Gradients chimiques dans les systèmes hydrologiques : origine, dynamique et conséquences sur les réactions chimiques

Les réactions chimiques souterraines jouent un rôle crucial dans la dynamique de la zone critique. La cinétique des réactions chimique est généralement déterminée à partir d’expériences dans un milieu homogène. Pourtant, le milieu naturel est caractérisé par des gradients chimiques multi-échelles qui pourraient avoir des conséquences majeures sur l’efficacité des réactions. Cette thèse porte donc sur l’origine, la dynamique et les conséquences des gradients chimiques sur les réactions. Dans un premier temps, nous développons une approche pluridisciplinaire pour comprendre les mécanismes à l’origine d’un fort gradient géochimique observé le long d’une rivière au niveau d’une rupture topographique sur un bassin versant instrumenté en Guadeloupe (SNO OBSERA, OZCAR). Des mesures géophysiques, hydrologiques et géochimiques sont couplées avec un modèle hydrogéologique représentant les circulations profondes et l’altération des roches. Notre étude montre que l’altération active est limitée aux zones d’intersection des flux descendants et du front d’altération. La zone d’export est localisée dans les zones de convergence des flux ascendants. Dans un deuxième temps, nous menons une étude théorique et numérique sur l’effet de l’évolution temporelle des gradients chimiques par diffusion sur la cinétique effective d’une réaction non-linéaire. Nous démontrons que la dynamique spatio-temporelle des gradients chimiques entraine des lois de cinétique effectives jusqu’à plusieurs ordres de grandeur supérieures ou inférieures aux cinétiques déterminées en milieu homogène, en fonction de l’ordre de la réaction. Une théorie analytique des cinétiques effectives est validée par des simulations numériques. Ces travaux offrent de nouvelles perspectives pour observer et comprendre l’origine des gradients chimiques souterrains, et modéliser leurs effets sur les dynamiques réactives de la zone critique, par l’apport de nouveaux concepts de transport réactif.