Conductivité électrique et salinité

La capacité d'une solution aqueuse à transporter un courant électrique par le biais du mouvement ionique est quantifiée par la conductivité électrique. Les minéraux chargés dissous dans l‟eau bougent sous l‟influence du champ électrique imposé par une injection électrique. La salinité est la concentration de sels (ions Na⁺ et Cl^-) dissous dans une solution. En tant que tel, une estimation de la conductivité électrique donne une bonne indication de la salinité. En général, quand la salinité augmente, les ions totaux dissous d'une solution augmentent, et il en est de même pour la conductivité. L'eau salée a une concentration totale dissoute de 35 mg/l, dont 19 mg/l de chlorure (Barlow, 2003).

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La conductivité est dépendante de la température ; il est donc nécessaire de mesurer ces deux variables simultanément. La température et la conductivité électrique deviennent des facteurs importants lorsqu'il s'agit de déterminer le comportement d‟une zone de mélange des eaux comme une interface d'eau salée.

A température constante, la résistivité électrique (inverse de la conductivité) d‟un milieu poreux saturé est intimement liée à la salinité de l‟eau porale. Cette relation peut être décomposée en deux équations empiriques. D‟une part, la loi d‟Archie (Archie, 1942) exprime la résistivité totale du milieu (pores et matrice) en fonction la conductivité électrique de l‟eau porale, de la porosité et de la tortuosité du milieu. D‟autre part, la salinité de l‟eau peut être déterminée par analyse chimique des eaux ou par relation avec la conductivité :

1) La corrélation entre les conductivités électriques et la concentration en chlorure peut être calculée à partir de la relation de Rhoades et al. (1976):

σ eau+roche = n.σ eau + σ roche où σ eauet σ

roche sont, respectivement, la conductivité électrique de l‟eau et celle de la roche; et n la porosité. σ

eau est calculé en fonction de la concentration en chlorure de sodium et de la température. 2) Pour un fluide chargé en NaCl, la formule de Keller (1987) évalue la concentration de la

salinité (g/l) à partir des conductivités électriques du fluide poral (mS/m).

Mesures géophysiques en forage: paramètres statiques

Différentes missions de mesures en forages ont été réalisées sur le site de Campos, de 2002 à 2010, à différentes périodes de l‟année. Pour chacune, des mesures géophysiques ou hydrologiques ont complété la base de données du site. Cette fréquence des mesures à différentes périodes des cycles hydrologique et climatique informe sur l‟aspect hydrodynamique du site.

La sonde hydrogéologique Idronaut (conçue par ALT) enregistre l‟hydrochimie des fluides remplissant le forage. Cette sonde est constituée d‟un ensemble de capteurs qui fournissent six paramètres relatifs à la colonne de fluide du forage, à savoir : la conductivité électrique (mS/cm) du fluide à température ambiante et normalisée à 20°C, la température (°C), la pression (dBar), le pH, le potentiel rédox et la teneur en oxygène. Ces mesures renseignent sur la qualité de l‟eau et localisent les différentes zones hydrologiques (contact eau salée/eau douce) ainsi que le niveau de nappe.

Pour mesurer les paramètres à l‟équilibre de la colonne d‟eau, l'enregistrement se fait dans le sens de la descente afin de pallier aux perturbations générées par le passage de la sonde. La Figure 3-22 synthétisant quelques paramètres mesurés par l‟Idronaut partitionne l‟aquifère de Campos.

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Le profil de conductivité électrique commence à 37 m de profondeur, il est linéaire sur 25 m puis augmente exponentiellement jusqu‟à un seuil atteint 15 mètres plus bas. Le profil de conductivité marque le niveau de nappe. En conséquence de la relation conductivité-salinité, il illustre l‟intrusion saline par le bas du puits ainsi que la zone diffusive de mélange des eaux.

Figure 3-22 : Paramètres mesurés par les outils Idronaut et DIL45 dans le puits MC9, en 2008 : profils de température (Temp), de la pression (Pressure), du pH, du gradient de température (grad Temp), de la conductivité électrique du fluide à températures ambiante (Cond) et normalisée à 20°C (Cond20) et de la

conductivité électrique de la formation (ILM).

