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Géosciences Rennes
UMR 6118
Université de Rennes1
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Accueil du site > Français > Recherche > Le rapport d’activités 2002-2005 > Transferts des fluides dans les milieux hétérogènes

Transferts des fluides dans les milieux hétérogènes

Personnels impliqués : L. Aquilina, O. Bour, P. Boulvais, J. de Brémond d’Ars, Jean-Pierre Caudal, O. Dauteuil, P. Davy, J-R. de Dreuzy, S. Fourcade, P. Gavrilenko, F. Guillocheau, T. Labasque, F. Moreau, A-C Pierson-Wickmann, G. Ruffet.
Doctorants : C. Auterives, V. Ayraud, K. Besnard, N. Bougon, T. Le Borgne, C. Legout, C. Martin, L. Michel, H. Mustapha, S. Ruelleu
Post-Doctorants : C. Darcel



1. ENJEUX

La prise en compte de l’hétérogénéité du milieu dans les modèles d’écoulement et de transport est le problème majeur de l’hydrogéologie avec la compréhension des processus biochimiques affectant la composition chimique de l’eau. Malgré un effort de recherche important durant les quinze dernières années, il n’existe actuellement aucune méthode validée qui permette une modélisation fiable des transferts dans les milieux géologiques hétérogènes, en dépit des besoins dans des domaines aussi divers que la gestion et la protection des ressources en eau, l’exploitation des ressources pétrolières ou l’industrie nucléaire. Les développements dans ce domaine se heurtent principalement àl’absence de modèles de référence et àla difficulté d’observation de ces systèmes. Les équipes de géosciences rennes ont abordé cette vaste question en alliant des recherches théoriques, largement basée sur l’utilisation intensive de l’outil numérique, et des expérimentations en laboratoire et sur site. Outre la caractérisation des processus fondamentaux, les enjeux expérimentaux sont d’obtenir les données adéquates permettant de revoir les modèles conceptuels. A des échelles de temps plus grandes, la percolation d’un fluide dans un milieu fracturé modifie nécessairement le système conducteur dans son aspect physique (colmatage, dissolution), mais aussi sa réactivité chimique via le dépôt ou la dissolution d’espèces minérales. Ces modifications minéralogiques peuvent en retour, fortement modifier des propriétés comme l’altérabilité du milieu, les caractéristiques hydrauliques de ce dernier, les processus de recharge/décharge chimique des eaux de percolation. Le programme de recherche développé àGéosciences Rennes a donc porté sur l’impact des circulations passées sur leurs propriétés hydrologiques actuelles des roches. Un enjeu complémentaire est la caractérisation des domaines crustaux plus profonds, et en particulier la source des fluides qui circulent et les bilans de matière associés au niveau des grands drains lithosphériques que constituent les zones de cisaillement crustales, plus spécifiquement celles qui sont le lieu de transformations métasomatiques intenses ou de minéralisations.


2. COLLABORATIONS ET PROGRAMMES

Collaborations extérieures

CAREN : UMR Sols Agronomie Spatialisation INRA/Agrocampus ; J. Molénat, C. Gascuel-Odoux, M. Faucheux.

ISTEEM (Université Montpellier 2) : P. Pézard, S. Gautier, P. Gouze, G.Lods, R. Bayer, N. Lemoigne, T. Jacob Hydrasa (Université de Poitiers) : J. Bodin, G. Porel

UMR 7619 Sisyphe (Paris VI) : N. Florsch

UMR 7516 , IPGS (EOST ) : J. Hinderer, Bernard Luck

UMR 7580, IPGP (Sismogénèse) : F. Boudin, MF Esnoult

IUEM : UMR 6538 Domaines océaniques (resp. JY Royer) et UMR 6554, Chimie Marine (resp. P. Le Corre), UBO-CNRS ; C. Tarits, P. Le Corre, G. Tymen, T. Ledruillennec, M. Maia.

Le Laboratoire des Sciences du Climat et l’Environnement (LSCE) (UMR 1572 CEA-CNRS-UVSQ) : E. Fourré, P. Jean-Baptiste.

Le Centre de Géochimie de la Surface (UMR 7517 CNRS-ULP) : F. Chabaux, MC. Pierret.

IRSN : Le Laboratoire d’Etudes et d’Intervention Radon et Polluants Atmosphériques : G. Ielsch.

