Plusieurs pays tels que la France, la Belgique et la Suisse prévoient de confiner leurs déchets radioactifs de moyenne et haute activités à vie longue dans des installations souterraines sises au sein de formations argileuses profondes. Ces formations constituent en effet de très bonnes barrières ultimes contre la dispersion des radionucléides, de par leur grande capacité de rétention et leur très faible perméabilité. Néanmoins, la dégradation de certains colis de déchets devrait libérer d’importantes quantités de sels nitratés et sulfatés solubles. Ainsi, ces panaches salins en déséquilibre chimique avec l’encaissant devraient conduire à des phénomènes de dissolution/colmatage, faisant évoluer localement la structure porale de la roche argileuse. Aussi, pour estimer la performance de telles installations souterraines, l’évolution des propriétés de confinement de ces roches en réponse à ces processus physicochimiques se doit d’être étudiée, et ce, sur des échelles de temps et d’espace représentatives du stockage. Cela est réalisé à l’aide de codes couplés chimie-transport basés sur une approche continue, avec la définition de volumes élémentaires représentatifs (VER). Cependant, ces codes s’appuient pour leurs simulations sur des relations empiriques, telles la relation d’Archie, utilisée pour décrire l’effet de rétroaction de la chimie sur les propriétés de transport diffusif. De ce fait, il est primordial, avant les simulations long-termes de tester la robustesse de ces relations. Dans ce cadre, le présent travail de thèse s’est intéressé au développement d’expériences de diffusion réactives pour estimer (i) l’impact de la précipitation de minéraux sur les propriétés de confinement de matériaux poreux “modèles” et (ii) la capacité des codes de chimie-transport à reproduire ce jeu de données expérimentales.La mise au point de ces expériences simplifiées a nécessité de se focaliser sur trois matériaux poreux « modèles », de la craie, de la kaolinite et de l’illite, choisis pour décrire une propriété spécifique des roches argileuses (charges de surface des argiles ou structure du réseau poreux). Par ailleurs, deux minéraux sulfatés, gypse et barytine, ont été sélectionnés comme minéraux susceptibles de précipiter car ils représentent deux extrêmes vis-à-vis de leur cinétique de précipitation et de leur solubilité. Dans un premier temps, les propriétés initiales de chaque matériau « modèle » ont été déterminées (distribution de taille de pores, coefficient de diffusion effectif (De) des traceurs de l’eau (HTO ou HDO) ou d’un traceur des anions (36Cl-)). La précipitation de la barytine a été étudiée sur les trois matériaux « modèles », tandis que celle du gypse uniquement au travers des échantillons de craie. Durant ces expériences de diffusion réactives, l’évolution des concentrations des réactifs dans les deux réservoirs enserrant l’échantillon poreux a été suivie, et, après un temps t, le 36Cl- et/ou les traceurs de l’eau ont été injectés dans le réservoir amont pour diffuser au travers des échantillons déjà impactés par la précipitation. En complément des essais de diffusion, des caractérisations des échantillons par micro-tomographie X (µCT) et par observation au Microscope électronique à Balayage (MEB) ont permis de préciser le rôle joué par la structure porale initiale du matériau « modèle » et celui des propriétés intrinsèques du minéral précipitant. Enfin, l’estimation de la robustesse des codes de chimie transport a été réalisée à l’aide de deux codes, HYTEC et CrunchTope, à l’aide de simulations 1D et 2D. / Several countries such as France, Belgium and Switzerland have proposed to host a deep geological facility to confine high and mid-level long lived radioactive waste into argillaceous formations. Such formations are considered as a potential host-rock, because of their very high containment properties, i.e. high retention capacity and very low permeability. However, decay of some radioactive waste are expected to release large amount of soluble salts of nitrate and/or sulfate nature. These saline plumes should generate physicochemical imbalance and, by enhancing mineral dissolution/clogging, could make evolve the local rock porous network. Thus, for safety assessment of such facility the evolution of rock containment properties in response to these physicochemical phenomena over large time and space scale needs to be investigated. This can be done by using diffusion-reaction numerical simulators based on equivalent (macroscopic) continuum approach considering representative elementary volume (REV). But, these codes rely on empirical relationships, such as the Archie’s law used to describe the feedback of chemistry on the diffusive transport properties. Thus, prior to long-term prediction, it is essential to create a data to test and improve the description of the feedback of chemistry on transport. In this view, this thesis work dealt with developing such reactive diffusion experiments to estimate mineral precipitation impacts on containment properties of porous materials under diffusive transport regime and the capability of REV chemistry transport codes to reproduce such an experimental dataset.In order to design these simplified experiments, three proxy porous materials (micritic chalk, compacted kaolinite and compacted illite) were chosen to address specific property describing claystones (clay surface charge, pore size distribution). Two sulfate-alkali minerals, namely barite and gypsum were selected as precipitating minerals, since they present two extremities in reference to their kinetic rate of precipitation and solubility. In a first step, intact properties of each proxy material were determined (pore size distribution, effective diffusion coefficient (De) of water tracers (HTO & HDO) and anionic tracer, 36Cl-). Barite precipitation was studied in all the proxy materials and gypsum precipitation was studied in chalk only. During these through diffusion experiments, we monitored the reactant concentration evolution in the reservoirs at both ends of the sample and, after a known experimental time, 36Cl- and/or water tracers were allowed to diffuse through the porous samples impacted by precipitation. In addition to diffusive testing, the combined impact of pore structure and intrinsic property of mineral (solubility and kinetic rate of precipitation) on final evolution of mineral in each proxy material was also quantified using X-ray tomography (µCT) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Finally, to test the robustness of chemistry transport codes, the results from the reactive diffusion experiments where barite or gypsum precipitated in chalk were numerically described in 1D and 2D using two codes namely HYTEC and CrunchTope.

