Utilisation des méthodes électriques pour la détection et le suivi des transferts de CO2 dans la subsurface

L'objectif de cette thèse est d’étudier la capacité des méthodes de tomographie de résistivité électrique (ERT) et de polarisation provoquée (PP) à détecter et suivre des transferts de dioxyde de carbone dans la subsurface. Cette problématique s’inscrit dans le contexte de la surveillance en proche surface des sites de séquestration géologique du CO2. Dans un premier temps, une approche en conditions contrôlées a été adoptée. Des expériences en laboratoire d’échelle métrique, sur des milieux granulaires relativement homogènes, totalement saturés en eau ont été réalisées. En étudiant l’impact d’une injection de CO2 sur les valeurs de résistivité et de paramètres PP associées à ces milieux, nous avons pu discerner et quantifier les effets induits par la présence d’une phase gazeuse dans le milieu de ceux reliés aux phénomènes de dissolution du CO2 et/ou de la matrice poreuse. Dans le cas de la méthode ERT, des travaux de modélisation ont permis d’étudier la sensibilité de différentes configurations d’électrodes et de développer des protocoles d’acquisition adaptés à la détection d’un panache de CO2 gazeux. Cette étude a mis en lumière l’importance de l’utilisation de protocoles de mesure adaptés à la géométrie du panache de gaz. En étudiant l’évolution de la réponse PP lors d’expériences en laboratoire similaires, nous avons observé qu’aux hautes fréquences (f > 1 kHz), les propriétés capacitives du milieu sont systématiquement davantage affectées par l’injection de CO2 que les propriétés de conduction ohmique. Ce constat souligne l’intérêt notable des méthodes PP pour la détection de transferts de CO2 dans les sols. A partir d’un modèle théorique mécanistique, nous avons reproduit la forme et l’ampleur des spectres fréquentiels de conductivité en quadrature associés aux milieux étudiés. Ces travaux ont également permis de développer des relations empiriques simples reliant les réponses PP observées aux hautes fréquences avec les paramètres physico-chimiques caractéristiques du milieu (saturation en eau, conductivité électrique du fluide saturant). Dans un second temps, nous avons étendu la problématique de la thèse à des milieux plus complexes, en réalisant des expériences sur un cas de terrain. Trois expériences distinctes ont été réalisées. Nous avons effectué le suivi temporel d’une injection de CO2 gazeux à faible profondeur (5,5 m) par la méthode ERT, la méthode de polarisation provoquée temporelle (PPT), et la méthode de polarisation provoquée spectrale (PPS). A nouveau, les paramètres géophysiques liés aux propriétés capacitives du milieu présentent des variations plus importantes au cours des expériences que les paramètres liés aux propriétés de conduction ohmique du milieu. Cependant, dans certains cas, des effets instrumentaux sont également responsables d'importantes variations sur les signaux mesurés, et doivent être pris en compte lors de l'interprétation des résultats.