Division Technique de l’INSU : Christine Drezen et Michel Calzas

UMR 7566 (G2R Nancy) : M. Cathelineau, M.C. Boiron, M. Elie, C. Hibsch ;

UMR 7517 CGS (Strasbourg) : N. Clauer ;

GIS Nîmes/UMR 6635 CEREGE : J. Lancelot, I. Techer ;

UMR/UPS 8148 (Paris XI/Orsay) : M. Pagel, J. Barbarand, J.L. Michelot ;

EA 2642 (Univ. Besançon) : D. Marquer

ESGT (Le Mans) : S. Durand, L. Morel, A Ferrand

SHOM : M.F. Lalancette (laboratoire de géophysique)

BRGM : Le Département Eau ; H. Pauwels ; CEA : L. Trotignon ; ANDRA ; SKB.

Collaborations Internationales

Frederick PAILLET (U. du Maine, USA), Mick Riley, R. Gresswell, P. Ellis (Université de Birmingham, UK)

R. Munier (SKB, Suède)

Univ. Leeds (UK) : D.A. Banks ;

SURRC (Glasgow, UK) : A. Boyce ;

Univ. Jordan (Amman) : H. N. Khoury, E. Salameh

Principaux programmes/financements associés
• Observatoire de Recherche en Environnement H+ (2002- en cours, resp. P Davy)

• Observatoire de Recherche en Environnement Agrhys (2002- en cours, resp. P. Mérot)

• ECCO, action thématique PNRH (2001-2005, resp. F. Delay (Poitiers)

• ANR (ECCO) “Hydrologie-Géodésie†(Sept 2005- en cours), responsable N. Florsh.

• Projet régional PRIR DATEAUX (resp. L. Aquilina)

• Soutien technique DT Insu (2004 - en cours, resp. O. Bour et J-P. Caudal)

• ATIP (2002-2005) projet “Vitesses d’écoulement dans les aquifères fracturés†, resp. O. Bour

• Projet ECCO : Sonate (resp. J. Molénat)

• GDR-INSU : Géodésie & Géophysique (2004, 2005) projet “Mouvements verticaux associés àdes phénomènes hydrogéologiques†resp. : F. Moreau

• GDR RENAG (2006) : mise en place d’un réseau de bases GPS permanentes en Bretagne

• RTD ENVIRONMENT AND CLIMATE, projet SALTRANS (2000- 2003, resp. B. Berkowitz, Weizmann Institute (Israë l)

• GDR INSU/ANDRA “FORPRO†: Action 2001-III et prolongation : (S. Fourcade, F. Guillocheau, G. Ruffet) ; Action 2004-I (FRF) (S. Fourcade)

• GDR INSU/BRGM “TRANSMET†: Action « or mésothermal  » (S. Fourcade, G. Ruffet)


3. SYNTHESE DES RESULTATS

3.1. Géométrie tri-dimensionnelle des milieux fracturés

Après avoir vérifié dans des travaux antérieurs la pertinence des lois d’échelles pour décrire les milieux fracturés dans leur ensemble [Bour et Davy, 1999 ; Bour et al., 2002 ; Darcel et al., 2003], notre travail s’est focalisé sur l’utilisation de tels modèles statistiques pour décrire la géométrie 3d des milieux fracturés. L’un des enjeux essentiels est de savoir comment prédire les propriétés 3d du milieu àpartir d’affleurements 2d ou bien de données de forage. Comme il est impossible d’imager l’ensemble des fractures dans le sous-sol, et que les petites structures sont susceptibles de contrôler tant le comportement mécanique qu’hydrologique du milieu, il est indispensable de répondre àcette question sans àpriori et d’essayer de prédire les caractéristiques géométriques du système dans son ensemble. La principale difficulté vient du fait que le milieu est très sous-échantillonné àtoutes les échelles et que l’on ne dispose que de quelques forages et de quelques affleurements pour reconstruire la géométrie en 3d (figure 1).

Figure 1 : Illustration schématique des données disponibles pour estimer les propriétés géométriques d’un domaine tri-dimensionnel, d’après Darcel et al. [2003]. Le réseau 2d de fractures provient d’un affleurement [Odling, 1997] tandis que les données 1D sont tirées de [Du Bernard et al., 2002]


Pour aborder cette question, nous avons tout d’abord cherché àsavoir si les mesures effectuées sur des données de 1d ou 2d avaient un sens en 3d et comment elles pouvaient être extrapolées. Pour cela, nous avons déterminé l’expression analytique de la probabilité d’intersection de deux fractures de longueurs différentes en fonction de la dimension fractale D. Connaissant cette expression, il a été possible de déterminer les règles stéréologiques permettant d’extrapoler en trois dimensions les paramètres de n’importe quelle distribution de longueur [Darcel et al. 2003b]. Ces résultats théoriques sont en parfait accord avec les résultats numériques ainsi qu’avec les quelques données dont on dispose et sur lesquelles il soit possible de tester le passage 1d à2d [Darcel et al. 2003b].

