{"id":12349,"date":"2025-01-14T13:05:49","date_gmt":"2025-01-14T12:05:49","guid":{"rendered":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/?p=12349"},"modified":"2025-01-14T13:07:12","modified_gmt":"2025-01-14T12:07:12","slug":"structural-heterogeneity-and-permeability-of-porous-media","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/wp.unil.ch\/geoblog\/2025\/01\/structural-heterogeneity-and-permeability-of-porous-media\/","title":{"rendered":"Structural Heterogeneity and Permeability of Porous Media"},"content":{"rendered":"
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Th\u00e8se en sciences de la Terre, soutenue le 16 janvier 2025 par Wenqiao Jiao, rattach\u00e9 \u00e0 l’Institut des sciences de la Terre (ISTE) de la FGSE.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Les propri\u00e9t\u00e9s structurelles d\u2019un syst\u00e8me poreux (comme le sol, les aquif\u00e8res, mais aussi les syst\u00e8mes de filtration ou les tissus biologiques) contr\u00f4lent la mani\u00e8re dont ils peuvent accueillir le transfert de fluides (flux). En particulier, la perm\u00e9abilit\u00e9 intrins\u00e8que du milieu quantifie la relation entre la vitesse moyenne du fluide, se d\u00e9pla\u00e7ant \u00e0 travers un syst\u00e8me poreux, et la diff\u00e9rence de pression n\u00e9cessaire pour la produire. Pour les syst\u00e8mes spatialement homog\u00e8nes, il existe des mod\u00e8les permettant de pr\u00e9dire la perm\u00e9abilit\u00e9 du milieu \u00e0 partir de ses caract\u00e9ristiques macroscopiques (c\u2019est-\u00e0-dire la porosit\u00e9 et la taille moyenne des grains). Ce travail \u00e9tudie le probl\u00e8me de la d\u00e9termination de la perm\u00e9abilit\u00e9 d\u2019un syst\u00e8me poreux caract\u00e9ris\u00e9 par une structure complexe. Le d\u00e9fi commun des milieux poreux h\u00e9t\u00e9rog\u00e8nes est leur nature multi-\u00e9chelle, associ\u00e9e \u00e0 la large gamme de tailles et de formes que leurs pores peuvent avoir. Par exemple, la taille des pores d\u2019un \u00e9chantillon individuel peut s\u2019\u00e9tendre de quelques microns \u00e0 quelques millim\u00e8tres. La th\u00e8se est organis\u00e9e en une introduction, 3 chapitres de recherche et une conclusion.<\/p>\n\n\n\n

Dans le premier chapitre de recherche, je pr\u00e9sente un mod\u00e8le pour caract\u00e9riser la perm\u00e9abilit\u00e9 intrins\u00e8que des milieux poreux \u00e0 tailles de pores variables. Pour valider ce mod\u00e8le, j\u2019ai con\u00e7u et r\u00e9alis\u00e9 des exp\u00e9riences microfluidiques avec plusieurs structures poreuses de distribution al\u00e9atoire (mais contr\u00f4l\u00e9e) de la taille des pores. Alors que les mod\u00e8les traditionnels ne peuvent pas pr\u00e9dire la perm\u00e9abilit\u00e9 des structures poreuses h\u00e9t\u00e9rog\u00e8nes, mon mod\u00e8le le peut. Il int\u00e8gre explicitement la variabilit\u00e9 spatiale des tailles de pores gr\u00e2ce \u00e0 la conceptualisation du syst\u00e8me comme une s\u00e9rie de milieux poreux \u00e0 plus petite \u00e9chelle.<\/p>\n\n\n\n

