entre 2 et 8 g/l

CO2 libre très abondant

2-Calciques Ca2+ atteint parfois 700 à 800 mg/l

3-Mixtes

a) Sodico-calciques : minéralisation intermédiaire entre 1 et 2

b) Calco-magnésiennes : comme Ca+ Mg2+

c) Chloro-bicarbonatées sodiques : minéralisation intermédiaire entre 1 et 5

Chlorurées sodiques

Cl+Na +

4-Fortes

10 g/l<NaCl<250 g/l Beaucoup sont froides

D’autres sont chaudes

5-Faibles Teneur NaCl souvent très inférieure à 10g/l

Carbogazeuses Variétés regroupant des eaux riches en CO2

Sulfatées (SO4)2-

6-Sodiques Faiblement minéralisées Chaudes

7-Calciques

La teneur en CaSO4 atteint parfois la saturation (3 g/l)

Froides, faiblement minéralisées

Chaudes

8-Chlorosulfatées calciques

La teneur en NaCl étant plus élevée, la solubilité de CaSO4 augmente (jusqu’à 5 – 6 g/l)

Sulfurées S2-

9-Sodiques

Faiblement minéralisées Généralement hyperthermales, un peu de H2S dissous

10-Chloro-sulfurées sodiques

Faiblement minéralisées, mais riche en NaCl

Généralement froides

11-Calciques

Sulfatées calciques à l’origine, mais réduites à faible profondeur par des bactéries ou des substances organiques incluses dans les roches traversées : ce sont des sulfurées calciques accidentelles. Teneur notable en H2S

12-Calciques dégénérées Processus inverse : les sulfures sont oxydés en hyposulfites, sulfites et même sulfatés


3-2-LA GEOTHERMIE

3-2-1-DEFINITION (Revue périodique d’informations techniques et industrielles des thermiciens, 2010)

La terre contient une quantité considérable de chaleur. D’après les connaissances actuelles, environ 99% de sa masse se trouve à une température supérieure à 1.000°C, avec des valeurs comprises entre 6.000 et 6.500°C dans le noyau. Cette chaleur a deux origines : une externe, l’autre interne.

L’origine externe est due principalement au soleil et à la pluie, seules sources de chaleur significatives jusqu’à 15m de profondeur. L’origine interne, en revanche, est due à la chaleur produite par la décroissance nucléaire de substances radioactives présentes dans lesroches du sous-sol: c’est la seule source de chaleur pour des profondeurs supérieures à 20 m.Et c’est la seule chaleur qui, littéralement, peut être défini comme géothermique (du grec : chaleur produite par la terre). Toutefois, même au niveau international, le terme géothermie est généralement utilisé pour caractériser toute chaleur (d’origine interne et externe) emmagasinée par la terre. Par la même logique, le terme géothermie est généralement utilisé pour déterminer la discipline et les techniques qui consistent à exploiter cette chaleur. L’intérêt actuel vis à vis de cette chaleur, est dû au fait qu’elle peut être une source importante d’énergie alternative. Cependant, pour pouvoir être exploitée, cette forme d’énergie doit être acheminée à la surface. Dans certaines zones de la terre, la nature même fournit les moyens d’amener cette énergie en surface : c’est le cas des geysers et des thermes.

Dans d’autres cas, en revanche, il faut recourir à des systèmes capables de capter les fluides chauds du sous-sol ou à échanger de la chaleur avec le sol.

L’énergie géothermique, par rapport à d’autres énergies, a l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (par exemple le soleil, le vent ou les marées) ni des réserves de substances combustibles (par exemple la biomasse). Ce type d’énergie est donc stable et fiable à l’échelle humaine.


3-2-2-LES GRANDES FORMES DE GEOTHERMIE Selon la région et la profondeur du captage, la température du sol est très variable. On distingue 3 grandes formes de géothermie (tableau 5):

Tableau 5: Les différentes formes de géothermie (Randrianatoandro, 2008)

Forme Température Profondeur de captage

Localisation fréquente

géothermie haute énergie �100°C 1500m Dans les régions volcaniques

géothermie basse énergie 30 à 100°C 1500 à 2500m Dans les grands bassins de sédimentation

géothermie très basse énergie

�30°C 10 à quelques centaines de m

Dans le sous-sol et les aquifères

3-2-3-ENERGIE ET GRADIENT GEOTHERMIQUE

L’énergie géothermique ou chaleur du sous-sol est l’énergie calorifique stockée sous la surface terrestre. Elle résulte surtout de la désintégration radioactive naturelle d’uranium, de thorium et de potassium.

Généralement, cette énergie se trouve à grande profondeur ; ce qui rend difficile voire impossible de l’utiliser. Cependant certaines régions du globe en sont favorisées. A la différence de l’énergie issue de combustibles fossiles, elle produit peu de dioxyde de carbone et ne contribue donc pas au réchauffement de la planète.

Selon les connaissances actuelles, les températures culminent à 6000°C dans le noyau et atteignent encore 1300°C environ dans le manteau supérieur du globe terrestre. Le flux géothermique qui parvient à la surface du globe dépasse 40 milliards de kW.

Plus on descend à l'intérieur de la croûte, plus la chaleur augmente : C'est ce que l'on appelle le gradient géothermique (figure 6).


Figure 6: gradient géothermique (http://www.dstu.univ-montp2.fr)

3-2-4-FLUX THERMIQUE La chaleur terrestre remonte continuellement à la surface par conduction et se dissipe dans l’atmosphère à la proportion moyenne de 60 à 65mW/m2. C’est le flux géothermique, caractérisant l’existence d’un transfert de chaleur suivant une direction verticale, et défini par la relation (Randrianatoandro, 2008) :

� � �� Δ�Δ

q : flux thermique souvent en [mcal/cm2.s] ou en [mW/ cm2]

λ: Conductivité thermique en [cal/ cm2 °C.s] ou en [mW/°K/cm] ou en CU Conductivity Unit (notation américaine)

��: Gradient géothermique en [°C/km]

T : température du matériau à la profondeur h en [°C]

h : profondeur en [km]

La conductivité thermique λ varie selon la nature des matières traversées par la chaleur (tableau 6).


Tableau 6: Conductivité thermique de divers types de roche à température ambiante (Varet,1982)

Roche Conductivité thermique [W / m °K]

Granite

Gabbro/basalte

Péridotite/pyroxenite

Calcaire

Dolomite, sel

Grès

Argile

Tuf volcanique

Sédiments marins

Eau

2,5 - 3,8

1,7 - 2,5

4,2 - 5,8

1,7 - 3,3

∼∼∼∼ 5,0

1,2 - 4,2

0,8 - 2,1

1,2 - 2,1

0,6 – 0,8

0,6

Le flux géothermique comme le gradient de température, peut lui aussi beaucoup différer d’un endroit à l’autre, allant de moins de 30 à plus de 500mW/ m2. Toutefois, même lorsque ce flux atteint des valeurs très élevées, l’homme n’en aperçoit pas l’existence car il est beaucoup plus faible que le rayonnement solaire.

La valeur du flux géothermique sur l'ensemble de la surface terrestre est estimée entre (selon les ouvrages) 0,06 et 0,08 W/m², ce qui est négligeable si on compare de telles valeurs aux 342 W/m² d'énergie solaire reçue en moyenne en haute atmosphère terrestre. Le rapport est de 1/4.000

3-2-5-RESERVOIR GEOTHERMIQUE

Un réservoir géothermique peut être défini comme une zone de la couche terrestre où la température, la pression du fluide et la perméabilité sont suffisantes pour permettre une exploitation efficace.

La géothermie ou « chaleur de la terre » se présente sous forme de réservoirs de vapeur ou d'eaux chaudes ou encore de roches chaudes. Lorsque le réservoir géothermique est à une température modérée, cette ressource est exploitée pour de la production de chaleur distribuée par un réseau de chaleur. Lorsque la température du réservoir géothermique est plus élevée et permet de produire de la vapeur, il est possible de produire de l'électricité.

On distingue trois types de réservoir géothermique selon la nature des fluides rencontrés dans le réservoir et la température :


− réservoir d’eau chaude entre (60 et 100°C)

− réservoir de vapeur humide (supérieure à 100°C)

− réservoir de vapeur sèche.

3-2-6-LES SYSTEMES GEOTHERMIQUES

Les systèmes géothermiques sont associés avec le cadre tectonique, la composition chimique du magma, le type de roche et le fluide hydrothermal.

Les principales exigences pour former un système géothermique sont : source de la chaleur (magma intrusif ou effusif), fluides chauds, réservoir (roche perméable, roche fracturée) et couche ou toit imperméable.

Les systèmes volcaniques peuvent être classés sur la base des disciplines comme la géologie, l’hydrologie et les caractéristiques du transfert de chaleur, entre autres les fluides hydrothermales d’origine volcanique ou non. Ainsi, les systèmes géothermiques peuvent être groupés en trois principales catégories : volcanique, tectonique et volcano-tectonique. Les groupements de ce type peuvent être utilisés comme un guide dans l’estimation du potentiel énergétique d'un système géothermique.

A Madagascar, les systèmes géothermiques peuvent être ainsi divisés en trois types (Andrianaivo, 2011):

· Type 1 : géothermie de moyenne à haute énergie d’origine volcano-tectonique liée au volcanisme quaternaire, à des activités magmatiques récentes et à un graben (faille active ou non)

· Type 2 : géothermie de basse à moyenne enthalpie dans le socle cristallin, en liaison avec des systèmes de plis (bloc composite) et/ou en rapport avec une tectonique cassante (rift continental) et à un plutonisme

· Type 3 : géothermie de basse enthalpie dans les bassins sédimentaires en rapport avec l’ouverture du canal de Mozambique dans un contexte de rift de marge continentale passive.


3-2-7-USAGES DE LA GEOTHERMIE (Bouzidi, 2005)

Les possibilités d’utilisation de la géothermie sont vastes et variées (tableau 7):

Tableau 7: Diagramme de Lindal

Température (°C)

Domaines d’utilisation

≥200

Production d’électricité par méthode conventionnelle

190 Réfrigération par absorption

180 Préparation de pâte à papier

170 Fabrication d’eau lourde

160 Séchage de poisson, séchage de bois

150 Fabrication d’alumine

Production d’électricité par cycle binaire

140 Séchage de produits agricoles

130 Evaporation

120 Production d’eau douce par distillation

110 Séchage de parpaings de ciments

100 Séchage de légumes

90 Déshydratation

80 Chauffage urbain, chauffage de serres

70 Réfrigération

60 Elevage d’animaux

50 Balnéothérapie

40 Chauffage de sols

30 Piscine, fermentation

20 Pisciculture



Les sources thermales, de par leurs caractères (température, débit, composition chimique) sont d’excellents indicateurs du potentiel géothermique d’une région. La géothermie offre selon son type et son environnement un large éventail d’utilisations pratiques allant de la simple pisciculture à la production d’électricité. L’utilisation de l’énergie géothermique à la pisciculture, la fermentation, la balnéothérapie, l’élevage d’animaux et le séchage de produits agricoles est faisable à Betafo selon notre estimation.


CHAPITRE 4 : LE PROSPECT GEOTHERMIQUE DE BETAFO

4-1-ETUDES DES SOURCES THERMALES DE BETAFO

4-1-1-DESCRIPTION DES SOURCES

Lors de la descente sur le terrain, on a pu recenser six (6) sources réparties sur le site à quelques mètres d’intervalles. Elles se présentent toutes sous formes de griffons. Aucun suintement ni geyser ni monticule de travertin n’est visible. Sur les six (6) sources nous avons échantillonné et analysé trois (3) :

• la source 1 déjà captée, aménagée en borne fontaine (figure 9)

• la source 2 près des rizières (figure 7)

• la source 3 (figure 10)

Figure 7: source près des rizières (source de l'échantillon n°2)

En période d’étiage, on peut apercevoir des émergences aveugles dans la rivière Iandratsay, c’est-à-dire que des sources apparaissent là où elles peuvent (figure 8).


Figure 8: sources aveugles dans le lit de la rivière Iandratsay

Seule une source a fait l’objet d’un captage et fait maintenant office de borne fontaine (figure 9).

Figure 9 : Source captée et aménagée en borne fontaine


Les sources sont utilisées à des usages domestiques (consommation) et thérapeutiques. Des baignoires ont été aménagées à cet effet thérapeutique, mais les installations sont vieilles et rudimentaires.

Actuellement, une source (figure 10) est captée pour alimenter de nouvelles installations plus modernes dont une piscine (figure 11) et de nouvelles baignoires.

Figure 10: source captée alimentant les nouvelles installations (source de l’échantillon n°3)

Figure 11: Piscine alimentée par captage de source thermale

Le site de Ranomafana-Betafo est traversé par la rivière Iandratsay.

La roche la plus dominante de cet endroit est la basanite (basalte alcalin à fort déficit de silice, formé de plagioclase, d'augite, d'olivine et d'un feldspathoïde). Suivent ensuite, le gneiss, les quartzites, d’autres formes basaltiques, latérites et pseudo-latérites.

4-1-2-ETUDES DESPARAMETRES ORGANOLEPTIQUES

La technique de détermination de ces paramètres capable d’affecter un récepteur sensoriel nécessite des appareils dont on n’a pas pu disposer. Ils ont été déterminés à l’œil nu, par le sens olfactif et par le sens gustatif. La mesure de la température a été faite à l’aide d’un thermomètre à maxima et minima introduit à l’émergence.

4-1-1-1/ Résultats

Les résultats sont donnés dans le tableau 8 :


Tableau 8: paramètres organoleptiques et de la température de l’eau thermale de Ranomafana-Betafo.

Paramètres Mesures effectuées à l’émergence V.M.A-N.M

Aspect Limpide Limpide

Odeur Légère odeur d’œuf pourri Absence

Saveur/Goût Agréable

Température (°C) 46 à 58

V.M.A : Valeur Maximale Admissible pour eau potable N.M : norme Malagasy

4-1-1-2/ Interprétation et conclusion

La légère odeur d’œuf pourri renseigne que l’eau thermale contient de l’hydrogène sulfuré. Elle est plus perceptible après être enfermée trois (3) jours en vase clos. L’eau thermale de Ranomafana-Betafo est légèrement sulfurée.

L’eau thermale de Ranomafana-Betafo est hyperthermale (T>50°C).

Remarque : les riverains s’approvisionnent en eau à ces sources, aucun cas d’intoxication n’a encore été signalé.

4-1-3-ETUDES PHYSICO-CHIMIQUES

Les mesures des paramètres, comme la turbidité, le pH, la conductivité électrique et les matières organiques, ont été faites au Laboratoire de la Société Jiro sy Rano Malagasy (JIRAMA).

La température à laquelle on a effectué les mesures est de T = 24,5°C.