La conductivité électrique de la formation est fonction de la conductivité des roches et des fluides interstitiels (cf. section 3.2.1.1.). Son profil montre la même courbe que le profil de la conductivité du fluide : la mesure caractérise essentiellement le fluide poral. Les formations traversées sont donc très poreuses dans le milieu saturé. Les fluctuations supplémentaires sont des effets résistifs des divers bancs de la roche. La conductivité électrique de la formation est également adaptée aux mesures des propriétés du fluide saturant pour les formations de Campos.

3.4.2 L‟Observatoire

Initialement parti du projet européen ALIANCE (FP5) et de l‟ORE H+, le site de Campos est considéré comme un site d‟observation et de développement de nouvelles techniques. Dans ce cadre, un observatoire hydrogéophysique en forage in-situ et haute fréquence a été conçu pour assurer le suivi permanent de la problématique socio-environnementale liée au site : l‟intrusion saline.

Les essais de pompage et de traçage ont tendance à donner des propriétés moyennées sur un volume du réservoir relativement grand, soit de faible résolution. L‟observatoire est orienté vers l'observation à hautes résolutions spatiale et temporelle de la dynamique des données hydrologiques

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par le biais de la géophysique. Les données géophysiques disponibles dans la base de données fournissent de nombreuses informations mais le caractère dynamique dépend de la fréquence des missions de terrain. L‟observatoire basé sur le suivi permanent (monitoring) pallie à cette limitation en s‟obviant d‟intervention humaine grâce à une fréquence de mesure automatisée. Il représente une fenêtre d‟observation accrue sur les caractéristiques du réservoir dans le temps.

Principe

Le principe de l‟observatoire utilise celui de la tomographie électrique. Cette méthode consiste habituellement à mesurer la résistivité électrique du sol grâce à une série d‟électrodes. En déployant la série d'électrodes dans un trou de forage, cette méthode permet de sonder la résistivité des formations sur un profil 1D en profondeur (Figure 3-23). L‟observatoire image en profondeur les changements de résistivité électriques de la formation et de son fluide (R0)saturant le long du puits ou d‟une zone d‟intérêt.

Figure 3-23 : Schéma de l’installation de l’Observatoire hydrogéophysique.

La conductivité électrique du fluide poral in-situ est dérivée des mesures électriques de l‟outil et interprétée en tant que de salinité équivalente en NaCl du fluide poral. La relation Waxman et Smith (1968) extrait les valeurs de conductivité électrique du fluide Cw à partir des mesures de résistivité issues de l‟observatoire (R0 = 1/C0), du facteur de formation F et de la conductivité de surface Cs :

Les valeurs de conductivité électrique de surface Cs sont déduites des mesures de rayonnement Gamma naturel. Cs est principalement induite par des formations argileuses. Dans la plate-forme de Llucmajor, les formations sont calcaires, Cs est donc négligeable. Les argiles radioactives ne représentent que 2,5% de la séquence et sont localisées dans la zone vadose. Quant aux valeurs de F, elles sont estimées grâce à la relation d‟Archie (1942) :

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avec la porosité déterminée à partir, (1) soit des mesures pétrophysiques sur carottes, (2) soit des vitesses acoustiques issues des mesures géophysiques en forage de l‟outil Sonic (FWS) par l‟intermédiaire de la formule de Wyllie et al. (1956) ; et le facteur de cimentation m évalué selon la lithologie.

A partir de la formule de Keller (1987) et seulement pour un fluide NaCl, la salinité S peut être déterminée:

La salinité S est en g/l et la conductivité électrique du fluide Cw en mS/ m.

Les variations de la conductivité du fluide saturant donnent ainsi des informations sur la nature des fluides. Ainsi, l‟observatoire hydrogéophysique in-situ informe sur la qualité et la disponibilité de la ressource ainsi que les variations temporelles et spatiales de la salinité.

Déploiement au site de Campos

L‟acquisition des mesures de l‟observatoire est basée sur des séries régulières au cours d‟une période, sous forme de profils de résistivités électriques de la formation. Cet observatoire a été automatisé de façon complète en février 2008. C‟est donc un suivi détaillé, étendu et régulier de l‟état du réservoir et non une simple mesure locale comme le piézomètre. Les paramètres temps et espacement d‟investigation sont adaptables. La mesure est faite en continu et temps réel, puis les données sont exportées par liaison GSM jusqu‟à un portail de données disponible en ligne. Le système est également complètement autonome, c'est-à-dire ne nécessitant pas d‟intervention humaine.