L’étape suivante a été d’appliquer la méthodologie développée aux sites de Simpervarp et Forksmark en Suède [Darcel et al.,2004, 2006] dans le cadre de plusieurs contrats avec SKB (société suédoise chargée d’organiser les recherches sur les sites d’enfouissement potentiels). Ces sites sont des sites de stockage potentiels de déchets radioactifs pour lequel il est indispensable de définir des modèles de fracturation ainsi que les limites et incertitudes de ces modèles. L’originalité de notre travail a surtout été de confronter et de tester la validité d’un modèle 3d de fracturation avec les observations faites en forage et sur affleurement. Cela nous a conduit àproposer une modification de la correction de Terzaghi [1965] dans le cas de large distribution de longueurs qui suivent une loi de puissance [Davy et al., in press]. Dans ce cas, la probabilité d’observer une classe d’orientation de fracture particulière le long d’un forage dépend non seulement de l’orientation des fractures par rapport au forage, en accord avec le modèle de Terzaghi [1965] mais aussi de l’exposant a de la distribution de longueur. La reconstruction géométrique de la fracturation en 3d laisse espérer que l’on puisse étudier très prochainement les liens entre propriétés géométriques et hydrologiques sur ces sites.

3.2. Perméabilité des milieux fracturés multi-échelles

Les travaux antérieurs sur la connectivité et la perméabilité des milieux fracturés multi-échelles [Bour and Davy, 1997 ; 1998 ; De Dreuzy et al., 2000 ; 2001a ; 2001b ; 2002] ont également été poursuivi pour étudier la connectivité, les flux et la perméabilité des réseaux de fractures influencée àla fois par la distribution des longueurs et la corrélation de position des fractures. Le choix de ces deux paramètres est orienté par leur absence d’échelle caractéristique. En effet distribution de longueurs et de corrélations suivent des lois d’échelle d’exposant a et D respectivement. Ces deux caractéristiques géométriques ont des influences opposées sur les propriétés de flux et de connectivité. D’un côté, un accroissement de la taille moyenne des fractures entraîne une augmentation de la connectivité et de la perméabilité. De l’autre côté, une augmentation de corrélation a tendance àdéconnecter le réseau àcause de la création de zones de très faible probabilité de présence de fractures. Les études de connectivité ont montré que les effets des deux paramètres se compensent exactement lorsque a=D+1 [Darcel et al, 2003]. Quand a>D+1, l’effet déconnectant des corrélations entre fractures domine l’effet connectant des grandes fractures. Au contraire, lorsque a

Figure 2 : Rémanence de la chenalisation des écoulements dans un réseau (D=1.75, a=2.75) au seuil de percolation (haut) et dans un réseau très au dessus du seuil (bas). Les couleurs dans la figure de droite sont fonction de la densité de fracturation


3.3. Ecoulement et transport dans les milieux poreux très hétérogènes

Nous avons étudié la réponse àdes essais des puits et le transport dans les milieux poreux très hétérogènes. Plus simples que les milieux fracturés, les milieux poreux permettent de tester des modèles d’hétérogénéité simplifié comme les modèles de diffusion généralisés et de mieux comprendre la relation entre champ de perméabilité et distribution des flux et des vitesses. Les essais de puits dans les milieux fractals et multifractals ont montré que les exposants hydrauliques de flux fractionnaire n et de transport anormal dw dépendent non seulement de caractéristiques globales comme la dimension fractale ou la dimension de corrélation mais surtout de propriétés locales comme la localisation du puits dans le champ de corrélation [de Dreuzy et al., 2004]. Les exposants obtenus àpartir d’un puits conservant ainsi un caractère local, les essais de puits doivent être modifiés et conduits àpartir de plusieurs puits pour obtenir les caractéristiques globales. L’étude du transport dans les milieux poreux suivant une distribution lognormale de perméabilité corrélée a donné deux résultats nouveaux sur la caractérisation des corrélations de vitesse et les coefficients de dispersion asymptotiques. Les corrélations du champ de vitesse Lagrangien (obtenu en suivant les lignes de courant) apparaissent être fonction de l’amplitude de la vitesse [Le Borgne et al., in press]. Les vitesses les plus fortes sont corrélées sur des distances plus importantes que les vitesses faibles comme si le milieu était constitué de chenaux préférentiels séparant des îlots de faible vitesse. Cette caractéristique est absente des modèles perturbatifs et pourrait être àl’origine des coefficients de dispersion asymptotique que nous avons obtenus sur des milieux de très grande taille [Beaudoin et al., soumis]. Nous avons en outre observé que pour les fortes hétérogénéités, l’addition de diffusion conduit non intuitivement àune diminution de la dispersion totale, l’effet provenant du dépiégeage des particules dans les zones de très faible vitesse.

