Characterizing Fracture Aperture and Transport Dynamics with Hydrogeophysics: Theoretical and Expérimental Advances

plusieurs km, les fractures peuvent servir de conduits ou de barrieres aux ecoulements des fluides et jouent un role majeur dans divers processus et applications comme l’extraction des eaux souterraines, la migration des contaminants dans les roches fracturees, le stockage souterrain des dechets nucleaires mais aussi la sequestration du dioxyde de carbone et le stockage geothermique. Les proprietes geometriques d’une fracture telles que les variations d’ouverture sur son plan influencent l’ecoulement et le transport du fluide. Au sein d’une fracture, la caracterisation statistique des ouvertures est delicate puisque celles-ci presentent souvent une auto-affinitude ; une propriete qui implique des motifs similaires a plusieurs echelles spatiales. Les experiences hydrologiques classiques par leur caractere discret sur le terrain ne fournissent pas d’informations directes sur les variations d’ouvertures. Cette limitation peut en partie etre surmontee par l’hydrogeophysique qui combine des methodes geophysiques avec des experiences hydrologiques. Dans cette etude, nous presentons des avancees experimentales et theoriques dediees a l’utilisation du georadar (GPR) seul et aussi combinees avec des essais push-pull afin de caracteriser plus precisement l’ouverture des fractures. Sur le plan theorique, nous avons utilise des solutions analytiques et developpe un cadre de modelisation pour simuler les reflexions GPR dans le milieu fracture. Les fractures qui le composent sont caracterisees par des ouvertures heterogenes mais sont integrees dans une matrice de roche uniforme. En presence de cette heterogeneite, nous avons de- montre que les approches classiques qui reposent sur une ouverture de fracture uniforme, conduisent a des estimations fortement biaisees de l’ouverture moyenne. Ce cadre de mo- delisation est important pour l’utilisation du GPR dans un aquifer fracture mais convient egalement a d’autres applications, telles que l’imagerie des fractures dans le beton. Sur le plan experimental, nous avons realise les premieres experiences permettant la visualisation de la migration d’un traceur salin lors d’un test push-pull. Les donnees GPR obtenues ont permis de mesurer la dynamique du panache du traceur et de decrire la nature des fractures. De plus, elles ont mis en evidence des effets de densite qui sont deleteres pour les inferences de la dynamique et des processus naturels d’ecoulement, comme l’ecoulement ambiant. Pour remedier a ces effets, des mesures ont ete realisees en ajoutant de l’ethanol au traceur salin afin d’obtenir une flottabilite neutre tout en conservant la conductivite electrique. La comparaison des resultats pour les deux types de traceurs montrent que l’ajout d’ethanol permet d’eliminer les effets de densite. C’est pourquoi nous suggerons que des traceurs de densite neutre soient utilises pour les experiences hydrogeophysiques. Enfin, nous introdui- sons un modele simultane qui peut simuler les experiences push-pull et GPR. Ce modele pourrait permettre d’inferer les proprietes d’une fracture par les donnees reels, ce qui serait pertinent en utilisant des methodes Markov-chain Monte-Carlo. -- Fractures are ubiquitous in the Earth’s crust. From the scale of a few cm to several km, fractures can act as conduits or barriers to fluid flow and play a major role in several processes and applications, including groundwater extraction, contaminant migration in fractured rock, underground storage of disposed nuclear waste and sequestration of carbon dioxide, as well as geothermal heat migration. A fracture’s geometrical properties such as aperture variations along its plane influence fluid flow and transport within. Nevertheless, it is a challenging task to statistically characterize aperture variations of a single fracture because these are often self-affine; a property that implies similar patterns over several spatial scales. Classical hydrological tests are spatially sparse and do not provide direct information about aperture variations. This limitation can partly be overcome by hydrogeophysics, which combines geophysical methods with hydrological experiments. Here, we present experimental and theoretical advances on the use of ground penetrating radar (GPR) alone and also combined with push-pull tests for improved fracture aperture characterization. On the theoretical aspect we used analytical solutions to develop a modeling framework that simulates GPR reflections from fractures with heterogeneous aperture distributions, embedded in a uniform rock matrix. In the presence of aperture heterogeneity in a single fracture, we demonstrate that classical aperture-inference approaches that rely on uniform fracture properties lead to biased estimates of mean aperture. The modeling framework is suitable for GPR use in fractured rock but is also suitable for other applications such as fracture imaging in concrete. On the experimental side, we present the first experiments in which the migration of a saline tracer is imaged during a push-pull test. The GPR data are informative about the dynamics of the tracer plume and the fractures involved in the experiment, but also highlight density effects that decrease our ability to infer natural flow dynamics and processes, such as ambient flow. We address the density issue by introducing a neutrally-buoyant, yet electrically conductive tracer, which consists of ethanol mixed with a saline tracer. A comparison of results from the two types of tracer tests demonstrates that the addition of ethanol diminishes the density effect; we therefore suggest that neutrally buoyant tracers should be used in hydrogeophysics. Finally, we introduce a simultaneous modeling approach that can simulate the combined experiments. The coupled model can be applied within a Markov-chain Monte- Carlo inversion of the data from the combined experiment to infer a fracture’s geometric properties.