Géochimie capillaire et couplage rétention-percolation en zone non saturée des sols

Capillary geochemistry and retention/percolation coupling in non-saturated zone of soils

• Auteur / Autrice : Marie Pettenati
• Direction : Lionel Mercury, Mohamed Azaroual
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace. Géochimie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Thermodynamique capillaire

Courbes de rétention

Bilans de masse

Résumé

La zone non saturée (ZNS) des sols contient de l’eau plus ou moins fortement retenue par succion capillaire. Concrètement, cette succion modifie la pression interne de l’eau capillaire et donc modifie ses propriétés thermodynamiques. De ce fait, la spéciation des solutés aqueux, la solubilité des gaz et des solides sont modifiées. Pour permettre de faire des bilans de masse à l’échelle des profils, on a utilisé les courbes de rétention en eau du sol, qui relient un volume d’eau porale à une gamme de succion capillaire. A cette dernière gamme sont associées les propriétés de la succion moyenne. Certains modèles de courbes de rétention sont spécialement adaptés au domaine des fortes succions et ils sont ici étudiés en détail. Leur utilisation permet de constater que les volumes retenus à des succions géochimiquement significatives peuvent atteindre plusieurs dizaines de litres par mètre cube de sol et ainsi participer au transfert de masse en profondeur. Plusieurs faits d’observations pourraient être re-interprétés par cette approche capillaire, comme les successions anormales de paragénèses dans certains régolites. Des premières études de bilans de masse ont été réalisées en s’appuyant sur un modèle en double porosité, avec un domaine macroporal de percolation, et un domaine microporal de rétention. Ces deux zones sont couplées par des échanges diffusifs. Le modèle utilisé est celui des colonnes de transfert-réactif 1Dde PhreeqC, un des modèles géochimiques les plus courants. Les caractéristiques géochimiques des solutions capillaires sont calculées avec Thermo-ZNS, un logiciel de calculs thermodynamiques développé pour la ZNS au BRGM. Les résultats de simulation des colonnes mettent en évidence l’effet de la capillarité sur la stabilité des minéraux, la vitesse des réactions et la complexation de surface, consistant avec les observations naturelles de terrain.

Non-saturated zone (NSZ) of soils is partially filled with water more or less strongly held to the solid matrix by capillary suction. Such suction makes the water internal pressure to change, what modifies its thermodynamic properties. As a consequence, the aqueous solutes speciation, the solubilities of gases and solids, are modified as well. To go further and calculate mass balances at a soil profile scale, retention curves have been used. Based on field measurements, they relate the volume of capillary water with a certain suction interval. Different models are specially adapted to the high suction range and are here studied in details. Using them leads to the conclusion that capillary volumes up to several tenths of liters per cubic meters of soil are possible. Thus, capillarity should participate to mass transfer in depth. First computations on mass balance have been carried out, using a dual porosity model, with water percolating in macropores coexisting with water held in micropores. These two zones exchange by diffusion process. The used model is the 1D column facility of Phreeqc, probably the most used geochemical software. The geochemical features of the capillary solutions are calculated with Thermo-ZNS, a soft for thermodynamic calculations especially developed for NSZ studies by BRGM. Results of columns simulation give evidence of capillary effect on minerals stability, reactions velocity and surface complexion, according to field observations.