Transfert-réactif en milieux poreux multiphasiques

Titre court : Milieux poreux

Responsable : Lionel Mercury

Définir, quantifier et modéliser les lois physico-chimiques et les mécanismes d’écoulement ou de transformation, actifs dans les processus naturels, par expérimentation mécaniste ou modélisation numérique.

Présentation

sol sableux de ThaïlandeLe grand programme (GP) travaille sur les relations structure-propriétés dans les milieux poreux, dans les premières centaines de mètres du sous-sol, en lien avec des milieux non-saturés en eau. Le continuum zone non saturée (sol et régolithe sous-jacent) – zone saturée des milieux aquifères (ZS-ZNS) est le premier de nos chantiers, spécialement le rôle de l’eau liée (capillarité, mouillage, écoulement lent) dans les bilans de transfert de contaminants à l’échelle de la ZNS complète ou ‘profonde’. Mais de nouveaux processus industriels sont en train de bouleverser l’applicabilité de ces questions, spécialement le stockage de CO2 anthropogénique en milieu géologique profond, et la construction de tunnels pour le stockage réversible de déchets nucléaires. Dans chacun de ces chantiers se pose le problème d’un milieu désaturé en eau, au contact d’une atmosphère gazeuse sèche à très sèche, sur des durées significativement longues. Dans ce cadre, des milieux arides ou hyper-arides, terrestres ou martiens, pourraient bénéficier des études développées par le groupe.

Nos questions scientifiques portent sur le couplage hydrologie-géochimie ave le rôle du transport préférentiel sur le bilan de masse immédiat et retardée dans le continuum ZS-ZNS, et donc aussi le rôle hydrologique et géochimique de l’eau liée. Le couplage hydrologie-biologie est également exploré, spécialement en contexte non-saturé, pour étudier la géographie couplée de la biomasse, de l’eau et de l’air, spécialement à faible teneur en eau, avec l’influence des poches capillaires et des films de mouillage. Le couplage géochimie-biologie est l’autre volet de ces mêmes effets, avec la mise en place, le développement et surtout la durabilité de fronts réactifs localisés, contrôlant la chimie des solutions au niveau du front et en aval (notion d’interface critique). Le couplage géochimie-mécanique est observé et quantifié dans deux situations quasi-opposées, mais probablement à l’œuvre toutes deux dans les milieux non-saturés : la pression de cristallisation, effet chimique en compression, et la tension capillaire, effet de l’eau en traction. Le couplage porosité-géochimie-hydrologie est le seul couplage triple en cours d’étude, en distinguant les effets diffusifs et advectifs, et le transport en solution et en suspension, incluant l’étude des nano-particules.

Nous développons des mesures (hydriques, chimiques, thermiques, ou même mécaniques) haute résolution et haut débit, sur le terrain et en laboratoire, sur échantillons naturels échantillons (pierres de ‘références’, carottes extraits du terrain), ou synthétiques (barrettes micro-/nano-fluidiques, inclusions fluides, capillaires de forme et diamètres variés), les seconds, conçus comme des analogues des premiers. Les techniques expérimentales utilisées dans l’équipe portent sur :

Inclusion eau dans quartz Optique & Tomographie X-  l’imagerie : Microscopie optiques haute résolution, adaptable à des environnements échantillons extrêmement variés ; Tomographie X ; Porosimétrie Hg ; Analyseur de surface ou ‘BETmètre’ ;

- les mesures de teneur en eau et d’écoulement non-saturé : Presse à plaques de Richards, presse à membrane ; Colonnes d’élution ;

- la spectroscopie vibrationnelle : Micro-IR, inclus en source synchrotron ; Micro-Raman à différentes longueurs d’onde ; Un prototype de micro-Brillouin ;

Caractéristiques IR de l'eau à l'interface eau-quartz sur 800 nm (au moins)- les mesures acoustiques actives et passives : Sonomètre d’émissions acoustiques.

D’autre part, nous avons développé et développons de nombreux environnement échantillons permettant de travailler sur une large gamme de température (-100°C – 350°/600°C), de pression totale (vide primaire), et de pression de vapeur (0-98% HR).