Parallèlement aux études de terrain et àla modélisation numérique, le transport de solutés en milieu poreux hétérogène est abordé par le biais de l’expérimentation au laboratoire afin de déterminer les mécanismes physiques fondamentaux. On s’intéresse ainsi principalement, dans le cadre de la thèse de Laure Michel, aux interactions entre une fracture perméable capable de transporter un fluide, et une matrice poreuse de plus faible perméabilité capable de stocker ce fluide et d’éventuels solutés. L’enjeu est de déterminer quels sont les lois régissant les échanges àtravers l’interface entre la fracture et la matrice, notamment en fonction des conditions géométriques (rugosité) et structurelles (perméabilités) afin de disposer d’éléments pertinents pour nourrir la modélisation ou l’interprétation des données naturelles. Entamés en 2003, ces travaux expérimentaux laissent, encore aujourd’hui, une grande place aux développements méthodologiques : installation du laboratoire, détermination des protocoles expérimentaux, développement de techniques métrologiques pour mesurer les vitesses d’écoulements des fluides dans les modèles et les concentrations de solutés. Les premiers résultats concernent essentiellement la validation des protocoles expérimentaux (voir chapitre modélisation) et une réponse aux questions scientifiques posée est attendue dans les prochains mois. L’importance de la rugosité de l’interface a néanmoins été clairement mise en évidence. Le transport de solutés est non seulement déterminé par les processus de dispersion physique mais également par la réactivité chimique avec le milieu. La prise en compte de la chimie est essentielle notamment pour interpréter les essais de traceurs. Le transport physico-chimique est un problème particulièrement complexe en ce qu’il établit un couplage fort entre la structure géométrique du milieu et sa réactivité chimique conduisant àdes problèmes non linéaires difficiles àrésoudre. Grâce àune approche numérique, nous avons caractérisé l’effet des réactions d’adsorption cinétiques non linéaires dans les milieux homogènes. En plus du temps retard classiquement observé apparaît un phénomène transitoire de séparation du panache de soluté en deux parties. Une partie rapide n’ayant pas encore interagie avec le milieu et une partie retardée ayant été en interaction avec le milieu. Ce phénomène est d’autant plus important que la cinétique de réaction est lente et que la non linéarité est importante. (Thèse de K. Besnard, 2001-2004).

3.4 Caractérisation et modélisation des aquifères hétérogènes

Une grande partie des travaux mentionnés ci-dessous a été réalisée suite au lancement de l’Observatoire de Recherche en Environnement H+ fin 2002. Un des objectifs prioritaires des travaux menés est de fournir des données, àtravers des chroniques ou des expériences sur site, permettant d’améliorer la modélisation des transferts et de la réactivité des eaux dans les milieux hétérogènes. Trois approches complémentaires sont développées : i) obtenir les mesures adéquates, que ce soit sur les structures, les flux ou les temps de résidence, ii) développer l’instrumentation in-situ afin d’améliorer la caractérisation du milieu et iii) revoir les modèles conceptuels.

Outre la mise en place des suivis hydrologiques, climatiques et hydrochimiques du site de PlÅ“meur (Morbihan), les premiers travaux effectués ont consistés en une caractérisation des structures géologiques présentes sur le site. Cela a donné lieu àde nombreuses collaborations, notamment avec une équipe de Montpellier 2, pour effectuer des diagraphie de puits et étudier les relations entre structures et zones d’écoulement [Le Borgne et al., soumis]. Parallèlement, certaines méthodes d’imagerie géophysique, comme la gravimétrie, ont été employée avec succès pour imager les structures dans le sous-sol [Ruelleu et al., en préparation]. Enfin, un suivi géophysique de la déformation du sol àl’aplomb de l’aquifère a été entrepris afin d’étudier les relations entre déformation du sol et variations des niveaux de nappes. Si ces effets sont bien connus dans le cas des aquifères sédimentaires, leur caractérisation dans le cas de milieux de socle est beaucoup plus rare, sinon inexistante. L’enregistrement pendant 8 mois de la position d’un point par GPS a montré la très bonne corrélation entre le niveau d’eau dans l’aquifère et l’altitude du point : une diminution des niveaux piézométriques de 5 à6 mètres dans l’aquifère se traduit par un abaissement du sol de 2 cm [Moreau et al., 2006]. L’amplitude du mouvement est assez inattendue pour un aquifère situé dans un socle granitique qui se déforme de manière similaire àdes milieux granulaires non consolidés. Les résultats obtenus, qui sont toutefois parfaitement compatibles avec les valeurs de coefficient d’emmagasinement déduites par essais de pompages, viennent sans doute de zones d’altérations qui se sont développées dans quelques failles majeures. Ces travaux se poursuivent actuellement dans le cadre du projet « Hydrologie et Géodésie  » pour effectuer un important suivi des déformations et de la réponse gravimétrique suite àl’arrêt momentanée des pompages sur le site de PlÅ“meur. Les résultats de cette expérience qui a mobilisé une vingtaine de chercheurs en Mai 2006 sont en cours d’exploitation.