Les prélèvements ont été faits sur 3 griffons : le premier au niveau de la source aménagée en borne fontaine, le second à la source qui approvisionne la nouvelle installation et la troisième au niveau d’une source située en aval du premier et en amont du second, près des rizières.

4-1-2-1/Résultats

Les résultats sont donnés dans le tableau 9:


Tableau9: Mesures des paramètres physico-chimiques de l’eau thermale Ranomafana-Betafo

Paramètres Unités Sources V.M.A

N.M 1 2 3

Turbidité 1,92 2,94 8,74 ˂5

Ph 7,66 7,56 7,26 6,5 à 9

Conductivité �S/cm 598 599 550 ˂3000

Minéralisation mg/l 554 555 510

Matières organiques mg/l 4,4 0,9 14,56 ˂2

V.M.A : Valeur Maximale Admissible pour eau potable N.M : norme Malagasy

4-1-2-2/ Interprétation et conclusion

Les résultats montrent que l’eau thermale de Ranomafana-Betafo est légèrement basique

D’après la conductivité et la minéralisation, on peut déduire que l’eau thermale de Ranomafana-Betafo est moyennement minéralisée.

La faible valeur de la turbidité pour les sources 1 et 2 confirme la limpidité de l’eau et renseigne que l’eau thermale contient une petite quantité de matière en suspension. Par contre, pour la source 3, la valeur supérieure à la norme admissible montre que la source subit des perturbations animales et/ou végétales.

Les valeurs élevées de matières organiques (sources 1 et 3) confirment l’existence de perturbations aux alentours de ces sources.

4-1-4- CLASSIFICATION CHIMIQUE

La composition chimique des eaux est étudiée en termes de concentrations relatives en Cl-, SO4

2- et CO2-, et de concentrations relatives en Na+K, Ca et Mg.

Pour classifier les eaux, on utilise généralement les diagrammes triangulaires Na+K-Ca-Mg et Cl-SO4-CO2.

Pour l’élaboration des diagrammes, le logiciel « ProSim Ternary Diagram » a été utilisé.

4-1-4-1/Diagramme triangulaire (Na+K)-Ca-Mg Les concentrations relatives en Na+K, Ca et Mg(en mg/l) sont rapportées dans le tableau 10. Les valeurs proviennent des résultats d’analyses faites au laboratoire de la Société JIRAMA.


Tableau 10: concentrations relatives en (Na+K), Ca et Mg

Sources (Na+K) Ca Mg TOTAL

1 116,7 (81,26%) 24 (16,71%) 2,92 (2,03%) 143,62 (100%)

2 113,87 (77,70%) 28,4 (19,43%) 3,89 (2,66%) 146,16(100%)

3 103,49 (76,48%) 27,2 (20,10%) 4 ,62 (3,42%) 135,31(100%)

Figure 12: Diagramme ternaire Na+K-Ca-Mg

• Source n°1 • Source n°2 • Source n°3

Lafigure12 montre clairement que les eaux thermales de Ranomafana-Betafo sont clairement sodiques et potassiques. La teneur est (Na+K) est largement supérieure à celle du Ca et Mg.

4-1-4-2/Diagramme triangulaire Cl-SO4-CO2

Les concentrations relatives en Cl, SO4 et CO2 sont rapportées dans le tableau 11. Les valeurs proviennent des résultats d’analyses faites au laboratoire de la Société JIRAMA.


Tableau 11: concentrations relatives en Cl, SO4 et CO2

Sources Cl SO4 CO2 TOTAL

1 11,36 (3,43%) 175,6 (53,06%) 144 (43,51%) 330,96

2 11,36 (3,14%) 179,58 (49,70%) 170,4 (47,16%) 361,34

3 10,65 (3,09%) 171,21 (49,62%) 163,2 (47,29%) 345,06

Figure 13: diagramme ternaire Cl-SO4-CO2


La figure 13 révèle que les eaux thermales de Ranomafana-Betafo sont sulfatées. La teneur en Cl est presque négligeable par rapport aux deux autres teneurs.


4-1-4-3/ Diagramme triangulaire Na/1000-K/100-Mg1/2

Le diagramme Na/1000-K/100-Mg1/2 renseigne sur l’état d’équilibre des eaux. Le tableau 12 rapporte les valeurs de Na/1000, K/100 et Mg1/2

Tableau 12: concentrations relatives en Na/1000, K/100 et Mg1/2

Sources Na/1000 K/100 Mg1/2 TOTAL

1 0,10983(5,8187%) 0,0697(3,6926%) 1,708(90,488%) 1,88753(100%)

2 0,10574(4,8975%) 0,0813(3,7655%) 1 ,972(91,3368%) 2,15904(100%)

3 0,0957(4,2110%) 0,0279(1,2276%) 2,149(94,5612%) 2,2726(100%)

Figure 14: diagramme Na/1000-K/100-Mg1/2


On constate que les deux autres valeurs sont presque négligeables par rapport à celle de Mg1/2. Ce qui implique que ces eaux n’atteignent pas l’équilibre chimique eau-roche ; donc ce sont des eaux non-équilibrées.

Remarque : les températures Na-K-Ca données par des eaux immatures ne sont pas fiables (Andrianaivo and Ramasiarinoro, 2010)

4-1-4-4/ Interprétations

Les eaux des sources thermales de Ranomafana sont clairement sulfatées sodiques. Ce qui confirme les résultats d’analyses physico-chimiques antérieures à notre étude : analyse 46 (Dufour et Jaegle, 1927) et celle faite par la société VIRKIR en 1982.

Ces eaux sont des eaux non-équilibrées.


4-1-5-GEOTHERMOMETRIE

Le but du géothermomètre est d'estimer la température en profondeur, donnée par des concentrations des substances dissoutes en surface. Cette méthode suppose que des concentrations en profondeur sont préservées pendant que les eaux coulent sur la surface, et mesure le degré auquel les substances étaient en équilibre en profondeur.

Ces températures sont calculées à partir des équations ou des formules empiriques (Voir annexe I).

Pour les sources thermales de Betafo, les résultats des calculs de quelques-unes de ces températures sont présentés dans le tableau 13:

Tableau 13 : Températures calculées à partir de quelques géothermomètres

On constate que les valeurs des géothermomètres sont comprises entre 11,28 et 288,89°C.

Les valeurs du géothermomètre Quartz sont en-dessous du seuil de température admise 180°C, par conséquent, les eaux des sources ne sont probablement pas en équilibre avec le quartz traduisant des valeurs peu fiables.

En comparaison avec le géothermomètre quartz, le géothermomètre calcédoine expose des températures de réservoirs relativement inférieures. Comme les valeurs du géothermomètre calcédoine ne sont pas comprises dans le champ de températures acceptables 140-180°C, elles ne sont donc pas aussi fiables.

Il est à noter que la calcédoine, plutôt que le quartz, contrôle la saturation en silice à des températures inférieures à 180°C (Fournier, 1991).

Les températures données par le géothermomètre Silice amorphe ne sont pas considérables vues qu’elles sont largement inférieures aux températures mesurées en surface.

Source 1 2 3

T.mesurée à l’émergence 58,5 48 46,5

T. calcédoine 103,5 113,36 110,49

T. quartz 130,86 139,78 137,19

T.silice amorphe 11,28 19,25 16,92

T. Na-K (100 à 275) 142,44 161,76 85

T. Na-K (25 à 250) 164,26 183,53 105,65

T. Na-K-Ca 277,68 288,89 173


Les valeurs calculées par le géothermomètre Na-K-Ca sont les plus élevées, ce qui présume que les eaux contiennent des éléments dissous en équilibre avec des minéraux de silicates d’alumine comme le feldspath qui contient du Na, K et Ca (Fourrier et Truesdell, 1973).

4-1-5-1/ Interprétations

La géothermométrie des eaux de Betafo montre que l’on est en présence d’un système géothermique de moyenne enthalpie (T≥100°C).

4-2-CADRE GEOLOGIQUE ET STRUCTURAL DU PROSPECT

4-2-1-CONTEXTE STRUCTURAL DE LA ZONE

La région étudiée, comprenant le site géothermique de Ranomafana-Betafo et le champ volcanique quaternaire d'Ankaratra, est localisée dans la partie est d’Antananarivo, centre de Madagascar. Le socle précambrien, migmatitique à gneissique, est recoupé par de nombreux linéaments de directions, de longueurs et d’expressions géomorphologiques variées.

Les études antérieures montrent un régime tectonique extensionnel, dans un contexte de rift intracontinental, dans le centre de Madagascar.

La région dans laquelle se trouve notre zone d’étude présente une grande variété morphologique : jeu de blocs faillées probablement assez récents, dénivelant une ou plusieurs surfaces d’érosion arasant le socle précambrien ; volcanisme fin tertiaire et quaternaire, donnant dans la région de Betafo, une belle collection de cônes stromboliens, sédimentation lacustre pliocène en relation avec l’individualisation des blocs faillés monoclinaux et avec la construction de l’Ankaratra ; hauts reliefs dans des granites (Vavavato) ou dans des quartzites (Ibity) à morphologie spectaculaire extrêmement curieuse. Les principaux problèmes qui se posent sont relatifs à l’évolution morphologique des deux escarpements tectoniques du Mandray et du Betampona (escarpements de faille originels ou escarpements de ligne de faille fossilisés sous les basaltes et les terrains lacustres puis exhumés) ; à l’inadaptation à la structure des principales artères du réseau hydrographique.

Les gisements d’envergures locales s’associent avec les systèmes d’eau fissuro-filoniens.

On a pu constater la relation évidente entre le volcanisme et le tectonisme. (figure 5 et figure 15)

4-2-2-ANALYSE DES LINEAMENTS STRUCTURAUX

4-2-2-1/Méthodologie

Nous avons dressé des cartes de fractures, du réseau hydrographique et de drainage ou d’écoulement à partir d'images satellites LANDSAT ETM+ et de base de données BD500 de Madagascar. Les trajectoires de fractures et les lignes de drainage des rivières de la région ont été étudiées. Leurs directions azimutales sont montrées sur des diagrammes en rosette pour les fractures et les lignes d’écoulement des rivières et sont ensuite comparées visuellement et statistiquement.


L’extraction des linéaments a été réalisée sur des images satellites LANDSAT ETM+. Les traitements et filtrages (à l’aide du logiciel ENVI) ont eu pour effet d’accentuer et de faciliter la détection des discontinuités-images, permettant ainsi leur levé par simple observation visuelle. Seuls les linéaments d’origine structurale ont un intérêt dans cette étude. Aussi, par synthèse d’informations à travers un SIG (ArcView), les linéarités d’origine anthropique (routes bitumées, pistes, ligne de haute tension, layons de délimitation de forêt et surfaces cultivées, etc.) ont été identifiées dans l’ensemble des linéaments et éliminées. Les paramètres géométriques étudiés dans ce travail sont l’orientation et la longueur des fractures. L’analyse statistique de l’orientation des linéaments formant le réseau permet d’en dégager les directions dominantes. La méthode conventionnelle consiste à produire une rosace directionnelle dont les pétales sont proportionnels à la longueur cumulative des linéaments. Lors de l’étude, le logiciel Rozeta 2.0 a aidé pour la production des rosaces.

Les fréquences d'azimut pour tous les linéaments, sur la base de longueur cumulative, montrent les tendances structurales.

Remarque : Pour mieux cerner le contexte structural du site de Ranomafana-Betafo, l’image satellite originale (LANDSAT ETM+ 179-047) a été réduite et recentrée sur le site.

4-2-2-2/Résultats

Les travaux effectués ont permis la synthétisation des cartes suivantes :

− la première carte montre essentiellement les trajectoires des fractures de la zone d’étude (figure 15).

− la deuxième montre le réseau hydrographique (figure 16)

− la troisième montre les channel segments (figure 17).


Figure 15: Carte des trajectoires de fractures de la zone géothermale de Ranomafana-Betafo et ses environ

Figure 16: Carte du réseau hydrographique


Figure 17: : Carte des channel segments de la zone géothermale de Ranomafana-Betafo et ses environs

Les résultats de l’analyse structurale des trajectoires des fractures et des channel segments relevés sont compilés respectivement dans les tableaux 13 et 14:


Tableau 14: Statistique des trajectoires de fractures relevées dans la zone d’étude

Direction Nombre de linéaments Azimuts

0-10 16 3 ;7 ; 3 ;4 ;0 ;7 ;8 ;10 ;7 ;9 ;8 ;6 ;1 :6 ;2 ;2

11-20 4 18 ; 12 ; 15 ; 12

31-40 1 31

41-50 1 49

61-70 2 65 ; 58

101-110 3 104 ; 104; 109

111-120 5 117 ; 117 ; 117 ; 120 ; 117

121-130 3 121 ; 123 ; 129

131-140 3 135 ; 137 ; 135

141-150 14 143 ; 150 ; 149; 147; 145;144; 145; 146; 147; 144; 141; 143; 142; 145

151-160 5 156 ; 155 ; 154 ; 156 ; 154

161-170 5 168 ; 170 ; 163 ; 169 ; 166

171-180 16 180 ; 171 ; 173 ; 172 ; 180 ; 179 ; 174 ; 179 ; 180 ; 180 ; 180 ; 177 ; 175 ; 176 ; 176 ; 178

Tableau 15 : Statistiques des channel segments relevés dans la zone d’étude

Directions Nombre Azimuths

0 – 10 11 6; 0; 6; 0; 7; 9; 1; 8; 3 ;8; 9; 7

11 – 20 10 16,4726; 10,8601; 16,637; 17,5878; 19,0117; 15,394; 10,673; 16,512; 13,0816; 11,6395

21 – 30 19 23,311; 24,703; 28,2589; 26,3858; 26,3196; 24,4311; 25,5774; 27,9045; 23,367; 24,6186; 20,8902; 29,9015; 29,9056; 29,0546; 24,9497; 20,5631; 29,3697; 24,0465; 29,7146

31 – 40 10 33,4634; 31,9313; 37,3393; 37,2922; 32,3722; 35,0886; 38,762; 32,2621; 36,2434; 34,2921

41 – 50 16 41,3366; 46,9426; 44,0801; 43,3618; 48,23; 49,9193; 41,5129; 43,5034; 41,4553; 43,4523; 41,8711; 48,1499; 43,7911; 42,2959; 47,3663; 41,9074

51 – 60 24 54,1629; 55,7864; 53,6701; 59,7457; 53,8426; 55,4683; 54,5886; 51,7796; 54,8829; 59,44; 55,3342; 57,5808; 56,7599; 51,1467; 57,1521; 52,7027; 55,5483; 52,0154; 56,0886; 60,1985; 52,4227; 55,773; 55,222; 56,3333

61 – 70 29 62,775; 68,238; 69,5213; 67,5809; 64,235; 69,2105; 69,0629; 60,8233; 70,0223; 60,988; 68,3229; 68,5684; 61,9363; 62,6639; 66,7725; 68,1542; 69,7453; 60,5847; 64,3286; 69,9254; 65,6684; 63,1385; 69,3929; 63,718; 66,776; 64,1967; 64,6955; 66,962; 60,6254

