Dans le cadre de la thématique consacrée à la transition énergétique, le Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés (LaTEP) travaille sur la géothermie profonde. Cette thèse se focalise sur l’étude de l’encrassement des échangeurs de chaleur de surface et plus spécifiquement sur la modélisation et la simulation de l’évolution d’un dépôt. L’encrassement conduit à des pertes d’efficacité et nécessite la mise en place de moyens de prévention ou de nettoyage, entraînant d’importants surcoûts. Le modèle général proposé décrit des réactions hétérogènes entre deux phases multi-constituantes, l’une liquide et l’autre solide. La phase liquide est une solution contenant des ions dilués dans un solvant, tandis que le solide est composé de constituants immobiles. L’électro-migration des espèces est prise en compte dans la description. L’interface entre les deux phases est le siège de multiples réactions hétérogènes. Les conditions aux limites faisant intervenir la vitesse de l’interface permettent le couplage complet entre les deux domaines. Ce modèle général est ensuite appliqué au cas particulier de l’encrassement d’un tube par formation de sels et résolu à l’aide de Comsol Multiphysics. La simulation d’un cas simplifié d’encrassement par le sulfate de baryum a permis d’analyser la phénoménologie de la croissance du dépôt et de mettre en évidence les effets des évolutions de la solubilité et de la cinétique via la chute de température dans le tube, ainsi que de la mobilité radiale des espèces par diffusion qui limite la croissance. L’électro-migration participe significativement au transport mais n’influence pas l’épaisseur du dépôt. L’hypothèse d’une réaction de cristallisation de la barytine instantanément équilibrée conduit à une forte surestimation de l’encrassement. La composition de l’eau est ensuite complexifiée afin d’étudier l’influence de la présence du chlorure de sodium à 1 mol.L-1, puis d’ions strontium et ainsi la co-précipitation de barytine et de célestine. / In the framework of the theme devoted to the energy transition, the “Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés” (LaTEP) is working on deep geothermal energy. This thesis focuses on the study of the fouling phenomenon of surface heat exchangers and more specifically on the modelling and the simulation of the evolution of a deposit. Fouling leads to loss of efficiency and requires means of prevention and cleaning, leading to huge over-costs. The proposed general model describes heterogeneous reactions between two multi-component phases, one liquid and the other solid. The liquid phase is a solution containing ions diluted in a solvent, while the solid is composed of immobile constituents. Transport by electro-migration is taken into account in the description. At the interface between the two phases, multiple heterogeneous reactions occur. The boundary conditions involves the interface’s velocity and allow a complete coupling between the two domains. This general model is then applied to the particular case of fouling of a pipe by salt formation and is solved using Comsol Multiphysics. Simulation of a simplified case of fouling from barium sulfate allowed an analysis of the phenomenology of the deposit growth. It highlights the effects of changes in solubility and kinetics caused by the temperature drop in the tube, as well as the effect of radial mobility of the species by diffusion, limiting the growth. Electro-migration contributes significantly to transport but does not influence the thickness of the deposit. The hypothesis of an instantly balanced barite crystallization reaction leads to an overestimation of the fouling. In a second time, more species are added to the water’s composition in order to study the influence of the presence of sodium chloride at 1 mol.L-1. Finally, the addition of strontium ions leads to co-precipitation of barite and celestine.

Le système hydrothermal de Chaillac est situé à la limite du Massif Central et du bassin de Paris. Il se compose d'un gisement stratiforme de barytine (Les Redoutières et La Raillerie), connecté à un gisement filonien de fluorine (Le Rossignol).<br />Le filon du Rossignol recoupe le socle métamorphique hercynien. Ce filon est une structure ouverte remplie à la faveur de deux stades paragénétiques : le premier stade appelé Fv-v est constitué de fluorine verte et violette et de quartz montrant des fabriques sédimentaires intrafiloniennes. Ce stade s'est formé à 135°C à partir d'une solution de faible salinité. Les compositions isotopiques du Sr et Nd évoquent une source liée aux roches acides de la croûte supérieure. Le second stade (Fj-Ba) se compose de fluorine jaune, de sulfures et de barytine ; trois sous-stades ont été définis : (i) fluorine dominante, (ii) barytine dominante et enfin (iii) brèche à ciment de fluorine. Les sous stades (i) et (ii) sont présents en continu de la racine du système jusqu'aux filons horizontaux (plateures) du gisement stratiforme. L'ensemble du stade Fj-Ba s'est formé à partir de saumure (≈20% wt Eq. NaCl) à environ 100°C. Les signatures isotopiques du Sr et Nd évoquent des compositions de roches basiques d'origine profonde.<br />Le gisement stratiforme des Redoutières est encaissé dans des sables hettangiens (205 – 201 Ma) du bassin de Paris. A proximité du filon du Rossignol, le grès est cimenté par de la fluorine qui passe latéralement et verticalement à de la barytine puis à une association barytine-gœthite ; ces variations de la nature du ciment sont corrélées avec les sous-stades (i) et (ii). A l'aplomb du filon du Rossignol, des « filons » verticaux N-S, E-W et horizontaux forment un sinter très original à barytine et gœthite puissant de 5 à 8 m. Les structures de ce dernier démontrent une mise en place synchrone d'une tectonique d'ouverture E-W et N-S. L'âge hettangien de cette minéralisation est attesté par la présence de galets de barytine dans les grés hettangiens, les modifications de la nature du sédiment (gœthite détritique), les textures de type sinter et l'absence de minéralisation dans les calcaires sinémuriens. L'étude de l'anisotropie de susceptibilité magnétique (ASM) des formations filoniennes et stratiformes riches en gœthite, couplée à la géochimie des traces a permis de démontrer et de quantifier une phase de latéritisation tardive supperposée à l'hydrothermalisme à l'Eocène. Par ailleurs, l'étude des fabriques magnétiques permet de tracer les directions des paléoécoulements hydrothermaux.<br />L'ensemble des résultats permet de proposer un modèle génétique. Celui-ci suggère la venue d'un fluide hydrothermal profond à Ba, F, Fe qui entre en ébullition vers 1,6 km de profondeur. La phase vapeur se condense pour donner le fluide formant le stade Fv-v et la saumure résiduelle migre pour déposer tardivement de la fluorine, de la barytine par mélange avec des fluides continentaux de surface et des oxy-hydroxydes de fer.

La première partie est consacrée au réexamen de l'environnement géologique qui permet de situer les minéralisations dans leur cadre naturel, puis à la description détaillée de ces minéralisations. Dans la deuxième partie, plus proprement gîtologique, sont examinées successivement les conditions physico-chimiques de formation et la nature des solutions minéralisantes, à partir des informations livrées par l'étude des inclusions fluides, des teneurs en terres rares des fluorines, des teneurs en SFe et des éléments traces des blendes, des données thermo-optiques concernant cette dernière, enfin des données concernant la répartition du fluor dans l'encaissant; en conclusion de ces études, une hypothèse sur la mise en place et l'âge des minéralisations est proposée. En annexe, sont décrites les différentes méthodes d'étude utilisées, et présentées les autres méthodes d'analyse ponctuelle dont on dispose actuellement pour l'étude des inclusions fluides.