UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR ÉCOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE

Alexis Maineult

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR ÉCOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE STRASBOURG THÈSE présentée pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur (Strasbourg I) discipline: Sciences de l'Univers spécialité: Géophysique par Alexis MAINEULT Application de la méthode du potentiel spontané à l'hydrogéologie: expérimentation sur modèle réduit d'aquifère soutenue publiquement le 28 juin 2004 Jury: Ph. Ackerer D.R., IMFS Strasbourg co-directeur de thèse P. Adler D.R., IPG Paris rapporteur externe Y. Bernabé Pr., IPG Strasbourg directeur de thèse C. Doussan C.R., INRA Avignon invité G. Marquis Pr., IPG Strasbourg rapporteur interne et président A. Revil C.R., CEREGE Aix-en-Provence examinateur J. Zlotnicki D.R., OPG Clermont-Ferrand rapporteur externe

• electrocinétisme en milieu poreux


• comparaison des ordres de grandeur


• equation de helmholtz-smoluchowski


• potentiel d'exclusion membranaire


• sources externes


• application de la méthode du potentiel spontané


• ipg paris rapporteur


• opg clermont-ferrand

Sujets

• École et observatoire des sciences de la Terre
• Pensées
• Louis Pasteur University

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 juin 2004
• Nombre de lectures: 84
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 32 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR
ÉCOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE
INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE STRASBOURG





THÈSE

présentée pour l'obtention du grade de

Docteur de l'Université Louis Pasteur (Strasbourg I)
discipline: Sciences de l'Univers
spécialité: Géophysique


par


Alexis MAINEULT



Application de la méthode du potentiel spontané
à l'hydrogéologie: expérimentation sur modèle
réduit d'aquifère




soutenue publiquement le 28 juin 2004






Jury:

Ph. Ackerer D.R., IMFS Strasbourg co-directeur de thèse
P. Adler D.R., IPG Paris rapporteur externe
Y. Bernabé Pr., IPG Strasbourg directeur de thèse
C. Doussan C.R., INRA Avignon invité
G. Marquis Pr., IPG Strasbourg rapporteur interne et président
A. Revil C.R., CEREGE Aix-en-Provence examinateur
J. Zlotnicki D.R., OPG Clermont-Ferrand rapporteur externe







Il faut compter à l'actif d'une hypothèse tout ce qu'il
a fallu qu'on découvrît pour la ruiner.

C'est après que la vérité a été découverte qu'on s'avise
de la manière plus simple dont elle eût pu l'être.

Tenir compte des critiques, même injustes;
tenir tête aux critiques, même justes.


Jean Rostand
Pensées d'un biologiste
A. Maineult Sommaire
SOMMAIRE


RESUME 1


ABSTRACT 2


INTRODUCTION 3
REFRENCES 6

CHAPITRE 1. LE POTENTIEL SPONTANE EN GEOPHYSIQUE 9
1.1 – SOURCE 9
1.1.1 – Electrocinétisme 9
1.1.1.a – Equation de Helmholtz-Smoluchowski 9 1.1.1.b – Double couche 10 1.1.1.c – Electrocinétisme en milieu poreux isotrope homogène 11
1.1.1.d – Relation macroscopique entre V et H 13
1.1.2 – Effet thermoélectrique 13
1.1.3 Potentiels de membrane 14
1.1.3.a – Potentiel de jonction fluide 14 1.1.3.b – Potentiel d'exclusion membranaire 14
1.1.4 – Oxydoréduction 16
1.1.5 – Propagation jointe (sismoélectricité) 17
1.1.6 – Piézoélectricité 18
1.1.7 Sources externes 19
1.1.8 – Comparaison des ordres de grandeur 19
1.2 – EXEMPLES D'OBSERVATIONS DE TERRAIN 20
1.2.1 – Hydrologie 20
1.2.1.a – Suivi des écoulements d'eau 20 1.2.1.b – Panaches de pollution 22
1.2.2 – Volcanologie 24
1.2.3 Champs géothermiques 27
1.2.4 – Phénomènes associés aux séismes 28
1.2.4.a – Phénomènes précurseurs 28 1.2.4.b – Signaux cosismiques 29
1.2.5 – Corps conducteurs 30
1.2.6 Autres observations 31
1.3 – ETUDES DE LABORATOIRE 32
1.3.1 – Effet de la taille de grain 33
1.3.2 – Effet de la conductivité de l'électrolyte 36
1.3.3 – Effet du pH 39
1.3.4 Effetde la température 41
1.3.5 – Effet de la saturation partielle 41
1.3.6 – Mesures sous contraintes 42
1.3.7 Autres mesures 42
REFERENCES 43

