Les argilites et la complexite de leur structure porale

Les argilites et la complexité de leur structure porale 

Un minéral argileux est une espèce minérale pure, à composition chimique définie, et aux propriétés connues. Une roche argileuse est une association de minéraux divers, finement divisés parmi lesquels se trouvent un ou plusieurs minéraux argileux souvent organisés en feuillets, plastiques après hydratation avec une quantité d’eau appropriée et durcissant au séchage ou à la cuisson. Les matériaux naturels correspondants sont des sols et des roches d’origine sédimentaire. Ces matériaux contiennent essentiellement des minéraux tels que des phyllosilicates, de la silice et des oxy-hydroxydes de fer et d’aluminium. Nous ne ferons dans ce paragraphe qu’une brève présentation de la structure des différents minéraux argileux. Pour plus de détail, nous renvoyons le lecteur à des ouvrages spécialisés (Grim, 1968, Meunier, 2003).

ORGANISATION STRUCTURALE DES ARGILES

Les minéraux argileux sont caractérisés par leur unité structurale, qui est constituée d’un feuillet et d’un espace interfoliaire. Une particule d’argile résulte de l’empilement d’unités structurales élémentaires les unes face aux autres. La grande diversité de structure des argiles et leurs différentes propriétés proviennent des différentes possibilités d’empilement des couches dans les feuillets, de l’arrangement spatial des motifs de base, et également des substitutions isomorphiques dans ces derniers.

MICROSTRUCTURE DES ARGILES ET CHARGES DE SURFACE

Les minéraux argileux sont des phyllosilicates hydratés ayant une taille de l’ordre du micron. Chaque particule d’argile est un assemblage de feuillets constitués de deux types de couches élémentaires, de composition variable : la couche tétraédrique (ou couche T) et la couche octaédrique (ou couche O).

LA COUCHE TETRAEDRIQUE (OU COUCHE T)

Les couches tétraédriques ont comme motif de base un tétraèdre constitué d’un atome de silicium entouré de quatre atomes d’oxygène. Ces motifs s’assemblent en partageant des sommets (atomes d’oxygène) pour former une couche dite couche T.

LA COUCHE OCTAEDRIQUE (OU COUCHE O) 

Les couches octaédriques ont comme motif de base un octaèdre constitué d’un atome d’aluminium ou de magnésium entouré de six atomes d’oxygène. Ces motifs s’assemblent alors pour former une couche dite couche O .

La combinaison de différentes couches T et O dans un feuillet est le principal critère de classification des argiles. La structure des argiles entraine l’existence de deux types de charges : les charges permanentes de structure négatives et les charges variables sur les bords des feuillets. Les charges permanentes découlent de substitutions isomorphiques se produisant lors de la formation des structures élémentaires des feuillets. Il s’agit du remplacement d’atomes de silicium ou d’aluminium par d’autres atomes de valence inférieure. Dans les couches T, les atomes de silicium sont remplacés par des atomes d’aluminium alors que dans les couches O, les atomes d’aluminium sont remplacés par des espèces de valence II (magnésium ou zinc). Ces changements créent des déficits en charge positive au sein de la structure qui vont être compensés par la présence de cations placés entre les feuillets argileux (cations interfoliaires). Dans les milieux naturels, ces cations interfoliaires sont le plus souvent le calcium, le magnésium, le sodium ou le potassium. En fonction de leur nature, l’hydratation des particules d’argile peut conduire à l’adsorption de molécule d’eau dans l’espace interfoliaire. Cette propriété permet de différencier deux principaux groupes d’argiles : les argiles gonflantes et les argiles non gonflantes. Les charges variables en bordure des feuillets sont liées à l’existence de groupements hydroxyles libres qui proviennent de la rupture de liaisons covalentes de la structure du minéral. Les groupements silanols (Si-OH) et aluminols (Al-OH) ont un comportement amphotère en solution. Ils se comportent comme des échangeurs d’anion à pH faible ou des échangeurs de cation à pH élevé.

