Couplages électrocinétiques en milieux poreux non-saturés

par Vincent Allègre

Thèse de doctorat en Géophysique

Sous la direction de Laurence Jouniaux, François Lehmann et de Pascal Sailhac.

Soutenue en 2010

à Strasbourg .

mots clés

• Electrofiltration
• Ondes sismo-électriques
• Matériaux poreux -- Fluides, Dynamique des
• Courants électriques

Résumé

Cette thèse a pour objet l’étude des couplages électrocinétiques en milieux non-saturés : d’une part les phénomènes d’électrofiltration liés à l’écoulement de l’eau, et d’autre part les couplages sismo-électriques, c’est à dire le champ électrique associé à la propagation d’une onde sismique sur le terrain. Ces couplages existent en raison du mouvement de particules chargées présentes dans l’eau. Le premier axe développé est une approche expérimentale. Des différences de potentiels d’électrofiltration ont été mesurées lors d’expériences de drainage réalisées dans une colonne de sable. Ces mesures combinées aux mesures des conditions hydrodynamiques ont mené aux premiers enregistrements continus de coefficients d’électrofiltration C en fonction de la saturation Sw. Les valeurs de coefficients normalisées ne varient pas de fa¸con monotone avec la saturation Sw. En effet, C augmente lorsque Sw diminue jusqu’à atteindre un maximum pour Sw égale à 65-85%, puis diminue avec la saturation. En outre, les valeurs expérimentales semblent pouvoir dépasser d’un facteur 100 la valeur mesurée à saturation. Ce comportement a été observé de façon similaire lors de trois expériences de drainage. La modélisation de ces signaux constitue le deuxième axe de travail. Une nouvelle expression, intégrant une contribution dynamique liée aux variations temporelles de pression, est proposée. Les résultats illustrent la nécessité d’intégrer cette contribution dynamique pour modéliser les signaux d’une des expériences, particulièrement lorsque C augmente pour Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. La dernière expérience tend à montrer que les conditions d’écoulement, et plus précisément le flux hydrique, pourraient jouer un rôle important dans le comportement de C. Le dernier axe développé est une approche de terrain. Les amplitudes de signaux sismo-électriques ont été étudiées en non-saturé, par la mesure d’un champ électrique Ex et d’un déplacement sismique ux, et comparées au calcul de fonctions de transfert Ex/üx. Une image de saturation du sol a été déduite de l’interprétation conjointe de données radar et de résistivité électrique. Les amplitudes sismo-électriques liées aux arrivées des ondes P et des ondes de surface, traitées indépendamment, ont pu être comparées à la teneur en eau, puis à des mesures de résistances électriques. Les résultats suggèrent que ces amplitudes sont plus faibles en milieu non-saturé. De plus, le traitement des ondes de volume et des ondes de surface a montré que ces dernières doivent être considérées indépendamment.

Titre traduit

Electrokinetic coupling in unsaturated porous media

Résumé

The aim of this PhD thesis is to study electrokinetics for unsaturated conditions, both through streaming potential (SP) and seismo-electrics conversion. Electrokinetic coupling results from the motion of charges inside the water. Using an experimental approach, (SP) have been measured during drainage experiments in sand. These measurements were combined with hydrodynamics measurements and led to the first continuous recordings of streaming potential coefficient C as a function of water saturation Sw. The normalized streaming potential coefficient was found to be not monotoneously dependent on water saturation. Values of C increases first when Swdecreases until a maximum value for Sw around 65-85 %, and then decreases for decreasing saturation. In addition, experimental electrokinetic coefficient seems to be larger up to two orders of magnitude than classical values measured for saturated conditions. A similar behaviour was observed for three drainage experiments. The second part of this manuscript deals with the modelling of this unexpected behaviour. A new model, including a dynamic component linked to pressure temporal variations, is proposed. Modelling results show that this component is necessary to explain electrokinetic coefficient data of the first experiment, particularly for Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. Processing of the last experiment suggests that hydrodynamic conditions, and particularly the instant fluid flow magnitude, could be involved in the behaviour of C. The third part of this work deals with a field approach using seismoelectrics. Seismoelectric amplitudes have been studied for unsaturated conditions computing transfert functions defined as Ex/üx. First, the soil water saturation map has been deduced from the joint processing of GPR and ERT data. Thus, seismoelectric amplitudes deduced from P wave and surface waves independently, have been compared to water-content and measured electrical resitance. Results suggest that these amplitudes are smaller in unsaturated soils than for saturated conditions. In addition, the independent processing of P wave and surface waves shows that surface waves creates some artefacts in the computed transfert functions, and consequently have to be considered apart.