Modélisation et simulation numérique de l'interaction fluide-minéral. Application à l'échange chimique avec transport entre un fluide aqueux et une solution solide à trois pôles.

192 pagesIn this work we have been interested in the chemical exchange and mass transfer between minerals and aqueous fluids during a process which associates chemical reactions and transport. Our application concerns skarns type rocks composed of garnet or pyroxene minerals. First we set the problem in its thermodynamical context and we present a solution model for each phase. Second, we present three methods for deriving the isotherm function (from the writing of chemical potentials equality for the components in the fluid and in the solid phases or using equilibrium or exchange constants). The transport model has been obtained by expressing an isovolumic mass balance or by restricting to a mass balance within the fluid phase. Using some simplifications bearing on rock struture, hydrogeological parameters and the local equilibrium hypothesis, we obtain an hyperbolic system of 'chromatographic' type. At high temperatures, the isotherm can be expressed in the form of Langmuir isotherm. The mathematical study of the model with one component allows us to find back the thermodynamical stability condition of the system and to highlight the conditions allowing the simplification of the chromatographic model for many components. In the numerical part of this work we aimed to test the influence of thermodynamical parameters on the system stability and on the transformation process and to validate the model by a comparison to geological observations on diverse test cases.Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la modélisation et à la simulation numérique de l'échange et du transfert de matière entre fluide aqueux et minéraux dans un processus qui associe réactions chimiques et transport. Notre application porte sur les skarns constitués de grenat ou de pyroxènes. Nous situons d'abord le problème dans son cadre thermodynamique et nous présentons un modèle de solution pour chaque phase et deux modèles de construction de la fonction isotherme obtenus à partir des potentiels chimiques ou en utilisant les constantes d'équilibre. Le modèle quantitatif a été obtenu en exprimant un bilan total isovolumique de matière ou en se restreignant à un bilan sur la phase fluide. En se plaçant sous l'hypothèse de la roche et les paramètres hydrogéologiques, nous obtenons un système hyperbolique de type 'modèle de la chromatographie'. Nous avons également étudié le problème d'interaction fluide-minéral dans un cas général et aussi quand la température devient assez grande. L'isotherme s'exprime sous la forme d'une isotherme de Langmuir. L'étude du modèle à un constituant nous permet de retrouver la condition de stabilité thermodynamique du système et d'envisager les conditions permettant de simplifier le modèle de la chromatographie à plusieurs constituantes. La partie numérique de ce travail consiste à tester l'influence des paramètres thermodynamiques sur la stabilité du système et sur le processus de la transformation et de valider le modèle en procédant à une confrontation aux observations géologiques sur divers cas tests