PROPRIETES PHYSICO/CHIMIQUES DES MINERAUX ARGILEUX

Les propriétés chimiques des matériaux argileux sont définies selon l’échelle de l’investigation. En effet, plusieurs niveaux d’organisation peuvent être distingués : unités de base, couches, feuillets, particules, agrégats et matériaux argileux. L’eau et les ions peuvent être échangés à plusieurs niveaux par des processus physiques et chimiques. L’organisation physique des matériaux argileux varie également suivant les espèces cristallines qui les composent, leur teneur en eau et la nature des cations composant la couche interfoliaire et favorisant le gonflement des minéraux argileux. L’ensemble de ces paramètres détermine les propriétés physiques des matériaux argileux aux différentes échelles.

Interactions physico-chimiques

Après la présentation des sites de fixation et la description de la répartition électrique à l’interface solide-liquide, nous allons décrire les différents types d’interaction qui existent entre les argiles et les espèces présentes en solution.

Interactions avec les molécules d’eau
Les molécules d’eau s’adsorbent à la surface des minéraux argileux grâce à des liaisons hydrogènes entre les groupements hydroxyles et les atomes d’oxygène. A cause de l’intensité de ces liaisons, les molécules d’eau adsorbées ne sont que trés peu mobiles (Melkior, 1999). Lorsque ce phénomène d’adsorption de molécule d’eau se produit au niveau de l’espace interfoliaire des minéraux, il est alors caractéristique d’une argile gonflante.

Interactions avec les cations
Les cations sont attirés par la surface des argiles et entrent en compétition pour se fixer sur les sites chargés négativement créés par les substitutions isomorphiques de la structure. Il se crée un mécanisme d’échange entre les espèces en solution se traduisant par l’expulsion de certains cations au profit d’autres envers lesquels les surfaces argileuses présentent plus d’affinités. Il apparaît que plus le rayon hydraté du cation est petit et plus sa charge est importante, plus il aura de facilité à se fixer à leurs surfaces. Certaines espèces comme le potassium ou le césium pouvant perdre leur sphère d’hydratation se lient fortement à la structure en formant des complexes de sphère interne. Chez certains minéraux argileux comme l’illite ou la vermiculite, on peut observer un cation ayant perdu la totalité de sa sphère d’hydratation se fixer à deux feuillets différents créant ainsi une jonction entre les deux (Sposito, 1989 ; Cornell, 1993). Ce phénomène entraîne un rapprochement des feuillets qui peut interdire à d’autres cations l’accès à l’espace interfoliaire.

Interactions avec les anions
L’existence de charges négatives de structure chez les minéraux argileux entraîne la création d’un champ électrique qui repousse les anions, également chargés négativement. Une telle distribution des espèces anioniques en solution à proximité de la surface des minéraux met en évidence le phénomène d’exclusion anionique. En conséquence, les anions n’ont pas accès à la totalité de la porosité ni à l’ensemble des sites potentiels de fixation. L’épaisseur de cette couche contrôlant l’exclusion anionique varie en fonction de la force ionique de la solution. La fixation d’espèces anioniques sur les surfaces argileuses est en général négligée. Cependant, certaines études ont mis en évidence une attraction des anions de la solution au voisinage des sites amphotères de bord de feuillet, chargés positivement en milieux acide (Chang et Sposito, 1994).