71 – 80 33 80,4171; 72,7701; 72,1729; 76,2635; 78,1666; 79,4513; 79,7225; 78,7425; 79,8336; 73,6872; 79,4541; 79,4695; 79,5143; 74,2146; 72,408; 79,3999; 77,7981; 74,6395; 78,0762; 74,5323; 75,7006; 70,977; 79,8572; 80,2142; 71,0633; 79,415; 80,0055; 76,7992; 74,315; 74,9529; 78,1102; 80,2708; 79,2283

81 – 90 38

86,9099; 84,2312; 87,369; 84,421; 88,7257; 88,9831; 82,4981; 88,2301; 87,0213; 87,3769; 82,0348; 84,5363; 84,7211; 88,7686; 80,5643; 83,3582; 84,7993; 89,7384; 87,4054; 87,5962; 83,3278; 84,2487; 83,431; 81,1876; 89,2264; 83,3326; 88,1441; 89,9323; 89,0376; 86,7379; 86,9355; 86,5479; 89,1214; 81,9362; 83,5494; 80,6008; 87,9026; 81,1613

91 – 100 48 95,3808; 99,459; 95,0568; 97,8928; 93,6952; 100,018; 97,5211; 98,3984; 93,3853; 98,7819; 98,7548; 99,4663;


95,4565; 97,3551; 96,5; 91,2546; 96,273; 92,118; 99,3803; 96,0508; 97,7582; 97,1042; 94,9787; 95,7356; 99,2429; 91,1168; 96,5546; 92,049; 98,818; 100,081; 97,367; 94,533; 91,9078; 94,3229; 95,0714; 100,407; 97,7144; 97,2907; 95,9495; 100,447; 98,485; 92,6687; 100,058; 99,8402; 94,7771; 94,7884; 97,4335; 98,5749

101 – 110 54

104,421; 109,181; 108,254; 102,839; 102,878; 102,549; 104,186; 105,439; 106,574; 103,451; 103,676; 102,266; 103,607; 103,432; 102,751; 108,158; 109,36; 102,021; 109,509; 110,307; 108,803; 107,865; 108,802; 108,727; 106,118; 105,834; 106,532; 104,413; 107,7; 102,028; 100,656; 102,22; 105,844; 102,395; 100,93; 103,755; 105,507; 103,668; 104,132; 104,274; 101,581; 110,217; 101,581; 103,083; 104,103; 101,529; 106,21; 105,627; 107,989; 100,856; 105,513; 102,048; 101,856; 102,074

111 – 120 62

115,164; 120,091; 117,846; 117,308; 119,635; 117,657; 118,539; 111,59; 114,986; 120,082; 115,52; 112,416; 118,681; 114,941; 113,373; 119,949; 111,122; 117,366; 119,69; 112,88; 117,518; 117,882; 111,948; 118,022; 114,044; 118,727; 119,22; 117,105; 120,168; 112,584; 110,789; 119,207; 114,325; 116,262; 118,388; 115,656; 119,076; 116,896; 117,408; 113,01; 117,059; 117,442; 115,375; 119,534; 115,378; 111,321; 118,583; 118,052; 120,442; 114,236; 113,463; 112,261; 114,406; 111,075; 118,895; 118,782; 111,514; 115,301; 120,234; 119,439; 120,289; 114,45

121 – 130 62

128,938; 124,099; 129,008; 126,719; 126,766; 129,345; 124,011; 128,351; 122,987; 127,348; 130,191; 126,029; 124,38; 129,739; 128,241; 120,682; 126,573; 123,575; 123,174; 126,958; 123,106; 123,611; 126,049; 126,417; 123,323; 128,04; 127,668; 122,896; 130,185; 124,918; 126,279; 125,812; 129,671; 129,275; 127,874; 122,188; 128,968; 125,915; 124,29; 127,638; 129,91; 121,609; 123,49; 128,288; 124,246; 127,779; 125,188; 127,791; 127,195; 128,261; 127,135; 127,242; 122,791; 123,198; 121,785; 123,673; 129,437; 123,241; 127,742; 128,51; 127,321; 130,447

131 – 140 68

135,104; 135,969; 136,873; 131,868; 138,353; 132,496; 137,807; 137,818; 136,857; 136,493; 136,025; 140,164; 134,076; 131,046; 131,94; 137,471; 133,203; 136,19; 132,675; 130,964; 139,246; 136,895; 135,154; 133,859; 131,561; 136,454; 136,472; 138,255; 137,5; 135,617; 132,759; 137,014; 135,303; 132,152; 139,841; 140,136; 134,526; 138,733; 136,46; 138,054; 133,81; 137,336; 135,863; 139,993; 132,101; 130,733; 133,433; 134,768; 135,446; 134,889; 137,692; 136,966; 134,439; 132,352; 131,672; 133,475; 133,83; 138,062; 134,574; 133,988; 140,069; 134,679; 130,979; 138,44; 130,809; 136,971; 132,876; 134,185

141 – 150 90

142,274; 144,47; 144,289; 143,493; 143,589; 144,576; 150,114; 147,602; 143,041; 141,813; 146,221; 146,974; 145,171; 147,15; 140,819; 147,251; 142,272; 147,317; 145,971; 142,703; 140,922; 150,311; 149,08; 148,423; 146,478; 143,648; 149,258; 142,644; 147,885; 145,933; 143,044; 150,402; 147,337; 142,749; 148,939; 148,455; 146,362; 148,988; 145,752; 147,098; 141,543; 148,196; 141,891; 150,089; 145,368; 148,844; 149,296; 146,614; 148,07; 146,88; 144,032; 149,359; 150,02; 145,512; 148,299; 148,932; 149,352; 143,46; 142,684; 141,814; 149,918; 146,832; 142,921; 148,014; 147,634; 148,253; 142,886; 146,172; 144,763; 144,8; 144,694; 145,677; 146,456; 144,321; 149,208; 145,569; 142,65; 144,906; 142,385; 146,607; 148,983; 143,321; 150,419; 142,546; 150,396; 147,368; 146,595; 147,625; 146,027; 149,541

151 – 160 80

153,676; 158,849; 158,086; 150,839; 159,826; 159,794; 151,817; 150,977; 154,112; 154,75; 153,293; 151,685; 158,992; 154,62; 160,073; 151,324; 155,142; 152,877; 158,244; 154,262; 156,514; 155,575; 152,99; 157,259; 159,636; 155,819; 152,475; 160,16; 153,888; 153,634; 155,53; 159,872; 152,557; 155,972; 151,848; 152,316; 154,75; 157,842; 159,927; 160,021; 158,079; 153,1; 160,494; 154,65; 159,134; 159,934; 155,573; 151,007; 151,973; 150,853; 157,736; 158,543; 158,592; 153,541; 157,971; 152,614; 157,208; 156,5; 153,801; 154,118; 155,58; 156,7; 152,967; 159,606; 154,558; 153,256; 159,858; 154,101; 159,761; 158,961; 159,751; 156,571; 155,622; 157,105; 151,577; 159,333; 157,585; 158,859; 158,78; 153,117

161 – 170 110

168,547; 167,6; 169,976; 167,143; 162,917; 164,077; 160,685; 164,061; 163,255; 165,909; 162,425; 163,245; 166,279; 163,067; 166,379; 167,192; 164,223; 166,291; 163,545; 168,22; 161,027; 163,325; 168,346; 167,119; 167,061; 163,539; 165,057; 162,572; 165,724; 161,485; 162,495; 161,846; 161,967; 166,717; 164,858; 161,309; 161,551; 165,269; 169,511; 169,509; 167,009; 163,755; 168,66; 162,652; 166,167; 166,227; 166,807; 169,435; 162,698; 168,507; 163,847; 161,039; 163,046; 168,661; 165,772; 161,155; 166,575; 163,083; 162,071; 164,719; 166,564; 164,561; 169,37; 167,166; 163,512; 161,306; 160,665; 165,524; 166,728; 163,294; 165,214; 167,312; 164,791; 169,442; 162,208; 163,061; 169,562; 166,46; 162,743; 164,317; 164,594; 166,639; 168,584; 167,055; 168,109; 162,86; 168,692; 169,273; 168,829; 167,351; 168,855; 164,165; 162,354; 168,563; 165,212; 161,941; 167,842; 169,243; 160,75; 165,495; 168,948; 162,538; 166,587; 168,625; 168,675; 165,672; 169,149; 163,687; 165,528; 162,208

171 – 180 104

171,698; 173,792; 174,086; 173,329; 174,301; 171,329; 178,645; 176,426; 175,267; 174,496; 175,841; 172,081; 174,128; 173,211; 177,928; 171,647; 171,391; 174,564; 176,798; 172,341; 171,627; 179,054; 173,116; 179,764; 176,088; 171,181; 171,699; 170,909; 178,095; 175,484; 178,642; 176,419; 171,675; 178,548; 176,415; 176,712; 179,329; 173,918; 178,551; 179,591; 172,358; 174,737; 172,566; 175,206; 174,567; 179,512; 174,901; 173,775; 179,304; 171,893; 179,003; 178,019; 176,387; 176,547; 176,744; 177,6; 177,52; 176,247; 177,475; 171,089; 176,292; 171,471; 176,572; 176,056; 177,617; 174,192; 172,516; 174,72; 178,06; 177,372; 178,889; 179,368; 171,518; 178,771; 173,815; 171,637; 170,893; 174,865; 172,901; 178,819; 176,616; 176,675; 175,54; 171,768; 172,755; 176,99; 174,254; 175; 179; 174,; 178; 177; 175; 178; 171; 177; 172; 178; 171; 177; 170; 174; 175; 179


4-2-2-3/ Interprétations et discussions

Les statistiques (reportées dans le tableau 14) montrent une prépondérance des fractures de direction N0-N10 et celles de directionN170-N180 suivies des fractures de direction N140-N150.

Les directions majeures peuvent être regroupées en une seule famille subméridienne (N170-N10).

La répartition spatiale des éléments, d’une manière générale, est plus ou moins homogène sur l’ensemble de la zone. Cependant nous notons une concentration relativement plus renforcée au centre de la feuille. Un linéament se démarque de par sa grande extension, orienté N-S.

Pour les channel segments les directions dominantes peuvent être regroupées dans la famille N160-N180. D’autres directions se démarquent mais un peu moins que la famille citée précédemment, il s’agit de la famille N140-N160.

Le réseau de drainage est très dense, 868 lignes ont été recensées.

4-2-2-4/Relations entre trajectoires de fractures et channel segment

Que ce soit pour les trajectoires des fractures (figure 18), ou pour les channel segments (figure 19) une famille de direction domine : N170-N180. On constate aussi une concordance des directions des deux linéaments structuraux sur les directions N140-N150.

Figure 18: Rosace des trajectoires de fractures

Figure 19: Rosace des channel segments


4-2-2-5/Conclusion

Le réseau hydrographique de Betafo est dichotomique et très dense.

La plupart des ruisseaux est sous contrôle structural, seuls quelques ruisseaux taillent leur propre chemin. Certains channel segments sont liés aux fissures ou même aux failles profondes provoquant les tremblements de terre liés au volcanisme.

Les sources thermales de notre zone d’étude se trouvent près des failles, nous en déduisons que les fractures sont en relation avec les venues de sources chaudes et que les plans de fractures ou des failles jouent le rôle de conduit.

Cela confirme les relations évidentes entre fractures, volcanisme et sites géothermiques.

4-3-COMPARAISON ENTRE LESITE GEOTHERMAL D’ANTSIRABE ET CELUI DE BETAFO Le site géothermal d’Antsirabe, a déjà fait l’objet de plusieurs études plus poussées par rapport au site de Betafo. Il a été révélé que le réservoir géothermique d’Antsirabe se trouve dans un environnement granitique vers 2,5 à 3km de profondeur (Sarazin et al, 1984). La comparaison des deux sites permettrait de donner un aperçu des caractéristiques du réservoir de la zone d’étude.

La règle générale des formations des sources dans le domaine des hauts plateaux de Madagascar est, dans les conditions topographiques favorables, la superposition d’un horizon perméable (poreux) sur une couche imperméable. Très généralement l’horizon perméable est représenté par l’arène granito-gneissique de la base du profil latéritique et la couche imperméable par le granito-gneiss intact.

Dans la région d’Antsirabe-Betafo, les choses sont différentes : l’horizon perméable très largement développé, tant en épaisseur qu’en étendue, est constitué par le complexe volcanique où dominent des projections volcaniques de granulométrie diverse. Les couches moins perméables sont formées par les roches du socle cristallin, les argiles latéritiques ou encore les sédiments lacustres argileux.

La carte de reconnaissance au 1 /200000 n’a que rarement séparé les coulées et les projections. Les dernières ont beaucoup plus d’extension et d’importance que les premières. Elles forment un excellent réservoir d’eau. Ces grosses masses de sédiments poreux reposent soient sur le socle, soient sur des argiles lacustres que l’on voit affleurer parfois dans les fonds des vallées. Lorsque l’inclinaison des couches est favorable, il y a fréquemment naissance des sources.

On peut parler de groupe de sources.


4-3-1-LITHOLOGIE DE LA ZONE D’ANTSIRABE

La géologie de la zone thermale proprement dite d’Antsirabe a été étudiée par Perrier de la Bathie (1915, 1923) puis par Lenoble (1946).

Sur le socle cristallin précambrien ondulé se sont déposés les sédiments lacustres de l’ancien quaternaire d’Antsirabe. Lenoble a reconnu par sondage la stratigraphie suivante :

D- Sédiments les plus récents, peu étendus : tourbes et argiles blanches renfermant la faune subfossile à hippopotame.

C- Cinérites remaniés, transformées en argiles avec résidus de leur structure et de leur formation originelle, accompagnées parfois de lits de graviers et de blocs de roches volcaniques (surtout andésites et rhyolites).

B- Dépôts uniquement argileux, avec couches peu épaisses de lignites-schistes (torbanites) très argileux d’une puissance maximum de 18m. Cette formation débute souvent par un petit niveau sableux non argileux et tourbeux dont la plus grande épaisseur connue est de 2m.

A-Sables cimentés par de l’argile (arènes argileuses), dont l’épaisseur maximum de 20m varie avec les inégalités du substratum gneissique.

Tout cet ensemble a été recouvert par les cendres et coulées des dernières éruptions basanitiques de l’Ankaratra. Les sédiments A sont contemporains de la première période d’éruption de l’Ankaratra.

Toutes les fractures donnant naissance à des sources thermales sont antérieures aux dépôts lacustres ; aucune n’affecte les sédiments. Elles font donc partie des mouvements tectoniques qui ont précédé la première période volcanique de l’Ankaratra à laquelle elles sont liées.

