Thèse soutenue

Étude de la production d’eau douce à partir de formations argileuses dans les zones de foothills

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Auteur / Autrice : Jessica Strydom
Direction : Dragan GrgicJérôme Sterpenich
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Géosciences
Date : Soutenance le 21/06/2022
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
Jury : Président / Présidente : Jocelyne Brendlé
Examinateurs / Examinatrices : Dragan Grgic, Jérôme Sterpenich, Patricia Patrier
Rapporteurs / Rapporteuses : Jocelyne Brendlé, Patricia Patrier

Résumé

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Avec la compaction progressive des sédiments, la transformation des matières minérales et organiques est connue pour produire une eau moins salée que l'eau interstitielle d'origine, dont la composition aurait été similaire à celle de l'eau de mer. Le but de notre étude expérimentale était de simuler les processus diagénétique du flux de fluide, de la chaleur et de la compaction mécanique qui est impliqué dans le rafraîchissement de l'eau de formation à partir d'un échantillon d'argile saturé. Notre objectif était d'utiliser la chimie générale de l'eau, ainsi que les traceurs isotopiques Cloride et Bromide, pour suivre l'évolution de la production d'eau douce à travers le temps. La cellule de compression oedométrique à grande échelle qui a été développée pour les besoins de cette étude est nouvelle et rare en raison des pressions élevées de fluide, des contraintes mécaniques et des températures qui ont pu être appliquées aux échantillons d'argile durant les expériences, ainsi que de la collaboration multidisciplinaire entre des laboratoires réputés afin de contribuer à une compréhension fonctionnelle du comportement du Cl et du Br dans les processus géologiques. Il n'existe pas d'expérience multidisciplinaire similaire à grande échelle dans la littérature. Nous avons réalisé trois expériences de compactage qui ont durées jusqu'à environ 200 jours chacune, pendant lesquelles nous avons enregistré en continu la contrainte axiale (σ1), la pression du fluide interstitiel (Pi), la déformation axiale et les volumes de fluide dans les pompes d'injection et de collecte. Les expériences consistaient d'abord à saturer l'argile avec de l'eau de mer dans la grande cellule oedomérienne, puis à la compacter en 5 ou 10 étapes d'augmentation de la contrainte verticale jusqu'à 150 MPa et de l'augmentation de la température jusqu'à 150°C, tout en maintenant la pression du fluide interstitiel aussi proche que possible de 45 MPa. Le suivi continu de la déformation axiale et la surveillance de la composition de l'eau entrée et expulsée ont permis d'établir un bilan massique hydrique et chimique du système. Nous avons donc pu calculer quelle devrait être la composition de l'eau interstitielle restante, à chaque étape de compactage consécutive. De plus, le logiciel de modélisation SURP, développé par le BRGM, nous a permis de comprendre quelle proportion de cette eau expulsée était le résultat de la déshydratation des minéraux argileux. Une véritable transformation minérale n'a pas été observée. Ni par l'exercice de modélisation, ni par la caractérisation minérale. Nous avons constaté que la chimie et le comportement isotopique sont considérablement différents entre une argile gonflante (MX80 contenant 71% de smectite) et une argile non gonflante (marne de Sainte Suzanne contenant 61% d'illite). Dans notre étude, pour l'argile gonflante nous avons observé une diminution générale des concentrations en cations et anions dans l'eau expulsée, tandis que sa concentration augmentait légèrement dans le fluide interstitiel restant. Ce n'était pas le cas pour l'argile non gonflante. Ensuite, un rafraîchissement plus important de l'eau expulsée s'est produit pendant l'expérience de compactage à une température plus élevée. Nous avons également observé que comme Br est plus efficacement filtré par les argiles que le Cl en raison de son occurrence naturelle beaucoup plus faible, cela se traduit par une plus grande gamme de fractionnement isotopique pour Br (valeur δ81Br de l'eau expulsée de 0,9 ‰ jusqu'à 1,5‰) que pour Cl (valeur δ37Cl de l'eau expulsée de -0,1‰ jusqu'à -0,5‰), et ceci dans les trois expériences de compactage. Il est supposé que la rétention significative de Cl et Br dans l'eau interstitielle de la MX80 compactée indique une ultrafiltration δ37Cl et δ81Br sont des traceurs prometteurs pour mieux interpréter l'origine et l'évolution des eaux de formation dans les bassins sédimentaires.