Clay characterization using spectral induced polarization

Caractérisation des argiles par la méthode de polarisation provoquée spectrale Les argiles sont répandues dans la proche surface de la Terre, et ont un fort impact sur la perméabilité des formations géologiques. Leur très faible perméabilité fait des formations argileuses des "pièges géologiques" d’intérêt dans divers domaines d’étude des géosciences (notamment pour le pétrole et le gaz, la géothermie, le stockage des déchets nucléaires, entre autres). Les minéraux argileux présentent une charge de surface et une surface spécifique très importantes, ce qui génère le développement d’une double couche électrique particulièrement importante. La polarisation provoquée spectrale (PPS) est une méthode géoélectrique active qui permet d’obtenir de manière non-invasive la conductivité électrique complexe en fonction de la fréquence d’un géo-matériau du mHz au kHz. La conductivité complexe informe sur la capacité du matériau sondé à conduire un courant électrique et sur sa capacité à se polariser (à mobiliser de manière réversible des charges électriques). Cette thèse présente un protocole de laboratoire détaillé pour obtenir des mesures de PPS sur différents types d’argiles à des salinités variables, ainsi que des mélanges hétérogènes artificiels d’illite et demontmorillonite. Les résultats de la première étude montrent que la partie réelle de la conductivité électrique augmente avec la salinité, mais la partie imaginaire augmente jusqu’à un maximum et puis diminue. Cette diminution est due à la coagulation des argiles à hautes salinités. Cette coagulation potentielle des argiles altérerait l’espace poral puis modifierait les mécanismes de polarisation en jeu. Par ailleurs, en comparant le rapport de la conductivité de surface (imaginaire versus réelle) et d’autres données de la littérature, on remarque que ce rapport diminue avec la teneur en argile. Pour la deuxième étude, on observe que la montmorillonite domine la polarisation par rapport à l’illite. Cependant, les deux argiles ont un effet sur la conduction des mélanges. Les lois de mélanges sont une approche efficace pour modéliser ce type de mélange hétérogène d’argiles. Les modèles de réseaux de conductance complexes sont également utiles pour prédire la forme des spectres de polarisation. Les résultats de ce travail de thèse ouvrent de nouvelles perspectives pour la caractérisation des matériaux argileux avec la PPS.