Anisotropie des milieux poreux argileux et implication sur la diffusion de l'eau

Les mineraux argileux sont omnipresents a la surface de la Terre. Leur forme plaquettaire et leur taille le plus souvent (sub)micrometrique en font des composants influencant, entre autres, la permeabilite et la capacite d’echange ionique des sols et des roches. L’etude des milieux poreux argileux est ainsi d’importance notamment pour l’exploitation et la preservation de ressources naturelles, le suivi de polluants ou encore le stockage de CO2. Si les proprietes physico-chimiques des surfaces argileuses controlent les processus d’adsorption-desorption de l’eau et des ions, la porosite et l’anisotropie du reseau poral gouvernent les processus de diffusion au sein des milieux poreux argileux. Dans ce contexte, le travail presente dans ce memoire de these se focalise sur la caracterisation de l’orientation des particules argileuses, et son influence sur l’anisotropie des proprietes de diffusion de l’eau dans le reseau poral. Une premiere partie de ce manuscrit regroupe des analyses systematiques de l’organisation des particules argileuses dans des milieux poreux modeles et naturels varies. Tout d’abord, une etude de milieux poreux modeles simules et experimentaux composes de disques sedimentes, monodisperses en taille, a mis en evidence une relation simple entre l’anisotropie d’orientation des particules et l’anisotropie de la phase porale. Puis, une etude de l’orientation preferentielle des particules argileuses dans des milieux poreux experimentaux composes de mineraux argileux purs a ete realisee pour des compositions mineralogiques et des modes de depot varies. Une generalisation de la description des fonctions de distribution d’orientation des particules argileuses a ete proposee et appliquee avec succes a trois milieux poreux naturels. Ces resultats visent ainsi a faciliter la prise en compte de l’orientation preferentielle des particules argileuses dans la description geometrique des milieux poreux argileux. La seconde partie de ce memoire de these tente de faire le lien entre l’anisotropie de la phase solide, telle que decrite precedemment par l’orientation preferentielle des particules, et les predictions de diffusion de l’eau dans ces milieux poreux argileux. Une premiere etude couplant des simulations numeriques et des mesures experimentales a ete realisee pour des milieux de kaolinite ayant des anisotropies contrastees, tout autre parametre egal par ailleurs (porosite du milieu, taille et forme des particules). Les resultats montrent une evolution d’un facteur 2 du coefficient de diffusion de l’eau dans la direction longitudinale par rapport a l’axe de compaction et une evolution de l’anisotropie de diffusion d’une valeur de 1 (isotrope) a environ 5 (le plus anisotrope mesure). Des mesures complementaires ont ensuite permis d’etablir une loi d’Archie modifiee predisant le coefficient de diffusion de l’eau a partir du couple porosite/orientation des particules pour une gamme de porosite de 30 a 60%. Ces resultats visent a faciliter la prise en compte de l’orientation des particules argileuses dans les modeles de diffusion macroscopique de l’eau. En parallele, l’influence d’un gradient de salinite et les roles des porosites interfoliaire et interparticulaire sur la dynamique de l’eau et des ions Na+ et Cl- au sein de milieux de vermiculites (milieu charge a double porosite) ont ete analyses pour des organisations de particules connues.