Certaines eaux thermales de la région d’Antsirabe forment un groupe de petites sources, de geysers, de griffons et de suintements. D’autres montrent des monticules de travertin, de tufs calcaires.


4-3-2-LITHOLOGIE DE BETAFO

Le forage effectué par Lenoble (1946) sur le site géothermique de Ranomafana-Betafo a révélé sur 17m de profondeur les couches suivantes (figure 20) :

Figure 20 :Schéma stratigraphique du site géothermal de Ranomafana-Betafo

4-3-3 COMPARAISON DES CARACTERES CHIMIQUES ET DES TEMPERATURES EN PROFONDEUR DES DEUX SITES

Pour mieux apprécier la comparaison des deux sites, nous avons compilés dans les tableaux suivants, respectivement, la composition chimique des sources de chaque site (tableaux 16 et 17) et les températures estimées en profondeur (tableaux 18 et 19).

Les concentrations sont données en mg /l.


Tableau 16 : composition chimique des eaux thermales d’Antsirabe (Gunlaugsson et al. 1981; geological survey of Madagascar, 1946-1959*)

T(°C) Ph SiO2 Ca Mg K Na Cl HCO3+CO2 SO4

Ranomafana* 51 - 142 111,0 72,1 279,0 1345 496,0 1613 197

RanomafanaII* 51 - 160 179.0 80.0 258.0 1245 500.0 1710 194

RanomafanaII 51 7.56 133 94.4 - 176.5 1389 478.0 2645 200

Lac* 35 - 126 119.0 49.0 243.0 1143 421.0 1567 84

Lac 38.5 6.95 134 94.1 62.1 151.9 1264 437.0 2698 177

Hopital* 42 - 138 134.0 74.0 268.0 1316 489.0 1771 181

Hopital 45 7.14 140 111.9 70.2 185.2 1399 481.0 2860 205

Parc* 26 - 133 123.0 70.0 283.0 1262 479.0 1724 186

Ranovisy* 42 - 159 119.0 69.0 285.0 1342 496.0 1738 199

Ranovisy 46 7.4 149 124.7 70.6 186.3 1424 486.0 2816 204

Visikely* 27 Nd 105 110.0 44.0 209.0 669 253.0 1052 75

Toutes les sources de la zone thermale donnent des eaux bicarbonatées sodiques, légèrement calciques et chlorurées. Les variations de la minéralisation tiennent à une dilution et sont indépendantes de la température de l’eau. Leur température varie de 26 à 51°C et leur pH de 6,95 à 7,56.

Ces eaux sont des eaux non-équilibrées.

Tableau 17: Composition chimique des eaux thermales de Betafo (Gunlaugsson et al. 1981; JIRAMA**)

T(°C) Ph SiO2 Ca Mg K Na Cl HCO3+CO2 SO4

Ranomafana-betafo 58 8.21 69 18.5 1.7 5.3 123 7.2 111 162

Ranomafana-Betafo 1** 58 7,66 88 24 2,92 6,9 110 11,36 Nd 175

Ranomafana-Betafo 2** 48 7,56 105 28,4 3,89 8,1 105 11,36 Nd 179

Ranomafana-Betafo 3** 46 7,26 100 27,2 4,62 2,8 96 10,65 Nd 171

Il a été mis en évidence que les eaux thermales de Ranomafana-Betafo sont hyperthermales avec une température allant de 46 à 58°C et légèrement basique avec un pH allant de 7,26 à 8,21. Ce sont des eaux moyennement minéralisées, sulfatées sodiques, légèrement chlorurées et bicarbonatées calciques et elles n’ont pas atteint l’équilibre.


Tableau 18: Températures estimées en profondeur des eaux thermales d’Antsirabe (source Gunlaugsson et al. 1981 ; geological survey of Madagascar, 1946-1959*)

T Na-K-Ca T quartz Tamorphoussilica T calcedony

Ranomafana* 252 158 36 134

RanomafanaII* 244 165 42 142

RanomafanaII 221 154 32 129

Lac* 249 151 29 125

Lac 215 154 32 129

Hopital* 248 156 34 132

Hopital 222 157 35 132

Parc* 255 154 32 129

Ranovisy* 253 165 42 142

Ranovisy 220 161 38 137

Visikely* 265 140 19 114

La géothermométrie chimique des eaux d’Antsirabe révèle des températures en profondeur témoignant d’une géothermie de moyenne enthalpie.

Tableau 19: Températures estimées en profondeur des eaux thermales de Ranomafana-Betafo (sources :Gunlaugsson et al. 1981, JIRAMA**)

T Na-K-Ca T quartz Tamorphoussilica T calcedony

Ranomafana-Betafo 135 117 -1 88

Ranomafana-Betafo 1** 277 131 11 103



Rappelons aussi que la géothermométrie des eaux de Betafo a montré que l’on est en présence d’un système géothermique de moyenne à haute enthalpie (T≥100°C).


RECAPITULATION

On remarque la prédominance de l’argile tant dans la lithologie d’Antsirabe que celle de Betafo. Cela peut s’expliquer par l’altération des formations de natures basaltiques du socle.

La comparaison entre les deux sites est synthétisée dans le tableau suivant :

Tableau 20: Tableau récapitulatif de la comparaison des sites d'Antsirabe et Betafo

Antsirabe Betafo

pH 6,95 à 7,56 7,6 à 8,21

Caractère chimique des eaux

Bicarbonatées sodiques, légèrement calciques et chlorurées

Sulfatées sodiques légèrement chlorurées et bicarbonatées calciques

Non-équilibrées

Type d’eaux Thermales Hyperthermales

Température maximale à l’émergence

51°C 58°C

Type de géothermie Moyenne enthalpie Moyenne à haute enthalpie

Conclusion

Pour la composition chimique des eaux d’Antsirabe et de Betafo, on observe une variation non-négligeable. Bien que les eaux soient toutes non-équilibrées, elles se différencient du fait que les eaux d’Antsirabe sont nettement bicarbonatées sodiques et celles de Betafo sont plus sulfatées sodiques.

Par contre la comparaison des températures estimées en profondeur ne présente pas de très grand écart entre les températures des eaux d’Antsirabe et celles de Betafo, elles offrent une énergie de moyenne à haute enthalpie.

On peut donc présumer que les eaux d’Antsirabe et celles de Betafo appartiennent toutes au même système géothermique de type 1 (géothermie de moyenne à haute énergie d’origine volcano-tectonique liée au volcanisme quaternaire d’Ankaratra et des failles profondes environnantes).


CHAPITRE 5 : POSSIBILITES D’USAGES DE LA GEOTHERMIE A BETAFO

D’après les études faites (chapitres précédents), il apparait que le site de Ranomafana-Betafo a le potentiel nécessaire pour de multiples usages que ce soit directes ou indirectes.

Outre les usages traditionnelles tels que la balnéothérapie nous nous proposons d’étudier des possibilités d’usages qui seraient vraiment significatives du point de vue développement économique de la zone d’étude. Comme l’agriculture est la principale activité de la commune de Ranomafana, nous avons pensé en premier lieu au montage d’une unité de séchage géothermique pour la conservation des produits et en deuxième lieu, comme uniquement un seul fokontany dispose d’électricité nous nous proposons pour l’étude de la faisabilité d’une microcentrale à source géothermale.

5-1 MODELE DE MONTAGE D’UNE UNITE DE SECHAGE

5-1-1- GENERALITES SUR LE SECHAGE

Pendant longtemps, on a utilisé la chaleur solaire comme méthode de séchage agricole et industriel ; cependant il existe diverses techniques de déshydratation de fruits et légumes comme l’énergie géothermique.

L’objectif principal dans le domaine du séchage est de prolonger la préservation dans le temps du produit à sécher sachant que la détérioration des aliments est principalement causée par des micro-organismes ou par des procédés chimiques. Pendant le séchage, ces deux processus sont ralentis et finalement arrêtés.

Le séchage agricole est la méthode de conservation la plus ancienne des produits agricoles. Elle consiste à la déshydratation des fruits et légumes, grâce à la chaleur. Les principaux aliments qui sont séchés grâce à la géothermie sont: maïs, pommes de terre, oignon, tomate, ail, pommes, mangue, poire, banane, ananas, céréales, noix de coco, algues,).

Le séchage au soleil présente des inconvénients, car il a besoin d’un assez longtemps pourle séchage, cela induit des conséquences néfastes, quand à la qualité du produit.

En effet le produit final peut être:

− Contaminé par la poussière, la pluie et les rongeurs, les oiseaux et les insectes.

− Conduit à la cémentation (i.e. formation d’un disque externe), ce qui empêche le dessèchement de la partie intérieure du produit.

Par comparaison entre le séchage traditionnel et le séchage par la géothermie, ce dernier présente des avantages dont les principaux sont:

- On peut procéder au séchage pendant n’importe quel mois de l’année.


- On peut contrôler la température de séchage qui diffère selon le légume ou le fruit à sécher.

- Le produit final est séché en surface comme à l’intérieur.

- Utilisation de la source d’énergie locale.

5-1-2-CHOIX DU PRODUIT A SECHER

L’agriculture tient une place prépondérante dans l’économie de Betafo et de Ranomafana et un nombre important de produits agricoles pourraient être séchés : le maïs, le riz et les pommes de terre, etc. (INSTAT, 2005).

Ces produits peuvent être destinés soit à l'exportation, soit comme matières premières pour des transformations industrielles, soit à la consommation locale. Dans tous les cas, ils doivent répondre à des normes et exigences bien déterminées.

En principe les céréales classiques sont récoltées à une humidité permettant un stockage direct sans risque d’altération du produit au cours de la conservation. Ce n’est pas le cas du maïs dont le taux d’humidité se situe entre 30 et 40% au moment de la récolte, lequel doit être abaissé à 15% pour que soit garantie une bonne conservation.

C’est pourquoi notre choix se porte sur le maïs, de plus sa température de séchage est de 45 à 110°C, ce qui convient parfaitement au potentiel de notre eau géothermale (58°C à l’émergence).

5-1-3 CHOIX DE LA TECHNIQUE DE SECHAGE

Il existe plusieurs techniques de séchage mais la méthode dite de « séchage à courants croisés » (figure 21) convient le mieux pour le maïs.

En effet, ce mode de séchage est réservé aux produits granuleux pouvant être disposés en couche statique ou mobile, mais non compacte. L’avancement du produit est obtenu essentiellement par gravité.


Figure 21: Séchage à courants croisés

5-1-4 SECHAGE GEOTHERMIQUE

Le principe d’application de la géothermie au séchage consiste à effectuer un préchauffage de l’air extérieur par passage dans un échangeur air-eau, avant de faire passer cet air dans un générateur d’eau chaude ayant pour but de le porter à la température souhaitée.

Pour cela, on couple une pompe à chaleur, pour le préchauffage requis, à un sécheur silo ordinaire.

5-1-4-1/Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur (figure 22)

La pompe à chaleur (PAC) fonctionne sur le principe du cycle thermodynamique récupérant la chaleur d’une source chaude.

Ce sont des appareils capables de capter de la chaleur d’une source de température plus basse. Ils sont essentiellement composés d’un circuit fermé, dans lequel est comprimé et détendu en permanence, un fluide spécifique. À chaque compression et à chaque détente (c’est à dire à chaque cycle de travail), le fluide prend un peu de chaleur à la source froide et la cède à la source chaude (dans notre cas, l’eau géothermale). En inversant le cycle de travail, ces appareils peuvent être utilisés aussi bien pour le chauffage que pour le rafraîchissement. Les performances des PAC sont généralement définies par deux coefficients données par les constructeurs : (1) le coefficient ε correspondant au seul fonctionnement du compresseur et (2) le coefficient COP, correspondant au fonctionnement du compresseur et des organes auxiliaires. Par exemple, si la valeur du COP est égale à 4, cela veut dire que pour 1 kW d’énergie électrique absorbée par le compresseur, on récupère (de la source froide à la source chaude) 4 kW de chaleur.


Les éléments de base d’une pompe à chaleur sont :

• le compresseur ;

• le condenseur ;

• l'organe de détente ;

• l'évaporateur.

Figure 22: Schéma du principe de fonctionnement d’une pompe a chaleur

5-1-4-2/ Estimation de la puissance possible d’une pompe à chaleur

Le calcul de la puissance possible est basé sur l’utilisation d’une Pompe à Chaleur eau utilisée en mode chauffage si la température de l’eau est inférieure à 65 °C et sur un échangeur eau chaude si la température est supérieure à 65 °C.

Le calcul de la puissance s’appuie sur la formule suivante :

P(kw) = [Q(m3/h) *dt* 1.16] / (1-1/COP)

Soit pour une COP de 3.3, valeur habituellement considérée et ici utilisée dans les calculs : P(kw) = Q(m3/h) *dt* 1.66

Pour calculer la puissance, un différentiel thermique dt (différence entre la température de l’eau prélevée et la température de l’eau rejetée) variable a été utilisé en fonction de la


température de l’eau. En effet, plus cette dernière est élevée plus le différentiel thermique peut être élevé. Le tableau 21 résume la méthode suivie pour le calcul de la puissance possible.

Tableau 21 : Bases de calcul de la puissance possible

Solution

Géothermique

Température de

la nappe (°C)

dt (°C) Equation utilisée

PAC

<20 6

P(kw) = Q(m3/h) *dt* 1.66

<30 8

<40 10

<50 12

<65 15

Echangeur ≥65 20 P(kw) = Q(m3/h) *dt* 1.16

5-1-4-3/Principe de fonctionnement d’un sécheur silo(figure 23) Le séchage comprend 4 étapes :

• Alimentation en produit : Le produit humide est introduit en haut du sécheur et descend par gravité. Des trappes

qui s’ouvrent et se ferment à intervalles réguliers permettent de réguler le débit de grains.

• Séchage proprement dit : La zone de séchage est munie de gaines ou dièdres qui irriguent la couche de grains en air chaud. Ces gaines permettent l’apport d’énergie nécessaire au séchage du grain et l’évacuation de l’air usé.

• Refroidissement et extraction des grains : De l’air froid est introduit dans les gaines, en partie inférieure du sécheur, pour amener

la température des grains à la température ambiante.

• Recyclage thermique de l’air usé : Cet air provenant de la partie inférieure du sécheur est recyclé, soit en partie

supérieure du sécheur, soit en amont de l’installation, au niveau du générateur d’air chaud.

Les caractéristiques du procédé de séchage sont rapportées dans le tableau suivant :


Tableau 22: Caractéristiques du procédé du séchage silo

Température de

Fonctionnement

Temps de séjour Débit du produit Capacité de

traitement horaire

30 à 90 °C 6-9 h à 3-4 jours 2 à 60 t de grain

humide/h

500 à 15 000 kg

d'eau/h

Remarque : Il est possible d’effectuer un recyclage intégral en récupérant l’air usé de la partie inférieure du sécheur (zone de refroidissement et de séchage) ; ce dernier est réchauffé puis réinjecté dans la partie supérieure du sécheur.

