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

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Etat: Public
Version: Après imprimatur
ID Serval
serval:BIB_220FD26BA6AF
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Characterizing Fracture Aperture and Transport Dynamics with Hydrogeophysics: Theoretical and Expérimental Advances
Auteur(s)
Shakas Alexis
Directeur(s)
Linde Niklas
Détails de l'institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2017
Langue
anglais
Résumé
plusieurs km, les fractures peuvent servir de conduits ou de barrières aux écoulements des fluides et jouent un rôle majeur dans divers processus et applications comme l’extraction des eaux souterraines, la migration des contaminants dans les roches fracturées, le stockage souterrain des déchets nucléaires mais aussi la séquestration du dioxyde de carbone et le stockage géothermique. Les propriétés géométriques d’une fracture telles que les variations d’ouverture sur son plan influencent l’écoulement et le transport du fluide. Au sein d’une fracture, la caractérisation statistique des ouvertures est délicate puisque celles-ci présentent souvent une auto-affinitude ; une propriété qui implique des motifs similaires à plusieurs échelles spatiales. Les expériences hydrologiques classiques par leur caractère discret sur le terrain ne fournissent pas d’informations directes sur les variations d’ouvertures. Cette limitation peut en partie être surmontée par l’hydrogéophysique qui combine des méthodes géophysiques avec des expériences hydrologiques. Dans cette étude, nous présentons des avancées expérimentales et théoriques dédiées à l’utilisation du géoradar (GPR) seul et aussi combinées avec des essais push-pull afin de caractériser plus précisément l’ouverture des fractures. Sur le plan théorique, nous avons utilisé des solutions analytiques et développé un cadre de modélisation pour simuler les réflexions GPR dans le milieu fracturé. Les fractures qui le composent sont caracterisées par des ouvertures hétérogènes mais sont intégrées dans une matrice de roche uniforme. En présence de cette hétérogénéité, nous avons dé- montré que les approches classiques qui reposent sur une ouverture de fracture uniforme, conduisent à des estimations fortement biaisées de l’ouverture moyenne. Ce cadre de mo- délisation est important pour l’utilisation du GPR dans un aquifèr fracturé mais convient également à d’autres applications, telles que l’imagerie des fractures dans le béton. Sur le plan expérimental, nous avons réalisé les premières expériences permettant la visualisation de la migration d’un traceur salin lors d’un test push-pull. Les données GPR obtenues ont permis de mesurer la dynamique du panache du traceur et de décrire la nature des fractures. De plus, elles ont mis en évidence des effets de densité qui sont délétères pour les inférences de la dynamique et des processus naturels d’écoulement, comme l’écoulement ambiant. Pour remédier à ces effets, des mesures ont été réalisées en ajoutant de l’éthanol au traceur salin afin d’obtenir une flottabilité neutre tout en conservant la conductivité électrique. La comparaison des résultats pour les deux types de traceurs montrent que l’ajout d’éthanol permet d’éliminer les effets de densité. C’est pourquoi nous suggérons que des traceurs de densité neutre soient utilisés pour les expériences hydrogéophysiques. Enfin, nous introdui- sons un modèle simultané qui peut simuler les expériences push-pull et GPR. Ce modèle pourrait permettre d’inférer les propriétés d’une fracture par les données réels, ce qui serait pertinent en utilisant des méthodes Markov-chain Monte-Carlo.
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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.
Mots-clé
Hydrogéophysique, GPR, push-pull, fractures, densité
Création de la notice
18/12/2017 13:00
Dernière modification de la notice
20/08/2019 12:58
Données d'usage