Parallèlement àces travaux, l’imagerie et la mesure des flux ont été développées. L’estimation des flux et des vitesses d’écoulements dans les aquifères se fait les plus souvent àl’échelle macroscopique et nécessite que soient déterminés au préalable les gradients de pression dans l’aquifère, les conditions limites ainsi que les paramètres hydrologiques tels que la perméabilité et la porosité du sous-sol. Cette estimation ne tient pas toujours compte des hétérogénéités locales comme des fractures qui conduisent àune chenalisation des flux dans des zones d’écoulement préférentielles où les vitesses peuvent être beaucoup plus élevées que la vitesse moyenne. Lorsque l’on sait que la perméabilité peut varier sur plus de 7 ordres de grandeur dans des milieux fortement hétérogènes, et que le transport de solutés est conditionné par la variabilité des vitesses de transfert, on comprend tout l’intérêt d’une caractérisation plus fine des flux dans le milieu.

Pour cela, nous avons développé des techniques de débitmétrie en forage en collaboration avec F. Paillet (USA). Les expériences de débitmétrie en interférence sont basées sur l’idée qu’un changement de condition de pompage dans un aquifère entraîne une modification des charges hydrauliques dans les chemins d’écoulement àgrande échelle, ayant pour conséquence une variation des écoulements verticaux dans les forages d’observation (figure 3b). L’aspect original de l’approche est d’utiliser la mesure des écoulements verticaux en forage pour déduire l’évolution temporelle des charges hydrauliques dans chacune des zones d’écoulements [Le Borgne et al., 2006 a]. Cela permet d’obtenir le même type d’information qu’avec des obturateurs hydrauliques (packers), technique beaucoup plus difficile àmettre en oeuvre, voir impossible a utiliser lorsque les forages sont tubés.

Afin de tester les limites de la méthodologie développée, nous avons effectué des expériences de débitmétrie sur des distances de séparation de forages allant de 7 à150 m [Le Borgne et al., 2006 b]. Ces expériences nous ont permis d’imager sur le site de PlÅ“meur une structure àgrande échelle ainsi que de nombreuses structures secondaires plus ou moins bien connectées. Les estimations des propriétés hydrauliques obtenues sont cohérentes avec les estimations données par les diagraphies de débit àpetite échelle et par les essais de pompage àgrande échelle (figure 3). L’ensemble de ces mesures nous a permis de contraindre sur le site de PlÅ“meur les relations entre l’organisation des écoulements et l’évolution des propriétés hydrauliques avec l’échelle [Le Borgne et al., 2006 b].

Pour aller plus loin dans la mesure des écoulements et mesurer la composante horizontale des vitesses d’écoulement, nous avons entrepris depuis avril 2004 une collaboration avec la Division Technique de l’INSU pour réaliser un nouvel outil de mesure basé sur la vélocimétrie par images de particules. L’objectif est d’imager les flux en forage en 3D et permettre une mesure représentative des vitesses d’écoulement. Par rapport aux techniques existantes, l’innovation consiste àdéplacer la caméra dans la sonde àl’aide d’un moteur àdéplacement micrométrique. Ainsi, même avec une focale constante, il est possible de visualiser et mesurer des vitesses horizontales sur une épaisseur de 50 centimètres de colonne d’eau sans bouger la sonde. L’outil est en cours de réalisation et devrait être prochainement disponible pour les premiers tests en laboratoire.