Figure 23 : Schéma du principe de fonctionnement d’un sécheur silo

1. Entrée du produit humide

2. Zone de séchage

3. Zone de refroidissement

4. Sortie du produit sec

5. Recyclage de l’air usé

5-1-5 BESOINS ENERGETIQUES D’UN SECHOIR A MAÏS

Le tableau 23 indique pour différentes températures de l’air chaud et pour un air ambiant à 10°C et 80% d’humidité relative, la température limite de refroidissement et la consommation spécifique minimale.


Tableau 23: Température limite de refroidissement et consommations spécifiques minimales (Scherr, P., 1981)

Température de l’air chaud (°C)

Température limite de refroidissement (°C)

Consommation thermique spécifique minimale (kcal/kg)

60 25 857,1

80 29,5 841,6

100 33 812

120 36,7 806,5

140 39,2 788

Légende : Courbe de tendance Courbe de tendance lissée Figure 24: Courbe de tendance de la température limite de refroidissement par rapport à la température de l’air chaud

Légende : Courbe de tendance Courbe de tendance lissée Figure 25: Courbe de tendance de la consommation thermique spécifique minimale par rapport à la température de l’air chaud

On peut dire que la température limite de refroidissement augmente avec la température de l’air chaud de façon très amortie (figure 24). La consommation thermique spécifique minimale décroit quant à elle légèrement avec la température (figure 25).

On peut donc conclure en première analyse que plus la température de séchage est élevée, plus le séchage peut être performant sur le plan énergétique.

Le tableau 24 indique les valeurs de la consommation thermique spécifique minimale en fonction de la température de l’air ambiant et de son hygrométrie pour une température d’air chaud de 120°C.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150

Te

mp

réra

ture

lim

ite

de

refr

oid

isse

me

nt

(°C

)

Température de l'air chaud (°C)

780

790

800

810

820

830

840

850

860

870

0 50 100 150Te

mp

éra

ture

de

l’a

ir c

ha

ud

(°C

)

Consommation thermique spécifique

minimale (kcal/kg)


Tableau 24 : Consommations thermiques spécifiques minimales (Scherr, P., 1981)

Température de l’air ambiant (°C) Hygrométrie %

Consommation thermique spécifique minimale (kcal/kg)

10 80 806,6

10 50 799,4

20 80 752,3

20 50 741,6

On peut dire que la consommation thermique spécifique minimale baisse très légèrement quand l’hygrométrie ambiante diminue, plus fortement quand la température ambiante augmente.

Légende :

Courbe de tendance

Courbe de tendance lissée

Figure 26: Courbe de tendance de la consommation thermique spécifique minimale par rapport à la température de l’air ambiant

On peut donc conclure que, pour une température de séchage donnée, le séchage peut être plus performant sur le plan énergétique que l’air ambiant est plus chaud et sec.

Les puissances nécessaires des séchoirs du type sécheur silo en fonction de la température de l’air chaud pour un air ambiant à 10°C et 80% d’humidité relative sont les suivantes (tableau 25) :

730

740

750

760

770

780

790

800

810

0 5 10 15 20 25

Co

nso

mm

ati

on

th

erm

iqu

e s

pé

cifi

qu

e

min

ima

le (

kca

l/k

g)

Température de l’air ambiant (°C)


Tableau 25: Puissances nécessaires en fonction de la température de l’air chaud (Scherr, P., 1981)

Température de l’air chaud (°C) Puissance à fournir (kcal/kg)

60 1285

80 1260

100 1218

120 1200

140 1180

5-1-6 ESTIMATION DE LA CAPACITE DU SECHOIR

Les bases de calculs sont :

• Température de l’eau géothermale :T= 58°C ; • Débit de l’eau géothermale : Q=0,4l/s.

5-1-6-1/ Estimation de la puissance possible de la pompe à chaleur

D’après le tableau 25, la puissance possible de la pompe à chaleur serait :

P(kw) = Q(m3/h) *dt* 1.66

Avec: dt=15°C

Q=0,4l/s=7,2m3/h

D’où P=7,2 *15 *1,66=179,28kw

P=179,28kW

5-1-6-1/ Prédimensionnement du séchoir

Au vu des caractéristiques de notre eau géothermale et de notre pompe à chaleur, prenons comme hypothèse de calcul :

− Température de l’air chaud : 100°C

− Titre final du maïs (Tf° : 15%)

− Capacité du séchoir : 500points/h

Remarque : l’unité de capacité utilisée en pratique est le point/heure, qui devrait en fait s’appeler le « quintal humide×point/heure » : c’est le débit de produit humide en quintal/heure multiplié par la différence de titre en eau entre l’entrée et la sortie du séchoir (points retirés par le séchage).


• Calcul de la puissance évaporatoire du séchoir :

�� é�� é�� !��"

# $ 100/(100 � �)*+��, = 500×100/(100-15)=588,23

Puissance évaporatoire=588,23 kg d’eau par heure

La puissance à fournir serait de :

d’après le tableau 25 la puissance nécessaire serait de 1218 kcal/kg

P séchoir= puissance nécessaire×puissance évaporatoire

=1218×588,23=716.103kcal/h

Pséchoir=716.103kcal/h

5-1-7 CONCLUSION

Le séchage géothermique peut prévaloir sur le séchage naturel. Le maïs étant un produit qui nécessite un séchage dans sa conservation, le choix s’est porté sur l’étude d’un sécheur silo qui est le séchoir qui convient le mieux au maïs. De plus, on a vu que la chaleur de l’eau géothermale de notre site est largement suffisante.

5-2-ETUDE D’UNE MICROCENTRALE GEOTHERMIQUE A RANOMAFANA-BETAFO La microcentrale permet la conversion thermodynamique de l’énergie thermique en énergie mécanique et électrique.

Les microcentrales géothermiques sont des unités permettant la production d’énergie électrique à partir d’eaux géothermales de moyenne température, valorisant ainsi une ressource géothermique qui était jusque-là inexploitée pour la conversion en électricité.

5-2-1 DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT D’UNE MICROCENT RALE GEOTHERMIQUE

La transformation de l’énergie thermique en énergie mécanique est réalisée en utilisant un groupe de conversion thermodynamique qui met en jeu trois (3) fluides :

• l’eau chaude constituée par la source géothermale dont la température est de 58°C à l’émergence. Le débit utilisable est de 0,4l/s ;

• un fluide caloporteur (généralement le fréon, l’ammoniac ou l’isobutane),

• un fluide de refroidissement (dans notre cas, la rivière Iandratsay peut servir à cet effet).


5-2-1-1/Principe de fonctionnement

Le fluide caloporteur décrit un cycle de Rankine (figure 27). L’eau géothermale vaporise ce fluide à travers l’évaporateur. La pression du fluide caloporteur permet d’entrainer l’organe moteur, soit un moteur, soit une turbine, qui entraine l’alternateur, soit directement si la vitesse de rotation le permet, soit par l’intermédiaire d’un réducteur de vitesse.

Après sa détente dans le convertisseur, le fluide est liquéfié dans le condensateur et refroidi par l’eau pompée depuis la source froide.

Le fluide caloporteur liquide est alors renvoyé dans l’évaporateur par l’intermédiaire d’une pompe de réinjection.

La lubrification est assurée par de l’huile mélangée au fluide et entrainée par la pompe à huile, située entre le moteur et le dévesiculeur.

- Circuit eau chaude La circulation de l’eau géothermale est assurée par une pompe centrifuge à travers l’évaporateur. Cette pompe est motorisée, au moins pour le démarrage de l’installation et est entrainée mécaniquement par poulies en fonctionnement normal.

Une éléctrovanne by-passe l’évaporateur, permettant ainsi l’utilisation de l’eau à un autre usage en cas d’arrêt de la microcentrale (sous réserve que la pompe soit entrainée).

- Circuit eau froide La circulation de l’eau froide est assurée par une pompe centrifuge entrainée mécaniquement par l’arbre de sortie du réducteur.

- Echangeurs L’évaporateur et le condensateur sont des échangeurs à plaques soudées. L’alliage d’acier est déterminé selon la nature chimique des eaux. L’évaporateur assure le préchauffage du liquide et son évaporation. Le condensateur assure la désurchauffe de la vapeur en sortie de l’organe moteur et sa condensation.

- Organe moteur L’organe de détente peut être soit une turbine axiale, soit un moteur à vis. La solution turbine axiale est préconisée lorsque les rapports de pression sont faibles et le débit de fréon élevé. Cette turbine peut être dimensionnée pour une vitesse de rotation de 3000tr/mn, ce qui rend possible le couplage direct sur l’alternateur. Dans le cas inverse, l’utilisation d’un réducteur lubrifié séparément est indispensable. L’utilisation d’un moteur à vis, solution moins onéreuse, est envisageable dans certaines conditions de fonctionnement (débit, température, fluide). Dans ce cas, le réducteur est nécessaire et la lubrification est assurée par l’intermédiaire du dévésiculeur.

- Circuit fluide caloporteur Le cyclone assure la séparation des phases liquide et gazeuse en sortie évaporateur, par centrifugation.

Le liquide est réinjecté à l’entrée de l’évaporateur par un recirculateur. Le dévésiculeur assure la séparation de l’huile et du fluide caloporteur vapeur en sortie moteur. Cette séparation


s’effectue à travers un tamis de fibres de verre ou de fils d’acier. Une proportion très faible du débit d’eau chaude traverse le dévésiculeur pour améliorer la séparation.

Ce procédé très efficace permet l’obtention d’une viscosité d’huile suffisante pour les paliers, le garniture et éventuellement les vis du moteur. Le déshydrateur élimine, lors du remplissage, toute trace d’humidité dans le fluide.

5-2-1-2/Production d’électricité-Régulation-Automatisme

L’alternateur entraine les annexes techniques (moteur alternatif, chargeur de batteries) et délivre la puissance sur la charge.

� La charge est un réseau basse tension auquel cas la microcentrale peut être utilisée en fourniture de base constante. « L’accrochage » au réseau s’effectue alors par un coupleur basse tension qui assure l’égalité des fréquences, des tensions et l’ordre des phases avant l’enclenchement du contacteur de puissance.

Dans ce cas, la régulation n’assure pas de suivi de charge, mais seulement la stabilité de vitesse au point nominal.

� La charge est constituée par un certain nombre d’utilisations modulaires (pompage, machines électriques, etc.) auquel cas le conducteur de la microcentrale devra lui-même fixer les propriétés et adapter les besoins à la puissance disponible en fonction de ces propriétés.

Les séquences de démarrage et d’arrêt sont semi-automatiques, c’est-à-dire que l’opérateur actionne des boutons poussoirs qui enclenchent des contacteurs, lesquels contacteurs commandent les moteurs (vannes, pompes).

Les sécurités restent automatiques.

5-2-2 PREDIMENSIONNEMENT DE LA MICROCENTRALE

5-2-2-1/Généralités

La puissance électrique pouvant être fournie par la microcentrale est fonction des températures de la source chaude (58°C), de l’eau froide (20°C) et du débit d’eau chaude (0,4l/s).

Au vu des caractéristiques thermiques du site étudié, nous avons retenu comme hypothèse de travail pour le prédimensionnement une puissance électrique de 20 kW.

Pour un débit d’eau chaude fixé, il existe un maximum de puissance mécanique utile, correspondant à une température de rejet particulière (température sortie eau évaporateur). En effet, plus la température de rejet est basse, plus la puissance thermique fournie à la boucle est importante et plus cette température est élevée, meilleur est le rendement de conversion.

Le cycle thermodynamique utilisé est un cycle de Rankine.


Figure 27: Schéma de principe de la boucle thermodynamique

Légende :

− C : clapet

− DH : déshydrateur

− F : filtre

− M : moteur (facultatif)

− P : pompe

− Pl : poulie

− S : soupape

− V : voyant

− VE : vanne électromagnétique

− VM : vanne manuelle


5-2-2-2/Le fluide de travail

Le fonctionnement du principe « moyenne enthalpie » nécessite un fluide secondaire convenable qui est le fluide de travail de l’installation. Des qualités lui sont proposées pour qu’il remplisse bien les conditions exigées par le rendement de la puissance dont :

− une très basse température d’ébullition et d’évaporation ;

− une chaleur spécifique et une différence d’enthalpie élevées ;

− un rendement convenable ;

− des propriétés inoffensives et non-agressives envers les utilisateurs et envers toute l’installation ;

− un prix abordable ;

− un produit local si possible.

Le fréon (11, 12 et 14), l’ammoniac et l’isobutane sont les plus souvent utilisés, mais pour notre étude l’ammoniac convient le mieux d’après les raisons citées précédemment.

Après comparaison, nous avons choisi, l’ammoniac au fréon de par ces qualités techniques mais aussi par rapport aux questions environnementaux.

5-2-2-3/Détermination des débits d’eau chaude et d’eau froide nécessaires

Les hypothèses sur l’implantation de la microcentrale sont les suivantes :

• Distance source chaude-centrale : 20m,

• L’eau géothermale est prise à la pression atmosphérique,

• Distance source froide-centrale : 50m,

• Débit disponible sur l’eau froide très important (rivière Iandratsay),

• Hauteur de relevage eau froide-centrale : 3m.

Ces hypothèses permettent de calculer les consommations annexes des pompes eau chaude et eau froide.

L’analyse des eaux montre qu’il faudra prévoir des circuits de détartrage sur l’évaporateur et le condenseur. Les surfaces d’échange de l’évaporateur seront prévues en acier inox au molybdène.

