Utilisation de la géophysique pour déterminer les propriétés de diffusion dans les milieux argileux non saturés

Using geophysics to determine diffusion properties in unsaturated clay media

• Auteur / Autrice : Augustin Dallaporta
• Direction : Damien Jougnot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Inscription en doctorat le 31/10/2025
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols

Mots clés

Mots clés libres

Diffusion ionique

Transport

Géophysique

Géochimie

Milieu poreux

Saturation partielle

Geophysics

Porous medium

Geochemistry

Transport

Partial saturation

Ionic diffusion

Résumé

Une grande partie des formations superficielles terrestres est composée de matériaux argileux et il existe de nombreuses problématiques environnementales et/ou de géo-ingénierie qui reposent sur leurs propriétés particulières (faible perméabilité, grande surface spécifique, forte rétention). Parmi leur utilisation possible, les matériaux argileux sont employés comme barrières pour le stockage de déchets; ceci nécessite ainsi d'estimer leurs propriétés de transport intrinsèques (ionique, hydraulique). Cependant, ces propriétés sont généralement le résultat de couplages multiphysiques qui rendent leur détermination difficile sans expérimentations de très longues durées (e.g. : expériences de diffusion traversante) ou des simulations numériques complexes. Or, toutes ces difficultés expérimentales et numériques sont encore plus importantes dans le cas où les matériaux argileux sont partiellement saturés en eau, conditions qui sont attendues, par exemple, dans le stockage des déchets radioactifs de haute et moyenne activités à vies longues pendant une centaine de milliers d'années. A l'issue de discussion lors de réunions du programme NEEDS qui a donné lieu à un financement d'une première série d'expériences (DARIUS), l'approche par mesures géophysiques est apparue comme une nouvelle perspective expérimentale pour comprendre le comportement singulier de la diffusion de l'eau et des solutés en conditions partiellement saturées en eau dans les milieux poreux investigués. Les résultats préliminaires obtenus en 2024 ont montré qu'il serait possible d'utiliser des mesures de conductivités électriques comme proxy pour estimer les valeurs de coefficient de diffusion dans des milieux argileux. Ces mesures étant quasiment instantanées (quelques minutes), elles pourraient être appliquées à de nombreux échantillons en parallèle pour mieux caractériser la diversité des milieux argileux. Néanmoins, avant d'être déployée à plus grande échelle, cette approche doit être validée expérimentalement sur plusieurs types de matériaux argileux et dans différentes conditions. Enfin, cette approche expérimentale gagnerait à être couplée avec l'adaptation d'un code numérique existant (e.g., CRUNCH Clay) aux conditions de saturation partielles, et ce, afin de reproduire et d'expliquer de manière plus mécanistique les couplages intrinsèques qui se produisent dans les milieux argileux partiellement saturés en eau. Ce projet de thèse vise donc à mettre en oeuvre un programme de recherche qui couple une approche expérimentale et numérique pour étudier les propriétés de transport dans les milieux argileux. Ce projet pourra être rendu possible via la co-supervision du travail de thèse par trois experts du domaines : Sébastien Savoye pour les expérimentations de diffusion ionique (CEA), Christophe Tournassat pour la modélisation numérique des processus couplés (ISTO) et Damien Jougnot pour le développement des outils et modèles géophysiques en conditions de saturation partielle (METIS).

A large part of terrestrial surface formations is composed of clay materials, and there are many environmental and/or geoengineering issues that depend on their specific properties (low permeability, large specific surface area, high retention). Among their possible uses, clay materials are employed as barriers for waste storage; this requires estimating their intrinsic transport properties (ionic, hydraulic). However, these properties are generally the result of multiphysical couplings that make them difficult to determine without very long experiments (e.g., cross-diffusion experiments) or complex numerical simulations. All these experimental and numerical difficulties are even greater in the case of clay materials that are partially saturated with water, conditions that are expected, for example, in the storage of high- and medium-level radioactive waste with long half-lives of around 100,000 years. Following discussions at NEEDS program meetings, which led to the funding of an initial series of experiments (DARIUS), the geophysical measurement approach emerged as a new experimental perspective for understanding the unique behavior of water and solute diffusion in partially water-saturated conditions in the porous media investigated. Preliminary results obtained in 2024 showed that it would be possible to use electrical conductivity measurements as a proxy for estimating diffusion coefficient values in clayey media. As these measurements are almost instantaneous (taking just a few minutes), they could be applied to numerous samples in parallel to better characterize the diversity of clayey media. However, before being deployed on a larger scale, this approach must be experimentally validated on several types of clay materials and under different conditions. Finally, this experimental approach would benefit from being coupled with the adaptation of an existing numerical code (e.g., CRUNCH Clay) to partial saturation conditions in order to reproduce and explain in a more mechanistic way the intrinsic couplings that occur in partially water-saturated clay media. This thesis project therefore aims to implement a research program that combines an experimental and numerical approach to study transport properties in clayey media. This project will be made possible through the co-supervision of the thesis work by three experts in the field: Sébastien Savoye for ion diffusion experiments (CEA), Christophe Tournassat for numerical modeling of coupled processes (ISTO), and Damien Jougnot for the development of geophysical tools and models under partial saturation conditions (METIS).