Table des matières

1 INTRODUCTION
1.1 LES ARGILITES ET LA COMPLEXITE DE LEUR STRUCTURE PORALE
1.1.1 ORGANISATION STRUCTURALE DES ARGILES
1.1.2 MICROSTRUCTURE DES ARGILES ET CHARGES DE SURFACE
1.1.2.1 LA COUCHE TETRAEDRIQUE (OU COUCHE T)
1.1.2.2 LA COUCHE OCTAEDRIQUE (OU COUCHE O)
1.1.3 PROPRIETES PHYSICO/CHIMIQUES DES MINERAUX ARGILEUX
1.1.3.1 Interface solide-liquide
1.1.3.1.1 Couche diffuse (répartition électrique à l’interface argile – solution)
1.1.3.1.2 Interactions physico-chimiques
· Interactions avec les molécules d’eau
· Interactions avec les cations
· Interactions avec les anions
1.1.3.1.3 Modèles de représentation des interactions à l’interface solide-liquide
· Isotherme linéaire
· Isotherme de Freundlich
· Isotherme de Langmuir
1.2 THEORIE DE LA DIFFUSION
1.2.1 DIFFUSION MOLECULAIRE EN SOLUTION AQUEUSE
1.2.2 DIFFUSION EN MILIEU POREUX
1.2.3 DIFFUSION COUPLEE A DES INTERACTIONS CHIMIQUES
1.3 THEORIE DE LA DISSOLUTION / PRECIPITATION
1.4 LES CODES DE CHIMIE-TRANSPORT
1.4.1 En régime convectif
1.4.2 En régime diffusif
1.5 ETAT DE L’ART
1.5.1 LES EXPERIENCES DE DIFFUSION REALISEES EN PRESENCE DE PHENOMENES DE COLMATAGE ET/OU DE DISSOLUTION
1.5.1.1 Berthes (2012)
1.5.1.2 DAUZERES et al. (2010)
1.5.1.3 Trotignon et al. (2007)
1.5.2 EXPERIENCES ETUDIANT LES EFFETS SUR LE TRANSPORT DU COLMATAGE ET /OU DE L’AUGMENTATION DE LA POROSITE Inerte
1.5.2.1 Transport advectif
1.5.2.1.1 Milieu inerte
1.5.2.1.1.1 TARTAKOVSKY et al. (2008)
1.5.2.1.1.2 KATZ et al. (2011)
1.5.2.1.1.3 ZHANG et al. (2010) et DEHOFF (2010)
1.5.2.1.2 Milieu réactif
1.5.2.1.2.1 LAGNEAU (2000)
1.5.2.1.2.2 COCHEPIN et al (2008) (numérique pur)
1.5.2.2 Transport diffusif
1.5.2.2.1 Milieu inerte
1.5.2.2.1.1 CHAGNEAU et al. (2012)
1.5.2.2.2 Milieu réactif
1.5.2.2.2.1 LAGNEAU (2000)
1.5.2.2.2.2 BILDSTEIN et al. (2007) : numérique pur
1.5.3 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
2 MATERIELS ET METHODES
2.1 MATERIELS
2.1.1 LE SABLE DE FONTAINEBLEAU
2.1.2 LES FRITTES DE VERRE
2.1.3 LE GRES
2.1.4 LA CRAIE DE CHAMPAGNE
2.1.4.1 Origine et contexte géologique
2.1.4.2 Microstructure
2.1.5 L’ARGILITE DE TOURNEMIRE
2.1.5.1 Origine et contexte géologique
2.1.5.2 Minéralogie et microstructure
2.1.6 Tableau Récapitulatif
2.2 APPROCHE EXPERIMENTALE
2.2.1 PRINCIPE DES EXPERIENCES DE DIFFUSION TRAVERSANTE (THROUGH DIFFUSION)
2.2.2 MONTAGES EXPERIMENTAUX
2.2.2.1 Montage adapté aux échantillons de sable et frittés de verre
2.2.2.2 Montage adapté aux échantillons de grès et aux frittés de verre (les cellules verticales)
2.2.2.3 Montage adapté aux échantillons de craie et aux argilites de Tournemire
2.2.3 PROTOCOLES EXPERIMENTAUX
2.2.3.1 Sable et frittés de verre (cellules horizontales)
ÿ Configuration Expérimentale
ÿ Solution synthétique
2.2.3.2 Grès et frittés de verre (« cellules verticales »)
2.2.3.3 Craie et argilite de Tournemire
ÿ Configuration Expérimentale
2.2.3.3.1 Préparation des cellules de diffusion traversante statiques
2.2.3.3.2 Phase de mise en équilibre
