Aspects mécanistiques de la réaction de précipitation de la calcite et mouvements de fluide supercritique dans une matrice calcitique: Implications au stockage minéral de CO2

devant le jury composé de: Bonneville Alain.............President Zuddas Pierpaolo.............Directeur de Thèse Toulhoat Pierre..............Rapporteur Matter Juerg.................Rapporteur Lacour-Gayet Philippe........Examinateur Jablon Claude................Examinateur Résumé: "La quantité de CO2 présente dans l'atmosphère terrestre s'est accrue constamment depuis les débuts de la révolution industrielle au point quun réchauffement significatif et des changements climatiques ont été attribués à lactivité anthropogénique. La séquestration géologique du CO2 apparaît donc comme lune des stratégies les plus pertinentes pour la réduction à long terme des émissions atmosphériques de ce gaz à effets de serre. Lexcès de CO2 peut être stocké dans les formations géologiques de différentes manières. La solution qui apparaît comme la plus stable est de faire réagir des fluides riches en CO2 avec les minéraux des roches (ou la matière organique) des formations géologiques encaissantes et de produire une nouvelle matrice solide carbonatée. Les cinétiques des réactions impliquées dans la minéralisation du CO2 ont donc été étudiées. La première partie de cette étude sest donc attachée à décrire les aspects mécanistiques de la réaction de précipitation de la calcite par une approche cinétique permettant dobtenir précisément les vitesses et les constantes cinétiques des réactions ainsi que des informations sur les mécanismes réactionnels en faisant varier la température (5 à 70°C) ainsi que la composition de la solution (degré de sursaturation et présence dinhibiteur : Mg2+ et SO42-). Les résultats de cette étude ont montré que le rôle de la température ne se limite pas à uniquement à un simple effet catalyseur mais que les changements de mécanismes cinétiques, que la température génère, déterminent aussi les quantités de Magnésium qui peuvent sincorporer dans la calcite. Par extension à cette étude, nous avons établi une loi empirique globale décrivant la variation du taux de précipitation en fonction de la concentration en carbonate et des différents paramètres physico-chimiques influençant la réaction de formation de la calcite (PCO2, salinité, température, inhibiteurs, matière organique). La température qui peut faire augmenter de 3 ordres de grandeurs le taux de précipitation mais uniquement dans des conditions de déséquilibre important contrairement à la pression partielle de CO2 qui a une influence égale proche et loin de léquilibre dans des solutions pourtant complètement tamponnée. Dans la deuxième partie, létude sest focalisée sur les mouvements de fluides supercritiques à lintérieur dune matrice solide calcitique. Nous avons montré que des bulles de CO2 supercritiques piégées dans des inclusions fluides contenues dans une matrice polycristalline de calcite pouvaient circuler jusquà la surface du cristal. Ces mouvements ont lieu à travers les joints de grain des cristaux à une vitesse de 10 ordres de grandeurs supérieure à la diffusion cristalline dans les conditions de température et de pression standard. De plus, nous avons montré que ce phénomène altère de manière significative les propriétés de surface des calcites et il doit être pris en compte lors de la modélisation prédictive de la réactivité et du transport des fluides dans le milieu de stockage. "