Polarisation provoquée : expérimentation, modélisation et applications géophysiques

Induced polarization : experimentation, simulation and geophysical applications

• Auteur / Autrice : Feras Abdul Samad
• Direction : Christian Camerlynck, Nicolas Florsch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique appliquée
• Date : Soutenance le 14/03/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe D'Arco
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Colette Sirieix, Philippe Leroy, Alexis Maineult
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André Revil, Konstantin Titov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Polarisation (électricité)

Mots clés libres

Polarisation provoquée spectrale

Effet aux hautes fréquences

Mécanisme de polarisation

Équation de Poisson-Nernst-Planck

Site métallurgique

Méthode des éléments finis

Induced polarization

Semi-conductors particles

Poisson-Nernst-Planck equations

Résumé

Les mécanismes produisant les signaux observés par la méthode de Polarisation Provoquée (PP) sur une large gamme de fréquences (entre 1 mHz et 20 kHz) ne sont pas encore complètement identifiés. Deux sujets particuliers ont été abordés dans cette thèse. L'origine du signal observé à haute fréquence (>1 kHz) a été analysé en effectuant des mesures de la résistivité complexe sur de l'eau à différentes salinités. Les résultats montrent des écarts sur la phase par rapport à la réponse attendue à haute fréquence. Ils dépendent du type d'électrode de mesures et de la conductivité du milieu. Un modèle basé sur un circuit électrique équivalent a été proposé pour modéliser ces effets. Nous avons aussi exploré le mécanisme responsable de la polarisation en présence de grains semi-conducteurs en analysant la dépendance de temps de relaxation. La réponse spectrale d'un milieu sableux saturé a été étudiée en variant la concentration et le type de l'électrolyte, la taille, le type et la quantité de grains semi-conducteurs insérés. En utilisant la méthode des éléments finis, nous avons entrepris une simulation numérique 2D basée sur la solution des équations de Poisson-Nernst-Planck dans le domaine temporel et spectral. Les résultats expérimentaux sont conformes à ceux issus de la simulation numérique et montrent une décroissance comparable du temps de relaxation avec l'augmentation de la concentration de l'électrolyte. Finalement, une campagne géophysique de terrain sur un site paléo-miniers contenant des grains semi-conducteurs complète l'approche de laboratoire. Des mesures de PP temporelles permettent de délimiter les zones de scories sur le site et d'en estimer le volume.

The physical mechanisms responsible for the induced polarization response over the frequency range (from 1 mHz to 20 kHz) are not completely understood. In particular, within the framework of this thesis, two subjects have been addressed. The origin of the signal observed at high frequency (HF) (>1 kHz) was analyzed by carrying out Spectral IP measurements on tap water samples. A phase deviation from the expected response has been observed at HF. The resulted deviation in phase appears to be dependent on the measuring electrode type (potential electrodes) and conductivity of the medium. A model based on an equivalent electrical circuit and designed to represent HF response, has been proposed to correct these effects. The mechanism responsible for the polarization in a medium containing semi-conductor grains has been investigated by analyzing the dependence of the relaxation time. We carried out experimental measurements on a sand medium containing different types of semi-conductors. The spectral response was studied by varying the concentration and type of the electrolyte, the size and content of semi-conductor grains. By using the finite element method, a 2D numerical simulation based on Poisson-Nernst-Planck equations was performed in time and frequency domains. The experimental results are qualitatively in accordance with numerical simulation. It showed a comparable decrease in the relaxation time when increasing the electrolyte concentration. Finally, field measurements on a paleo-mining site containing semi-conductor grains have been acquired. Time-domain IP measurements allowed us to define the zones of slag in the site and led to estimate the slag volume.