Etude multi-échelle des propriétés structurales et dynamiques de l’eau et des ions dans les milieux poreux de smectite – POROUSCLAY

A la surface de la Terre ou à sa sub-surface, de nombreux processus localisés à l'interface entre les fluides et les minéraux constitutifs des roches conduisent à des modifications importantes du matériau géologique initial. La compréhension de ces interactions nécessite de coupler différentes informations, telles que la minéralogie et la texture du matériau, les réactions chimiques qui s?y opèrent, etc? Pour la plupart des minéraux, les interactions sont limitées à la surface des particules et les minéraux argileux, de par leur petite taille et leur grande surface spécifique, sont connus pour être parmi les composants les plus réactifs. Parmi ces minéraux argileux, les argiles gonflantes (smectites) présentent de plus la capacité d?adsorber de l?eau et des ions dans leurs structures cristallines. Ceci provoque un gonflement de la structure et conduit à une modification complète du réseau poreux initial et des chemins préférentiels de circulation du fluide. Pour ces raisons les smectites contrôlent en majeure partie les propriétés physiques et chimiques des environnements/roches dans lesquels elles sont présentes (sols, roches sédimentaires, barrière de confinement pour déchets). Dans le but de contraindre un modèle de transport réactif de l?eau et de ces ions dans un milieu poreux de type smectite, ce projet vise à fournir une compréhension et une caractérisation complète des différents processus localisés dans un volume fini inférieur au millimètre cube dont les propriétés spatiales et dynamiques pourront être étendues à de plus grandes échelles. Pour les smectites, ce volume doit considérer la présence de différents sites d?adsorption ou de réservoirs pour l?eau et les cations (sites cristallins, micro- à macropores) en prenant en compte les hétérogénéités réelles du système à toutes les échelles d?observation. Ceci ne peut être réalisé que sur la base d?une approche multi-technique. Le programme expérimental considèrera 4 échantillons de smectites ayant des cristallochimies différentes (quantité et localisation de la charge foliaire). De plus deux types de cations interfoliaires seront considérés : Na et Ca, deux éléments très abondants dans les eaux naturelles et ayant une influence contrastée sur (i) les propriétés d?hydratation et de gonflement du milieu et (ii) sur la mobilité de l?eau. La première tâche se concentrera sur la détermination de la localisation des différents types d?eau (eau interfoliaire ou des meso- et macropores) en fonction de l?humidité relative. Ce bilan de distribution de l?eau est une information préalable à la détermination du degré d?hydratation auquel des changements dans l?organisation et la dynamique de l?eau son susceptibles d?être observés. L?objectif de la seconde tâche résidera dans la détermination des paramètres contrôlant l?organisation et la dynamique de l?eau et des ions dans l?espace interfoliaire, représentant les principaux sites de sorption pour des humidités relatives < 80%. Ceci sera réalisé en couplant précisément (i) les données obtenues sur l?organisation de l?eau et des ions interfoliaires avec leur propriété dynamique et (ii) des données issues de simulations moléculaires avec des mesures expérimentales. La troisième tâche se focalisera sur l?organisation du système à l?échelle mésoscopique, échelle des agrégats de feuillets séparés par des mésopores. Son objectif sera d?établir un modèle cohérent de l?organisation du milieu poreux en fonction de l?humidité relative, en prenant en compte les informations obtenues aux échelles cristallines et moléculaires. La quatrième tâche de ce projet sera l?étude du gonflement macroscopique du milieu en fonction de l?humidité relative en prenant en compte les informations obtenues aux plus petites échelles. Il s?agira de quantifier le gonflement des macro-agrégats d?argile et la diminution résultante de l?espace poral disponible pour l?eau. Enfin une cinquième tâche se focalisera sur l?influence de l?organisation du milieu (rapport eau/smectite) sur les constantes d?échange Ca-Na entre le milieu et le fluide à son contact. Le modèle d?échange d?ions ainsi obtenu permettra de prédire le processus d?échange cationique en fonction de l?espace poral accessible. Les transports réactifs conduisant à la migration d?éléments sont gouvernés par des processus élémentaires localisés aux petites échelles, qui sont généralement peu pris en compte dans les modèles ou le sont par le biais de paramètres ajustables et non mesurés physiquement. Les résultats issus de ces travaux seront testés expérimentalement dans une sixième tâche (non financée par le présent programme ANR) afin d?améliorer les modèles existants. Les modèles ainsi obtenus sur la base d?un nombre restreint de paramètres caractéristiques du système (cristallochimie des feuillets et humidité relative) pourront être utilisés afin de prédire la migration de fluides et d?éléments dans les roches sédimentaires, les barrières ouvragées mais aussi les sols.