Le deuxi\u00e8me chapitre de recherche est consacr\u00e9 \u00e0 l\u2019exploration de la croissance du biofilm dans les milieux poreux. Dans la premi\u00e8re partie de ce chapitre, je pr\u00e9sente une \u00e9tude sur la fa\u00e7on dont un biofilm grandit et affecte l\u2019\u00e9coulement dans les environnements poreux qui sont caract\u00e9ris\u00e9s par une taille de pores variable. Gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019exp\u00e9rimentation microfluidique et \u00e0 la microscopie optique, je montre que le d\u00e9veloppement du biofilm (par division de cellules bact\u00e9riennes individuelles), influenc\u00e9 par la vitesse d\u2019\u00e9coulement et la disponibilit\u00e9 des nutriments, modifie consid\u00e9rablement la structure poreuse en r\u00e9duisant les pores individuels, conduisant finalement \u00e0 leur colmatage qui modifie la perm\u00e9abilit\u00e9. L\u2019interaction entre l\u2019accumulation du biofilm et les conditions d\u2019\u00e9coulement entra\u00eene des variations dynamiques de perm\u00e9abilit\u00e9, qui sont captur\u00e9es par un mod\u00e8le pr\u00e9dictif que j\u2019ai d\u00e9velopp\u00e9, et qui refl\u00e8te le colmatage induit par le biofilm au fil du temps.<\/p>\n\n\n\n

La deuxi\u00e8me partie de ce chapitre \u00e9tudie les m\u00e9canismes biochimiques qui r\u00e9gissent le comportement bact\u00e9rien dans les milieux poreux caract\u00e9ris\u00e9s par des grains de formes diff\u00e9rentes (au lieu de tailles diff\u00e9rentes). J\u2019ai explor\u00e9 comment les interactions m\u00e9di\u00e9es par l\u2019\u00e9coulement permettent \u00e0 la bact\u00e9rie Escherichia coli sp.<\/em> de coloniser une structure poreuse compos\u00e9e de pores h\u00e9t\u00e9rog\u00e8nes en cul-de-sac (DEP, ou cavit\u00e9s d\u2019un grain) et de canaux de percolation, c\u2019est-\u00e0-dire de pores de transmission (TP, espace entre les grains), imitant la surface structur\u00e9e de l\u2019intestin des mammif\u00e8res ou de certaines structures du sol. En pr\u00e9sence d\u2019\u00e9coulement, les gradients de la mol\u00e9cule du quorum sensing (QS), l\u2019autoinducteur-2 (AI-2), s\u00e9cr\u00e9t\u00e9e par les cellules euxm\u00eames, favorisent l\u2019accumulation chimiotactique d\u2019E. coli dans les DEP. Cela se traduit par des hot-spots d\u2019accumulation o\u00f9 le Quorum Sensing se produit, d\u00e9clenchant une croissance rapide et une \u00e9vasion m\u00e9canique de la biomasse des DEP appauvris en nutriments et en oxyg\u00e8ne.<\/p>\n\n\n\n

Le dernier chapitre de recherche \u00e9tudie l\u2019impact du processus de dissolution \u00e0 l\u2019\u00e9chelle microscopique des roches sur leur h\u00e9t\u00e9rog\u00e9n\u00e9it\u00e9 structurelle et, par cons\u00e9quent, sur la perm\u00e9abilit\u00e9 macroscopique. L\u2019\u00e9tude est r\u00e9alis\u00e9e via i) des simulations num\u00e9riques bidimensionnelles et ii) des exp\u00e9riences microfluidiques con\u00e7ues pour visualiser directement la dissolution individuelle des grains, tout en surveillant la perm\u00e9abilit\u00e9 globale du syst\u00e8me macroscopique. J\u2019observe comment la structure d\u2019un syst\u00e8me poreux change en raison de la dissolution et je montre que le mod\u00e8le propos\u00e9 dans le deuxi\u00e8me chapitre capture l\u2019effet de ces changements dynamiques sur la perm\u00e9abilit\u00e9 du syst\u00e8me.<\/p>\n\n\n\n

En conclusion, j\u2019ai d\u00e9velopp\u00e9 des mod\u00e8les th\u00e9oriques et des outils exp\u00e9rimentaux pour \u00e9tudier comment la structure spatialement variable (h\u00e9t\u00e9rog\u00e8ne) d\u2019un syst\u00e8me poreux contr\u00f4le le transfert de fluide (perm\u00e9abilit\u00e9) et comment, \u00e0 leur tour, les processus induits par l\u2019\u00e9coulement (comme la croissance du biofilm ou la dissolution des roches) modifient la structure poreuse et, par cons\u00e9quent, sa perm\u00e9abilit\u00e9.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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