ATTENA, B RGM ET A DEME , 2012)
VII. R ÉSULTATS – E XPÉRIENCES EN COLONNES
Comme justifié dans la partie précédente, les résultats de quatre colonnes BIOPHY seront principalement traités ici : deux colonnes inoculées, C1 et C2, réalisées entre janvier et mars 2014, et deux colonnes témoins non inoculées, C3 et C4, réalisées en novembre 2013.
Tout d’abord, la qualité des mesures faites par les différents appareils à disposition sera abordée, avant d’exposer puis d’interpréter les résultats obtenus pour ces quatre colonnes, ainsi que quelques résultats complémentaires obtenus sur des précédents essais.
A. VALIDATION DU DISPOSITIF DE MESURES ÉLECTRIQUES
Avant de réaliser toutes les mesures géophysiques sur les colonnes BIOPHY, la validité des systèmes de mesure PP a été vérifiée. Dans un premier temps, les trois appareils à disposition, le GDP 32II (Zonge) et deux potentiostats/galvanostats (PAR nouveau et PAR ancien), ont été testés sur un circuit électrique dont la réponse en phase et en amplitude était connue. Puis, le montage colonne + électrodes a été vérifié en réalisant des mesures avec de l’eau salée et avec un sable saturé avec de l’eau. Ces deux derniers tests devaient donner une phase sinon nulle, du moins constante.
C’est en réalisant ces tests qu’un problème de calibration sur le GDP 32II a pu être identifié. Il a tout d’abord été pallié en réalisant une correction manuelle à chaque fréquence à partir des résultats obtenus sur circuit Randless R(RC). Il s’est ensuite avéré qu’il y avait un problème de software et que la calibration automatique proposée par le constructeur n’était pas effective.
C’est aussi grâce à ce genre de tests qu’il a été remarqué que les électrodes Ag/AgCl utilisées au début des expérimentations avaient une durée de vie limitée. En effet, au-delà de 10 jours de fonctionnement, les mesures en amplitude restaient correctes, tandis que celles en phase dérivaient dans de l’eau, qui est un milieu impolarisable (à basse fréquence). C’est l’une des raison qui a retardé les expériences sur colonnes.
Les mesures présentées ci-dessous concernent les électrodes Cu/CuSO4 fabriquées et validées au laboratoire (cf. Annexe 7), sur un GDP 32II possédant une calibration automatique opérationnelle…
1. M
ESURES SUR UN CIRCUITR(RC)
Un circuit R1(R2C) ayant une réponse électrique complexe connue a été choisi. Pour pouvoir être le plus précis possible, tous les éléments du circuit ont été caractérisés séparément : R1 = 10,1 Ω, R2 = 100,9 Ω et C = 105,8µF. Des mesures avec le GDP 32II (Zonge) ont ensuite été réalisées, ainsi que des mesures avec deux potentiostats/galvanostats de chez Princeton Applied Research (PAR). Les réponses en phase et en amplitude comparées à la réponse théorique sont présentées en Figure VII-1. La précision sur la mesure a été calculée à chaque fois. Pour le GDP, un point de mesure correspond à la moyenne sur six mesures (trois fois deux répétitions), et la barre d’erreur correspond à l’écart type sur ces six mesures. Pour les PAR, dans le cas de ces mesures sur circuit R1(R2C), dix mesures répétitives ont pu être réalisées. Les résultats présentés correspondent aussi aux moyennes et écarts types calculés sur ces dix mesures.
Les mesures du GDP sont en adéquation avec la réponse théorique, surtout pour les basses fréquences (< 1000 Hz). En phase, les barres d’erreur sont inférieures à 0,5 mrad, et en amplitude, elles sont autours de 0,01 Ω. Le PAR récent donne aussi des résultats satisfaisants, mais le PAR ancien semble moins performant pour les hautes fréquences (> 10 kHz), où les mesures divergent par rapport au modèle. Cependant, les barres d’erreurs du PAR récent sont importantes pour les fréquences autours de 100 Hz. Le problème serait dû à l’appareil et n’a pas pu être résolu. En ce qui concerne les autres points, il y a jusqu’à 5 mrad d’erreur en phase et 0,5 Ω en amplitude pour les deux PAR.
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FIGURE VII-1 : A/ CIRCUIT R(RC) CONNU ET MESURES DE LA RÉPONSE ÉLECTRIQUE COMPLEXE DU CIRCUIT OBTENUES SUR B/ LE GDP 32II (ZONGE), SUR C/ UN POTENTIOSTAT/GALVANOSTAT RÉCENT (PAR NOUVEAU) ET SUR D/ UN POTENTIOSTAT/GALVANOSTAT ANCIEN (PAR ANCIEN), COMPARÉES AU MODÈLE THÉORIQUE.
2. M
ESURES SUR DE L’
EAU SALÉEAfin de tester le système expérimental, appareil branché sur une colonne, des mesures sur un milieu impolarisable, de l’eau salée (σ = 2050 µS/cm), ont été réalisées.
