Développement de méthodes géo-électriques pour le suivi temporel des processus de dissolution-précipitation en milieux carbonatés

Titre : Développement de méthodes géo-électriques pour la caractérisation des processus de dissolution et de précipitation en contexte carbonaté

Résumé : La précipitation et la dissolution de la calcite sont des processus primordiaux dans les roches carbonatées et le fait de pouvoir les surveiller in situ est un enjeu majeur de l’exploitation des gisements pour le stockage géologique des ressources (eau, gaz) ou des déchets (e.g., CO2). Les méthodes hydrogéophysiques sont fondées sur le développement de techniques géophysiques appropriées pour le suivi des processus hydrologiques et biogéochimiques de manière non-intrusive et à faible coût. En outre, parmi les techniques existantes, les méthodes électriques ont déjà prouvé leur capacité à surveiller les processus hydrologiques et la réactivité géochimique. Pour cette raison, les méthodes du potentiel spontané (PS) et de la polarisation provoquée spectrale (PPS) ont été choisies pour investiguer les processus de dissolution et de précipitation de la calcite. La PS est une technique passive consistant à mesurer le champ électrique naturel généré par les flux d’eau et les gradients de concentration, respectivement par les couplages électrocinétique et électrochimique, tandis que la PPS est une méthode active mesurant la conductivité électrique complexe aux basses fréquences (du mHz au kHz). La conductivité électrique complexe est une propriété géophysique dont les composantes réelle et imaginaire peuvent être reliées respectivement aux propriétés microstructurales du milieu poreux et à l’état de surface des minéraux le constituant. Cependant, pour les études biogéochimiques, les données de PS et de PPS sont encore complexes à interpréter, en raison de la superposition des mécanismes sources. De ce fait, en l’absence de relations pétrophysiques, ces méthodes font rarement l’objet de modélisation quantitative. Cette thèse présente des recherches expérimentales et des développements théoriques connexes visant à améliorer l’interprétation des méthodes PS et PPS. Tout d’abord, un nouveau modèle de conductivité électrique est développé et montre un bon ajustement avec les résultats numériques de dissolution et de précipitation. Deuxièmement, des données PS remarquables ont été obtenues et ont pu être reliées aux gradients de concentration ionique grâce à de la modélisation de transport réactif, conduisant à l’interprétation quantitative du couplage électro-diffusif de la PS. Par la suite, les expériences menées ont conduit à la conception et à l’amélioration d’un banc expérimental permettant une étude complète combinant l’acquisition géo-électrique multiméthodes et les analyses géochimiques. Enfin, les résultats obtenus par la PPS  nourrissent la réflexion sur les mécanismes invoqués par d’autres études comme sources des variations de polarisation électrique résultant des processus de précipitation et de dissolution de la calcite.La précipitation et la dissolution de la calcite sont des processus primordiaux dans les roches carbonatées et le fait de pouvoir les surveiller in situ est un enjeu majeur de l’exploitation des gisements pour le stockage géologique des ressources (eau, gaz) ou des déchets (e.g., CO2). Les méthodes hydrogéophysiques sont fondées sur le développement de techniques géophysiques appropriées pour le suivi des processus hydrologiques et biogéochimiques de manière non-intrusive et à faible coût. En outre, parmi les techniques existantes, les méthodes électriques ont déjà prouvé leur capacité à surveiller les processus hydrologiques et la réactivité géochimique. Pour cette raison, les méthodes du potentiel spontané (PS) et de la polarisation provoquée spectrale (PPS) ont été choisies pour investiguer les processus de dissolution et de précipitation de la calcite. La PS est une technique passive consistant à mesurer le champ électrique naturel généré par les flux d’eau et les gradients de concentration, respectivement par les couplages électrocinétique et électrochimique, tandis que la PPS est une méthode active mesurant la conductivité électrique complexe aux basses fréquences (du mHz au kHz). La conductivité électrique complexe est une propriété géophysique dont les composantes réelle et imaginaire peuvent être reliées respectivement aux propriétés microstructurales du milieu poreux et à l’état de surface des minéraux le constituant. Cependant, pour les études biogéochimiques, les données de PS et de PPS sont encore complexes à interpréter, en raison de la superposition des mécanismes sources. De ce fait, en l’absence de relations pétrophysiques, ces méthodes font rarement l’objet de modélisation quantitative. Cette thèse présente des recherches expérimentales et des développements théoriques connexes visant à améliorer l’interprétation des méthodes PS et PPS. Tout d’abord, un nouveau modèle de conductivité électrique est développé et montre un bon ajustement avec les résultats numériques de dissolution et de précipitation. Deuxièmement, des données PS remarquables ont été obtenues et ont pu être reliées aux gradients de concentration ionique grâce à de la modélisation de transport réactif, conduisant à l’interprétation quantitative du couplage électro-diffusif de la PS. Par la suite, les expériences menées ont conduit à la conception et à l’amélioration d’un banc expérimental permettant une étude complète combinant l’acquisition géo-électrique multiméthodes et les analyses géochimiques. Enfin, les résultats obtenus par la PPS  nourrissent la réflexion sur les mécanismes invoqués par d’autres études comme sources des variations de polarisation électrique résultant des processus de précipitation et de dissolution de la calcite.

Mots-clefs : suivi temporel de la réactivité de la calcite, processus de dissolution et de précipitation, potentiel spontané, polarisation provoquée spectrale, transport réactif, pétrophysique