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Exemple d’application du traçage thermique dans un aquifère alluvial
Klepikova et al. ont réalisé une étude expérimentale dans laquelle ils étudient la possibilité d’utiliser un traçage thermique pour la caractérisation d’un aquifère alluvial peu profond située dans la Meuse en Belgique. Du point du vue géologique, le site expérimental se caractérise par trois couches : une couche supérieure d’une épaisseur composée de limon avec des lentilles d’argile, une couche intermédiaire composée de loam sableux (couche supérieure de l’aquifère) et une troisième couche composée de gravier et de galets dans une matrice sableuse (couche inférieure de l’aquifère). Du point de vue instrumental, le site expérimental est constitué d’un puits de pompage (PP), d’un puits d’injection (Pz9) et de 1 piézomètres (Pz) organisés en trois plans de contrôle transversaux . Seuls 9 piézomètres sur les 11 ont été utilisés pour les suivis de température à deux différents niveaux dans la couche supérieure et dans la couche inférieure de l’aquifère. L’expérience de traçage consistait donc à injecter de l’eau chauffée dans le puits d’injection (Pz9) et à suivre l’évolution temporelle de la température de l’eau souterraine dans les 9 piézomètres (Pz10-Pz12, Pz14-Pz16 et Pz18-Pz20). Les mesures de températures ont été réalisées avec un pas de temps de 10 min grâce à deux sondes placées dans les 9 piézomètres.
Hydrogéophysique
L’hydrogéophysique est l’utilisation de méthodes géophysiques pour l’étude des écoulements des eaux souterraines en hydrogéologie. Les principales méthodes géophysiques utilisées traditionnellement pour évaluer les paramètres hydrauliques des aquifères sont : le géoradar et la tomographie de résistivité électrique (ERT) . Ces méthodes peuvent être combinées également pour évaluer les paramètres hydrauliques. Dans ce contexte, Binley et al. (2002) ont utilisé conjointement la tomographie de résistivité électrique et les données de géoradar enregistrées au cours d’une expérience de traçage menée pour évaluer la distribution de la conductivité hydraulique du sol. Cependant, dans le cadre de ces travaux de thèse, nous utiliserons la méthode du potentiel spontanée, qui est une méthode très sensible aux écoulements dans le sous-sol.
Les capteurs de température
Il existe plusieurs techniques pour mesurer les variations de température. Parmi ces techniques, la plupart permet d’avoir des valeurs moyennes ponctuelles ou spatiales de la température. On distingue les capteurs invasifs et des capteurs non invasifs.
Les capteurs invasifs : Dans les techniques de mesures invasives, les capteurs doivent être placés à l’intérieur du milieu dont la température doit être mesurée. Ces capteurs sont les plus utilisés et les mieux documentés pour de mesures de température en milieu poreux .
Les capteurs invasifs les plus courants sont les thermocouples, les capteurs de température à résistance (en anglais Resistance Temperature Detectors, RTD), les thermistances, etc. Les capteurs RTD sont développés souvent à partir du platine sous la forme de « sonde platine » (Pt100, Pt1000). Il existe également d’autres matériaux comme le nickel, l’or ou le cuivre qui sont également utilisés. Le principe des capteurs RTD est basé sur le changement de résistance du métal qui varie presque linéairement avec les variations de températures. Les thermistances se basent également sur le changement de résistance. Cependant, dans ce cas, au lieu d’utiliser un métal, on utilise un semi-conducteur. Les thermistances sont plus sensibles aux variations de température que les RTD, cependant elles ont une réponse fortement non linéaire.
Les thermocouples sont moins onéreux que les RTD et les thermistances. Cependant, les thermocouples restent quand même précis pour les mesures de température. Ils sont les capteurs de température les plus souvent utilisés pour les mesures de température en milieu poreux, car ils peuvent fonctionner sur une large gamme de températures. Il existe différents types de thermocouple. Les plus utilisés sont le type J et le type K. Par ailleurs, les thermocouples ne nécessitent aucune alimentation contrairement aux RTD et thermistances. Cette caractéristique des thermocouples facilite leur transport et leur utilisation dans nombreuses condition de mesures (au laboratoire ou sur le terrain). Astarita et al. (2006) ont présenté une étude critique des techniques de mesures de la température de façon invasive.
