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Fig.   4.   13   a)   Groupe   1-­‐Kr   :   histogramme   des   profils   dont   la   concentration   en   Kr   diminue   ou   augmente   exclusivement  en  fonction  de  la  profondeur.  b)  Groupe  2-­‐Kr  :  histogramme  des  profils  dont  la  concentration   en  Kr  connait  un  maximum  ou  un  minimum  dans  la  couche  C.    

   

4.3.4. Discussion   complémentaire   du   comportement   de   la  

phase  gazeuse  sur  l’ensemble  du  site  pilote  

 

Les  variations  du  panache  gazeux  sur  l’ensemble  du  site  pilote  ne  sont  pas  homogènes,  à   l’image  des  comportements  différents  de  chaque  profil  de  sondes  (Fig.  4.1  et  4.12).    

Les  propriétés  pétrophysiques  de  la  couche  C  et  de  la  couche  K  sont  différentes.  La  couche   C  est  le  calcaire  à  Astéries  stampien  altéré  d’une  perméabilité  d’environ  2  000  mD  et  d’une  

porosité  d’environ  25  %.  La  couche  K  est  caractérisée  par  une  perméabilité  d’environ  500   mD  et  d’une  porosité  pouvant  atteindre  40  %.  Ainsi  à  l’interface  entre  les  deux  couches,  il   est   possible   que   la   dynamique   de   transport   du   panache   gazeux   soit   changée.   Xu   et   al.   (2005)   montrent   qu’une   augmentation   de   la   perméabilité   pourrait   conduire   à   une  

dissolution  plus  rapide  du  CO2  dans  la  phase  aqueuse.  Par  ailleurs,  un  changement  dans  le  

ratio   de   la   perméabilité   verticale/horizontale   pourrait   également   induire   un   nouveau   chemin  préférentiel  ou  une  diffusion  plus  horizontale  de  la  phase  gazeuse  (rupture  de  la  

continuité  hydraulique).  Ceci  expliquerait  en  outre  la  diminution  ou  l’augmentation  de  CO2  

entre   les   couches   K   et   C   lors   de   simulation   de   fuite   diffuse.   De   même   en   croisant   ces   observations   aux   résultats   TDR,   il   est   possible   de   mettre   en   relation   la   teneur   en   eau   et   l’amortissement   de     la   fuite   qui   est   fort   entre   la   couche   C   et   la   couche   K.   En   raison   des   différences  de  porosité  et  perméabilité  et  des  évènements  pluvieux  particulièrement  fort   en  durant  l’expérience,  un  front  d’humidité  peut  être  favorisé  entre  les  couches  C  et  K.  Ce  

front   participerait   activement   au   transfert   du   CO2   gazeux   dans   la   phase   aqueuse   et   a  

l’amortissement  de  la  fuite  en  subsurface.    

Dans   le   cas   du   profil   O,   quelque   soit   l’espèce   gazeuse   considérée,   la   couche   C   présente   toujours  un  minimum  de  concentration.  Des  observations  similaires  ont  été  réalisées  dans   les   travaux   de   Harrison   et   al.   (2016).   Ils   précisent   que   dans   les   milieux   hétérogènes   la   migration   des   espèces   est   gouvernée   par   la   perméabilité   du   milieu.   Ainsi,   les   caractéristiques   pétrophysiques   du   milieu   sont   à   l’origine   de   l’existence   de   chemin  

préférentiel  dans  le  milieu  poreux.  A  l’inverse  dans  le  profil  N,  seul  le  CO2  se  présente  dans  

le  groupe  2  de  la  dynamique  des  gaz  tandis  que  les  gaz  traceurs  appartiennent  au  groupe  1.  

