Impact des processus de mélange sur les réactions biochimiques dans les environnements terrestres – subsurface mixing and reaction

Le mélange des éléments chimiques et des nutriments dans les milieux souterrains (sols, lits de rivière, eau souterraine) est un processus fondamental pour transport des éléments chimiques et des contaminants dans les environnements continentaux. Dans ces milieux, l'activité biochimique est souvent localisée dans des zones de mélange, appelées "hotspots", telles que l'interface entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Ces zones de mélange sont généralement caractérisées par une dynamique complexe des écoulements, une saturation en eau potentiellement variable, des conditions redox fluctuantes et des communautés biologiques multifonctionnelles. Bien que des progrès importants aient été obtenus dans la caractérisation et la modélisation des processus de transport dans les milieux souterrains, leur couplage avec les réactions biochimiques reste une question largement ouverte. En particulier, la forte variabilité spatiale des vitesses d'écoulement dans ces milieux induit des fluctuations spatiales significatives des concentrations en soluté, avec pour conséquence une dépendance d’échelle attendue, mais actuellement inconnue, des taux de réaction effectifs. En conséquence, les prédictions effectuées à partir de mesures de laboratoire en batch bien mélangés, peuvent différer par des ordres de grandeur des observations sur le terrain.

L’objectif du projet est de développer et tester un cadre de modélisation du transport réactif dans les milieux souterrains, intégrant la variabilité spatiale des écoulements et des concentrations via de nouveaux concepts de représentation du mélange des fluides dans les milieux poreux. Des retombées scientifiques fondamentales importantes sont attendues pour la prédiction du transport réactif des éléments chimiques dans les systèmes hydrologiques. Des implications fortes sont également prévues à terme pour des applications industrielles, telles que la remédiation des sols et aquifères ou l’exploitation géothermique.

Le projet se décline en trois tâches. La première tâche vise à étendre le cadre théorique de modélisation du mélange des éléments conservatifs dissous dans les milieux poreux, récemment proposé par le responsable scientifique du projet (Le Borgne et al., Phys. Rev. Lett. 2013), à la modélisation des processus réactifs résultant du mélange. L’originalité de l’approche, issue des théories de mélange dans les écoulements turbulents, est de quantifier le couplage entre déformation fluide, transfert de masse diffusif, et réactions chimiques, contrôlant les taux de réaction effectifs dans les fronts de mélange complexes. Des dispositifs expérimentaux milli et micro-fluidiques innovants seront mis en place dans la deuxième tâche du projet, en vue d’imager la distribution spatiale complète des concentrations et des taux de réaction à l’échelle élémentaire du pore. Cette étape de validation des modèles en conditions de laboratoire extrêmement bien contrôlées est indispensable avant l’application à l’échelle de terrain, par essence beaucoup plus complexe. Dans la troisième tâche, l’étape de validation in situ sera entreprise en tirant profit des synergies avec des projets en cours au sein de l’équipe d’hydrogéologie de Rennes (thèse ADEME, ANR stock-en-socle), et en s’appuyant sur les infrastructures expérimentales nationales (observatoire H+, equipex CRITEX), qui fourniront des premières données expérimentales quantitatives permettant d’étudier les taux de réaction in situ dans différents conditions d’écoulement et d’étudier les effets d’échelles sur les taux de réaction effectifs.

Le projet vise ainsi à promouvoir le développement d’une nouvelle activité de recherche basée sur des collaborations interdisciplinaires à l’échelle nationale (Géosciences Rennes, IPR, IRPHE Marseille), ainsi que sur des collaborations internationales bien établies (CSIC Barcelona) et naissantes (UC Davis, CSIRO Melbourne) avec les groupes leaders dans ce domaine.