Les capteurs non invasifs : Les capteurs non invasifs, tels que les caméras thermiques n’exigent pas de contact physique avec le milieu. Il existe plusieurs techniques de mesures non invasives. On peut citer entre autre la thermographie par Cristaux Liquides Thermochromiques (CLT) et la Thermographie Infrarouge (IRT).
Le potentiel spontané
La méthode du potentiel spontané (PS) est une méthode géophysique passive qui mesure la distribution du courant électrique naturel. Les sources naturelles de courant électrique peuvent être de différente nature : hydraulique, thermique, chimique, biologique et anthropique. Dans ces travaux, nous nous intéressons particulièrement à le potentiel d’électrofiltration : le phénomène d’électrofiltration correspond à la génération d’un champ électrique en réponse à une circulation de fluides dans le milieu poreux ou fracturé d’une roche ; le potentiel thermoélectrique : Le couplage thermoélectrique correspond à l’apparition d’un gradient de potentiel électrique dans un milieu lorsque celui-ci est soumis à un gradient de température. Ce gradient de température crée une séparation de charges par diffusion différentielle des ions dans le milieu poreux. Le potentiel thermoélectrique est particulièrement étudié dans les zones volcaniques et géothermiques. Ikard et Revil (2014) ont utilisé la méthode du potentiel spontané de façon non intrusive pour détecter les voies préférentielles d’écoulements pendant un traçage thermique. Dans leur étude, ils ont mis en évidence des anomalies thermoélectriques négatives associées aux variations thermiques dans le milieu . Les résultats montrent bien les signaux de potentiel spontané peuvent être utilisés pour localiser et suivre le flux thermique dans les milieux poreux hétérogènes. Cette méthode est par conséquent adaptée pour cartographier les voies d’écoulement préférentielles.
Table des matières
Chapitre 1 : Introduction générale
1. Présentation du contexte général
2. Principaux objectifs et organisation du manuscrit
2.1. Objectifs de la thèse
2.2. Organisation du manuscrit
3. Mécanismes de transport en milieu poreux
3.1 Convection thermique
3.2 Conduction thermique
3.3 Exemple d’application du traçage thermique dans un aquifère alluvial
4 Hydrogéophysique : Potentiel spontané
4.1 Le potentiel spontané
5 Les capteurs de température
5.1 Les capteurs invasifs
5.2 Les capteurs non invasifs
Références
Chapitre 2 : Tomographie hydraulique à partir de données ponctuelles de température
Enjeux et démarche
1. Introduction
2. Laboratory investigation
2.1. Experimental setup
2.2. Experimental results
3. Constitutive equations
3.1. Groundwater flow and heat transport equations
4. Inversion methodology
4.1. Hamiltonian Monte Carlo algorithm
4.2. Karhunen-Loève expansion
4.3. Results and discussion
5. Conclusion
References
Synthèse
Chapitre 3 : Tomographie hydraulique à partir de l’inversion de données d’infrarouge thermiques
Enjeux et démarche
1. Introduction
2. Laboratory set up
3. Infrared thermography (IRT) data
3.1 Theory of IRT
3.2 Experimental results
4. Background theory
4.1 The heat transport equations
5. Inversion methodology (GA)
5.1 Genetic Algorithm (GA)
6. Results and discussion
7. Conclusion
References
Synthèse
Chapitre 4 : Tomographie hydraulique par inversion de données de potentiel spontané issues d’un traçage thermique
Enjeux et démarche
1. Introduction
2. Sandbox experiment
2.1. Experimental results
3. Background theory
3.1. Heat transport equation
3.2. Governing SP equations
3.3. Thermoelectric coupling coefficient
4. Inversion methodology
4.1. Karhunen-Loève parametrization
5. Results and discussion
6. Conclusion
References
Synthèse
Chapitre 5 : Tomographie hydraulique par inversion de données de potentiel spontané issues d’un traçage salin
Enjeux et démarche
1. Introduction
2. Experimental Setup
2.1. Experimental results
3. Forward Modeling
4. Inverse modeling
4.1. Karhunen- Loève expansion
5. Results and discussion
6. Conclusion
References
Synthèse
Conclusion générale