Dans  ce  cas,  un  phénomène  impacterait  le  CO2  sans  pour  autant  agir  sur  les  gaz  traceurs.  La  

réactivité   du   CO2   dans   la   zone   vadose   dépend   beaucoup   des   paramètres   climatiques  

(Lewicki   et   al.,   2007  ;   Chang   et   al.,   2009  ;   Garcia-­‐Rios   et   al.,   2014).   Puisque   le   massif   carbonaté  du  site  pilote  est  hétérogène,  il  est  vraisemblable  que  la  répartition  de  l’eau  dans   la  zone  vadose  soit  également  hétérogène  et  en  relation  avec  les  propriétés  pétrophysiques  

du  milieu.  En  conséquence,  la  dissolution  du  CO2  dans  la  phase  aqueuse  de  notre  système  

non  saturé  et  donc  le  pouvoir    tampon  de  la  zone  vadose  sont  hétérogènes.  Des  analyses  de   la   teneur   en   eau   à   différentes   profondeurs   seraient   nécessaires   pour   pouvoir   quantifier  

l’hétérogénéité   des   interactions   CO2-­‐H2O-­‐CaCO3   dans   la   zone   vadose   et   ainsi   évaluer   en  

fonction  de  la  recharge  (propagation  du  front  d’humidité  en  fonction  du  temps  au  cours  du   cycle  hydrogéologique)  le  pouvoir  tampon.  

Le   cas   du   profil   D   met   également   en   évidence   la   présence   de   chemin   préférentiel   et   l’influence   des   paramètres   climatiques   sur   la   zone   vadose.   En   effet,   l’He   et   le   Kr  

appartiennent  au  groupe  2  tandis  que  le  CO2  appartient  au  groupe  1.  Myers  et  al.  (2013)  

expliquent  que  seule  la  dissolution  des  gaz  traceurs  dans  la  phase  aqueuse  est  susceptible   de  ralentir  leur  migration  dans  le  milieu  poreux.  Ainsi,  la  présence  locale  d’eau  dans  la  zone   vadose   pourrait   expliquer   que   la   concentration   des   traceurs   dans   la   couche   K   soit   relativement  faible  par  rapport  à  celle  du  CO2.    

Les  autres  profils  tels  que  E  et  S  montrent  une  augmentation  de  la  concentration  avec  la   profondeur   pour   toutes   les   espèces   gazeuses.   Ces   observations   sont   en   accord   avec   la  

modélisation   de   Garcia   et   al.   (2013)   qui   montrent   que   dans   le   cas   d’une   perméabilité   homogène,  les  temps  de  rétention  sont  les  plus  courts  et  les  concentrations  maximales  sont   les  plus  importantes,  pour  les  sondes  les  plus  proches  du  point  d’injection.  En  l’occurrence,   ces  profils  de  sondes  pourraient  être  les  témoins  de  l’homogénéité  du  massif  carbonaté  sur   cette  partie  du  site  pilote.    

Cependant,  des  expériences  de  fuites  complémentaires  sont  nécessaires  afin  de  déterminer   le   comportement   de   ces   profils   dans   d’autres   types   de   fuite.   Ces   expériences   supplémentaires  pourraient  également  mettre  en  évidence  les  relations  qui  existent  entre   les  différents  profils  de  sondes.  De  plus,  l’utilisation  des  isotopes  des  gaz  nobles  pourrait   également   donner   des   informations   complémentaires.   En   effet,   l’analyse   isotopique   des  

rapports  20Ne/36Ar   et  84Kr/36Ar   au   niveau   des   aquifères   permet   d’obtenir   de   précieuses  

informations   sur   les   phénomènes   de   dissolution   (Gilfillan   et   al.,   2008).   Des   mesures   des   isotopes   de   l’Ar,   du   Kr   et   du   Xe   dans   plusieurs   profils   de   sondes   peuvent   notamment   apporter   des   informations   supplémentaires   sur   la   nature   du   fractionnement  :   fractionnement   du   à   la   gravité,   à   la   diffusion   moléculaire   ou   au   flux   verticale   vers   l’atmosphère  (Seltzer  et  al.,  2016).  

 

4.3.5. Discussion  complémentaire  de  l’isotopie  

 

Les   relevés   isotopiques   du   δ13C   effectués   au   voisinage   des   sondes   O1C   et   O1S     lors   de   l’expérience  de  fuite  diffuse  montrent  une  abondance  isotopique  supérieure  à  celle  prévue   par  la  courbe  de  mélange  (Fig.  4.  7b).    Trumbore  et  Druffel  (1995)  ont  montré  dans  leurs  

travaux   que   ces   intervalles   isotopiques   correspondaient   à   un   gaz   enrichi   en   CO2  

atmosphérique.  Néanmoins,  puisqu’il  a  été  prouvé  la  présence  d’une  zone  d’amortissement   au  voisinage  de  la  couche  C,  il  est  intéressant  de  discuter  la  surabondance  de    δ13C  au  profil   O.   La   première   explication   résiderait   dans   le   fait   que   la   solubilité   du  12C   peut   être   plus  

importante  que  celle  du  13C  ce  qui  apporterait  un  enrichissement  du  δ13C  aux  sondes  O1S  

et   O1C.   Néanmoins   à   notre   connaissance   aucune   étude   n’a   prouvé   de   différence   de  

solubilité   notable   entre   les   isotopes   du   carbone.   La   surabondance   de   δ13C   pourrait  

