Characterizing Fracture Aperture and Transport Dynamics with Hydrogeophysics: Theoretical and Experimental Advances

Thèse soutenue par Alexis SHAKAS, le 27 octobre 2017, Institut des sciences de la Terre (ISTE)

En géologie, les milieux fracturés sont définis par des fractures intégrées dans des roches, comme dans les nappes phréatiques et ils peuvent entre autres servir à stocker des déchets nucléaires. Sur sa longueur, une fracture comporte plusieurs tailles d’ouverture et la caractérisation de ces ouvertures est essentielle pour prédire certains processus comme l’écoulement de l’eau souterraine.

Pour caractériser ces fractures, on utilise des méthodes hydrogéophysiques. Au cours de cette thèse, nous avons réalisé la première expérience avec la méthode géophysique du géoradar (GPR) couplée à un test hydrologique push-pull pour visualiser un traceur salin (de l’eau salée). Lors d’un test push-pull, le traceur salin est injecté dans une fracture et ensuite pompé pour être récupéré. Pendant la phase de récupération, la concentration du traceur est mesurée. Elle nous renseigne sur les propriétés générales de la roche fracturée mais pas sur chacune des fractures. La technique géophysique de GPR a donc été choisie en complément puisqu’elle permet d’obtenir des images de la migration spatiale du même traceur dans la fracture. Grâce à la capacité du sel à conduire l’électricité, un signal fort est capté par le GPR. C’est une méthode analogue à l’imagerie par résonnance magnétique (IRM) qui est réalisée en médecine pour visualiser un agent de contraste dans les organes.

Nos résultats suggèrent que les traceurs salins induisent des effets de densité. Pour s’affranchir de ces effets nous avons développé un traceur de densité neutre et conducteur d’électricité, constitué d’eau salée et d’éthanol. Ce traceur a été validé pour l’acquisition d’informations sur la dynamique du flux naturel dans la roche fracturée. Il peut être utilisé pour toutes les applications hydrogéophysiques où un contraste de conductivité électrique est nécessaire. Aussi, nous avons créé un modèle qui permet de simuler la propagation d’un signal GPR dans la roche ainsi que sa réflexion par des fractures hétérogènes.

Nous avons montré que le modèle le plus souvent utilisé, qui considère une ouverture constante le long des fractures, donne des résultats biaisés pour l’inférence de l’ouverture moyenne d’une fracture hétérogène. Les méthodes présentées peuvent être utilisées pour nous renseigner sur les propriétés d’une fracture à partir de données réelles.

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