GP3 : Systèmes aquifères et contexte multiphasique

Mohamed Azaroual (BRGM), Lionel Mercury (Université-ISTO), Hélène Pauwels (BRGM)

Les aquifères sont des systèmes de flux hydriques, mais aussi chimiques et thermiques, sur des échelles d’espace et des temps de fonctionnement très étendus. En sus, leur exploitation peut générer des modifications topologiques dans la roche-hôte, propices à redistribuer les champs de contraintes mécaniques. Enfin, les aquifères de surface sont en interaction avec les cycles courts des milieux supergènes et atmosphérique, eux-mêmes diversement marqués par l’anthropisation. Ils sont alors soumis aux influences (sinon au contrôle) du compartiment vivant. Deux caractéristiques définissent le groupe-projet : voir l’aquifère comme un continuum zone non saturée – zone saturée ; chercher les forces motrices des flux et des transformations, pour pouvoir prédire quantitativement le comportement des systèmes.

Sur l’étude de la zone non saturée superficielle, nous avons pour objectif de développer la modélisation thermodynamique de la capillarité, spécialement vis-à-vis des effets chimiques et mécaniques qu’elle peut engendrer, en parallèle avec l’étude des phénomènes d’hystérèse et leurs conséquences sur les volumes caractéristiques d’eau capillaire ou d’air à l’échelle du pore.
Cette activité implique le développement de montages expérimentaux, soit pour des mesures de propriétés sur matériaux naturels en conditions contraintes, soit sur matériaux analogues pour la compréhension quantitative des causes et des effets. Elle correspond également à la mise au point de tests de calculs en chimie-transport 1d et 2d, intégrant les résultats des études précédentes.
Enfin, le couplage géochimie-géomécanique sera développé, spécialement le rôle de la traction capillaire en compaction et micro-fissuration.

Pour ce qui concerne la zone non saturée profonde, la compréhension du rôle physico-chimique de la biosphère est de première importance, notamment pour la compréhension des équilibres redox et donc de la stabilité géochimique de composés valorisable (hydrates de gaz, par ex.). Un deuxième point d’importance est la description quantitative des saumures en contexte multiphasique, particulièrement pour le stockage profond (CO2 notamment).
Par ailleurs, on retrouve dans ces contextes l’importance des couplages chimie-mécanique, par exemple avec les effets concurrents du colmatage et de la micro-fissuration capillaires lors des phases d’injection de CO2.

Sur la physico-chimie des systèmes naturels, les efforts porteront sur le poids respectif des effets de surface et des effets de volume lorsque la taille caractéristique de la porosité ou des grains matériels devient inférieure au micron.
En matière de chimie réactive, ce sont principalement les processus réactifs et de transport des nanoparticules qui sont étudiés, de même que les propriétés thermochimiques des liquides confinés. Une question-clé porte sur la définition claire des seuils de taille où les comportements des objets se modifient significativement.
Une fois bien compris ces seuils, ces études à caractère fondamental pourront être appliquées aux aquifères adéquats sur le critère de la taille de la porosité moyenne. Cette activité s’accompagne forcément d’une réflexion sur la modélisation des systèmes dispersés, c’est-à-dire la représentation de grands volumes de liquide, partitionnés dans des ensembles de toutes petites tailles diversement connectés.
L’ensemble de ce projet correspond principalement au couplage chimie – transport, entre autres pour acquérir les temps caractéristiques de réponse des systèmes aux influences anthropiques. Des travaux sur les nouveaux polluants, sur le terrain et en laboratoire, feront l’objet de collaborations de même que des travaux sur les techniques innovantes de remédiation (argiles, hydroxydes double lamellaires, argiles à surfactants).

Dans ce cadre, le groupe-projet se propose de travailler sur trois verrous scientifiques majeurs :

  • le couplage chimie-transport continu des milieux non-saturés et saturés, qu’ils soient superficiels ou profonds, en présence de saumures ou de solutions diluées, de gaz atmosphériques, enricis éventuellemnt d’apport biogéniques. Dans ce contexte, un verrou essentiel concerne le développement d’outils de mesures terrain/laboratoire, soit chimiques, soit physiques afin d’ausculter les mécanismes et les processus modélisables. L’équipe se propose de concentrer ses efforts sur des capteurs passifs, comme les sonomètres d’émission acoustiques (état capillaire, milieu multiphasique), et les sondes de potentiel spontané (teneur en eau confinée, chimie redox).
  • les descripteurs thermo-cinétiques atypiques : 1/ Chimie-transport dans les barrières hydrauliques saturés (milieux confinés, définis par les seuils évoqués ci-dessus) ; 2/ Bilan de masse biogéochimique : expression des forces motrices et des processus réactionnels lorsqu’on a couplage avec le compartiment vivant,
  • les couplages géochimie / topologie 3d des réseaux poreux, et géochimie /géomécanique, depuis les échelles porales jusqu’à l’échelle des massifs aquifères, en premier lieu par des mesures explicites sur matériaux naturels et analogues.

Résultats :

Résultats du GP 3