La méthode de polarisation spontanée (PS) consiste en la mesure du potentiel électrique naturellement présent dans le sol. Elle est la seule méthode sensible aux écoulements d'eau souterrains. Les principaux objectifs de cette thèse ont été de (1) déterminer l'influence de la conductivité de surface et du régime d'écoulement sur le coefficient de couplage électrocinétique (paramètre crucial pour l'interprétation des signaux de PS), (2) de montrer l'efficacité de la PS dans la mise en évidence des phénomènes hydromécaniques et (3) de caractériser les écoulements de fluides en contexte volcanique. Nous avons développé un modèle corrigeant le coefficient de couplage électrocinétique à la<br />fois des effets de la conductivité de surface et du nombre de Reynolds. La validité de ce modèle a été confirmée grâce à des expériences réalisées sur billes de verre. Lors d'expériences en cuve, la méthode du potentiel spontané associée à un appareillage de haute sensibilité nous a permis de caractériser la signature électrique liée à des phénomènes<br />hydromécaniques. Utilisées à partir des enregistrements de PS réalisés à la surface de la cuve les méthodes d'analyse en ondelettes et d'intercorrelation ont montré la nature dipolaire de la source électrique liée à de telles perturbations et ont permis sa localisation. Sur le Stromboli en Italie, nous avons utilisé une approximation au premier ordre de la relation entre l'épaisseur de la zone vadose et l'anomalie de PS afin de déterminer la profondeur d'un aquifère situé sur le flanc est du volcan.

L'excès de charges négatif à la surface des minéraux argileux ainsi que leur très grande surface spécifique confèrent aux milieux riches en argile des propriétés de transport très favorables pour le stockage des déchets radioactifs de haute activité et à vie longue. Le principal mécanisme de migration des radionucléides correspond à leur diffusion au sein de la formation argileuse en raison de la très faible conductivité hydraulique du milieu. L'objectif de cette thèse a été de réaliser et de valider par des expériences en laboratoire un modèle de transport mécanistique incluant explicitement les propriétés électrochimiques de l'interface minéral/solution pour des milieux argileux compacts. Nous avons donc réalisé un modèle de transport macroscopique en s'affranchissant de l'hypothèse d'une couche diffuse fine à l'interface minéral/solution. Nous avons aussi développé et validé un modèle de triple couche électrique basé sur des considérations cristallographiques et distinguant les sites de surface silanols, aluminols et SiOAl. Les prédictions du modèle de transport sont en accord avec les valeurs des diffusivités ioniques et hydrauliques déterminées grâce aux mesures des champs électriques liés aux perturbations salines (potentiel de membrane) et hydriques (potentiel d'électrofiltration). La diffusivité du sel augmente en fonction de la force ionique du milieu car elle dépend des variations du potentiel de membrane. Nous avons également réussi à prédire les valeurs des coefficients de diffusion effectifs des traceurs ioniques monovalents en fonction du degré de compaction de la bentonite MX-80 et de la force ionique du milieu.

Résumé : Au Québec, les ouvrages hydrauliques représentent une source indéniable pour la production d’énergie et la gestion hydraulique, et par conséquent un moteur nécessaire pour le développement socioéconomique. De ce fait, une conception adéquate et des inspections continues sont nécessaires pour assurer la stabilité et la sécurité de ces ouvrages. Ainsi, les anomalies dans les barrages doivent être localisées dans le plus court délai. L’érosion interne est la cause principale de la rupture des ouvrages en remblai. En conséquence, l’infiltration de l’eau dans les barrages, qui engendre le phénomène d’érosion interhe, doit être détectée. Quelques méthodes non destructives ont été développées pour ausculter ces ouvrages et déterminer le niveau piézométrique dans les ouvrages en remblai. Dans le cadre de ce projet, la méthode de la polarisation spontanée a été adoptée. Cette méthode consiste à mesurer de façon passive un champ électrique généré à la surface des particules du sol par électrofiltration. Le phénomène d’électrofiltration est défini par la circulation hydrique dans la matrice poreuse d ’un matériau qui engendre un champ électrique mesurable à la surface du sol. Des essais au laboratoire de l’Université de Sherbrooke ont été réalisés pour déterminer l’effet de la circulation de l’eau sur les propriétés électriques de différents matériaux. Un dispositif d’essai a été développé et utilisé pour les essais et le modèle théorique est celui de Helmholtz-Smoluchowski. Durant les essais, l’influence de la charge hydraulique, de la température et de la granulométrie sur les propriétés électriques des matériaux ont été vérifiées. Les expériences ont pour objectif primaire de déterminer le rapport entre le coefficient de couplage et le potentiel zêta en utilisant la méthode de la polarisation spontanée. Les résultats expérimentaux obtenus ont été comparés avec des valeurs tirées de la littérature pour tester le modèle et le protocole utilisés. Étant