Brevet FR2880123A1 — publié le 20060630

La présente invention concerne un dispositif de mesure en continu et in situ des paramètres d'écoulement d'un gaz émanant du sol et notamment de sa vitesse et de son débit. On sait que dans le cadre notamment du confinement et de la séquestration de certains gaz dans le sol, la détection et la mesure en continu des gaz émanant du sol est d'une importance capitale eut égard aux enjeux relatifs à la sécurité. Une telle importance est illustrée par exemple par les problèmes de la séquestration du gaz carbonique dans les formations géologiques ou le stockage d'hydrocarbures légers dans des aquifères. Or on sait également que la détection des fuites à la surface du sol par la mesure directe de ces gaz est une opération extrêmement délicate à mettre en oeuvre en raison des faibles débits concernés. C'est pourquoi on a proposé de réaliser ces mesures sur des gaz rares associés aux gaz à mesurer que l'on utilise comme traceurs. On a ainsi fait appel à la mesure de débit du radon, pour modéliser la vitesse réelle de transfert des gaz percolant dans les sols et ceci pour des vitesses de l'ordre de quelques centimètres par heure à plusieurs dizaines de centimètres par heure. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure notamment destiné à être enterré dans le sol sur un site à surveiller et permettant de suivre de façon continue les variations de concentration, de vitesse et de débit des deux isotopes du radon (Rn220 et Rn222) et corrélativement des gaz qui, dans cette situation géologique, lui sont associés. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de 30 mesure in situ et au moins séquentielle de la concentration en radon d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enveloppe de mesure tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure sur une émanation des gaz à étudier et - 2 dont la partie supérieure est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut et recevant au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, - des moyens aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure au niveau du capteur avec la même séquence de mesure que celle du radon, - des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur et 10 de l'enveloppe de mesure et au niveau du sol. La présente invention permet ainsi d'obtenir, pour une zone de mesure, l'état en fonction du temps de la concentration en radon, de la vitesse et du débit du gaz qui transporte celui-ci. Préférentiellement le dispositif suivant l'invention comportera trois capteurs disposés à la suite les uns des autres dans ladite enveloppe de façon que la distance du capteur supérieur au capteur intermédiaire soit supérieure à la distance de ce dernier au capteur inférieur, cette dernière distance étant elle-même supérieure à la distance séparant le capteur inférieur de la base de l'enveloppe de mesure. On a établi qu'un tel mode de mise en oeuvre permettait de mettre en évidence l'existence d'évènements éphémères, c'est- à-dire de signaux dont la durée de vie est relativement faible, notamment de l'ordre de quelques heures ou quelques jours, et qui sont les précurseurs de modifications des conditions d'équilibre d'un processus de dégazage en profondeur. On a représenté sur la figure 2 une courbe représentant la concentration en radon et qui est caractéristique de tels évènements dans le cas d'un dispositif suivant l'invention enterré dans le sol à deux mètres de profondeur, avec des pas de mesure de l'ordre d'une heure. Ce processus de dégazage étant notamment lui-même le - 3 révélateur de modifications des contraintes géologiques du sol. La présente invention permet non seulement de détecter mais de plus de localiser l'origine de ces signaux éphémères, dans la mesure où le radon possède des périodes de décroissances rapides. La présente invention est également intéressante pour assurer le suivi des anomalies naturelles de dégazage telles que celles présentes dans les zones hydrothermales ou les zones sismiques ou volcaniques. La présente invention peut ainsi être notamment appliquée à la surveillance des aires thermominérales, à la surveillance des volcans ou des failles sismogènes, au contrôle des réservoirs souterrains de gaz combustibles des sites de séquestration géologique du gaz carbonique etc... Le dispositif suivant l'invention pourra être utilisé à l'air libre, et dans un tel mode de mise en oeuvre sa partie inférieure sera reliée à la source gazeuse que l'on souhaite étudier, mais ses modes de mise en oeuvre préférentiels seront des utilisations dans lesquelles il sera enfoui dans le sol et l'enveloppe de mesure sera alors fermée par des moyens d'obturation, notamment constitués d'une membrane semi- perméable, autorisant le transfert des gaz. Le dispositif suivant l'invention pourra également comporter des moyens permettant de rapprocher ou d'éloigner les capteurs les uns des autres, et ceci en fonction du type d'analyse à réaliser et en fonction notamment de la vitesse instantanée des gaz au niveau de chacun des capteurs. Préférentiellement les capteurs seront contenus dans un élément modulaire cylindrique recevant l'ensemble des éléments électroniques nécessaires à leur fonctionnement et notamment l'électronique assurant la saisie des données ainsi qu'une mémoire dans laquelle seront stockées les informations recueillies par ceux-ci. