Modélisations multi-échelles des phénomènes de polarisation en géophysique

Modélisations multi-échelles des phénomènes de polarisation en géophysique

Direction : Alexis Maineult et Nicolas Florsch

La méthode de la polarisation provoquée (PP) connait un renouveau important sur les plans théoriques, expérimentaux (laboratoire) et applicatifs (terrain). Elle est maintenant utilisée pour un grand nombre d’applications géophysiques : prospection d’hydrocarbures, localisation et caractérisation des panaches de contaminants, suivi des processus de biodégradation, et caractérisation hydrologique de la subsurface (e.g., Binley et al., 2015). La méthode de la polarisation provoquée spectrale (PPS), déclinaison contemporaine de la méthode de polarisation provoquée, consiste à injecter un courant sinusoïdal dans un échantillon ou dans la subsurface et à mesurer la différence de potentiel électrique induite, pour différentes fréquences. On obtient ainsi un spectre de résistivité complexe, dont la partie réelle est liée à la conduction ohmique du milieu, et la partie imaginaire à la chargeabilité du milieu, c’est-à-dire sa capacité à emmagasiner des charges électriques de façon réversible.

Comprendre les mesures de PP à l’échelle macroscopique (celle de l’échantillon et du terrain) requiert la connaissance des processus de polarisation électrique qui prennent place à l’échelle nanométrique et à l’échelle du pore, avec en parallèle l’établissement de méthodes de changement d’échelle (« up-scaling »), pour passer de l’échelle nanométrique à celle du pore, et de celle du pore à celle de l’échantillon. Plusieurs modèles ont été proposés pour formaliser les phénomènes aux échelles nano et microscopiques : polarisation de membrane, de la couche de Stern, de Maxwell-Wagner et comportement de la double couche électrique (e.g. Jougnot et al., 2010). D’autres part, de nombreux modèles semi-empiriques ont été publiés pour reproduire les observations faites sur des échantillons et sur le terrain. Il faut désormais arriver à faire le lien entre ces deux approches.

Les méthodes de changement d’échelle, pour passer des échelles nanométrique et porale à celle de l’échantillon sont encore peu nombreuses. Récemment, Maineult et al. (2017) ont utilisé la méthode des réseaux de tubes pour étudier cette question: connaissant l’impédance complexe à l’échelle du pore, ils ont modélisés l’impédance complexe d’un assemblage macroscopique de pores. Notre laboratoire a également validé le passage de l’échelle nanométrique à l’échelle du pore des équations de Poisson-Nernst-Planck qui gouvernent les phénomènes PP au niveau nanométrique, via la modélisation numérique par éléments finis (Abdulsamad et al., 2017).

Ce sujet de thèse est proposé pour finaliser l’application de ces méthodes de changement d’échelle et pour élaborer une perspective intégrée des phénomènes de polarisations provoquée, pour produire in fine des modèles capables de prédire les réponses et signaux électriques complexes dans les milieux poreux – avec un objectif final de banalisation de ces méthodes pour des applications environnementales, qui vont de l’hydrogéologie aux méthodologies de recherche et de suivi d’exploitation des matières minérales et énergétiques, en passant par les applications pour l’étude des milieux pollués et leur remédiation.

Le laboratoire dispose de tous les équipements nécessaires à la réalisation de ce projet : impédancemètres complexes (notamment SIP-FUCHS III) à l’échelle du laboratoire ainsi que des appareillages de puissances pour le terrain (en domaines temporel et fréquentiel).

References :

Abdulsamad F., Florsch, N., & Camerlynck, C. (2017). Spectral induced polarization in a sandy medium containing semiconductir materials: experimental results and numerical modelling of the polarization mechanism. Near Surface Geophysics, 15, 669-683.

Binley, A., Hubbard, S. S., Huisman, J. A., Revil, A., Robinson, D. A., Singha, K., & Slater, L. D. (2015). The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. Water Resources Research, 51(6), 3837-3866.

Jougnot, D., Ghorbani, A., Revil, A., Leroy, P., & Cosenza, P. (2010). Spectral induced polarization of partially saturated clay-rocks: A mechanistic approach. Geophysical Journal International, 180(1), 210-224.

Maineult, A., Revil A., Camerlynck C., Florsch N., Titov K. (2017). Upscaling of spectral induced polarization response using random tube networks, Geophysical Journal International, 209(2), 948-960.