donné que les données expérimentales correspondent avec les valeurs acceptées dans la communauté scientifique, le modèle expérimental adopté peut être considéré fiable. Ce projet est un préalable pour une recherche future qui permettra de développer un algorithme d’inversion pour déterminer et localiser les anomalies dans les ouvrages en remblai. Les études expérimentales ont démontrées que la charge hydraulique a eu un effet considérable sur les propriétés électriques des différents matériaux. Le coefficient de couplage et le potentiel zêta varie proportionnellement avec la charge hydraulique. De plus, les propriétés électriques ont subi une variation en fonction de la température du fluide. Enfin, le coefficient de couplage et le potentiel zêta des différents matériaux ont subi des variations proportionnelles à l’uniformité de chacun des matériaux. Pour un matériau plus uniforme, le coefficient de couplage est plus faible et le potentiel zêta est plus élevé. // Abstract : In Quebec, hydraulic represents an undeniable source for energy production and therefore needed an engine for economie development. Therefore, proper design and ongoing inspections are necessary to ensure the stability and safety of these structures. Thus, abnormaiities in embankment dams should be located in the shortest time. The internai erosion is the main cause of the failure of embankment dams. Consequently, the infiltration of water in dams, which generates the internai erosion, should be detected. Several non-destructive methods have been developed to auscultate these structures and determine the groundwater level in the embankment works. In this project, the self-potential (SP) method was adopted. This method consists in measuring a passive electric field at the surface of the soil. The phenomenon is defined by the electrofiltration circulation water into the porous matrix of a material which generates a measurable electric current to the ground surface. Laboratory tests at the Université de Sherbrooke were performed to determine the effect of water flow on the electrical properties for different materials. Plexiglas pipe was used for testing and the theoretical model is the Helmholtz-Smoluchowski. During the tests, the influence of hydraulic loading and temperature on the electrical properties of the materials has been checked. The experiments aim at determining the primary relationship between the coupling coefficient and zeta potential using the self-potential (SP) method. The experimental results were compared with values from the literature to confirm the model and protocol used. Thus since that the experimental data are consequent with those theoretical, experimental model adopted can be considered as reliable. This project is a prerequisite for future research that will develop an inversion algorithm to identify and locate anomalies in the embankment dams. Experimental studies have demonstrated that the hydraulic load had a significant effect on the electrical properties of different materials. The coupling coefficient and the zeta potential vary proportionally to the hydraulic load. In addition, the electrical properties underwent change depending on the fluid temperature. Finally, the coupling coefficient and zeta potential of different materials have fluctuated proportionally to the uniformity of each material. For a more uniform material, the coupling coefficient is lower and the zeta potential is higher.

Le potentiel rédox et la conductivitée du fluide d'un panache de contamination sont deux paramètres clefs pour la surveillance des sites contaminées. L'objectif de ce travail de thèse est de montrer que les méthodes de résistivité et de potentiel spontané apportent des informations spatialisées sur ces deux paramètres. Ces méthodes permettent ainsi de minimiser et d'optimiser l'implantation de piézomètres de contrôle. L'application de la méthode de résistivité électrique sur le site d'Entressen en Provence (C.E.T. de Classe 2) a permis d'obtenir une carte de la conductivité du fluide de l'aquifère, définissant ainsi l'extension du panache de contamination. Les signaux de potentiel spontané mesurés sur les sites contaminés sont associés à l'écoulement de l'eau dans le sous-sol (phénomène d'électrofiltration) et à la présence de contaminants organiques (phénomène que nous appelons "électro-rédox"). Les études antérieures avaient mis en évidence l'existence d'anomalies de potentiel spontané aux abords de sites contaminés, sans pour autant parvenir à expliquer physiquement ce phénomène. Nous avons donc développé un modèle de (bio)-géobatterie naturelle, dans lequel les bactéries jouent le rôle de transfert d'électrons entre la zone réduite du panache et la zone oxydée. Le courant électrique qui en résulte est à l'origine des anomalies de potentiel électrique mesurées à la surface du sol. Pour valider ce modèle, nous avons réalisé des expériences de terrain (Entressen en Provence et Trecate en Italie) ainsi que des expériences en cuve en présence de bactéries sulfato-réductrices. Les résultats de terrain et de laboratoire sont en accord avec le modèle, montrant un couplage linéaire entre potentiel spontané et potentiel rédox.