Pour compléter cette étude sur les écoulements, nous avons également proposé une démarche originale pour tester les modèles moyens équivalents capables de représenter la réponse hydraulique d’un réseau de fractures naturel àdifférentes échelles [Le Borgne et al., 2004]. Pour cela, nous avons testé selon différents modèles la réponse àun essai de pompage en fonction de la distance au puit de pompage. Cette étude a été réalisée en parallèle àd’autres études théoriques sur le même sujet [de Dreuzy et al., 2004]. Les résultats montrent qu’il est possible de définir pour le site de PlÅ“meur un modèle équivalent permettant de rendre compte du comportement hydraulique moyen du site sur une large gamme d’échelles de temps et d’espace [Le Borgne et al., 2004]. Dans ce modèle, il est toutefois nécessaire de prendre en compte les structures de grandes échelles. Le modèle équivalent obtenu fait intervenir une dimension d’écoulement non entière et un exposant supplémentaire qui caractérise la diffusion anormale dans le milieu. A notre connaissance, c’est la première fois qu’une telle approche est menée pour caractériser les milieux hétérogènes sur un aussi grand nombre de points d’observation.


Figure 3 : Illustration schématique des différentes techniques utilisées pour localiser les flux et estimer les propriétés hydrauliques du milieu (Transmissivité, T et Coefficient d’emmagasinement, S) : a) débitmétrie en forage, b) test d’interférence, c) essais de pompage


3.5. Transfert de fluide et réactivité chimique et biologique

La complexité des milieux hétérogènes influe sur les processus d’interaction eau-roche àplusieurs niveaux :
• Au niveau microscopique par les éventuelles interactions entre porosité d’écoulement et porosité matricielle ;

• Au niveau macroscopique par l’hétérogénéité des écoulements et de leur réactivité ;

Au niveau régional de l’aquifère par la contribution complexe de plusieurs niveaux au fonctionnement distinct. La compréhension de l’interaction entre le transport physique et la réactivité chimique et biologique constitue un domaine de recherche àl’interface entre les domaines difficile àmettre en Å“uvre. Notre objectif a été de travailler sur ces trois niveaux pour caractériser l’influence des transferts physiques sur la réactivité biochimique dans plusieurs contextes d’aquifères hétérogènes :

• les aquifères fracturés de Bretagne, soit àune échelle régionale, soit àune échelle plus détaillée sur certains aquifères dont PlÅ“meur, le site de l’ORE H+. ;

• les aquifères karstiques du secteur montpelliérain ;

• la zone de battement de la nappe en milieu fracturé granitique (site de Kerbernez, ORE Agrhys) ;

• sur les tourbières du parc des marais du Cotentin. Outre une approche chimique et isotopique, les travaux se sont focalisés sur l’adaptation des méthodes de datation des eaux par l’analyse des traceurs anthropiques CFC, CCl4, bromoformes, tritium-Hélium et SF6. Le laboratoire s’est équipé de deux chromatographies en phase gazeuse et l’analyse des composés a été mise au point pour les milieux hétérogènes. Géosciences rennes est le premier laboratoire français às’être doté de cette méthode et l’un des rares laboratoires au monde àl’avoir complétée par l’analyse du SF6 (100 fois moins concentré que les CFC).

Dans les expériences de batch et sur certains niveaux aquifères, une analyse génomique (individualisation, séquençage et amplification de l’ADN) a été entreprise pour caractériser la diversité microbienne en liaison avec les paramètres physiques du flux. Des premières expériences par 2D- DIGE (analyse protéomique détaillée) de caractérisation de la fonctionnalité des protéines en fonction de paramètres environnementaux viennent d’être menées avec succès sur des échantillons d’eau.

Les résultats majeurs des travaux sont les suivants :

• A l’échelle microscopique Le suivi des sites fracturés montre une forte réactivité biochimique liée àla vitesse des transferts. Un gradient de réactions d’oxydo-réduction répondant aux modifications des flux liées àl’exploitation des aquifères a été mis en évidence. Ces réactions sont reproduites et quantifiées dans des expériences en labo. La microporosité joue un rôle important comme siège de réactions chimiques ou biochimiques et comme source de solutés pouvant être très anciens. Elle peut créer des conditions très différentes des conditions enregistrées dans la partie circulante des milieux.

• A l’échelle macroscopique Sur les marais du Cotentin, le suivi hydrochimique de sites hydrologiquement contrastés du fait de l’exploitation de l’aquifère sous-jacent, permet de caractériser le fonctionnement biochimique de la tourbière et sa sensibilité aux variations tant climatiques qu’anthropiques. Des expériences en batch ont reproduit les réactions et indiquent clairement l’influence des flux hydrologiques sur la réactivité du milieu, qu’elles que soient les conditions redox. L’analyse génomique vient confirmer la relation entre les flux et la structure même des communautés microbiennes.

