III.3 Analyse des carottes sédimentaires par tomographie à rayons X et caracté-
III.3.4 Mesures de perméabilité sur carottes sédimentaires
Au-delà de la porosité du sédiment, estimée à partir des images scanner, la perméabilité est un paramètre essentiel dans l'étude des cheniers, et ce par deux aspects :
La perméabilité du sédiment contrôle la circulation de uide à l'interface eau/sédiment.
Les eets d'inltration et d'exltration d'eau dans la zone de swash modient la couche limite et les contraintes cisaillantes (Conley et Inman, 1993), et donc le transport sédimentaire (Butt et al., 2001; Masselink et Russell, 2006; Horn, 2006).
A l'échelle du corps sédimentaire, la perméabilité du sédiment dénit le potentiel des cheniers à constituer de bons réservoirs de uide, eau ou hydrocarbures. Une bonne connaissance des caractéristiques géotechniques des cheniers actuels permet de mieux appréhender les caractéristiques des cheniers fossiles après transformations diagénétiques.
III.3. Analyse des carottes sédimentaires par tomographie à rayons X et caractérisation géotechnique L'eet de la perméabilité sur la dynamique de la zone de swash et sur le transport sé-dimentaire sera développé plus loin dans le manuscrit. Ici, la perméabilité est quantiée an de compléter les informations de porosité dans la caractérisation géotechnique des cheniers à l'échelle du corps sédimentaire.
La mesure de perméabilité repose sur la loi de Darcy (1856), qui stipule que la vitesse d'écoulement d'un uide dans un milieu poreux conné dans un tube est proportionnel au gradient hydraulique, modulo une constante appelée coecient de perméabilité. En d'autres termes :
Q
A =v =k.∆h
L (III.9)
avec Q un débit (m3.s−1), A l'aire de la section du tube (m2), v la vitesse moyenne de l'écoulement (m.s−1), k le coecient de perméabilité (m.s−1), ∆h la diérence de charge hydraulique entre le début et la n de l'échantillon (m), etL la longueur de l'échantillon.
La charge hydraulique est dénie de la façon suivante : h = p
ρg + v2
2g +z (III.10)
où p est la pression de l'eau (Pa), ρ sa masse volumique (kg.m−3), g l'accélération de la pesanteur (m.s−2),v la vitesse de l'écoulement (m.s−1), etz l'altitude au-dessus d'un plan de référence (m).
Les vitesses d'écoulement de l'eau dans le sédiment étant en général très faibles, le terme d'énergie cinétique est négligé dans la formulation de la charge hydraulique :
h= p
ρg +z (III.11)
La loi de Darcy (1856) est applicable tant que les vitesses dans le milieu poreux sont faibles et que l'écoulement est laminaire. L'écoulement est supposé laminaire tant que le nombre de Reynolds en milieu poreux est inférieur à 10 :
Re= v.d.ρ
µ <10 (III.12)
avec d le diamètre moyen des particules, etµ la viscosité dynamique de l'eau.
Au-delà de cette limite, l'écoulement dans le milieu poreux devient turbulent, et il n'existe plus de proportionnalité entre le gradient hydraulique et la vitesse d'écoulement intersti-tielle. La loi de Darcy (1856) n'est plus applicable.
Les coecients de perméabilité varient de façon très large avec la nature du sédiment (Fig. IV.6), principalement en fonction du volume et de la géométrie du réseau poreux, et des conditions de contact de l'eau avec les particules, déterminées par la nature des particules (rugosité) et leurs interactions plus ou moins grande avec l'eau (tensions de
Fig. III.16 Perméamètre à charge constante pour carottes sédimentaires. Les carottes sont équipées de prises de pression et sont directement adaptées sur le perméamètre.
III.3. Analyse des carottes sédimentaires par tomographie à rayons X et caractérisation géotechnique surface) (Magnan, 2000).
Le dispositif expérimental utilisé est un perméamètre à charge constante construit au laboratoire an de pouvoir y adapter directement les carottes sédimentaires prélevées sur le terrain (Fig. III.16). Son fonctionnement repose sur un principe simple. Une carotte xée sur un support est alimentée en eau et maintenue en charge par un bac à débordement placé en hauteur. L'alimentation en continu du bac par une pompe et le système de dé-bordement assurent un niveau d'eau constant, et donc une charge hydraulique constante.
Le tube en aluminium de la carotte est préalablement percé de petits orices sur sa lon-gueur où sont insérés et collés des tubes en aluminium d'un diamètre de 3 mm et d'une longueur d'un centimètre pour eectuer les prises de pression. Des tuyaux transparents souples y sont connectés. Le système de xation des carottes est prévu pour des tubes de diamètres de 7,5 et de 10 cm.
