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

Development of geo-electrical methods to characterize dissolution and precipitation processes in a carbonate context

• Auteur / Autrice : Flore Rembert
• Direction : Damien Jougnot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique expérimentale
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• 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 : Jean-François Girard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Guérin, Niklas Linde, Linda Luquot, Alexis Maineult
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Kemna, Catherine Noiriel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrofluidodynamique

Hydrogéologie

Électricité en géophysique

Dissolution

Calcite

Mots clés libres

Suivi temporel de la réactivité de la calcite

Processus de dissolution et de précipitation

Potentiel spontané

Polarisation provoquée spectrale

Transport réactif

Pétrophysique

Calcite reactivity monitoring

Dissolution and precipitation processes

Self-potential

Spectral induced polarization

Petropysics

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. 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. Parmi les techniques existantes, les méthodes électriques ont déjà prouvé leur capacité à surveiller de tels processus. 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, tandis que la PPS est une méthode active mesurant la conductivité électrique complexe aux basses fréquences (mHz-kHz). Ses composantes réelle et imaginaire peuvent être reliées respectivement à la microstructure et à l’état de surface des minéraux le constituant. Cette thèse présente des développements expérimentaux et théoriques afin d'améliorer l’interprétation des méthodes PS et PPS. Un nouveau modèle de conductivité électrique est développé et montre un bon ajustement avec les résultats numériques de dissolution et de précipitation. Des données PS remarquables ont été obtenues et ont pu être reliées quantitativement grâce à de la modélisation de transport réactif. Les résultats PPS nourrissent la réflexion sur les mécanismes responsables des variations de polarisation engendrés par la réactivité de la calcite.

Precipitation and dissolution of calcite are key processes in carbonate rocks and being able to monitor them in situ is a major issue. Hydrogeophysical methods are based on the development of appropriate geophysical techniques for monitoring hydrological and biogeochemical processes in a non-intrusive and low-cost manner. Among the existing techniques, electrical methods have already proven their ability to monitor such processes. For this reason, the methods of self-potential (SP) and spectral induced polarization (SIP) were chosen to investigate the processes of dissolution and precipitation of calcite. SP is a passive technique consisting in measuring the natural electric field generated by water flows and concentration gradients, while SIP is an active method measuring the complex electrical conductivity at low frequencies (mHz-kHz). Its real and imaginary components can be related respectively to the microstructure and surface state of the minerals constituting it. This thesis presents experimental and theoretical developments in order to improve the interpretation of SP and SIP methods. A new electrical conductivity model is developed and shows a good fit with the numerical results of dissolution and precipitation. Remarkable SP data have been obtained and could be quantitatively linked through reactive transport modeling. The SIP results provide further insights into the mechanisms responsible for the polarization variations caused by the reactivity of calcite.