• A l’échelle régionale La caractérisation hydro-chimique des aquifères fracturés de Bretagne et la datation des eaux mettent en évidence une forte compartimentation des aquifères et leur réponse àdes lois àl’échelle régionale. Le temps de réponse de ces aquifères apporte une réponse extrêmement importante pour la compréhension des transferts dans la zone non saturée et pour les relations rivière-aquifère. Ce résultat est bien entendu majeur pour les aspects de gestion des milieux aquifères.


Figure 4 : Variation des âges de l’eau avec la profondeur dans les sites hétérogènes de Bretagne (En grisé : limite entre la zone altérée et la zone fracturée ; ronds gris : site exploité de PlÅ“meur)


3.6. Paléocirculations

La première problématique abordée s’attache àdes niveaux assez superficiels de la crôute, et concerne les rétroactions entre circulations de fluides et propriétés des milieux traversés, particulièrement sous leurs aspects chimiques. Les préoccupations de l’agence ANDRA, àla fois concernée par le stockage en milieu sédimentaire et en milieu cristallin , la création du GdR FORPRO (CNRS/ANDRA) dédié aux recherches en amont de ces problématiques de stockage, font que l’essentiel de l’activité s’est porté sur les sites ANDRA où l’abondance de données et de matériel permettait des avancées : Est du bassin de Paris, socle du Poitou et régions adjacentes ainsi que sites analogues naturels en Jordanie. La seconde problématique, dans des domaines crustaux plus profonds, concerne la source des fluides qui circulent et les bilans de matière associés au niveau des grands drains lithosphériques que constituent les zones de cisaillement crustales, plus spécifiquement celles qui sont le lieu de transformations métasomatiques intenses ou de minéralisations (gîtes d’or, de talc, d’albite). Dans les études menées, l’accent a été mis sur i) l’origine des fluides impliqués, ii) la géométrie et l’extension spatiale des circulations, iii) le timing de ces circulations et leurs relations àla géodynamique et iv) les méthodologies de datation et de caractérisation de ces événements.

Sur les milieux superficiels :
La mise en évidence d’un ensemble régional de circulations de saumures chaudes (80-130°C) géométriquement confiné àl’interface socle-couverture dans le seuil du Poitou. La remarquable colmatage de la fracturation et microporosité qui s’ensuit, l’efficace recyclage du matériel de colmatage labile (calcite, dolomite issues du métamorphisme rétrograde ancien) au travers des circulations de plus basse température ultérieures et le contrôle de la chimie des eaux par ce matériaux de colmatage (carbonaté) en dépit du support granitique des percolations (Fourcade et al., 2002 ; Boiron et al., 2002). Une méthodologie de datation originale de ces circulations successives en contexte thermique faible a pu être mise en Å“uvre en associant les isotopes de l’oxygène et la méthode K-Ar sur fractions argileuses « fondamentales  » (Cathelineau et al., 2004), une méthodologie originale 40Ar/39Ar sur adulaire et les traces de fission sur apatite (Cathelineau et al., 2005a et article en préparation). Ces épisodes de circulations sont associées à3 grands événements géodynamiques majeurs du domaine NW européen : l’initiation du rift atlantique central (180-190 Ma), la flexuration du Bassin Aquitain (ca. 145 Ma) et l’ouverture du golfe de Gascogne (110-120 Ma).

Figure 5 : Mise en évidence, dans les remplissages argileux des fractures d’un granite sous couverture du Poitou, de deux événements, l’un hercynien (pôle argiles héritées), l’autre vers 190 Ma (pôle argiles recristallisées). La déconvolution a été réalisée en séparant les classes de taille des argiles par des méthodes non destructives (Cathelineau et al., 2004)


Parallèlement, l’histoire des paléo-circulations de fluides dans l’Est du Bassin Parisien a pu être déchiffrée et les remarquables réductions de porosité/perméabilité associées ont été assignées dans le temps et l’espace (Buschaert et al., 2004 ; André et al., 2004 ; Hibsch et al., 2005b et c ; Clauer et al., 2006 ; André et al., in prép.) . Les fluides impliqués sont d’origine ultime météorique, introduits àplusieurs reprises, et le colmatage majeur, présumé Cénozoïque, résulte de circulations court-circuitant la zone fortement imperméable que constituent les argilites callovo-oxfordiennes, via les drains que constituent les accidents régionaux. Les propriétés géométriques des micro/macrostructures colmatées permettent d’assigner ces circulations aux grands épisodes extensifs, compressifs ou transtensifs connus sur la France depuis le début du Mésozoïque (Hibsch et al., 2005b ; André et al., en prép.) et la source des fluides de l’événement principal vraisemblablement située dans l’aquifère triasique sus-jacent au socle.

