Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 16 janvier 2025 par Wenqiao Jiao, rattaché à l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.
Les propriétés structurelles d’un système poreux (comme le sol, les aquifères, mais aussi les systèmes de filtration ou les tissus biologiques) contrôlent la manière dont ils peuvent accueillir le transfert de fluides (flux). En particulier, la perméabilité intrinsèque du milieu quantifie la relation entre la vitesse moyenne du fluide, se déplaçant à travers un système poreux, et la différence de pression nécessaire pour la produire. Pour les systèmes spatialement homogènes, il existe des modèles permettant de prédire la perméabilité du milieu à partir de ses caractéristiques macroscopiques (c’est-à-dire la porosité et la taille moyenne des grains). Ce travail étudie le problème de la détermination de la perméabilité d’un système poreux caractérisé par une structure complexe. Le défi commun des milieux poreux hétérogènes est leur nature multi-échelle, associée à la large gamme de tailles et de formes que leurs pores peuvent avoir. Par exemple, la taille des pores d’un échantillon individuel peut s’étendre de quelques microns à quelques millimètres. La thèse est organisée en une introduction, 3 chapitres de recherche et une conclusion.
Dans le premier chapitre de recherche, je présente un modèle pour caractériser la perméabilité intrinsèque des milieux poreux à tailles de pores variables. Pour valider ce modèle, j’ai conçu et réalisé des expériences microfluidiques avec plusieurs structures poreuses de distribution aléatoire (mais contrôlée) de la taille des pores. Alors que les modèles traditionnels ne peuvent pas prédire la perméabilité des structures poreuses hétérogènes, mon modèle le peut. Il intègre explicitement la variabilité spatiale des tailles de pores grâce à la conceptualisation du système comme une série de milieux poreux à plus petite échelle.
Le deuxième chapitre de recherche est consacré à l’exploration de la croissance du biofilm dans les milieux poreux. Dans la première partie de ce chapitre, je présente une étude sur la façon dont un biofilm grandit et affecte l’écoulement dans les environnements poreux qui sont caractérisés par une taille de pores variable. Grâce à l’expérimentation microfluidique et à la microscopie optique, je montre que le développement du biofilm (par division de cellules bactériennes individuelles), influencé par la vitesse d’écoulement et la disponibilité des nutriments, modifie considérablement la structure poreuse en réduisant les pores individuels, conduisant finalement à leur colmatage qui modifie la perméabilité. L’interaction entre l’accumulation du biofilm et les conditions d’écoulement entraîne des variations dynamiques de perméabilité, qui sont capturées par un modèle prédictif que j’ai développé, et qui reflète le colmatage induit par le biofilm au fil du temps.
La deuxième partie de ce chapitre étudie les mécanismes biochimiques qui régissent le comportement bactérien dans les milieux poreux caractérisés par des grains de formes différentes (au lieu de tailles différentes). J’ai exploré comment les interactions médiées par l’écoulement permettent à la bactérie Escherichia coli sp. de coloniser une structure poreuse composée de pores hétérogènes en cul-de-sac (DEP, ou cavités d’un grain) et de canaux de percolation, c’est-à-dire de pores de transmission (TP, espace entre les grains), imitant la surface structurée de l’intestin des mammifères ou de certaines structures du sol. En présence d’écoulement, les gradients de la molécule du quorum sensing (QS), l’autoinducteur-2 (AI-2), sécrétée par les cellules euxmêmes, favorisent l’accumulation chimiotactique d’E. coli dans les DEP. Cela se traduit par des hot-spots d’accumulation où le Quorum Sensing se produit, déclenchant une croissance rapide et une évasion mécanique de la biomasse des DEP appauvris en nutriments et en oxygène.
Le dernier chapitre de recherche étudie l’impact du processus de dissolution à l’échelle microscopique des roches sur leur hétérogénéité structurelle et, par conséquent, sur la perméabilité macroscopique. L’étude est réalisée via i) des simulations numériques bidimensionnelles et ii) des expériences microfluidiques conçues pour visualiser directement la dissolution individuelle des grains, tout en surveillant la perméabilité globale du système macroscopique. J’observe comment la structure d’un système poreux change en raison de la dissolution et je montre que le modèle proposé dans le deuxième chapitre capture l’effet de ces changements dynamiques sur la perméabilité du système.
En conclusion, j’ai développé des modèles théoriques et des outils expérimentaux pour étudier comment la structure spatialement variable (hétérogène) d’un système poreux contrôle le transfert de fluide (perméabilité) et comment, à leur tour, les processus induits par l’écoulement (comme la croissance du biofilm ou la dissolution des roches) modifient la structure poreuse et, par conséquent, sa perméabilité.