5-2-3 CALCULS NUMERIQUES DE LA PUISSANCE DE LA MICR OCENTRALE

5-2-3-1/ Calcul de la puissance sans amélioration de débit et de température

Sans amélioration, le débit reste 0,4l/s et la température 58°C. Les calculs seront faits au niveau de chaque appareil constitutif de l’installation.


a) Dans l’évaporateur : • la chaleur « Qe » fournie par l’eau chaude à l’ammoniac par unité de temps :

Qe = Cpe. De (te – ts)

Avec Cpe=chaleur spécifique de l’eau= 1kcal/kg°C

te, température de l’eau chaude à l’entrée =58°C

De, débit de l’eau chaude =0,4l/s=0,4kg/s

ts, température de l’eau chaude à la sortie =40 à 52°C

Dans la pratique, prenons ts=45°C

D’où : Qe = 1×0,4(58 – 45)

=5,2kcal/s

Comme 1kcal/s=4,18kW,

On a: Qe = 5,2×4,18

Qe = 21,736kW (1)

• la puissance brute « Qs »développée par la source pour toute l’installation est obtenue en faisant le produit de la chaleur spécifique de l’eau par le débit d’eau à l’émergence et par la différence entre la température de l’eau thermale et la température de la source froide :

Qs = Cpe. De (te – tsf)

Avec tsf : la température de la source froide qui est de 20°C en moyenne

Qs =1×0,4 (58 – 20)

=15,2kcal/s

b) Dans la turbine :

• le rendement de Carnot ɳc dans toute l’installation s’obtient en faisant le rapport de la

différence entre la température de l’eau thermale et celle de la source froide par la température de l’eau thermale :

Qs = 63,536kW (2)


(3) ɳc = 1– -./-0

Avec tsf et te en °K

ɳc = 1– 123415123467=0,1148

ɳc =11,48% (3)

• la puissance idéale Pc,qui est le produit de la puissance brute par le rendement de Carnot, est :

(4) Pc = Qs.ɳc

=63,536×0,1148

Pc = 7,29kW (4a)

• si on corrige le rendement idéal de Carnot pour qu’il soit proche de la réalité pratique,

elle serait ɳc=9,5% ,

d’où la puissance idéale corrigée serait :

Pc = 63,536×0,095

Pc = 6,03kW (4b)

• la puissance Pt par la turbine :

(5) Pt = Pc.ɳt

Avec ɳt le rendement d’une turbine qui varie de 0,50 à 0,65 dans la pratique. Dans notre cas,

nous allons prendre ɳt=0,60

D’où : Pt = 6,03×0,60

Pt = 3,618kW (5)

c) dans l’alternateur : La puissance électrique Pél produite par l’installation :

(6) Pél = Pt.ηal

Avec ηal le rendement de l’alternateur qui varie entre 0,90 à 0,98, pour notre calcul

nous allons prendre ηal=0,95


D’où: Pél = 3,618×0,95

Pél = 3,43kW (6)

d) puissance nette Pn de la microcentrale s’obtient en faisant le produit de la puissance électrique par les pertes :

(7) Pn = Pél.ɳn

Les accessoires et les pompes absorbent une partie de l’énergie pour pouvoir fonctionner. Les

pertes causées par ces différents appareils sont traduites et évaluées par le rendement ɳn=0,97

D’où:Pn = 3,43×0,97

Pn = 3,33kW (7)

5-2-3-2/ Amélioration du débit et de la température

.Si l’on ne considère que les besoins en éclairage des cinq fokontany de la commune de Ranomafana qui ne sont pas connectés à la JIRAMA, la puissance de 3,33kW ne permettrait d’allumer que 83 ampoules de 40W.

Autrement dit, la microcentrale ne subviendrait même pas aux besoins d’un fokontany, si l’on suppose que les 555 ménages composant la commune sont également répartis dans les 6 fokontany (ce qui nous ferait 92 ménages par fokontany).

Cette puissance de 3,33kW est donc à l’évidence trop petite, il faudrait par conséquent l’augmenter. Pour ce faire, il faudrait améliorer le débit et la température de l’eau géothermale qui alimente la microcentrale.

Lors de la descente sur terrain, nous avons pu constater qu’en enfonçant le thermomètre de quelques centimètres la température de l’eau est passé de 58°C à 60°C.Manque de moyens technique et financier, nous n’avons pas pu faire de sondage mais comme on est dans une zone d’anomalie du gradient géothermique (zone volcano-tectonique), on suppose qu’en installant un tubage de 5m de profondeur, on peut facilement atteindre une température de 70°C.

Donc il suffit juste de capter l’eau non pas à l’émergence mais à quelques mètres en profondeur pour avoir un débit et une température plus importants.

En suivant le même procédé de calcul que précédemment et en tenant compte des améliorations faisables, c’est-à-dire en prenant comme hypothèse de travail l’eau chaude à une température de 65°C et à un débit de 2l/s on a :

a) Dans l’évaporateur : • la chaleur Qe fournie par l’eau chaude à l’ammoniac par unité de temps :

Qe= Cpe. De (te – ts)

= 1×2(65 – 45)


=40kcal/s

Comme 1kcal/s=4,18kW,

On a: Qe = 40×4,18

Qe = 167,2kW (1)

• la puissance brute Qs développée par la source pour toute l’installation :

Qs = Cpe. De (te – tsf)

Avec tsf : la température de la source froide qui est de 20°C en moyenne

Qs=1×2(65 – 20)

=90kcal/s

b) Dans la turbine :

• le rendement de Carnot ɳc dans toute l’installation :

(3) ɳc = 1– -./-0

Avec tsf et te en °K

ɳc = 1– 123415123486

=0,1331

ɳc =13,31% (3)

• la puissance idéale Pc obtenue :

(4) Pc = Qs.ɳc

=376,2×0,1331

Pc = 50,08kW (4a)

• si on corrige le rendement idéal de Carnot pour qu’il soit proche de la réalité pratique,

elle serait ɳc=11%

d’où la puissance idéale corrigée serait :

Pc = 376,2×0,11

Qs = 376,2kW (2)


Pc = 40,38kW (4b)

• la puissance Pt par la turbine :

(5) Pt = Pc.ɳt

Avec ɳt le rendement d’une turbine qui varie de 0,50 à 0,65 dans la pratique. Dans notre cas,

nous allons prendre ɳt=0,60

D’où : Pt = 40,38×0,60

Pt = 24,228kW (5)

c) dans l’alternateur : La puissance électrique Pél produite par l’installation :

(6) Pél = Pt.ηal

Avec ηal le rendement de l’alternateur qui varie entre 0,90 à 0,98, pour notre calcul nous

allons prendre ηal=0,95

D’où:Pél =24,228 ×0,95

Pél = 23,01kW (6)

d) puissance nette Pn de la microcentrale :

(7) Pn = Pél.ɳn

Les accessoires et les pompes absorbent une partie de l’énergie pour pouvoir fonctionner. Les

pertes causées par ces différents appareils sont traduites et évaluées par le rendement ɳn=0,97

D’où: Pn = 23,01×0,97

Pn = 22,32Kw (7)

Une telle puissance peut faire la différence dans le quotidien des habitants car elle peut doter la totalité des ménages de la commune d’une ampoule de 40W chacune.

Mais l’énergie électrique produite par la microcentrale géothermique devra être consommée à proximité du site, ce qui favorisera les fokontany les plus proches.


5-2-4OPERATIONS DE REALISATION DE LA MICROCENTRALE

La réalisation de la microcentrale devra comprendra :

• L’aménagement du site

• La construction et l’installation de la microcentrale

5-2-4-1/Aménagement du site L’aménagement du site comprendra les travaux de captage des émergences thermales et de l’eau froide et la construction d’un local technique devant abriter l’installation.

Travaux de captage des eaux thermales :

� Implantation des forages courts de recaptage (géologie, géophysique …)

� Réalisation des forages

Travaux de génie civil :

� Captage de l’eau froide (construction d’une petite retenue)

� Construction d’un local (une surface de l’ordre de 12m2 est jugée suffisante)

5-1-4-2/Construction et installation de la centrale

Construction :

� Etude détaillée et ingénierie

� Equipement

� Montage et coordination

� Essai en usine

Installation :

� Estimation du colisage (réception, envoi et livraison des équipements): 70m3-40 tonnes

� Montage sur site

� Déplacements et mission

5-2-5 ESTIMATION DES COUTS DE REALISATION DE LA MIC ROCENTRALE

5-2-5-1/ Coûts d’aménagement du site

Les détails de l’estimation des coûts d’aménagement du site sont détaillés comme suit :

• Le cout des travaux de captage est obtenu en multipliant le prix unitaire d’un mètre linéaire de forage par la profondeur de forage prévu et par le nombre de forage de reconnaissance.


Prix unitaire d’un mètre linéaire de forage : 1 000 000 Ar

Profondeur de forage prévu : 5 m

Nombre de forage (forage de reconnaissance) : 5

Coût des travaux de captage : 25 000 000 Ar

• Le coût de construction du local est obtenu en multipliant le prix unitaire du mètre carré de construction d’un local à usage industriel par la surface du local.

Prix unitaire du mètre carré de construction du local : 1 000 000 Ar

Surface du local : 12m2

Coût de construction du local : 12 000 000 Ar

• le coût de captage de l’eau froide est estimé à 4 000 000Ar

Le coût total de l’aménagement du site s’élèverait donc à 41 000 000Ar.

5-2-5-2/ Coût de la construction et installation de la centrale

En sachant que le coût d’investissement moyen pour l’implantation d’une centrale géoéléctrique est de trois millions de dollars (3 000 000$) pour une puissance de un mégawatt (1MW).

Donc, pour une microcentrale d’une puissance de l’ordre de 22 kW, le coût serait de :

22 $ 3 000 0001000 � 66 000 $

Sachant que le cours moyen du dollar oscille autour de 2 300 Ar,

=Le coût de l’implantation de la microcentrale serait donc de 151 800 000Ar.

En estimant le coût de construction (étude détaillée et ingénierie, équipement, montage et coordination, essai en usine) aux alentours de 200 000 000 Ar, le coût total serait donc de : 351 800 000 Ar

Le coût de réalisation serait donc de 392 200 000 Ar.

5-2-6 CONCLUSION

Ce chapitre montre la préfaisabilité technique d’une microcentrale géothermique pour le site étudiée. Néanmoins, le coût est élevé pour les raisons suivantes :

• Les conditions de température de source chaude sont particulièrement défavorables puisqu’elles conduisent à des rendements de Carnot très faibles variant de 4,8% et 6,2% ;

• Les caractéristiques naturelles des sites ne permettent pas d’installer la microcentrale sans réaliser au préalable des travaux d’aménagement (forages de faibles profondeurs).


Ceci compromet la faisabilité économique du projet mais ne remet pas en cause l’intérêt géothermique de la zone étudiée.

Le projet d’équipement du site par une microcentrale géothermique pourrait donc soit être mené à terme, soit être réorienté vers des travaux d’exploration visant à l’installation d’une centrale de plus grande puissance exploitant des ressources de températures plus élevée conduisant à une économie d’échelle considérable.


CONCLUSION GENERALE Au cours de notre étude, il en est sorti que notre prospect possède un potentiel géothermique non négligeable car il est de l’ordre de la moyenne enthalpie. Aussi, cette énergie, outre la balnéothérapie, peut être utilisée en tant qu’énergie de base pour faire fonctionner une unité de séchage ou même une microcentrale électrique.

Malheureusement, tant l’unité de séchage que la microcentrale électrique, ne peuvent être faisables que techniquement car d’un point de vue économique, de tels projets ne sont pas encore viables à cause des coûts d’installations.

Toutefois, l’intérêt de notre étude réside dans le fait qu’elle peut servir de guide pour des études ultérieures en géothermie moyenne enthalpie dans d’autres sites de Madagascar et pourquoi pas si l’opportunité se présente d’être réalisée en tant que projet pilote.

Dans cette éventualité, nous proposons tout de même que soit faites des recherches plus approfondies sur la température réelle en profondeur ainsi que la capacité et l’emplacement réels du réservoir. Pour cela nous recommandons, les méthodes de prospections géophysiques (gravimétrique, électrique et électromagnétique)et des forages de reconnaissances.

Le développement des dispositifs de production de chaleur ou d’électricité dépend principalement de la compétitivité de l’offre et de la rentabilité économique des projets.

Un cadre réglementaire adapté devra contribuer au développement pérenne de la géothermie en conciliant développement du marché et protection des ressources souterraines.

La concertation avec le public et les riverains des opérations géothermiques doit être une étape clé de sensibilisation à la technologie et de participation citoyenne aux différentes étapes décisionnelles.


BIBLIOGRAPHIE 1. Andriamanantena, A.D.D, 2011 : Valorisation des sources thermales du prospect

d’Itasy : usages directs et possibilité de production d’électricité géothermique, Mémoire d’Ingéniorat en Géologie, Ecole Supérieure Polytechnique, Antananarivo

2. Andrianaivo, L., 2011 : Caractéristiques générales des systèmes et des régions géothermiques de Madagascar, Madamines, ISSN 2220-0681, vol. 2, 11-21.

3. Andrianaivo, L., and Ramasiarinoro, V.J., 2010: Geochemical Characteristics of Thermal Springs in Volcanic Areas of Antsirabe-Itasy, Madagascar: Preliminary Results. ProceedingsWorldGeothermalCongress 2010, Bali – Indonesia,Paper 1413,1-6.

4. Andrianaivo L. and Rasolomanana E.,2011: Opportunities for Direct Utilization of Geothermal Resources in the Itasy and Antsirabe Areas, Central MadagascarMadamines, ISSN 2220-0681, vol. 2, 2011

5. Andrianaivo L., and RasolomananaE., 2011: Geothermal Resources Direct-Use in the volcanic areas of Itasy-Antsirabe, central Madagascar,Madamines, ISSN 2220-0681, vol. 2, 2011

6. Besairie, H., 1959a : Contribution à l’étude des sources minérales et des eaux souterraines de Madagascar, Travaux du Bureau GéologiqueNo. 92, Service Géologique Antananarivo.

7. Bouzidi K .,2004 : Géothermie, Énergie d’Avenir et ses Perspectives au Sud de l’Algérie,, Bulletin des Energies Renouvelables,N° 107 / novembre-décembre 2005

8. Dufour, V., et Jaegle, E., 1927 : Les eaux minérales à Madagascar, Bulletin Economique de Madagascar, vol. 1, 1-36.

9. Garneau, M. et Fauteux, M., 2009 : geysers et sources thermales http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/chimisterie/9604/MGarneau.html

10. Gunnlaugsson, E., Arnorsson, S., et Matthiasson, M., 1981 : Etude de reconnaissance des ressources géothermiques de Madagascar, Projet MAG/77/104, Contract 141/79 VIRKIR, Traduction française, vol. 1, 1-101.