IA. Maineult Sommaire
CHAPITRE 2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL 49
2.1 – DISPOSITIF D'ECOULEMENT 50
2.2 CUVE 51
2.2.1 – Dimensions de la cuve - repère associé 51
2.2.2 – Ecoulement 1D (Configuration de Darcy) 53
2.2.3 – Ecoulement 2D (Configuration "seepage") 55
2.2.3.a – Généralités 55 2.2.3.b – Equations dans le domaine normal 56 2.2.3.c – Equations dans le domaine de Baiocchi 58
2.2.3.d – Résolution par différences finies 59 2.2.3.e – Exemple 60 2.2.3.f – Perméabilité 60
2.3 – MESURE DU POTENTIEL 61
2.3.1 – Electrodes 61
2.3.1.a – Généralités 61 2.3.1.b – Description62
2.3.2 – Enregistrement des données 66
2.3.3 Tests 68
2.3.3.a – Comparaison avec les électrodes PMS9000 (SDEC) 68 2.3.3.b – Identité des réponses entre les électrodes 69 2.3.3.c – Bruit courte-période 70
2.3.3.d – Bruit longue-période: variations diurnes 71 2.3.3.e – Effet des réactifs 74
2.4 – MATERIAU POREUX: SABLE DE HAGUENAU 75
2.4.1 – Origine et composition 75
2.4.2 – Distribution de taille de grain 75
2.4.3 – Porosité 77
2.4.4 Perméabilité 77
2.4.5 – Facteur de formation électrique 78
2.5 – PROCEDURES COMMUNES AUX EXPERIENCES 79
2.5.1 – Mise en place du sable et des électrodes 79
2.5.2 – Equilibres chimique et mécanique 80
2.5.3 – Traitement des signaux 81
REFERENCES 81

CHAPITRE 3. ECOULEMENTS 83
3.1 – EXPERIENCE PRELIMINAIRE 83
3.2 – PRINCIPES ET PROCEDURES 86
3.2.1 – Position des électrodes 86
3.2.2 Génération écoulements 87
3.2.3 – Traitement des données 88
3.3 – RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX 89
3.3.1 – Expériences de montée aval 89
3.3.2 – Comparaison avec la descente aval 95
3.4 – DISCUSSION 96
3.4.1 – Cohérence des ordres de grandeur avec le modèle de Revil et Glover 96
3.4.1.a – Réactions de surface 96 3.4.1.b – Densité surfacique de charge 97 3.4.1.c – Equation de Poisson-Boltzmann 97
3.4.1.d – Résolution du potentiel 98 3.4.1.e – Densité surfacique de charge dans la couche diffuse 99
IIA. Maineult Sommaire
3.4.1.f – Equation du potentiel ζ 100 3.4.1.g – Conductance spécifique de la double couche 100 3.4.1.h – Valeurs des constantes 101
3.4.1.i – Résultats numériques102
3.4.2 – Comparaison avec des déterminations expérimentales de la littérature 104
3.4.3 – L'hétérogénéité, cause possible des fluctuations du couplage 105
3.5 – RESUME 107
REFRENCES 107

CHAPITRE 4. TRANSPORT 109
4.1 – DIFFUSION DE CHLORURE DE SODIUM 109
4.1.1 – Protocole expérimental 109
4.1.2 Résultats entaux 110
4.1.3 – Modélisation et discussion 112
4.1.3.a – Equation du potentiel de jonction 112 4.1.3.b – Modélisation 1D 114 4.1.3.c – Modélisation 2D116
4.2 – ADVECTION DE CHLORURE DE SODIUM OU POTASSIUM 121
4.2.1 – Procédures 121
4.2.2 Résultats expérimentaux 122
4.2.2.a – Advection 1D de NaCl 122 4.2.2.b – Advection 1D de KCl125 4.2.2.c – Advection 2D de NaCl 127
4.2.3 – Modélisation et discussion 129
4.2.3.a – Advection 1D de NaCl 129 4.2.3.b – Advection 1D de KCl. Effet des micas 136 4.2.3.c – Advection 2D de NaCl 139
4.3 – RESUME. APPLICATIONS POSSIBLES 142
REFRENCES 143

CHAPITRE 5. REACTIONS CHIMIQUES 147
5.1 – PRINCIPE ET PROCEDURES 147
5.2 EXPERIENCE DE CONTROLE 148
5.3 – REACTION ACIDE-BASE 153
5.3.1 – Résultats expérimentaux 153
5.3.2 Discussion 156
5.3.2.a – Potentiel de jonction 156
5.3.2.b – Effet du pH sur le coefficient de couplage électrocinétique 156
5.4 – OXYDOREDUCTION 157
5.4.1 – Résultats expérimentaux 158
5.4.2 – Expérience en proportions stoechiométriques 162
5.4.3 – Discussion: modèle d'évolution de la zone de réaction 167
5.5 – RESUME 171
REFERENCES 171

CONCLUSION ET PERSPECTIVES 173



IIIA. Maineult Sommaire
ANNEXE I. EQUATION DE HELMHOLTZ-SMOLUCHOWSKI
DANS UN CAPILLAIRE 177


ANNEXE II. DISPOSITIF EXPERIMENTAL D'AHMAD 180


ANNEXE III. RESOLUTION DE LA CONCENTRATION, ADVECTION 1D 183


BIBLIOGRAPHIE GENERALE 187


LISTE DES FIGURES 199


LISTE DES TABLEAUX 202


LISTE DES SYMBOLES 205


REMERCIEMENTS 207

IVA. Maineult Résumé
RESUME


Identifier la géométrie et l'évolution chimique des écoulements souterrains est un objectif
majeur de l'hydrologie. Les outils géophysiques (radar, méthodes électriques et magnétiques)
apportent des informations complémentaires aux mesures en puits. Le suivi