Le puits MC9 est choisi car il appartient à un cluster de six puits, composé par les puits MC2, MC8, MC9, MC10, MC11 et MC12. Ces puits sont espacés de 5 m maximum, ce qui offre une zone d‟observation et d‟étude unique de haute précision. Un ensemble de 40 électrodes parcourent le long du trou du puits MC9, dans sa zone saturée de 40 à 88 m de profondeur. L'observatoire informe ainsi sur les valeurs de résistivité au sein de la nappe.

Suivi dynamique et gestion

Dans ce contexte d'intrusion d'eau salée en réservoir côtier, soutenu par le projet GIRELLE, le site de Campos sert de base expérimentale à la calibration et au développement de l‟observatoire, pour ensuite intégrer d‟autres observatoires sur des sites côtiers concernés par une salinisation des eaux souterraines.

Pour une meilleure interprétation des mesures de l‟observatoire, il est nécessaire de le replacer dans son contexte géologique et pétrophysique, à différentes échelles dont celle du puits.

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Figure 3-24 : Schéma de l’intégration de l’observatoire situé à l’interface de trois thématiques.

Etant donné la durée des processus étudiés (modification physique du réservoir par la salinisation, observation des fluctuations d‟origine naturelle et anthropique), il est souhaitable de disposer d‟un site expérimental pérenne tel que celui de Campos afin d‟effectuer des séries de mesures, tant en surface qu'en puits. Il est également indispensable de pouvoir suivre dans le temps ce système en cours d'exploitation soumis à une contamination. En vue du développement du site d‟observation de Campos, le déploiement d‟un système de suivi hydrogéophysique à long terme et autonome permet de caractériser l'évolution spatiale et temporelle de l‟aquifère.

L‟observation de la dynamique de l‟aquifère est compliquée par la présence éventuelle de fissures, de fractures, d'hétérogénéités et par la variation des propriétés hydrauliques. A grande échelle, la localisation des fissures et fractures permet de mesurer leur influence sur la propagation de l'intrusion d'eau salée. A petite échelle, les hétérogénéités influencent aussi cette propagation par des variations de propriétés hydrauliques. D‟autre part, les variations de teneur en eau salée partitionnent le réservoir aquifère en quatre environnements hydrauliques (zones vadose, phréatique, de mélange et d‟eau salée), chacun possédant des processus spécifiques de modification de la structure poreuse du réservoir. Un des objectifs de la thèse est d‟intégrer cet observatoire aux diverses données du site d‟observation, de l‟échelle de micromètre à la centaine de mètres. Cet intégration consent à obtenir un modèle de structure aussi réaliste que possible pour les simulations d‟évolution du front de salinisation ainsi qu‟aux futures applications de solutions de remédiation à la qualité de l‟aquifère.

Conclusions préliminaires

Ce Chapitre 3 a permis de rappeler les méthodes in situ, expérimentales et d‟imagerie utilisées dans ce type d‟étude multithématique ainsi que de définir leurs paramètres résultants. La porosité dont la dépendance au milieu est mise en évidence apparait comme un paramètre important. Ses différentes méthodes de caractérisation permettent de rendre compte de l‟état de la structure du réservoir et du comportement de celle-ci face aux fluides. Les caractéristiques de la porosité agissent en particulier sur un paramètre dynamique: la conductivité électrique du milieu.

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La figure ci-dessous synthétise les méthodes et leurs échelles d‟investigation utilisées au cours de cette étude ainsi que les types de porosité analysés:

Figure 3-25 : Synthèse des méthodes avec échelles d’investigation et types de porosité caractérisés. Meso-porosity 10 µm 1 cm 1 dm 1 µm 100 µm microporosity F a b ri c s e le c ti v e N o n f a b ri c s e le c ti v e macroporosity 1 m 1 mm

interparticle shelter framework fenestral intraparticle

intercristal moldic vug cavern fracture channel

Core observation

Downhole geophysical measurements Petrophysical measurements on core plugs

Thin section

Borehole wall images X-ray tomography

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CHAPITRE 4: RESULTATS

4.1 Microstructure multi-échelle par micro-imagerie