11. Hydraulique, revue périodique d’informations techniques et industrielles des thermiciens, 2010

12. Institut National de la Statistique, 2004-2005 : Recensement National de l’Agriculture, Antananarivo.

13. Institut National de la Statistique, Novembre 2004 : Les 22 régions de Madagascar en chiffres, Antananarivo.

14. Lenoble, 1946 : Sondage pour recherches d’eaux thermales à Antsirabe, manuscrit.

15. PGRM : Nouvelles cartes géologique et métallogéniques de Madagascar à 1/1000000, principaux résultats, Antananarivo 28,29 Juin 2012 PGRM


16. Mining journal, 2004

17. Rafalimanana, J.M., 1982 : Possibilité d’aménagement de microcentrale géothermique à Madagascar. Site d’AndranomafanaBetafo, Mémoire d’Ingéniorat en Hydraulique, Ecole Supérieure Polytechnique, Antananarivo

18. Randrianatoandro, T.T., 2008 : Etablissement d’une base de données des sites géothermiques de madagascar et étude geophysique du réservoir de la commune d’Ifanja. Mémoire de Diplôme d’Etudes Approfondies en Physique,Faculté des Sciences,Antananarivo

19. Rasamoela, M.F, 2011 : Caractéristiques géotechnique et chimique des pouzzolanes dans la région de Betafo. Mémoire d’Ingéniorat en Géologie, Ecole Supérieure Polytechnique, Antananarivo

20. Ratsimbazafy, R.D.,2006 : Contribution à la caractérisation physicochimique de l’eau thermale et des eaux minérales de Betafo.Mémoire de Diplôme d’Etudes Approfondies en Chimie Minérale, Faculté des Science, Antananarivo,

21. Scherr, P., 1981 : la géothermie et le séchage, 1981 BRGM.

22. Varet J., 1982 : Géothermie basse energie : Usage direct de la chaleur. Les objectifs scientifique du demain, 13, MASSON Paris - New York - Barcelone - Milan - Mexico - Rio de Janeiro, 17-23, 121

23. Verzier, P,: 1983, Etude de faisabilité d’une microcentrale à source géothermale en Afrique, rapport n°2,BRGM

24. Zebrowski - Ratsimbazafy notice explicative no 83 carte pédologique de Madagascar à 1/100.000 feuille Antsirabe.


Table des matières REMERCIEMENTS .............................................................................................................................. i

LISTE DES FIGURES .......................................................................................................................... ii

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................... iii

LISTE DES ABREVIATIONS ............................................................................................................ iv

INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................................... 1

CHAPITRE 1 : CADRE GEOLOGIQUE .......................................................................................... 5

1-1-GEOLOGIE DE MADAGASCAR ............................................................................................ 5

1-1-1-LE SOCLE CRISTALLIN PRECAMBRIEN .................................................................. 5

1-1-2-LES BASSINS SEDIMENTAIRES PHANEROZOÏQUES ............................................ 7

1-1-3-ASSEMBLAGES VOLCANIQUES PHANEROZOÏQUES ........................................... 8

1-2-GEOLOGIE D’ANTSIRABE-BETAFO ................................................................................ 12

1-2-1-LE SOCLE CRISTALLIN ............................................................................................... 13

1-2-2- LES SEDIMENTS VOLCANO-LACUSTRES ............................................................. 13

1-2-4-HYDROGEOLOGIE ........................................................................................................ 15

1-2-5-GEOMORPHOLOGIE ..................................................................................................... 15

CHAPITRE 2 : CADRE GEOGRAPHIQUE ................................................................................... 17

2-1-GEOGRAPHIE PHYSIQUE ET ADMINISTRATION ....................................................... 17

2-1-1-ADMINISTRATION ......................................................................................................... 17

2-1-2-RELIEF ETHYDROGRAPHIE ...................................................................................... 18

2-1-3-CLIMAT ET VEGETATION .......................................................................................... 18

2-1-4-PEDOLOGIE ..................................................................................................................... 18

2-2-GEOGRAPHIE SOCIO-ECONOMIQUE ............................................................................. 19

2-2-1-BETAFO ............................................................................................................................. 19

2-2-2-RANOMAFANO................................................................................................................ 20

CHAPITRE 3 : LA GEOTHERMIE ................................................................................................. 21

3-1 LES SOURCES THERMALES ............................................................................................... 21

3-1-1-CARACTERES HYDROGEOLOGIQUES DES EAUX THERMALE S .................... 21

3-1-2-CARACTERES PHYSICO-CHIMIQUES DES EAUX THERMAL ES ...................... 23

3-2-LA GEOTHERMIE .................................................................................................................. 25

3-2-1-DEFINITION ..................................................................................................................... 25

3-2-2-LES GRANDES FORMES DE GEOTHERMIE ........................................................... 26

3-2-3-ENERGIE ET GRADIENT GEOTHERMIQUE ........................................................... 26

3-2-4-FLUX THERMIQUE ........................................................................................................ 27


3-2-5-RESERVOIR GEOTHERMIQUE .................................................................................. 28

3-2-6-LES SYSTEMES GEOTHERMIQUES .......................................................................... 29

3-2-7-USAGES DE LA GEOTHERMIE ................................................................................... 30

CHAPITRE 4 : LE PROSPECT GEOTHERMIQUE DE BETAFO ... .......................................... 32

4-1-ETUDES DES SOURCES THERMALES DE BETAFO .................................................... 32

4-1-1-DESCRIPTION DES SOURCES ..................................................................................... 32

4-1-2-ETUDES DESPARAMETRES ORGANOLEPTIQUES ............................................... 34

4-1-3-ETUDES PHYSICO-CHIMIQUES ................................................................................. 35

4-1-4- CLASSIFICATION CHIMIQUE ................................................................................... 36

4-1-5-GEOTHERMOMETRIE .................................................................................................. 40

4-2-CADRE GEOLOGIQUE ET STRUCTURAL DU PROSPECT ......................................... 41

4-2-1-CONTEXTE STRUCTURAL DE LA ZONE ................................................................. 41

4-2-2-ANALYSE DES LINEAMENTS STRUCTURAUX ...................................................... 41

4-3-COMPARAISON ENTRE LESITE GEOTHERMAL D’ANTSIRABE ET CELUI DE BETAFO .......................................................................................................................................... 48

4-3-1-LITHOLOGIE DE LA ZONE D’ANTSIRABE ............................................................. 49

4-3-2-LITHOLOGIE DE BETAFO .......................................................................................... 50

4-3-3 COMPARAISON DES CARACTERES CHIMIQUES ET DES TEMPERATURES EN PROFONDEUR DES DEUX SITES ................................................................................... 50

CHAPITRE 5 : POSSIBILITES D’USAGES DE LA GEOTHERMIE A BETAFO ................... 54

5-1 MODELE DE MONTAGE D’UNE UNITE DE SECHAGE ................................................ 54

5-1-1- GENERALITES SUR LE SECHAGE ........................................................................... 54

5-1-2-CHOIX DU PRODUIT A SECHER ................................................................................ 55

5-1-3 CHOIX DE LA TECHNIQUE DE SECHAGE .............................................................. 55

5-1-4 SECHAGE GEOTHERMIQUE ....................................................................................... 56

5-1-5 BESOINS ENERGETIQUES D’UN SECHOIR A MAÏS ............................................. 59

5-1-6 ESTIMATION DE LA CAPACITE DU SECHOIR ...................................................... 62

5-1-7 CONCLUSION .................................................................................................................. 63

5-2-ETUDE D’UNE MICROCENTRALE GEOTHERMIQUE A RANOM AFANA-BETAFO ........................................................................................................................................................... 63

5-2-1 DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT D’UNE MICROCENT RALE GEOTHERMIQUE ..................................................................................................................... 63

5-2-2 PREDIMENSIONNEMENT DE LA MICROCENTRALE .......................................... 65

5-2-3 CALCULS NUMERIQUES DE LA PUISSANCE DE LA MICR OCENTRALE ....... 67

5-2-4 OPERATIONS DE REALISATION DE LA MICROCENTRALE ............................. 73


CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................... 74

BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………………………77

TABLE DES MATIERES……………………………………………………………....79

ANNEXES………………………………………………………………………………82


ANNEXES 1 Géothermométrie chimique

Les géothermométries chimiques qui ont été calibrées quantitativement et qui sont utilisées comprennent des géothermomètres silice, Na-K, Na-K-Ca et Na-K-Ca-Mg. Ci-après un bref résumé avec les hypothèses et les limites qu’implique l’utilisation du géothermomètre dans la prévision des températures souterraines dans les systèmes géothermiques.

Il y a deux sortes de géothermomètres silice. L’un atteint un équilibre avec du quartz et l’autre un équilibre avec de la calcédoine. Les fonctions de température utilisées pour ces géothermomètres sont fondées sur les solubilités déterminées par expérience des minéraux mentionnés.

Les géothermomètres à cations sont tous calibrés empiriquement, c'est-à-dire en corrélant les concentrations des cations respectives dans les eaux thermales émanant des forages, avec la température mesurée de ces eaux. Pour le géothermomètre Na-K, la fonction de la température, toutefois, se corrèle bien avec celle de l’équilibre entre les feldspaths sodiques et potassiques et la solution. Pour cette raison, l’on considère que ces minéraux contrôlent les concentrations (ou mieux, les activités) des ions de sodium et potassium dans une solution. On ne sait pas quels sont les minéraux concernés par rapport aux géothermomètres Na-K-Ca et Na-K-Ca-Mg.

Le calibrage utilisé par le géothermomètre Na-K a été établi par Whit et Ellis (Truesdell, 1975) et Arnorsson (1980). Whit et Ellis ont considéré que sa fonction n’était pas valable au-dessous de 100°C, mais la fonction de température proposée par Arnorsson (1980) est valable entre 25 et 250°C. L’étalonnage des géothermomètres Na-K-Ca et Na-K-Ca-Mg a été fait par Fournier et Truesdell (1973) et Fournier et Potter (1978).

On admet comme hypothèse de base, dans l’application des géothermomètres chimiques, qu’un équilibre chimique entre la solution et les minéraux correspondants est obtenu en profondeur et que ces équilibres sont modifiés pendant la remontée où un refroidissement peut se produire. L’expérience acquise dans plusieurs zones géothermiques du monde a montré avec évidence que les températures souterraines prévues par la géothermométrie chimique sont actuellement rencontrées en profondeur par forage. Cette expérience a largement été acquise dans les zones d’activité volcanique qui, à cause de manifestations thermiques intensives en surface et des résultats de travaux d’exploration,présentaient manifestement des perspectives favorables pour son développement géothermique.

Les eaux non thermales riches en gaz carbonique et parfois également celles ayant une température relativement basse montrent des caractéristiques chimiques typiques qui reflètent un non équilibre avec les minéraux secondaires. Cette expérience souligne le besoin d’une interprétation critique des données chimiques pour l’eau car il importe de savoir si un


équilibre a été atteint ou non pour les minéraux géothermométriques. Si l’équilibre n’est pas atteint, les géothermomètres chimiques ne sont évidemment pas applicables.

Les températures calculées par les géothermomètres Na-K s’accordent mieux aux températures d’équilibre de la calcédoine. Ceci indique que les eaux géothermiques à Madagascar s’équilibrent avec le quartz et non avec la calcédoine. Cette relation peut toutefois présenter des exceptions.

Equation pour les géothermomètres chimiques

(1) Calcédoine (0-250°C)

TCalcédoine= >531

?,8ABCDEFGD1- 273,15 [°C]

(2) Quartz (0-250°C)

TQuartz= >35A

6,>ABCDEFGD1 - 273,15 [°C]

(3) Silice amorphe

TSilice amorphe=23>

?,61BCDEFGD1 - 273,15 [°C]

Dans ces 3 équations le SiO2 est en [mg/l] et représente de la silice non ionisée.

(4) Na-K (100-275°C), Na et K en [mg/l]

TNa-K= 766,8

HDEIJKL M45,7623 - 273,15 [°C]

(5) Na-K (25-250°C), Na et K en [mg/l]

TNa-K= A33

HDEIJKL M45,A33- 273,15 [°C]

(6) Na-K-Ca (4-340°C), Na, K et Ca en [moles/kg]

TNa-K-Ca= >8?2

1,1?4HDEIJKL M4NOPQ (√SK

JK * - 273,15 [°C]

β = 4/3 pour √TUVU < 1 et t < 100°C

β = 1/3 pour √TUVU > 1 et t >100°C


Les corrections de Pâces (5) pour le géothermomètre Na-K-Ca pour l’eau dont la température est inférieure à 75°C et pour une pression partielle de CO2 inférieure à 10-4 atm est : I = 1,36 + 0,253logPCO2.


ANNEXE 2 PRINCIPE DU SECHAGE

1-Définition du séchage (fig i)

Le séchage est une technique de séparation partielle entre un liquide de l’eau en général et une matière solide, caractérisée par le départ des particules d’eau obtenu grâce à une différence de pression partielle de vapeur d’eau entre la surface du produit à sécher et l’air environnant.

Soit Ps pression partielle de vapeur d’eau à la surface du produit

Pa pression partielle de vapeur d’eau dans l’air

La condition nécessaire et suffisante pour qu’un produit soit soumis a un phénomène de séchage est Ps>Pa

2-Comportement du produit au cours du séchage

• Teneur en eau

La teneur en eau exprime le rapport de la masse d’eau contenue dans un échantillon de produit, soit la masse totale ou de matière humide, soit à la masse de matière sèche. C’est ainsi que l’on définit:

Le titre en eau ou humidité teneur en eau rapportée à la masse de matière humide

W � � X YW $ 100 � � X

X Z Y[ $ 100 (1*

Le taux d’humidité teneur en eau rapportée à la masse de matière sèche

" � X YW (2*


Figure i:Principe de fonctionnement d’un séchoir

• Point d’humidité

Par convention, le point d’humidité est une unité de teneur en eau correspondant à une variation d’une unité du titre en eau.

3-Calcul des pertes d’eau séchage

Soit 1kg de produit a un titre en eau H1.

La relation (1) s’écrit

W1 � 100(1 � Y[*

Soit Y[ � >55B\>>55

La masse de matière séchée tant supposée conservée au cours du séchage, et E étant la perte d’eau, on peut écrire

1 $ 100 � W1100 � (1 � X* 100 � W2

100

Soit X � \>B\1>55B\1 ]��′��]��


4- Comportement de l’air au cours du séchage

a) Définition de l’air humide

L’air sec, mélange d’azote, d’oxygène, de gaz carbonique et de gaz rares, a le pouvoir d’absorber de l’eau jusqu’à une limite appelée saturation, au-delà de laquelle l’eau en excès se condense.

Le pouvoir d’absorption maximal de la vapeur d’eau par l’air xS(kg d’eau/kg d’air sec), ainsi que la pression de vapeur saturante correspondante Ps (pascals) augmentent très rapidement avec la température.

b) Diagramme de l’air humide, ou diagramme de Mollier

Ce diagramme est établi (fig ii) à partir de 2 axes non cartésiens faisant entre eux un angle de 150°C.

1. L’axe des ordonnées, vertical, comporte une graduation de l’enthalpie (h), ou chaleur totale du mélange de 1kg d’air sec et d’une quantité variable de vapeur d’eau

2. L’axe des abscisses, oblique, comporte une graduation de la teneur en eau de l’air (x). L’échelle de cette grandeur est représentée en projection sur un axe horizontal en haut du diagramme, toute la zone inferieure une courbe dite « courbe de saturation » étant inutile.

Ce diagramme permet, à partir de la connaissance de deux paramètres, de déterminer toutes les autres caractéristiques du mélange. Le point de figuratif d’un état donne de l’air appelé «point caractéristique».

MEMOIRES DE FIN D’ETUDES, Géologie, ESPA 2011

5-Caractéristiques de l’air humide

Teneur en eau (x)

C’est la masse de vapeur d’eau en dissolution de l’air, exprimée en kg

Enthalpie (h)

C’est la chaleur totale (ou énergie calorifique) de 1kg d’air sec en dissolution, exprimée en kilocalories (kcal) ou en millithermies (mth) par kg d’air sec.

