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Laurence Jouniaux CNRS et Université de Strasbourg

La modélisation 1-D du potentiel d'électrofiltration en fonction de la saturation lors d'un drainage de sable, par éléments finis. Nous avons modélisé l'éq. de Richards pour l'écoulement en condition non saturé, et l'éq. de Poisson pour les potentiels électriques, en prenant en compte toutes les différentes sources de courant. Nous avons ainsi montré que la mesure du coefficient d'électrofiltration peut se faire par une mesure de différence de potentiel et de différence de pression le long de la colonne de sable lors du drainage. Enfin nous avons montré qu'il est nécessaire de faire l'hypothèse d'un coefficient d'électrofiltration non monotone en fonction de la saturation pour expliquer les observations [Allègre et al., GJI, 189, 285-295, 2012 pdf].

 

  • Le suivi en continu, pour la première fois, des potentiels électriques liés aux circulations d'eau en milieu poreux non saturé. Nous avons développé une expérience unique à ce jour, permettant le suivi en dynamique lors de l'écoulement d'eau dans du sable, des potentiels électriques, pressions et teneurs en eau. Nos observations ont montré une dépendance des potentiels d'électrofiltration avec la teneur en eau non prévue par les modèles actuels. La théorie de ces phénomènes en milieu non saturé n'étant pas développée, nous devons travailler sur l'interprétation exacte de nos observations. Ces résultats [Allègre et al., GJI, 182, 1248-1266 2010 pdf] ont fait l'objet d'une collaboration avec le LHyGeS. Ils posent la question de l'interprétation des observations de potentiels spontanés sur le terrain en milieu non saturé, en termes de circulation des fluides. Cette étude fait suite à de premières observations [Guichet et al., JGR 108, 2141, 2003 pdf] en milieu non saturé.

 

Une approche de terrain, permettant l'observation de conversions sismo-électriques, en fonction de la teneur en eau, nous a permis de proposer une loi pour la fonction de transfert entre champ électrique et accéleration du sol, en fonction de la teneur en eau [Strahser et al., GJI, 187,1378-1392, 2011 pdf]

  • La mise en évidence de l'existence de conversions sismo-magnétiques, prédites par la théorie depuis 1994, mais jusqu'à présent non mises en évidence. Pour ce faire, une expérience unique a été développée afin de créer une source sismique mécanique commandée à distance pour propager des ondes sismiques dans du sable saturé d'eau. Le mouvement relatif entre l'eau (contenant des ions, particules chargées) et la matrice solide, induit par la propagation des ondes sismiques, a donné naissance à un champ électromagnétique, dont la composante magnétique a été mesurée grâce à des magnétomètres construits sur mesure. Nous avons montré que le champ sismo-électrique est couplé à la propagation des ondes P et des ondes d'extension (vitesse de 1300 m/s) et que le champ sismo-magnétique est couplé à la propagation des ondes S (vitesse de 800 m/s), comme démontré dans la théorie de Pride (1994), mais encore jamais observé. Ces résultats, obtenus en collaboration avec l'université de Pau et de Grenoble [Bordes et al., GJI 174, 489-504, 2008 pdf; GRL, 33, L01302, 2006 pdf ], et développés au LSBB (Laboratoire Souterrain à Bas Bruit) ouvrent la possibilité de mesures de terrain pour une meilleure caractérisation des fluides.

Nous avons pu mettre en évidence, par des mesures en laboratoire, une évolution des potentiels d'électrofiltration lors de précipitation de calcite dans du sable. Nous avons déduit l'évolution du potentiel zeta en fonction du pH (4 à 12) et montré qu'il pouvait changer de signe, et avons confronté ces mesures avec un modèle de triple-couches afin d'analyser nos résultats [Guichet et al. GJI 166, 445-460, 2006 pdf]

Les couplages électrocinétiques dépendent des propriétés de transport du flux hydrique et du flux électrique telles que perméabilité et conductivité électrique. Nous avons montré, par des mesures d'anisotropie de conductivité électrique en laboratoire, que la conductivité électrique augmente de façon continue lors de la déformation uniaxiale d'échantillons de carbonates, dès que la saturation en eau n'est plus totale mais de 85%, par une loi en puissance 100.002P de la pression axiale P (en MPa) [Jouniaux et al. GJI 167, 1017-1026, 2006 pdf].

Sur le terrain, les potentiels d'électrofiltration générés en profondeur sont difficiles à détecter. Ci-dessous les résultats obtenus au Mayet de Montagne suite à des injections d'eau en profondeur [Pinettes et al. Pageoph 159, 2629-2657, 2002 pdf].

Les effets électriques et magnétiques dus aux circulations d’eau dans le prisme de Nankai ont été modélisés afin de savoir s’il est possible d’utiliser de telles mesures pour détecter les variations de circulation de fluide existant dans les prismes d’accrétion, elles-mêmes éventuellement liées au cycle sismique [Jouniaux et al., JGR, 104, 29293-29309, 1999 pdf] (collaboration avec le laboratoire LETI du CEA de Grenoble ; programme franco-japonais Kaiko-Tokai). Nous avons montré que des signaux de 3 mV et de 3 nT pourraient être représentatifs de variations de 20 % dans les circulations d’eau dans les chevauchements du prisme.

  • Ensuite nous avons essayé de quantifier l'anisotropie de perméabilité. Ces mesures sont nécessaires pour l’étude de la propagation du décollement à la base du prisme d’accrétion. Une des motivations était d’arriver à déduire la perméabilité à faible pression effective (pression de confinement moins pression de pore) car on pense que de fortes surpressions sont présentes dans les prismes. Nous avons mesuré des valeurs de perméabilité de l’ordre de 2-6 x 10-19 m2 [ Bourlange et al., P.ODP Sci. Results, 190/196, 1–16, 2004 pdf; www-odp.tamu.edu publications/190196SR/215/215.htm]. Ces valeurs ont ensuite été utilisées pour déduire un temps de diffusion de la pression de pore in - situ et conclure qu’une surpression pouvait être maintenue seulement pendant des épisodes transitoires pouvant constituer des épisodes de propagation du décollement [Bourlange et al., 2003]. Par la suite, des mesures d'anisotropie de conductivité électrique sur des matériaux constitutifs du prisme d’accrétion de Nankai (provenant du Leg 190), ont été effectuées par P. Henry, qui a proposé d'utiliser ces mesures pour quantifier la déformation dans ces sédiments [Henry et al., JGR, 108(B9) 2407, 2003 pdf].

Ces travaux ont fait suite à des mesures de variation de potentiel électrocinétique, de perméabilité, et de conductivité électrique lors de la déformation d’un échantillon du prisme de Nankai (provenant du Leg 131), et qui avaient montré une augmentation à la fois de la perméabilité et du potentiel d’électrofiltration pendant la déformation [Jouniaux et al., GRL, 21, 149-152, 1994 pdf].