Du nanomètre au kilomètre… Un saut d’échelle qu’il faut maîtriser pour prédire le comportement des barrières naturelles ou ouvragées. L’objectif des études dites "multi-échelles" est, à terme, de mieux comprendre les propriétés de transfert de ces barrières afin de mieux maîtriser leurs usages, et ce, pour une meilleure protection environnementale.
Étudier les propriétés d’une barrière géologique naturelle, ou fabriquée par l’homme (ouvragée), permet d’optimiser ses conditions d’utilisation, et ce dans un but de protection de l’environnement. Un défi, vu le caractère "multi-échelle" des objets étudiés et de leurs propriétés ! C’est tout l’enjeu de travaux récents de spécialistes en environnement du BRGM. Objectif : mieux comprendre à petite échelle pour mieux prédire à plus grande échelle et sur le long terme.
Applications : stockage de déchets et séquestration dans le sous-sol
Ce défi n’est pas des moindres. Il peut s’agir, par exemple, d’étudier les propriétés de transfert d’une barrière qui s’étend sur plusieurs kilomètres carrés et une centaine de mètres d’épaisseur. Et ce pour prédire son évolution sur des périodes allant jusqu’à cent mille ans !
L’intérêt de tels travaux est majeur. Les applications de stockage de déchets (toxiques ou radioactifs) ou de séquestration (du CO2) en milieu géologique reposent, en grande partie, sur les propriétés des barrières qui empêchent ou retardent la migration des produits confinés. Dans le cadre de concepts d’utilisation énergétique du sous-sol, pour le stockage de chaleur, de pression ou de gaz, ces mêmes propriétés doivent assurer, sur toute la durée d’exploitation, la conservation quantitative et qualitative du vecteur énergétique entre les périodes de production et de consommation.
Observation de la microstructure d'un matériau argileux (illite en marron) ayant subi une perturbation par précipitation in situ de célestine (sulfate de strontium en bleu). © BRGM
Prédire le comportement des barrières
Clé du succès de ces applications : notre capacité à prédire le comportement à moyen et long termes des propriétés des barrières, en fonction des perturbations physiques et chimiques qu’elles subiront durant leur période d’exploitation.
C’est un vrai challenge scientifique. En effet, ce type de prédiction nécessite de modéliser l’évolution des systèmes de barrières de la façon la plus fiable possible, ce qui demande d’appréhender la complexité multi-échelle des processus physico-chimiques mis en jeu. Et ce, du nanomètre, la taille représentative des composants des barrières, minéraux argileux ou phases cimentaires, au kilomètre, la taille représentative des formations géologiques étudiées. Mais également de la nanoseconde, l’échelle de temps sondée pour quantifier certains processus fondamentaux comme la diffusion moléculaire, jusqu’au million d’années, l’échelle utile pour le stockage des déchets radioactifs.
Pour cela, le BRGM, dans le cadre de ses activités en partenariat avec l’Andra, a développé de nouvelles approches, qui intègrent expérimentation et modélisation, dans le but de décrire les propriétés des matériaux poreux étudiés sur un continuum d’échelles spatiales. Leur originalité repose en partie sur l’amélioration des méthodes permettant d’observer directement la structure et la minéralogie des matériaux telles qu’elles se présentent in situ, avec des résolutions d’ordre nano à micrométrique. Des observations rendues possibles grâce à l’utilisation intensive des outils de dernière génération en microscopie électronique, et qui nous permettent de mieux contraindre et fiabiliser nos modèles à grandes échelles. En suivant cette démarche, le BRGM espère gagner en confiance dans ses prédictions à long terme, en réduisant autant que possible le caractère empirique de la détermination des paramètres d’entrée des modèles.
Source: www.brgm.fr
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