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du capteur d'un module pourra être stockée dans des batteries logées dans le module. Préférentiellement on pourra également faire appel à un module spécifique contenant les batteries auquel viendront se connecter les modules porteurs des capteurs. La présente invention est également intéressante dans les domaines où le radon ne constitue pas spécifiquement le traceur d'un gaz exogène au milieu où il est analysé, mais où il est lui-même le traceur de la contamination de l'atmosphère. Tel est notamment le cas des applications dans lesquelles on souhaite déterminer d'une manière générale ou particulière le niveau et l'origine de la contamination par le radon des habitations, par exemple dans les secteurs où une activité minière a déstructuré le sous-sol ou dans des secteurs naturellement exposés à des flux émanant du sol. La présente invention a également pour objet un procédé de mesure in situ et de façon au moins séquentielle de la concentration en radon notamment d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure enterré dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - disposer une sonde constituée d'une enveloppe de mesure tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, d'au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, des moyens aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure au niveau du capteur avec la même séquence de mesure que celle du radon, et des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure,et au niveau du sol - 5 - purger l'enveloppe de mesure afin que l'atmosphère ambiante existant dans celle-ci en début des mesures soit identique à celle de l'atmosphère extérieure, - procéder à une initialisation des mesures faites par 5 les capteurs lorsque l'enveloppe de mesure est purgée. On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un 10 dispositif suivant l'invention mis en place sur un site. La figure 2 est une courbe représentant un exemple de signaux éphémères. On a représenté sur la figure un dispositif de mesure suivant l'invention. Celui-ci est essentiellement constitué d'une chambre de mesure 1 constituée d'un élément tubulaire en polychlorure de vinyle (PVC) de diamètre D et de longueur L bien déterminés, ces valeurs entrant dans les calculs réalisés à partir des mesures. Cet élément est disposé verticalement dans un sol 3 faisant partie d'un site où l'on souhaite mesurer les paramètres de transfert des gaz du sol vers l'atmosphère. Cette chambre de mesure 1 est ouverte à sa partie inférieure la et fermée à sa partie supérieure lb par une membrane semi-perméable 5, apte à laisser passer vers l'atmosphère les gaz issus du sol et empêcher l'entrée dans cet élément des eaux d'infiltration et des matières solides issues du sol lui-même. Avantageusement on pourra utiliser une membrane de teflon microporeux ou du produit commercialisé sous la marque GORE TEX. L'élément tubulaire assure ainsi une première fonction de préservation mécanique des capteurs contre les agressions extérieures, et une seconde fonction relative au processus même du calcul de la mesure, dans lequel interviennent ses caractéristiques mécaniques telles que sa section droite et sa longueur. - 6 A l'intérieur de la chambre 1 on a disposé trois modules de mesure superposés, à savoir un module supérieur 7a, un module intermédiaire 7b et un module inférieur 7c. Ces modules sont respectivement constitués d'une enveloppe cylindrique renfermant un capteur 9a, 9b, 9c apte à mesurer à la fois les débits en isotopes Rn 22 et Rn222 du flux de gaz traversant la chambre de mesure 1 et un capteur de température, respectivement 8a,8b,8c, apte à mesurer la température du gaz au niveau du capteur. L'enveloppe cylindrique renferme également des moyens électroniques respectifs lla,llb,llc permettant de piloter le fonctionnement des capteurs. Les modules de mesure 7a,7b,7c sont également pourvus de moyens électroniques de gestion et de stockage des données acquises, respectivement 13a,13b,13c, qui sont aptes à enregistrer les mesures effectuées par les capteurs de radon 7a,7b,7c, et par les capteurs de température 8a,8b,8c. Il serait bien entendu également possible suivant l'invention de faire appel à des moyens de télétransmission pour adresser en temps réel ou différé les mesures effectuées à des moyens récepteurs éloignés du site de mesure. Les capteurs de radon 9a, 9b, 9c de ces modules sont écartés les uns des autres d'une distance qui est croissante de l'amont vers l'aval. Ainsi le capteur 9c du module inférieur 7c est éloigné d'une distance dl de l'ouverture inférieure de la chambre de mesure 1, le capteur 9b de l'élément tubulaire 7b est éloigné du capteur inférieur 9c d'une distance d2 supérieure à dl et le capteur supérieur 9a de la chambre de mesure 7a est éloigné du capteur intermédiaire 9b d'une distance d3 supérieure à d2. Les modules 7a,7b,7c reçoivent leur énergie électrique d'un module d'alimentation 14, constitué de batteries, auquel leurs entrées respectives 15a,15b,15c sont reliées. Ce module est