également  s’expliquer  par  une  production  de  CO2.  Cette  production  pourrait  alors  provenir  

d’un   dégazage   du   CO2   depuis   la   phase   aqueuse.   Auquel   cas,   il   est   nécessaire   de   pouvoir  

quantifier  la  proportion  de  CO2  qui  dégaze  vers  la  surface.  En  effet  en  se  replaçant  dans  un  

contexte   de   fuite   sur   un   site   de   stockage   industriel,   il   est   indispensable   de   prévoir   la  

quantité   de   CO2   issu   de   ces   phénomènes   de   dégazage   pour   prévenir   les   populations   et  

l’environnement  de  surface.    

Il  est  important  de  conduire  des  expériences  supplémentaires  pour  pouvoir  confirmer  ces   hypothèses.    

     

4.4. Conclusions  partielles  

 

Les   résultats   de   cette   expérience   de   fuite   diffuse   montrent   que   les   variations   spatio-­‐ temporelles  dans  notre  cas  d’étude  peuvent  être  anticipées  par  l’utilisation  des  traceurs  He   et  Kr.  L’He  diffuse  plus  rapidement  que  le  Kr  en  raison  de  sa  différence  de  masse  molaire.   Son  coefficient  de  diffusion  lui  permet  de  diffuser  rapidement  verticalement  et  d’anticiper   l’arrivée   en   surface   du   CO2.   Au   contraire,   le   Kr   est   moins   mobile   que   l’He   et   diffuse   de   préférence   horizontalement.   Il   permet   de   donner   une   approximation   de   l’étendu   du  

panache   de   CO2.   L’utilisation   de   ces   deux   traceurs   de   nature   différente   permet   dans   un  

contexte   industriel   de   prévoir   l’image   spatio-­‐temporelle   d’une   fuite   de   CO2.   Les   rapports  

CO2/Kr  et  CO2/He  démontrent  la  possibilité  de  la  consommation  du  CO2,  probablement  par  

dissolution   dans   la   phase   gazeuse.   Enfin   l’hétérogénéité   du   massif   carbonaté   pourrait   favoriser   des   cheminements   par   passage   préférentiel.   Il   est   probable   que   les   variations  

spatiale  et  temporelle  du  CO2  après  l’injection  sont  le  fruit  de  la  combinaison  de  tous  les  

mécanismes  cités  précédemment.  Les  améliorations  apportées  aux  protocoles  d’injection,   d’échantillonnage   et   d’analyse   ont   permis   d’obtenir   en   temps   réel   les   concentrations   en  

CO2,   He   et   Kr.   Ces   résultats   constituent   le   premier   pas   dans   l’établissement   d’un   outil  

géochimique  de  surveillance  proche  surface  d’un  site  de  stockage.    

La  simulation  de  fuite  diffuse  montre  quelques  limites.  Malgré  la  faible  pression  d’injection,   une   partie   du   gaz   injecté   a   migré   dans   le   milieu   poreux   par   advection,   en   témoigne   les  

régressions  exponentielles  et  les  temps  de  rétention  du  CO2  et  des  gaz  traceurs.  De  même  il  

n’a  pas  été  possible  de  quantifier  les  interactions  CO2-­‐eau-­‐roche,  pour  lesquels  il  faudrait  

utiliser   l’outil   isotopique.   Ces   limites   conduisent   à   suggérer   la   réalisation   d’autres   expériences  de  fuite  afin  d’atteindre  une  diffusion  complète  dans  le  massif  carbonaté  et  de   quantifier  le  pouvoir  tampon  dans  la  zone  vadose.    

                   

Chapitre  5  

 

Caractérisation   de   l’extension   d’une   fuite