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Pollution des eaux souterraines et stratégies de remédiation dans les roches fracturées

Les formations géologiques souterraines renferment différents types d’hydro-systèmes qui sont impliqués dans une large gamme de problématiques économiques, sociétales et environnementales. Cela inclut des aquifères situés dans les premières centaines de mètres sous la surface et exploités pour leur ressource en eau, mais aussi des réservoirs situés à de plus grande profondeur et utilisés pour leurs ressources énergétiques (hydrocarbures, géothermie) et pour le stockage géologique (CO2, méthane, radioéléments).

Bien que ces réservoirs profonds ne soient communément pas co-localisés avec les aquifères utilisés pour la production d’eau, la présence potentielle de fractures naturelles ou anthropiques peut mener à connecter ces hydro-systèmes aux propriétés physico-chimiques différentes avec des conséquences désastreuses pour la ressource hydrique (fig. ci-contre : exploitation géothermique, modifié à partir de Sandia National Laboratories [2013]). Préserver la qualité de cette ressource doit alors être envisagé dans les conditions actuelles de constante augmentation de l’exploitation des réservoirs profonds.

Répondre à cette problématique nécessite de se doter d’outils de modélisation fiables permettant d’étudier les risques d’interconnexion entre les hydro-systèmes et de définir les moyens d’éviter ces connexions. Ces outils sont aussi nécessaires pour prédire les conséquences en cas d’accident et pour proposer des méthodes pour y remédier. Pour cela, il est primordial d’améliorer les modèles hydrogéologiques existants en prenant en compte (i) l’impact des réactions biogéochimiques sur l’hydrodynamique et l’équilibre chimique des aquifères, (ii) l’hétérogénéité multi-échelle des systèmes considérés et des processus qui s’y déroulent avec la présence de discontinuités hydrodynamiques telles que des fractures, et (iii) les incertitudes liées à notre capacité limitée d’observation du sous-sol.

Dans ce contexte, les activités de recherche de Delphine Roubinet, recrutée l’an dernier à Géosciences Montpellier dans l’équipe "Transferts en milieux poreux" comporte trois axes principaux :
-  la caractérisation du milieu naturel en combinant plusieurs méthodes d’observations directes et indirectes et en utilisant des solutions analytiques et numériques adaptées à l’interprétation de ces données pour des milieux fortement hétérogènes
(fig. ci-contre : signal de potentiel spontané pour caractériser les milieux fracturés) ;

-  le développement d’expériences en laboratoire pour caractériser les processus hydro-biogéochimiques et leurs interactions dans des structures expérimentales à complexité croissante
(fig.ci-dessus : développement de biofilm pendant une expérience de dénitrification) ;

-  l’implémentation d’outils de modélisation permettant d’interpréter les expériences menées en laboratoire, de proposer des concepts de changements d’échelles qui intègrent les hétérogénéités géologiques du milieu naturel, et de développer des modèles à grande échelle
(fig. ci-contre : modélisation de l’injection de réactants A et B dans un milieu poreux fracturé).

Les modèles ainsi développés permettront de répondre aux problématiques actuelles de la préservation de la ressource en eau souterraine qui représente plus de la moitié de la production d’eau potable en France et à l’étranger. Alors que les risques de pollution de cette ressource sont généralement envisagés en termes d’anthropisation et d’industrialisation en surface, ces modèles prendront en compte les risques liés à l’usage multiple du sous-sol et seront utilisés pour proposer des solutions face aux compétitions d’usage du sous-sol.