L’ enthalpie se définit comme suit

h hair sec hvapeur

hair sec 0 a 0°C par convention

hvapeur 597,1kcal/kg a 0C (chaleur latente de

dans ces conditions:


Figure ii: diagramme de Mollier

Caractéristiques de l’air humide

C’est la masse de vapeur d’eau en dissolution de l’air, exprimée en kg d’eau

C’est la chaleur totale (ou énergie calorifique) de 1kg d’air sec ajoutée à x kg de vapeur d’eau en dissolution, exprimée en kilocalories (kcal) ou en millithermies (mth) par kg d’air sec.

enthalpie se définit comme suit:

C par convention

597,1kcal/kg a 0C (chaleur latente de vaporisation de l eau a 0C)

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d’eau/kg d’air sec.

ajoutée à x kg de vapeur d’eau en dissolution, exprimée en kilocalories (kcal) ou en millithermies (mth) par kg d’air sec.


h�0,24 Zx(597,1Z0,46 )

avec temperature du melange C

x teneur en eau de l’air kg/kg

0,24 chaleur spécifique de l’air kcal/kg C

0,46 chaleur spécifique de la vapeur kcal/kg C

Humidité relative _

Cette grandeur exprime le degré de saturation de l’air. Les points de même humidité relative sont figurés sur le diagramme par des courbes concaves. La courbe _ � 1 (ou 100%) limite le diagramme dans sa partie inferieure.

Température sèche ^

Elle est mesurée par un thermomètre place dans l’air environnant. Les points de même température sèche sont situés sur une droite appelée isotherme sèche.

Température humide ^´

Elle est mesurée par un thermomètre dont le bulbe est maintenu humide par une gaze imbibée d’eau et située dans un courant d’air, ^´ est inférieureà ^.

Les points de même température humide sont situés sur une droite appelée isotherme humide, non figurée sur le diagramme.

Volume spécifique de l’air (v) ou volume massique

Il est exprimé en mètre cube d’air humide par kilogramme d’air sec (droites obliques)

Tension de vapeur d’eau f

C’est la pression partielle de la vapeur d’eau dans le mélange. (échelle située à la partie supérieure du diagramme).

6-Détermination des caractéristiques de l’air (fig iii)

Soit le point A sur le diagramme. Les différents paramètres ont la valeur suivante

^ � 20` ^´� 15` " � 8� � ��/]� � �� 10]��d/]� � �� _ � 60% � � �� d��


� � 0,84 3/]� � �� ) � 1360 ��d�

Le point caractéristique d’un air ambiant extérieur est détermine a l’aide d’un psychromètre par mesure des températures sèche et humide de l’air. A l’aide du diagramme, on déterminera toutes les autres caractéristiques de cet air.


Figure


Figure iii: diagramme de l’air humide

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7-Dynamique de séchage

Lorsqu’on réchauffe de l’air ambiant (^1, _1, "1, 1*, le point caracteristique se deplace vers le haut (fig iv)

1. Verticalement jusqu’au point 2 quand le chauffage est indirect au moyen d’un échangeur de chaleur (x1=x2=constante)

2. De façon oblique quand le chauffage est direct avec dilution des gaz de combustion dans l’air, l’augmentation de la teneur en eau provenant du dégagement de vapeur d’eau par la combustion.

Dans un premier temps, cet air chaud apporte l’énergie thermique nécessaire à l’évaporation de l’eau, et joue ainsi le rôle de fluide caloporteur.

Dans un deuxième temps, cet air absorbe et évacue l’eau évaporée du grain et joue ainsi le rôle de fluide vapotransporteur.

La dépense d’énergie thermique occasionnée par l’évaporation de l’eau du grain entraine une chute de température de l’air chaud. Cette perte de chaleur sensible étant récupérée, aux pertes prés (par diffusion de chaleur et par élévation de la température du produit), sous forme de vapeur, le processus de séchage peut être considère comme une opération pratiquement isenthalpique.

L’énergie contenue dans l’air use l’est principalement sous forme de vapeur basse température. Elle est donc difficilement récupérable. D’un autre côté, le refroidissement subi par l’air au cours du séchage ne peut être que partiel. En effet pour que l’air puisse jouer son rôle de fluide vapotransporteur, il faut qu’il soit suffisamment chaud pour pouvoir contenir la plus grande quantité d’eau, puisque sa capacité d’absorption augmente en fonction de la température. L’optimum entre ces deux conditions opposées est la saturation isenthalpique. Sur le diagramme de la figure v, c’est le point 3´ qui représente donc les conditions de séchage idéal.


Figure iv: réchauffement de l’air sur le diagramme humide



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Figure v : évolution

8-Calculs pratiques à partir du diagramme de

Le diagramme de la figure v les états suivants :

Air froid Air chaud (

Soit :

1. Q le débit masse d air sec (kg d air/h)2. M le débit masse de produit sec (kg/h)3. h1 le titre en eau initial4. h2 le titre en eau final A partir de ces données, on peut calculer les grandeurs suivantes

Energie calorifique fournie à l’air


: évolution de l’air humide sur le diagramme de l’air humide

partir du diagramme de l’air humide

v représente l’évolution des caractéristiques d’un air passant par

Air chaud ( Air usé (

Q le débit masse d air sec (kg d air/h) masse de produit sec (kg/h)

h1 le titre en eau initial

A partir de ces données, on peut calculer les grandeurs suivantes :

l’air par le chauffage q :

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de l’air humide sur le diagramme de l’air humide

représente l’évolution des caractéristiques d’un air passant par


� � (2 � 1* ]��d/]�d’air sec

Puissance calorifique disponible au niveau des grains:

� � g(2 � 1* ]��d/

sih le rendement du système de chauffage avec :

h � ��d�� d��

La puissance calorifique rapportée au combustible est : g (i1Bi>* j

Effet évaporatoire : (x3�x2) kg d eau/kg d air sec

Puissance évaporatoire : g("3 � "2* kg d’eau/h

Consommation thermique spécifique :

� � ��d��)�� d�� 1

h(h2�h1* (x3�x2* kcal/kg d’eau

La puissance évaporatoire peut aussi être exprimée a partir du débit masse de produit sec et des titres en eau initial et final par application de la relation :

Y � (�>B�1*(>55B�>* � Q(x3 � x2* kg d’eau/h


ANNEXE 3 La télédétection

La télédétection est un outil de collecte de données sur un territoire. Cette collecte s’effectue sans contact direct avec lui.Elle offre un certain nombre d’avantages par rapport à d’autres moyens traditionnels de collecte de données. Elle nous renseigne sur l’occupation du sol.

Le produit est donc une image numérique, c'est-à-dire des représentations planes du territoire. Ces images contiennent potentiellement des informations qu’il s’agit d’extraire par des traitements appropriés (interprétation, classification, etc.), dans le but de connaître et agir sur le territoire.

1.- Application de la télédétection Le tableau ci-après nous montre les domaines d’applications de la télédétection :

Tableau i : Domaines d’applications de la télédétection Domaines Applications Géosciences Géographie, géologie, pédologie (exploration minière),

géomorphologie Hydrologie Evaluation de l’humidité des sols,

surveillance des inondations Environnement Aménagement du territoire Aménagement Statistiques agricoles, foresterie, croissance des villes Atmosphère et climat Météorologie Archéologie Cartographie des sites archéologiques Santé Prévisions des épidémies, intervention d’urgences Catastrophes environnementales

Inondations, sécheresses, érosion et mouvements de masse

Biosphère Cartographie de la végétation Changements globaux Désertifications, variations climatiques

2.- Exploitations des données de télédétection L’exploitation des données de télédétection nécessite la mise en œuvre d’outils

mathématiques, statistiques et informatiques adéquats.Ainsi le but du traitement numérique d’images est d’extraire les informations contenues dans les données de télédétection.


3.- Description des images Une image de télédétection est constituée d’éléments appelés pixels. La luminosité de

chaque pixel est représentée par une valeur numérique. Elle est codée généralement sur un octet, soit huit bits. Les valeurs correspondantes appelées valeurs radiométriques ou plus communément niveaux de gris vont alors de 0 à 255.

L’ensemble des images forment une matrice de n pixels, p lignes et q colonnes, dont la dimension de la scène est 180 km *180 km en moyenne. L’image obtenue est caractérisée par sa résolution qui correspond à une surface de dimension donnée de son pixel.

La résolution au sol correspond à l’enregistrement d’un pixel dont la taille vaut : - 30 m x 30 m dans le cas d’une image LandsatETM acquise en mode multispectral

(pour les canaux 1 à 5 et 7, 60 m pour le canal 6 et 15m pour P) - 56 mx79 m dans le cas d’une image LANDSAT MSS acquise en mode multispectral.

L’image LANDSAT est codée sur sept canaux appelés TM dont les spécifications sont données dans le tableau suivant :

Tableau ii : Spécification des bandes. Bande Canal Longueur

d’onde Spécification

TM1 Bleu 0,47 – 0,515µm Distinction sols – végétations TM2 Vert 0,525 – 0,605µm Détection de la réflectance verte de la

végétation TM3 Rouge 0,63 – 0,690 µm Distinction des différents types

végétaux, identification des roches à fer ferrique

TM4 Proche infrarouge 0,73 – 0,90 µm Détermination de la biomasse TM5 Moyen infrarouge 1,55 – 1,75µm Indication des altérations du sol TM6 Infrarouge thermique 10,40 – 12,50µm Très utilisée en géologie TM7 Moyen infrarouge 2,09 – 2,35 µm Estimation des altérations du sol P Panchromatique 0,52 – 0,90 µm Met bien en évidence les discontinuités Remarque :

Les informations enregistrées dépendent de la nature des éléments constitutifs de l’écorce terrestre : roche, sol, végétation, eau.

Les deux principales propriétés sont la réflectanceet la rugosité. La réflectance est mesurée par le rapport entre l’énergie réfléchie et l’énergie totale.

En géologie, les corps à faible réflectance comme l’eau, est particulièrement observable par canal de faible longueur d’onde.Tandis que les corps possédant de forte réflectance comme les quartzites sont visibles par canalà longueur d’onde élevée.

4.- Buts et démarches Le but du traitement d’image est l’extraction d’une information à partir des données.


Deux grandes approches peuvent être identifiées : - approche aprioriste (ou déductive, dirigée) qui part d’une connaissance théorique

préalable pour guider la connaissance empirique du territoire. Il est important de se rendre compte du caractère intentionnel de cette approche dans le sens où le chercheur interprète ses données selon un système de classement, des concepts définis à l’avance.

- approche empiriste (ou inductive, a posteriori, non-dirigée, etc.…) où les liens entre les données mesurées et l’information souhaitée sont établis de manière empirique. On part de données pour arriver à des classes.

5.- Mode de traitement de l’image LANDSAT L’analyse des images satellites demande une bonne qualité de l’image en visualisation.

Une composition de trois canaux différents (par exemple : proche infrarouge, rouge, vert), permet de visualiser une image en couleur (fausse couleur) car l’utilisation d’un seul canal ne permet qu’unevisualisation en niveau de gris (image en noir et blanc).


ANNEXE 4 ANALYSES PHYSICO-CHIMIQUES JIRAMA

PRELEVEMENT N°1

Région: VAKINANKARATRA

Centre: ANDRANOMAFANA-BETAFO

Nature: Eau brute Type d'échantillon: Emergence Date de prélèvement: 14/10/2012 Date de réception: 15/10/2012 Préleveur: MAMITIANANOMANJANAHARY A.D..

Date d'analyse: 15/10/2012 ANALYSES

Paramètres Unité Examen au Labo Normes pour Eau potable

Aspect Limpide limpide

Odeur Légère odeur d’œuf pourri absence

Couleur incolore

Température °C 24,6 25

Turbidité NTU 1,92 <5

Ph 7,66 6,5 - 9,5

Conductivité à 20°C µs/cm 598 <3000

Minéralisation totale mg/l 554,00

Dureté totale °F 7,20 <50

Dureté calcique °F 6,00

Titre alcalimétrique TA °F 0,00

Titre alcalimétrique complet TAC 13,6

Calcium mg/l 24

Magnésium mg/l 2 ,92

Sodium mg/l 109,83

Ammonium mg/l 0,00 <0,5

Fer total mg/l 0,00 <0,5

Carbonates mg/l 0,00

Bicarbonates mg/l 165,92

Chlorures mg/l 11,36 <250

Sulfates mg/l 175,6 <250

Nitrites mg/l 0,00 <0,1

Nitrates mg/l 1,06 <50

Silice mg/l 88,86

Hydroxyde mg/l 0,00

PRELEVEMENT N°2


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Odeur Légère odeur d’œuf pourri absence

Couleur

incolore



Ph 7,56 6,5 - 9,5







Calcium mg/l 28 ,4

Magnésium mg/l 3 ,89

Sodium mg/l 105,74









Silice mg/l 105,16

Hydroxyde mg/l 0,00

MEMOIRES DE FIN D’ETUDES, Géologie, ESPA 2011 Page |

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PRELEVEMENT N°3







Odeur Légère odeur d’œuf

pourri absence

Couleur

incolore



Ph 7,26 6,5 - 9,5







Calcium mg/l 27,2

Magnésium mg/l 4,62

Sodium mg/l 95,7









Silice mg/l 100,7

Hydroxyde mg/l 0,00

RESUME Le prospect géothermique d’Andranomafana-Betafo, centre de Madagascar, est lié au volcanisme quaternaire ainsi qu’aux fractures qui y sont associées ayant joué le rôle de canaux pour les fluides hydrothermales. Il possède plusieurs sources thermales de composition sulfatée sodique, avec des températures à l’émergence allant de 46°C à 58°C. La géothermométrie (chimique, silice) suppose une températuremoyenneen profondeur allant de 130 - 180°C. Les analysesstructurales montrent une étroite relation entre fractures/failles, volcanisme et sources thermales.

Les caractéristiques de ces eaux thermales indiquent un potentiel géothermique intéressant pouvant assurer le fonctionnement d’une unité de séchage et d’une microcentrale géothermique pouvant alimenter l’électricité des environs.

Mots clés : fractures, volcanisme,sources thermales, séchoir, centrale géothermique

ABSTRACT The geothermal prospect of Andranomafana-Betafo, center of Madagascar, is related to the quaternary volcanism and to the associated fractures which played the role of channel for the hydrothermal fluids. It possesses some thermal springs which temperature range at emergence are between 46 to 58°C, and which composition are sulfated-sodic. The chemical and silica geothermometry suppose a medium temperature in depth between 130 to 180°C. The structural analysis show a close relation between fractures/faults, volcanism and thermal springs.

The water’s characteristics imply an interesting geothermal potential which can provide the operating of a drying unity and a geothermal microcentral which can supply electricity for the neighborhood.

Keywords: fractures, volcanism, thermal springs, drying, geothermal microcentral

evaluation du potentiel geothermique...

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