Rôle du transport particulaire lié à la déstructuration de gypses poreux dans le développement de cavités de dissolution

Quantification of the dissolution kinetics of natural gypsum and particle transport processes in the evolution of dissolution cavities

• Auteur / Autrice : Imen Zaier
• Direction : Farid Laouafa, Joël Billiotte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 15/02/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Rossano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Laouafa, Joël Billiotte, Nicolas Flipo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Quintard, Yujun Cui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Érosion

Gypse

Prospection géochimique

Mots clés libres

Gypse

Cinétique de dissolution

Transport particulaire

Taux de récession

Géochimie

Cavités souterraines

Gypsum

Dissolution kinetics

Particular transport

Recession rate

Geochemistry

Underground cavities

Résumé

Les formations gypsifères rencontrées dans le sous-sol des banlieues nord-est de Paris présentent une dissolution naturelle par les eaux souterraines en écoulement. Cette dissolution induit une perte de matière solide créant des vides souterrains qui peuvent entraîner des désordres en surface. Lors de cette dissolution, un flux de particules de gypse ou d’insolubles produites par érosion ou destructuration de la roche peut amplifier la croissance d’une cavité par rapport à la seule prise en compte de la solubilisation du gypse. Ce mémoire cherche principalement à quantifier expérimentalement la cinétique de dissolution et le flux particulaire des faciès de gypse se différenciant par leur texture, porosité et teneur en insolubles. Des échantillons représentatifs des formations gypseuses du Priabonien (Ludien) et du Lutétien du périmètre de reconnaissance du projet du Grand Paris Express ont été utilisés. La mesure de la conductivité électrique d’une solution d’eau pure ou d’eau courante jusqu’à sa saturation par un disque de gypse tournant et immergé a permis de déterminer les paramètres d'une loi cinétique de dissolution pour chaque échantillon. Les résultats ont été analysés en fonction de la solution initiale, la température ainsi que de la texture du faciès et de la rugosité développée lors de la dissolution. Du fait de cette rugosité, la dissolution est dominée par le transport diffusif dans la couche limite. Les valeurs du taux de dissolution effectif sont comprises entre 2 et 12 mg/m²/s et donc plus faibles que celles du taux de dissociation du gypse minéral. Ces valeurs varient avec la teneur en insolubles et leur répartition. Les plus faibles correspondent à des gypses matriciels avec un recouvrement des grains de gypse par les insolubles. Une pondération a été définie pour obtenir des valeurs représentatives des conditions in situ. Les rôles de l’érosion et du transport particulaire lié à la dissolution du gypse ont été déterminés par des expériences de lessivage contrôlé avec une collecte des particules libérées. Les flux particulaires mesurés sont peu importants composées très majoritairement d’insolubles sensibles à l’érosion. Une valeur sécuritaire du taux de récession a été définie à partir du taux de dissolution et de la teneur en insolubles et de leur répartition. Pour étendre ces résultats aux conditions in situ, l’influence de la composition initiale de l’eau souterraine et de la minéralogie des insolubles a été étudiée à partir de simulations géochimiques et validées avec les analyses d’eaux réalisées pendant les expériences de disques tournants. Ils ont été appliqués sur deux sites pour évaluer un taux de récession effectif à partir de la porosité et la teneur en insolubles, mesurées ou estimées d’un gypse naturel et de l’indice de saturation de l’eau souterraine déterminé à partir de son analyse chimique.

The north-eastern suburbs of Paris are most prone to sinkhole development due to the natural dissolution of gypsum rocks in contact with groundwater flow. This dissolution induces a loss of solid material creating underground voids that can lead to surface disorders. A release of grains and their transport by the flow could very strongly increase the growth of the cavity compared to considering only the dissolution. Gypsum samples with different porosity and content of insoluble impurities were used to quantify experimentally the respective role of dissolution and particle transport processes in the formation of cavities in gypsum horizons. Rotating disk experiments allow us to determine the kinetic rate model parameters of each sample by measuring the electrical conductivity of a solution up to saturation. The results were analyzed according to the initial solution, the temperature as well as the texture of the facies and the roughness developed during dissolution. As a result of this roughness, dissolution is dominated by diffusive transport in the boundary layer. The effective dissolution rate values are found between 2 and 12 mg/m²/s, depend on the insoluble content and their distribution, and therefore lower than the dissociation rate of the gypsum mineral. The lowest values refer to the matrix textured gypsum with insoluble content that serves as coating for the gypsum grains. The impact of erosion and particle transport related to gypsum dissolution was determined by controlled leaching tests involving a collection of the released grains. For each gypsum facies tested, the particular flux is found low composed mostly of insoluble grains. The distribution of insoluble at the interface is found to have a large influence on the dissolution.To extend these results to in situ conditions, the influence of the groundwater composition and the mineralogy of the insoluble particles was studied from geochemical simulations and validated with water analyses during and at the end of the rotating disk experiments. These findings were applied on two sites to evaluate an effective recession rate using the measured or estimated porosity and insoluble content of a natural gypsum and the groundwater saturation index obtained from its chemical analysis.