Dans ce mémoire sont présentés des résultats expérimentaux des phénomènes d'électrofiltration pour des conditions physico-chimiques représentatives de systèmes naturels, ainsi qu'une comparaison des mesures de laboratoire avec des mesures de polarisation spontanée (PS) effectuées sur le terrain. Les résultats expérimentaux montrent que : a) la circulation d'un fluide en condictions diphasiques n'augmente pas le coefficient d'électrofiltration [Guichet et al., J.G.R., 2003] comme cela a été longtemps suspecté, b) la présence de minéraux néoformés (calcite et hydroxydes d'aluminium) peut masquer les propriétés électriques de la roche sur laquelle ils précipitent. Ainsi une inversion du signe du coefficient de couplage électrocinétique est observée avec les deux minéralogies secondaires étudiées [Guichet and Zuddas, G.R.L., 2003], rendant inexacte l'interprétation qualitative habituelle des mesures PS. <br />Des mesures de coefficients de couplage PS mesurés sur le terrain, et des analyses géochimiques de fluides ont été regroupées, et comparées à l'ensemble des données de laboratoire. L'ordre de grandeur des mesures de terrain coïncide avec l'ordre de grandeur de mesures de laboratoire, lorsque les mesures PS sont faites à proximité de sources. Sinon plusieurs hypothèses, reflétant souvent des modèles géologiques très différents, peuvent être avancées pour imputer l'origine du signal PS à des circulations de fluides ayant été échantillonnées régionalement. Finalement un suivi géochimique des fluides est indispensable pour interpréter correctement les données d'électrofiltration.<br />Enfin nous avons suivi l'électrofiltration lors de précipitation de calcite, dans la gamme de pH 4 à 12 et montré que l'électrofiltration change de signe sous certaines conditions, et interprété ces mesures par une modélisation de la triple-couche électrique [Guichet et al., G. J. I., 2006].

Cette thèse a pour objet l'étude des couplages électrocinétiques en milieux non-saturés : d'une part les phénomènes d'électrofiltration liés à l'écoulement de l'eau, et d'autre part les couplages sismo-électriques, c'est à dire le champ électrique associé à la propagation d'une onde sismique sur le terrain. Ces couplages existent en raison du mouvement de particules chargées présentes dans l'eau. Le premier axe développé est une approche expérimentale. Des différences de potentiels d'électrofiltration ont été mesurées lors d'expériences de drainage réalisées dans une colonne de sable. Ces mesures combinées aux mesures des conditions hydrodynamiques ont mené aux premiers enregistrements continus de coefficients d'électrofiltration C en fonction de la saturation Sw. Les valeurs de coefficients normalisées ne varient pas de fa¸con monotone avec la saturation Sw. En effet, C augmente lorsque Sw diminue jusqu'à atteindre un maximum pour Sw égale à 65-85%, puis diminue avec la saturation. En outre, les valeurs expérimentales semblent pouvoir dépasser d'un facteur 100 la valeur mesurée à saturation. Ce comportement a été observé de façon similaire lors de trois expériences de drainage. La modélisation de ces signaux constitue le deuxième axe de travail. Une nouvelle expression, intégrant une contribution dynamique liée aux variations temporelles de pression, est proposée. Les résultats illustrent la nécessité d'intégrer cette contribution dynamique pour modéliser les signaux d'une des expériences, particulièrement lorsque C augmente pour Sw =[0. 65-0. 85 ; 1]. La dernière expérience tend à montrer que les conditions d'écoulement, et plus précisément le flux hydrique, pourraient jouer un rôle important dans le comportement de C. Le dernier axe développé est une approche de terrain. Les amplitudes de signaux sismo-électriques ont été étudiées en non-saturé, par la mesure d'un champ électrique Ex et d'un déplacement sismique ux, et comparées au calcul de fonctions de transfert Ex/üx. Une image de saturation du sol a été déduite de l'interprétation conjointe de données radar et de résistivité électrique. Les amplitudes sismo-électriques liées aux arrivées des ondes P et des ondes de surface, traitées indépendamment, ont pu être comparées à la teneur en eau, puis à des mesures de résistances électriques. Les résultats suggèrent que ces amplitudes sont plus faibles en milieu non-saturé. De plus, le traitement des ondes de volume et des ondes de surface a montré que ces dernières doivent être considérées indépendamment.