Enfin, l’analogue naturel (d’une interface béton/matrice de confinement argileuse) de Khushaym Matruk (Jordanie) où la combustion spontanée de matière organique a produit des ciments a permis d’évaluer les distances caractéristiques, les réductions de porosité et les effets chimiques sur la matière organique associés àla percolation de solutions hyperalcalines en contexte argileux, avec un recul se chiffrant en 105s années (Fourcade et al. ; Elie et al.).

La conclusion générale de fond de ces études est double :

• Toute crise géodynamique n’est pas systématiquement associée àla mise en mouvement de fluides (ou ces dernières ne sont pas obligatoirement détectées), mais les circulations détectées ne correspondent qu’àdes périodes de crise géodynamique majeure.

• En contexte de bassin àremplissage carbonaté dominant, les paléo-circulations ont pour conséquence une réduction considérable de la porosité/perméabilité et ceci jusque dans les socles cristallins sous-jacents (sur quelques centaines de mètres).


Figure 6 : Les deux domaines de fonctionnement des zones de cisaillement aurifères (gisements d’or « mésothermaux  » varisques) avec les paramètres physico-chimiques des fluides impliqués dans les drains (Boiron et al., 2003)


Zones de cisaillement

En ce qui concerne les zones de cisaillements, les résultats principaux sont :

• La mise en évidence systématique de l’intervention d’un fluide àfaible salinité, de plus basse température et plus bas ï ¤ 18O, au moment critique d’apparition des minéralisations d’or « mésothermal  » du domaine varisque. Ceci est interprété comme matérialisant la rencontre, au stade fragile du fonctionnement des drains structuraux, entre un fluide profond (métamorphique/magmatique) et des eaux météoriques, de cheminement antagoniste (Boiron et al., 2003 ; Marignac et al., 2003 ; Vallance et al., 2003 ; Vallance et al., 2004). Ce mécanisme diffère significativement du modèle, quelque peu érigé en dogme, des minéralisations aurifères de Groves.

• Enfin, la circulation de fluides originellement marins le long de la Faille Nord Pyrénéenne a induit d’importantes transformations métasomatiques dont la minéralisation en talc et le développement d’albitites. Ces deux manifestations d’échelle régionale semblent donc être deux manifestations génétiquement liées d’un système hydrothermal géant, synchrone de la rotation ibérique autour de l’Europe au Crétacé moyen (Boulvais et al., in press a et b).


PUBLICATIONS

Articles ‘A’ soumis

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Thèses

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Thèse L. Michel (Direction J. de Brémond d’Ars) - Etude expérimentale du transport d’eau et de solutés dans les milieux poreux hétérogènes, 2004-2007. Financement MENR.

Thèse V. Ayraud (Direction L. Aquilina) - Développement de méthodes de datation des eaux, application au transfert d’azote dans les milieux fracturés. 01/2003 - 12/2005. Financement BRGM.

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Thèse C. Legout (Co-direction : L. Aquilina, 30% ; J. Molénat, 70%) - Modélisation des processus de transfert lors de la recharge des aquifères. Financement région Bretagne. 01/2003 - 12/2005

Thèse H. Mustapha (2002-2005) : Simulation numérique de l’écoulement dans des milieux fracturés 3D.

Thèse K. Besnard (Co-direction L. Aquilina (50%) et P. Davy (50%)) - Modélisation des transferts réactifs de solutés dans les milieux hétérogènes. 2000-2003. Financement MENR. K. Besnard est ingénieur àl’INERIS depuis 2004.

Thèse T. Le Borgne (co-direction : P. Davy (50%) et O. Bour (50%)) Mesure in-situ et modélisation de l’hétérogénéité des écoulements dans les milieux géologiques Thèse Univ Rennes 1, 3 Décembre 2004. Financement contrat européen SALTRANS. T. Le Borgne est Physicien-Adjoint au CNAP (IUEM en détachement àGéosciences Rennes).

Thèse C. Martin (Co-direction L. Aquilina (30%) C. Gascuel INRA (70%)) - Caractérisation et modélisation des transferts de nitrates dans un bassin versant agricole sur granite. 2000-2003. C. Martin est chargée d’étude en bureaux depuis 2005.