Des simulations thermo-cinétiques permettent de tester les forces motrices susceptibles de s'exprimer au sein de phénomènes complexes. Enfin, certains processus font l'objet de modélisations plutôt phénoménologiques, tels que le transfert préférentiel, la dualité rétention/écoulement de l'eau en conditions non-saturées, les fissurations chimiques, la cimentation-ouverture de porosité, le confinement de l'eau et/ou d'organiques.

Mots-clés

Relations structure / propriétés, couplages hydro-bio-chémo-mécanique, expérimentations, Milieu poreux à la méso-échelle (5 nm à 5 µm), Transitions de phase, modélisation et couplage.


Projets

* Projets scientifiques financés

Toko iso-surfaces du champ de concentration avec la superposition des poresConfinement géochimique de solutions aqueuses et transitions de phase dans les milieux finement poreux. ANR Blanc CONGE. Fin : 31 mars 2015. 520 k€.

Signature IR des états de structure de l’eau confinée dans des matrices solides avec et sans air, depuis l’échelle micronique jusqu’à l’échelle nanométrique. Projet RC-IA SIRE (Collab. Synchrotron Soleil). Fin projet : 30 juin 2015. 191 k€.

Infra-red imaging of water-solid and water-air interfaces using confocal 3d mode. Projet Soleil_SMIS (financement PRC): 24 shifts, 1-9/12/2015.

Water mechanical properties under 1-D confinement. Projet ESRF_BM32 (financement IHR) : 9 shifts, 10-13/12/2015.

Estimation du transport préférentiel des polluants dans les sols et la zone non saturée. Projet RC_APIR ESPOL. 2014-2016. 200 k€.

Plate-forme O-ZNS. Projet CPER/FEDER/ARD2020_RC PIVOTS. 2016-2020. 2,000 k€.

* Thèses – HDR

Transports réactifs et processus géochimiques – Processus couplés multi-échelles et modélisation. HDR M. Azaroual. Soutenance : 17 Décembre 2014.

Caractérisations et relations structure/propriétés de milieux poreux. HDR O. Rozenbaum. Soutenance : 5 Juin 2015.

Propriétés vibrationnelles de l’eau confinée et interfaciale. Conséquences thermodynamiques Thèse RC I. Bergonzi. Soutenance : 23 Mars 2015.

Modélisation par des réseaux de pores des phénomènes de transfert des nitrates dans les systèmes multiphasiques et mécanismes de stockage / déstockage des nitrates et leur transfert depuis le sol jusqu’aux nappes aquifères. Thèse RC-BRGM, T. Kamtchueng. Soutenance : Hiver 2015-2016.

Stability of water under confinement. Thèse de l’Université de Twente, D. Tiwari. En long séjour (1.5 ans) dans le GP, pour des mesures expérimentales en T-P-HR contrôlées. Soutenance : Eté-automne 2016.

Modélisation des processus de transport hors équilibres physique et physicochimique dans les sols : application à l’étude du transport préférentiel des solutés. Thèse RC E. Viel. 3ième année.

Couplage géomécanique-géochimie dans les milieux poreux non saturés : pression de cristallisation, tension capillaire. Thèse Labex Voltaire C. Hulin. 2ième année.

Influence de l’état structural et hydrique sur le fonctionnement des communautés microbiennes du sol : conséquences pour les transferts des métaux traces. Thèse Labex Voltaire C. Caurel. 1ère année.

Etude des propriétés de transfert la zone non saturée : application aux calcaires aquitaniens de l’aquifère de Beauce. Thèse RC C. Aldana. 1ère année.

Personnels du GP

Permanents ISTO : A. Bruand, Y Coquet, R. Guégan, E. Le Trong, L. Mercury, J.L. Rouet, O. Rozenbaum

Permanents BRGM : M. Azaroual, A. Lassin, P. Ollivier, A. Sbai

Non-permanents : C. Aldana, I. Bergonzi, C. Caurel, C. Hulin, T. Kamtchueng, D. Tiwari, E. Viel.