également pourvu d'un capteur 16 permettant de mesurer la pression existant dans la chambre de mesure 1. On dispose - 7 - également de moyens aptes à mesurer la pression atmosphérique au niveau du sol ou pression externe. Le dispositif sera pourvu de moyens de temporisation permettant d'effectuer les différentes mesures de façon séquentielle avec un pas de mesure ajustable dépendant des conditions opérationnelles et qui peut notamment varier entre 15 minutes et 2 heures. Ces mesures seront stockées dans la mémoire 13a,13b,13c de chaque module et après une période de mesures de l'ordre de un mois on est en mesure de déterminer: - la vitesse de Darcy (ou flux), soit le débit de gaz portant le radon, par l'ajustement de l'accroissement de la concentration du radon dans l'enceinte en fonction du temps; - la vitesse apparente du gaz par un traitement 15 différentiel des informations reçues simultanément sur les trois capteurs, - la vitesse instantanée du gaz dans le sol avant son entrée dans l'enceinte (Pinault et Baubron, Journal of Geophysical Research, 1997), - le calcul des paramètres des évènements éphémères par l'analyse de la modification des signaux enregistrés simultanément par les trois capteurs. Suivant l'invention on a constaté que pour obtenir des mesures précises et fiables il était important de procéder, avant une période de mesure, à une purge de la chambre de mesure 1, par exemple à l'aide de moyens de ventilation par surpression, de façon que l'atmosphère ambiante de cette chambre soit identique à celle de l'atmosphère. On réalise alors une initialisation du dispositif par la saisie des paramètres de mesure. - 8 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de mesure in situ et au moins séquentielle 5 de la concentration en radon, notamment d'un sol, au moyen d'un ensemble de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enveloppe de mesure (1) tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure (la) sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure (lb) est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe (1) assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut,et recevant au moins un capteur (7a,7b,7c) apte à mesurer la concentration en radon Rn '2 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, - des moyens (8a,8b,8c) aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure (1) au niveau du capteur (7a,7b,7c) avec la même séquence de mesure que celle du radon, - des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de 20 l'enveloppe de mesure (1) et au niveau du sol. 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe de mesure (1) comporte trois capteurs (7a,7b,7c), ces capteurs étant disposés à la suite les uns des autres dans ladite enveloppe (1) de façon que la distance (d3) du capteur supérieur (7a) au capteur intermédiaire (7b) soit supérieure à la distance (d2) de ce dernier au capteur inférieur (7c), cette dernière distance étant elle- même supérieure à la distance (dl) du capteur inférieur (7C) à la base de l'enveloppe de mesure (1). 3.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe de mesure (1) est enfouie dans le sol (3) de façon que sa partie supérieure (lb) soit recouverte par celui-ci, ladite enveloppe de mesure (1) étant alors fermée - 9 par des moyens d'obturation (5), notamment constitués d'une membrane semi-perméable, autorisant le transfert des gaz. 4.- Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage aptes 5 à permettre l'adaptation des distances (dl,d2,d3) séparant les capteurs. 5.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que à chaque capteur (7a,7b,7c) comporte des moyens de stockage (13a,13b,13c) des données 10 mesurées par celui-ci. 6.- Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le capteur (7a,7b,7c) est contenu dans un élément modulaire cylindrique renfermant les moyens de stockage (13a,13b,13c) des données mesurées. 7.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un module de stockage d'énergie électrique (16) auquel sont reliés les capteurs (7a,7b,7c). 8.- Procédé de mesure in situ et de façon au moins séquentielle de la concentration en radon d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure enterré dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - disposer une sonde constituée d'une enveloppe de mesure (1) tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure (la) sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure (lb) est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe (1) assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, d'au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn 22 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, des moyens (8a,8b,8c) aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure (1) au niveau du capteur (7a,7b,7c) avec la même séquence de mesure que celle du radon, et des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure et au niveau du sol, - - purger l'enveloppe de mesure (1) afin que l'atmosphère ambiante existant dans celle-ci en début des mesures soit identique à celle de l'atmosphère extérieure, - procéder à une initialisation des mesures faites par 5 les capteurs lorsque l'enveloppe de mesure (1) est purgée.