La conductivité électrique des milieux poreux est un vaste sujet de recherche possédant des nombreuses applications industrielles. Notamment dans l'industrie pétrolière, les propriétés électriques des roches sont utilisées pour déterminer la quantité d'hydrocarbures dans les puits. En 1942 Gustav Archie a proposé une loi empirique pour la conductivité des roches. Depuis cette loi est largement utilisée dans l'industrie pétrolière et les études géophysiques. Actuellement, le champ d'application de cette loi est réduit à des roches spécifiques. Dans la partie théorique nous nous intéressons aux fondements de la loi d'Archie. L'une des approches existantes de justification de la loi d'Archie consiste en adaptation de la théorie de percolation. Ainsi nous nous intéressons à l'étude de domaine de validité de la loi sur la conductivité électrique établie par la théorie de percolation pour des réseaux infinis des résistances aléatoires. La partie expérimentale porte sur les expériences dans les micromodèles - des réseaux transparents, réguliers, bidimensionnels ayant des dimensions entre 50 et 500 microns. Depuis plusieurs dizaines d'années ces systèmes sont utilisés afin de comprendre la propagation des fluides dans les milieux poreux. Dans notre étude nous mettons en place la mesure de conductivité dans ces micromodèles et la technique d'altération de mouillage. Nous étudions ainsi expérimentalement la conductivité des milieux poreux bidimensionnels à la mouillabilité homogène et hétérogène.

La caractérisation d'un aquifère est classiquement réalisée à partir d'études géologiques, piézométriques, géochimiques et de pompages d'essai. Ces techniques d'étude présentent certaines limites, qui peuvent néanmoins être réduites par l'utilisation de méthodes complémentaires comme certaines méthodes géophysiques. L'objectif de cette thèse est de quantifier l'amélioration apportée par les informations géophysiques dans la caractérisation hydrogéologique des aquifères. Deux contextes géologiquessont sélectionnés pour les difficultés qu'ils posent à la caractérisation hydrogéologique, l'importance des questions sociétales qui s'y posent et leur pertinence dans le cadre des interventions humanitaires : les aquifères de socle cristallin et les lentilles d'eau douce des cordons sableux côtiers. Les résultats d'une étude numérique et leur validation sur deux sites expérimentaux en Inde montrent que les informations complémentaires apportées par la technique de panneau électrique et la méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) permettent de préciser l'interprétation de pompages d'essai en contexte de socle. L'incertitude sur la transmissivité est réduite en moyenne de 39 % et celle sur le coefficient d'emmagasinement de 34 %. Cette approche hydrogéophysique permet ainsi de mieux décrire le milieu souterrain, et de proposer des modèles conceptuels plus complets. En milieu côtier sableux dans le Sud de l'Inde, l'utilisation combinée d'observations piézométriques, de la loi d'Archie et des méthodes de sondage électromagnétiques en domaine temporel (TDEM) et RMP permet de quantifier un volume d'eau douce disponible de 510 litres en moyenne par mètre carré de surface au sol avant la mousson dans la partie inhabitée (contre 420 L/m2 dans la partie habitée), et 670 L/m2 après la mousson (contre 450 L/m2 dans la partie habitée). Ces volumes auraient été surestimés de près de 40 % si une approche basée uniquement sur le TDEM et la loi d'Archie avait été utilisée. Le suivi temporel des mesures géophysiques permet également d'estimer la recharge nette de l'année hydrologique 2008 à 140 mm sur ce cordon (pour 2030 mm de précipitations). De plus, ce cordon sableux présente un champ géomagnétique hétérogène, qui rend la mesure de signaux de Free induction decay, (FID, classiquement enregistrés en sondage RMP) difficile. Une nouvelle procédure de mesure et d'interprétation basée sur des signaux d'écho de spin a donc été testée et validée expérimentalement. La caractérisation du milieu avec ce nouveau protocole permet de préciser la teneur en eau du milieu, sous-estimée de 26 % par le protocole FID. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche d'une relation quantifiée entre la teneur en eau RMP et les différentes porosités hydrogéologiques.