Compréhension et quantification du phénomène de l'électrofiltration dans les roches, signaux précurseurs de la rupture, applications aux zones volcaniques et aux zones de subduction - Conversions sismo-électromagnétiques.<br /><br />Mes thèmes de recherche concernent donc principalement les effets électriques liés aux circulations d'eau dans les roches. Les signaux électriques induits par les circulations d'eau sont appelés effets d'électrofiltration ou électrocinétiques et sont dus à la présence d'ions dans l'eau pouvant créer un courant électrique. Ce courant électrique engendre lui-même un champ magnétique. Ces effets reflètent principalement l'interaction électrique entre la roche et l'eau (appelée double- ou triple-couche électrique). En présence d'eau, des réactions chimiques et physiques se produisent à l'interface entre la roche et l'eau, dont il résulte un excédent d'ions négatifs liés à la roche, et par suite, un excédent d'ions positifs sur une couche de faible épaisseur au voisinage de l'interface, le reste du fluide restant neutre [voir Fig. B1 de Guichet et al., GJI, 2006]. Lorsque le fluide est en mouvement, ces ions positifs sont entraînés et engendrent ainsi un courant électrique, dit courant électrique de convection. Ce courant est contre-balancé par un courant de conduction (loi d'Ohm), et il en résulte une différence de potentiel électrique, on parle de potentiel d'électrofiltration ou potentiel électrocinétique.<br />La différence de potentiel électrique ainsi générée est proportionnelle au gradient de pression d'eau, ce qui en fait une méthode de choix pour la détection des circulations d'eau en subsurface. Les mesures en laboratoire sont effectuées de l'échelle centimétrique à l'échelle métrique et sont nécessaires pour contraindre les modèles de calcul des champs électriques et magnétiques induits par les circulations de fluides dans la croûte. Il est à noter que sur le terrain, les Potentiels Spontanés (PS), c'est-à-dire les potentiels électriques mesurés passivement entre deux électrodes, dont les mesures se sont largement développées ces dix dernières années, peuvent être induits par une circulation d'eau (soumise à une force liée à un gradient de pression), mais aussi par un flux de chaleur (soumis à une force liée à un gradient de température), ou encore par un gradient de concentration chimique. Ceci peut se voir dans les relations des flux couplés [Onsager, 1931 ; Sill, 1983] où chaque flux Ji (flux électrique, flux hydrique, flux de chaleur, flux de matière) est lié aux forces Xj (gradient de potentiel électrique, de pression hydrique, de température, de concentration) à travers les coefficients de couplage Lij. Pour ma part, j'ai concentré mes recherches sur une meilleure quantification du champ électrique lié aux circulations d'eau dans les roches. Le coefficient de couplage électrocinétique ou d'électrofiltration, , peut-être mesuré en laboratoire. Il est à noter que le coefficient d'électrofiltration ne dépend pas en principe de propriétés telles que porosité ou perméabilité, ce qui amène le gradient de pression hydrique à jouer le premier rôle dans la génération des potentiels d'électrofiltration [pour plus de détails on peut consulter le paragraphe " Electrokinetic Phenomena " de Jouniaux and Pozzi, JGR, 1997, et l'appendice B de Guichet et al., GJI, 2006].<br />Cette thématique de recherche a donc un intérêt potentiel, et déjà en partie éprouvé, pour la détection à distance et la caractérisation des fluides dans le sous-sol. La communauté scientifique essaie de développer son potentiel en tant qu'outil d'imagerie, d'une part dans le domaine des ressources en eau : profondeur de nappe aquifère, suivi de transferts hydrauliques, caractérisation des flux contaminés, et d'autre part dans le domaine de la géophysique des réservoirs : détection d'hydrocarbones grâce aux conversions sismo-électromagnétiques.