Application de la méthode du potentiel spontané à l'hydrogéologie : expérimentation sur modèle réduit d'aquifère

par Alexis Maineult

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers. Géophysique

Sous la direction de Yves Bernabé et de Philippe Ackerer.

Soutenue en 2004

à Strasbourg 1 .


  • Résumé

    Identifier la géométrie et l'évolution chimique des écoulements souterrains est un objectif majeur de l'hydrologie. Les outils géophysiques (radar, méthodes électriques et magnétiques) apportent des informations complémentaires aux mesures en puits. Le suivi du potentiel spontané (PS) est particulièrement attractif, le champ électrique dans le sous-sol ayant une origine dynamique, résultant d'un déséquilibre hydraulique (écoulement) ou chimique (diffusion, réactions chimiques) des nappes. L'objectif de cette thèse est d'isoler les contributions individuelles de ces différents couplages. Des expériences de laboratoire ont donc été menées pour mesurer séparément et indépendamment la signature électrique de l'écoulement d'un fluide homogène, de la diffusion d'un front salin en conditions de fluide stagnant, du transport d'un front de concentration, et des réactions acide-base et redox. La partie principale du dispositif expérimental est un bac rectangulaire de dimensions décimétriques, rempli de sable, connecté hydrauliquement à deux réservoirs indépendants, permettant de générer des écoulements uni ou bi-dimensionnels. Pour mesurer le signal, des électrodes impolarisables au cuivre - sulfate de cuivre, de diamètre réduit, ont été mises au point. Les résultats démontrent la capacité de la PS pour suivre la progression de fronts de concentration. La réponse électrique à la diffusion est due au potentiel de jonction fluide. La réponse à l'advection est la somme de ce potentiel et de la variation du signal électrocinétique qui résulte des modifications du coefficient de couplage en fonction de la conductivité du fluide (advection de sels) ou du pH (advection d'acide). Lorsque deux fluides se mélangent ou réagissent, la comparaison des courbes de PS dans les différentes zones permet de déterminer l'extension et l'évolution temporelle de la zone de mélange ou de réaction. L'hétérogénéité du milieu, structurelle et chimique, semble aussi jouer un grand rôle.

  • Titre traduit

    Application of self-potential method to hydrogeology : tests on a laboratory-scale aquifer


  • Résumé

    Identifying the geometry and chemical evolution of underground flow constitutes a major objective in hydrology. Geophysical tools (such as the radar, the electrical and magnetic methods) can complement well-bore measurements. Spontaneous potential (SP) monitoring is particularly attractive, since the electric field in the subsurface results from hydraulic (flow) or chemical (diffusion, reactions) dynamic disequilibrium of the aquifers. The objective of this thesis is to isolate the individual contributions of these different couplings. Laboratory experiments were performed to measure - in a separate and independent way - each of the electrical signals produced by the flow of a homogeneous fluid, the diffusion of a salt front in stagnant fluid conditions, the transport of a concentration front, and the acid-base and redox reactions. The main part of the experimental set-up is a rectangular tank of decimetric dimensions, filled up with sand, hydraulically connected to two independent reservoirs, allowing uni or bi-dimensional flow patterns to be generated. In order to measure the signal, reduced-diameter, unpolarizable, copper - copper sulphate electrodes were devised. The results show that SP is capable of identifying the motion of concentration fronts. The electrical response to diffusion is caused by the junction potential. The response to advection is the sum of the junction potential and the variation of the electrokinetic signal owing to changes in the coupling coefficient as the fluid conductivity (advection of salt) or the pH (advection of acid) varies. When two fluids are mixed or react in contact with one another, examination of the SP curves in the different zones allows us to estimate the extension and temporal evolution of the mixing or reaction zone. The heterogeneity of the medium, either structural or chemical, seems to play a major role as well.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (IV-208 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 6-7, p. 187-198

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 04-MAINEULT
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T STR1 2004 MAI
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