Modélisation physique et numérique de la dynamique d’un pergélisol au cours d’un cycle climatique : implications pour le site de Meuse - Haute-Marne

Physical and numerical modelling of permafrost dynamic during a climatic cycle : implications for Meuse - Haute-Marne site

• Auteur / Autrice : Damien Régnier
• Direction : Philippe Davy, Christophe Grenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Transitions de phases

Périglaciaire

Eaux continentales

Sols gelés

Résumé

Ce mémoire présente les travaux réalisés sur la modélisation de la dynamique d’un pergélisol (sol dont la température est inférieure à 0°C durant 2 ans consécutifs) et de son impact sur les circulations hydrogéologiques. Ils contribuent aux études de l’Andra sur le stockage des déchets radioactifs et sur l’étude environnementale du site Meuse/Haute-Marne. Lors d’un cycle climatique, les périodes froides peuvent générer l’installation d’un pergélisol. Cette structure périglaciaire se propage vers les horizons géologiques profonds, et de par sa très faible perméabilité, peut immobiliser des masses d’eau importantes dans les aquifères. Ce travail présente l’élaboration de deux modèles numériques à l’aide du code Cast3M (CEA) : (i) un modèle thermique conductif pur, adaptation d’une procédure existante, pour l’étude de la propagation d’ondes de froid en milieu poreux avec transition de phase eau-glace ; (ii) un modèle élaboré, gérant le couplage thermo-hydraulique des processus du sous-sol (conduction, convection et transition de phase). Validés, ces deux modèles offrent ici trois axes de valorisation : (i) proposition d’un benchmark par l’étude de deux cas tests génériques ; (ii) étude du signal de température imposé en surface : importance des variations climatiques haute fréquence (échelle centennale) sur la propagation et la stabilité d’un pergélisol ; (iii) étude de la dynamique d’une discontinuité thermique dans un système hydrologique type rivière-plaine : temps de fermeture du système par le pergélisol selon différents paramètres (températures, flux géothermique, sens des flux hydrologiques…). Ces points étant directement reliés aux problématiques du site Andra.

This manuscript deals about works realized on the permafrost modelling in porous media and its impact on the hydrogeological circulations. These are parts of the Andra’s studies on the nuclear waste storage and, on the environmental studies of the Meuse/Haute-Marne (MHM) site. During a climatic cycle, cold periods can generate permafrost (ground with temperature lower than 0°C for 2 consecutive years). This periglacial structure propagates towards deep geological layers, and, due to its very low permeability, can stop the flow of water bodies like aquifers. This work presents the elaboration of two numerical models (with Cast3M code (CEA)): (i) a model with thermal conduction, used for the study of a cold wave propagation in porous media with phase transition (water-ice); (ii) a more complex model, managing the thermo-hydraulic coupling of ground phenomenon (conduction, convection and transition of phase). After validation, these two models offer three axes of development: (i) benchmark proposition by the study of two generic test-cases; (ii) study of the local air temperature signal on MHM site : importance of high frequency temperature variations (centennial scale) for permafrost depth and stability ; (iii) study of the dynamics of a thermal discontinuity in a typical hydrological system river-plain: closure time of the system by the permafrost according to various parameters (temperatures, geothermal flow, hydrological flow directions). These points are directly linked with the problems of the MHM site.