Une fois la carotte mise en charge, la perméabilité est calculée sur une partie de la carotte avec l'équation III.9, en mesurant :
Le débit Q à la sortie de la carotte, à l'aide d'un contenant et d'un chronomètre ; La diérence de charge hydraulique∆h, qui est donnée directement par la diérence
de hauteur d'eau dans les tubes souples connectés au deux point de pression ; La longueur L entre les deux points de pression sur la carotte.
En réalisant ces mesures à diérents points de la carotte, il est possible d'observer l'évo-lution de la perméabilité du sédiment en fonction des diérents faciès rencontrés. Pour chaque carotte, le positionnement des points de pression est déni en fonction de l'image scanner, an d'échantillonner le plus précisément possible les diérents faciès observés.
Pour chaque mesure de perméabilité eectuée, une barre d'erreur est calculée :
∆k =k ∆Q
On considère que l'erreur de mesure sur le volume est de l'ordre de 5%, sur le temps chronométré de 1 s, et sur les longueurs mesurées de 1 mm.
Fig. III.17 Ordres de grandeur du coecient de perméabilité des principaux types de sédiment.
Modié d'après Terzaghi et al. (1996).
Sur les 11 carottes prélevées sur le terrain, 6 sont analysées au perméamètre. Les autres non pas pu être étudiées en raison de (i) leur mauvais état de conservation (H001 et H003), (ii) des diamètres non standard des tubes utilisés lors du carottage (H007 et H008), (iii) de l'ouverture des carottes avant la réalisation de l'expérience pour y eectuer des prélèvements en vue de datations (H010).
L'installation expérimentale a permis, pour chaque carotte sélectionnée, de mesurer la perméabilité du sédiment en diérents points, dénis à l'aide des images scanner. Les valeurs de perméabilité s'échelonnent de 4,6.10−5 à 5,6.10−3 m.s−1, valeurs qui corres-pondent à la gamme des sables propres et des mélanges sable/gravier, d'après la classi-cation de Terzaghi et al. (1996) (Fig. IV.6). Le sédiment composant les cheniers présente
Fig. III.18 Évolution de la perméabilité dans la carotte H004. L'épaisseur des traits correspond à la barre d'erreur calculée sur les mesures.
III.3. Analyse des carottes sédimentaires par tomographie à rayons X et caractérisation géotechnique ainsi une bonne, voire très bonne perméabilité. Il est important de noter que ces valeurs de perméabilité ne sont pas locales, mais correspondent à la perméabilité moyenne de la séquence sédimentaire ou du faciès choisi sur les images scanner, sur la longueur séparant les deux prises de pression (entre 4 et 24 cm).
Les résultats des mesures de perméabilité sont détaillés pour chaque carotte dans l'Annexe A, sous forme de logs de perméabilité corrélés aux images scanner et à la porosité, et sous forme d'un tableau récapitulatif des mesures.
Les valeurs de perméabilité les plus élevées correspondent généralement aux niveaux de forte porosité, composés de matériel grossier (gros fragments coquilliers, coquilles en-tières), et aux niveaux peu compactés en surface (Fig. III.18). Des niveaux plus ns mais bien triés montrent également des valeurs de perméabilité élevées. Les valeurs les plus faibles sont associées aux passées silteuses et argileuses, ainsi qu'aux litages composés de sédiment mal trié.
Les valeurs de perméabilité semblent cohérentes par rapport au type de sédiment et à sa porosité. Les valeurs du nombre de Reynolds en milieu poreux varient entre 0,6 et 3,23 en fonction des carottes (c.f. Annexe A). Dans tous les cas, les valeurs sont inférieures à la valeur de transition entre le régime laminaire et le régime turbulent, conrmant que la loi de Darcy (1856) est applicable. Il serait toutefois intéressant de reproduire ces expériences avec des débits diérents, an de s'assurer que les valeurs de perméabilités mesurées ne varient pas. Il reste des améliorations à apporter au système expérimental.
Les carottes prélevées sur les cheniers de Vildé-Hirel sont analysées par tomographie RX. L'obtention de coupes long-shore et cross-shore, de déroulés et de tranches permet une observation très ne des litages et de l'agencement des particules sédimentaires. Une analyse d'image permet d'estimer la porosité des carottes tranche par tranche avec une résolu-tion de 0,6 mm. Enn, des valeurs de perméabilité moyenne sont mesurées pour chaque séquence sédimentaire ou faciès identié sur les images scanner.