2.2.3.3.3 Phase de diffusion traversante réactive
2.3 METHODES ANALYTIQUES
2.3.1 LES TRACEURS
2.3.1.1 Traceur non radioactif, le deutérium (HDO)
2.3.1.2 Traceurs radioactifs, tritium (HTO), chlore-36 (36Cl-) et baryum-133 (133Ba2+)
2.3.2 LE SUIVI CHIMIQUE DES SOLUTIONS DANS LES RESERVOIRS
2.3.2.1 La chromatographie ionique
2.3.2.2 Suivi de masse et évolution du pH
2.3.2.3 Alcalinité
2.4 LES ANALYSES POST-MORTEM
3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
3.1 CELLULE PLEXIGLASS AVEC SABLE ET FRITTES DE VERRE
3.1.1 EVOLUTION DES PARAMETRES DE TRANSPORT DIFFUSIF
3.1.2 ANALYSES POST-MORTEM
3.2 LES CELLULES VERTICALES POUR FRITTES DE VERRE ET ECHANTILLON DE GRES
3.2.1 EVOLUTION DES PARAMETRES DE TRANSPORT DIFFUSIF
3.2.2 EVOLUTION DES CONCENTRATIONS EN SULFATE ASSOCIEES AUX MATERIAUX IMPACTES
3.3 CELLULES AVEC CRAIE ET ARGILITE DE TOURNEMIRE
3.3.1 PARAMETRES DE TRANSPORT DIFFUSIF ASSOCIES AUX MATERIAUX SAINS
3.3.2 PARAMETRES DE TRANSPORT DIFFUSIF ASSOCIES AUX MATERIAUX IMPACTES
3.3.2.1 Paramètres de transport diffusif associés à la craie impactée par dissolution/colmatage
3.3.2.2 Paramètres de transport diffusif associés à l’argilite impactée par dissolution/colmatage (cellule TRNM)
3.3.2.3 Récapitulatif
3.3.3 SUIVI CHIMIQUE
3.3.3.1 Craie
3.3.3.1.1 Evolution du Ph
3.3.3.1.2 Evolution des concentrations ou activités
3.3.3.1.2.1 Cellule GP · Evolution des concentrations en chlorure (Cl-) et en potassium (K+) · Evolution des concentrations en calcium (Ca2+) et en sulfate (SO4 2-)
3.3.3.1.2.2 CELLULE CD
3.3.3.1.2.3 CELLULE CD § GP
3.3.3.1.2.4 CELLULE BPA · Evolution des concentrations en chlorure (Cl-) et en potassium (K+) · Evolution des concentrations en baryum (Ba2+) et en sulfate (SO4 2-)
3.3.4 ANALYSES POST-MORTEM
3.3.4.1 Démantèlement des cellules
3.3.4.2 La Microscopie Electronique à Balayage
3.3.4.2.1 Cellule GP (gypse)
3.3.4.2.2 Cellule CD § GP (attaque acide + sulfate)
3.3.4.2.3 Cellule BPI (barytine en inactif)
4 SIMULATIONS NUMERIQUES DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
4.1 SIMULATIONS MACROSCOPIQUES
4.1.1 DESCRIPTION DES CODES CRUNCH ET HYTEC
4.1.1.1 Présentation du code de transport réactif CrunchFlow
4.1.1.2 Présentation du code de transport réactif HYTEC
4.1.1.3 La démarche numérique
4.1.2 SIMULATIONS NUMERIQUES DES EXPERIENCES « SABLE »
4.1.2.1 Géométrie et conditions aux limites
4.1.2.2 Conditions géochimiques initiales
4.1.2.3 Propriétés de transport des matériaux
4.1.2.4 Lois cinétiques
4.1.2.5 Résultats
4.1.3 SIMULATIONS NUMERIQUES DES EXPERIENCES « FRITTES DE VERRE » ET « GRES »
4.1.3.1 Géométrie et conditions aux limites
4.1.3.2 Lois cinétiques
4.1.3.3 Les résultats des simulations
4.1.4 SIMULATIONS NUMERIQUES DES EXPERIENCES « CRAIE »
4.1.4.1 Géométrie et conditions aux limites
4.1.4.2 Lois cinétiques
4.1.4.3 Les résultats des simulations
4.1.4.3.1 « Conditions limites fixes »
4.1.4.3.2 « Flux nul »
5 CONCLUSION

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