La colonne équipée des électrodes Cu/CuSO4 a été remplie d’eau et les mesures ont été faites avec les trois appareils de mesure, le GDP et les deux PAR, sur trois couples d’électrodes de mesure : E1E4, E2E5 et E3E6 (Figure VII-2). Le GDP donne bien une phase stable, proche de zéro, entre 0,25 et 128 Hz. De faibles fluctuations de la phase peuvent être observées lorsqu’une ou les deux électrodes de mesure sont trop proches des électrodes d’injection (cf. Annexe 8). Les barres d’erreurs (écart type sur 6 mesures) restent faibles, inférieures à 0,2 mrad, excepté pour la fréquence 0,125 Hz (et ses deux premières harmoniques).
Par contre, les mesures de phase avec le PAR récent (sur la même colonne, avec les mêmes électrodes de mesure) sont moins stables. Elles restent cependant proches de zéro entre 0,1 et 50 Hz. Avec l’ancien PAR, les mesures sont stables et proches de zéro entre 1 et 10 kHz.
113
La réponse en amplitude est présentée en Figure VII-3. De même que pour la phase, les mesures réalisées avec le GDP sont plus stables, autours de 5,6 Ω.m, avec une erreur inférieure à 0,09 Ω.m. Le spectre en amplitude obtenu avec le PAR récent présente un pic autours de 100 Hz, et les mesures du couple E3E6 montrent une différence de résistivité de 3 Ω.m par rapport aux deux autres couples. Pour l’ancien PAR, le spectre présente un saut à 10 Hz, défaut vraisemblablement dû à l’appareil, et le spectre dérive dans les basses fréquences (< 0,5 Hz).
FIGURE VII-2 : PHASE DE LA RÉSISTIVITÉ COMPLEXE D’UNE COLONNE D’EAU SALÉE (σ = 2050 µS/cm), MESURÉE SUR TROIS COUPLES D’ÉLECTRODES Cu/CuSO4, B/ AVEC LE GDP 32II, C/ AVEC LE PAR RÉCENT ET D/ AVEC LE PAR ANCIEN.
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FIGURE VII-3 : AMPLITUDE DE LA RÉSISTIVITÉ COMPLEXE D’UNE COLONNE D’EAU SALÉE (σ = 2050 µS/cm), MESURÉE SUR TROIS COUPLES D’ÉLECTRODES Cu/CuSO4, B/ AVEC LE GDP 32II, C/ AVEC LE PAR RÉCENT ET D/ AVEC LE PAR ANCIEN.
3. M
ESURES SUR DU SABLE SATURÉLe test du dispositif expérimental a été affiné, pour se rapprocher des conditions de mesure des essais BIOPHY. Le GDP et le PAR récent ont été testés pour des mesures sur du sable de Fontainebleau saturé avec de l’eau salée (σ=1858 µS/cm) (Figure VII-4).
Ici, une moindre précision avec le PAR récent est de nouveau observée. Les mesures réalisées avec le GDP montrent une phase quasi-nulle, très stable pour le couple de mesure E2E5. Les faibles fluctuations de la phase sont de nouveau retrouvées pour les couples de mesure E1E4 et E3E6.
Le système de mesure a donc été validé, avec une préférence pour les mesures faites avec le GDP. Par la suite, les fréquences utilisées seront comprises entre 0,25 Hz (voire 0,125 Hz) et 64 Hz (voire 128 Hz).
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FIGURE VII-4 : PHASE DE LA RÉSISTIVITÉ COMPLEXE D’UNE COLONNE DE SABLE SATURÉ D’EAU SALÉE (σ = 1858 µS/cm), MESURÉE SUR TROIS COUPLES D’ÉLECTRODES Cu/CuSO4, AVEC LE GDP 32II, ET SUR UN COUPLE AVEC LE PAR RÉCENT.
B. VALIDATION DES MESURES DU SPIRIT
De même que pour les mesures géophysiques, l’appareil d’analyse du CO2, le SPIRIT, a été validé avant d’entamer les expériences.
1. M
ESURES SUR BOUTEILLES D’
AIR STANDARDAu Brgm, deux bouteilles d’air de chez Air Liquide® ont été certifiées. Elles contiennent du CO2 à 380 ppmV et 390 ppmV respectivement, avec des signatures isotopiques à δ13C(CO2) = -40,5 ‰ et δ13C(CO2) = -43,2 ‰. Une bouteille est utilisée avant chaque mesure pour calibrer l’appareil. De plus, avant et après chaque mesure, une vérification est faite sur la bouteille d’air standard.
2. C
OMPARAISONSPIRIT
ETGC-IRMS(G
ASB
ENCH)
Des mesures comparatives ont été effectuées avec le SPIRIT et par Gas Bench (GC-IRMS, au Brgm, unité LAB) sur une bouteille d’Air Liquide® à δ13C(CO2) = -43,2 ‰., et sur une bouteille d’air extérieur compressé autour de δ13C(CO2) = -10 ‰. Les résultats obtenus avec les deux méthodes sont présentés dans le tableau suivant :
TABLEAU VII-1 : COMPARAISON DES RÉSULTAS OBTENUS PAR SPIRIT ET GAS BENCH SUR DEUX BOUTEILLES D’AIR STANDARD.