Description du sujet de thèse

Une grande partie des formations superficielles terrestres est composée de matériaux argileux et il existe de nombreuses problématiques environnementales et/ou de géo-ingénierie qui reposent sur leurs propriétés particulières (faible perméabilité, grande surface spécifique, forte rétention). Parmi leur utilisation possible, les matériaux argileux sont employés comme barrières pour le stockage de déchets; ceci nécessite ainsi d’estimer leurs propriétés de transport intrinsèques (ionique, hydraulique). Cependant, ces propriétés sont généralement le résultat de couplages multiphysiques qui rendent leur détermination difficile sans expérimentations de très longues durées (e.g., expériences de diffusion traversante) ou des simulations numériques complexes. Or, toutes ces difficultés expérimentales et numériques sont encore plus importantes dans le cas où les matériaux argileux sont partiellement saturés en eau, conditions qui sont attendues, par exemple, dans le stockage des déchets radioactifs de haute et moyenne activités à vies longues pendant une centaine de milliers d’années.
Suite à une première série d’expériences, l’approche par mesures géophysiques est apparue comme une nouvelle perspective expérimentale pour comprendre le comportement singulier de la diffusion de l’eau et des solutés en conditions partiellement saturées en eau dans les milieux poreux investigués. Les résultats préliminaires obtenus en 2024 ont montré qu’il serait possible d’utiliser des mesures de conductivités électriques comme proxy pour estimer les valeurs de coefficient de diffusion dans des milieux argileux. Ces mesures étant quasiment instantanées (quelques minutes), elles pourraient être appliquées à de nombreux échantillons en parallèle pour mieux caractériser la diversité des milieux argileux. Néanmoins, avant d’être déployée à plus grande échelle, cette approche doit être validée expérimentalement sur plusieurs types de matériaux argileux et dans différentes conditions. Enfin, cette approche expérimentale gagnerait à être couplée avec l’adaptation d’un code numérique existant (e.g., CRUNCH Clay) aux conditions de saturation partielles, et ce, afin de reproduire et d’expliquer de manière plus mécanistique les couplages intrinsèques qui se produisent dans les milieux argileux partiellement saturés en eau.
Ce projet de thèse vise donc à mettre en oeuvre un programme de recherche qui couple une approche expérimentale et numérique pour étudier les propriétés de transport dans les milieux argileux. Ce projet pourra être rendu possible via la co-supervision du travail de thèse par trois experts du domaines : Sébastien Savoye pour les expérimentations de diffusion ionique (CEA), Christophe Tournassat pour la modélisation numérique des processus couplés (ISTO) et Damien Jougnot pour le développement des outils et modèles géophysiques en conditions de saturation partielle (METIS).

Contexte de travail

Thèse financée par la MITI (Mission pour les Initiatives Transverses et Interdisciplinaires) du CNRS - Projet GéoDiff : « Utilisation de la GEOphysique pour déterminer les propriétés de DIFFusion dans les milieux argileux non saturés : approche expérimentale et numérique ».