Textural controls on induced polarization and permeability in granular media

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ID Serval
serval:BIB_EF9873CFBA46
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Textural controls on induced polarization and permeability in granular media
Auteur(s)
Koch K.
Directeur(s)
Holliger  K.
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnementUniversité de LausanneUNIL - SorgeAmphipôle - bureau 314CH-1015 LausanneSUISSE
Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2012
Langue
anglais
Nombre de pages
145
Résumé
The spatial resolution visualized with hydrological models and the conceptualized images of subsurface hydrological processes often exceed resolution of the data collected with classical instrumentation at the field scale. In recent years it was possible to increasingly diminish the inherent gap to information from point like field data through the application of hydrogeophysical methods at field-scale. With regards to all common geophysical exploration techniques, electric and electromagnetic methods have arguably to greatest sensitivity to hydrologically relevant parameters. Of particular interest in this context are induced polarisation (IP) measurements, which essentially constrain the capacity of a probed subsurface region to store an electrical charge. In the absence of metallic conductors the IP- response is largely driven by current conduction along the grain surfaces. This offers the perspective to link such measurements to the characteristics of the solid-fluid-interface and thus, at least in unconsolidated sediments, should allow for first-order estimates of the permeability structure.¦While the IP-effect is well explored through laboratory experiments and in part verified through field data for clay-rich environments, the applicability of IP-based characterizations to clay-poor aquifers is not clear. For example, polarization mechanisms like membrane polarization are not applicable in the rather wide pore-systems of clay free sands, and the direct transposition of Schwarz' theory relating polarization of spheres to the relaxation mechanism of polarized cells to complex natural sediments yields ambiguous results.¦In order to improve our understanding of the structural origins of IP-signals in such environments as well as their correlation with pertinent hydrological parameters, various laboratory measurements have been conducted. We consider saturated quartz samples with a grain size spectrum varying from fine sand to fine gravel, that is grain diameters between 0,09 and 5,6 mm, as well as corresponding pertinent mixtures which can be regarded as proxies for widespread alluvial deposits. The pore space characteristics are altered by changing (i) the grain size spectra, (ii) the degree of compaction, and (iii) the level of sorting. We then examined how these changes affect the SIP response, the hydraulic conductivity, and the specific surface area of the considered samples, while keeping any electrochemical variability during the measurements as small as possible. The results do not follow simple assumptions on relationships to single parameters such as grain size. It was found that the complexity of natural occurring media is not yet sufficiently represented when modelling IP. At the same time simple correlation to permeability was found to be strong and consistent. Hence, adaptations with the aim of better representing the geo-structure of natural porous media were applied to the simplified model space used in Schwarz' IP-effect-theory. The resulting semi- empiric relationship was found to more accurately predict the IP-effect and its relation to the parameters grain size and permeability. If combined with recent findings about the effect of pore fluid electrochemistry together with advanced complex resistivity tomography, these results will allow us to picture diverse aspects of the subsurface with relative certainty. Within the framework of single measurement campaigns, hydrologiste can than collect data with information about the geo-structure and geo-chemistry of the subsurface. However, additional research efforts will be necessary to further improve the understanding of the physical origins of IP-effect and minimize the potential for false interpretations.¦-¦Dans l'étude des processus et caractéristiques hydrologiques des subsurfaces, la résolution spatiale donnée par les modèles hydrologiques dépasse souvent la résolution des données du terrain récoltées avec des méthodes classiques d'hydrologie. Récemment il est possible de réduire de plus en plus cet divergence spatiale entre modèles numériques et données du terrain par l'utilisation de méthodes géophysiques, notamment celles géoélectriques. Parmi les méthodes électriques, la polarisation provoquée (PP) permet de représenter la capacité des roches poreuses et des sols à stocker une charge électrique. En l'absence des métaux dans le sous-sol, cet effet est largement influencé par des caractéristiques de surface des matériaux. En conséquence les mesures PP offrent une information des interfaces entre solides et fluides dans les matériaux poreux que nous pouvons lier à la perméabilité également dirigée par ces mêmes paramètres. L'effet de la polarisation provoquée à été étudié dans différentes études de laboratoire, ainsi que sur le terrain. A cause d'une faible capacité de polarisation des matériaux sableux, comparé aux argiles, leur caractérisation par l'effet-PP reste difficile a interpréter d'une manière cohérente pour les environnements hétérogènes.¦Pour améliorer les connaissances sur l'importance de la structure du sous-sol sableux envers l'effet PP et des paramètres hydrologiques, nous avons fait des mesures de laboratoire variées. En détail, nous avons considéré des échantillons sableux de quartz avec des distributions de taille de grain entre sables fins et graviers fins, en diamètre cela fait entre 0,09 et 5,6 mm. Les caractéristiques de l'espace poreux sont changées en modifiant (i) la distribution de taille des grains, (ii) le degré de compaction, et (iii) le niveau d'hétérogénéité dans la distribution de taille de grains. En suite nous étudions comment ces changements influencent l'effet-PP, la perméabilité et la surface spécifique des échantillons. Les paramètres électrochimiques sont gardés à un minimum pendant les mesures. Les résultats ne montrent pas de relation simple entre les paramètres pétro-physiques comme par exemples la taille des grains. La complexité des media naturels n'est pas encore suffisamment représenté par les modèles des processus PP. Néanmoins, la simple corrélation entre effet PP et perméabilité est fort et consistant. En conséquence la théorie de Schwarz sur l'effet-PP a été adapté de manière semi-empirique pour mieux pouvoir estimer la relation entre les résultats de l'effet-PP et les paramètres taille de graines et perméabilité. Nos résultats concernant l'influence de la texture des matériaux et celles de l'effet de l'électrochimie des fluides dans les pores, permettront de visualiser des divers aspects du sous-sol. Avec des telles mesures géo-électriques, les hydrologues peuvent collectionner des données contenant des informations sur la structure et la chimie des fluides des sous-sols. Néanmoins, plus de recherches sur les origines physiques de l'effet-PP sont nécessaires afin de minimiser le risque potentiel d'une mauvaise interprétation des données.
Création de la notice
03/07/2012 17:02
Dernière modification de la notice
03/03/2018 22:35
Données d'usage