QUANTIFICATION DES PARAMETRES DE TRANSPORT DES SOLUTES EN MILIEUX POREUX PAR TOMOGRAPHIE DE RESISTIVITE ELECTRIQUE : DEVELOPPEMENTS METHODOLOGIQUES ET EXPERIMENTAUX

Electrical resistivity tomography is a common geophysical method often used to detect and follow plume pollutants in aquifers. However ERT is an integrative method whose reliability of the models is faced to the non-unicity of the inverse problem solutions. These constraints limit the interpretation to a qualitative view of the resistivity contrast distribution modelled in 2D or 3D, being the result of the choice of the inverse parameters and the combination of several hydrody- namic paramaters related to the poral network. The purpose of this thesis is to test the abilities of the ERT imaging to quantify solute transport parameters in miscible displacement occurred in groundwater and the sensitivity of the inverse parameters most influencing the modelling of the dispersion front. Tests are conducted from laboratory experiments led on glass bead packs poured into a transpar- ent plexiglas container. Two vertical lines of 21 stainless steel electrodes are fixed on the lateral sides of the container to perform the ERT monitoring, of the NaCl dissolved in the tracer, from a sequence of 210 quadripole measurements acquired in transverse dipole-dipole each 5 minutes. A light panel is placed behind the experimental device and a video follow up of the dyed part of the tracer is done from the other side. Video analysis reveal a faster propagation of the dye in contact of the vertical edge, which is neg- ligible for the lowest flow rates imposed by the pump. In contrast, ERT mesurements are strongly disturbed by the resistant edges of the plexiglas container that affect the resulting models. Nor- malisation of the apparent resisitivity measurements from a set aquired at the experimental stage and by the Archies law strongly tones down these resistive artefacts. ERT modelling is here particularly sensitive to the grid mesh, the norm (L1 or L2) applied on data and parameters, and the damping factor . High values of and the cutoff factor tend to smooth the resistivity constrasts in the area of the mixing front and increase the weight of the horizontal edge effects on D and . While results from inverse modelling constraint by low and cutoff factors are much closer to the video analysis but with enhanced side slope effects at the rear and the front of the mixing area. The interstitial velocity u is independant of the choice of the inverse parameters. For both meth- ods u is always inferior to the flow rate provided by the pump, whose the gap is expressed as a retardation factor Rf . This retardation is due to adsorption of Na+ on the beads surfaces, which contributes to delay the dispersion front followed by ERT. The retardation expressed by the video analysis can be due to the important size of the molecule of the dye which is easily slowed down in lower permeability areas, added to an eventual affinity to the solid surface. The ranges of fluid conductivity contrasts and stability of the interfaces tested here have no influ- ences on the dispersion which is dominated by the flow velocity u. Estimations of the dispersion coefficient D as function of the Péclet is consistent with the theoretical curve of Bachmat (1968) and Bijeljic & al (2004). First field experiments are conducted in 2D on homogeneous unsaturated sand where measure- ments are free of all kind of edge effects. However, data normalisation is much more complicated since the saturation state and the initial fluid conductivities need to be estimated to calibrate the Archies law. Moreover, the RMS error of the ERT models highlights that the inversion process is not enough constraint by the data which does not allow to quantify the transport parameters.La tomographie de résistivité électrique (ERT) est une méthode courante géophysique de terrain, souvent utilisée pour détecter et l'évolution suivre les panaches de polluants en zone saturée. L'ERT est cependant une méthode intégratrice dont la fiabilité des modèles est confrontée aux problèmes de non-unicité des solutions du problème inverse. Ces contraintes limitent l'interprétation des modèles à un aspect qualitatif de la distribution des contrastes de résistivité modélisés en 2D ou 3D, résultant du choix des paramètres d'inversion et de l'association de paramètres du milieu non identifiables à l'échelle du volume poreux. Cette thèse propose de tester la faisabilité de la méthode pour quantifier les paramètres de transport de polluants et de solutés miscibles au contact des eaux souterraines, ainsi que la sensibilité des paramètres d'inversion les plus influents sur la modélisation. Les tests expérimentaux sont réalisés en laboratoire sur des empillements 2D de billes de verre sphériques (de l'ordre de la 100ène de μm) dans un réservoir en plexiglas transparent. Deux réseaux verticaux de 21 électrodes sont disposés sur les bords latéraux du réservoir pour effectuer le suivi ERT du traceur salé (NaCl dissout) à partir de 210 points de mesures en dipôle-dipôle transverse acquis toutes les 5 minutes afin d'optimiser la résolution temporelle. Le dispositif est également disposé face à un panneau lumineux permettant de réalisé un suivi vidéo simultané du colorant. L'analyse vidéo révèle une propagation plus rapide du colorant sur les bords latéraux qui reste somme toute négligeable pour les débits à la pompe les plus faibles. En revanche les mesures ERT sont fortement perturbées par les effets résistant de la cellule plexiglas qui se répercutent sur les modèles. La normalisation des mesures de résistivité apparente à partir d'une série acquise à l'état initial permet de les atténuer fortement. La modélisation est particulièrement sensible au choix du maillage, aux normes appliqués (L1 ou L2) sur les données et les paramètres, et au facteur d'amortissement. Des valeurs trop élevées du facteur d'acceptance tendent à lisser les contrastes au niveau du front de dispersion et augmentent l'impact des effets des bords horizontaux sur D et . A l'inverse, une modélisation contrainte par de faibles valeurs du facteur d'acceptance donnent des résultats plus proches de l'analyse vidéo, mais produit des effets de bosses à l'avant et à l'arrière du front. La vitesse interstitielle u est indépendante du choix des paramètres d'inversion pour l'ERT. Pour les deux méthodes u est toujours inférieure au débit imposé par la pompe, dont le décalage est exprimé par le facteur retard Rf . Les effets de retard résultent de l'adsorption du Na+ sur les surfaces des billes de verre chargées négativement qui retarde le front de dispersion du suivi ERT. Pour le suivi vidéo, la taille importante de la molécule du colorant favorise son piégeage dans les zones où la perméabilité est plus faible, en plus d'une éventuelle affinité avec la surface solide. Les contrastes de conductivité et la stabilité de l'interface créent par la différence de densité entre les fluides testés ici n'ont pas d'influences significatives sur la dispersion qui est dominée par le débit imposé à la pompe. Les estimations du coefficient de dispersion D en fonction du nombre de Péclet sont cohérentes avec la courbe théorique de Bachmat (1968). Cependant la dispersivité augmente pour les vitesses d'écoulement les plus élevées. Les premières expérimentations de terrain réalisées en 2D sur des sables de Fontainebleau présentent l'avantage de s'affranchir des effets de bords inhérents au laboratoire. En revanche la recalibration des données normalisée par la loi de Archie est plus complexe puisqu'il est nécessaire de tenir compte de l'état de saturation de la résistivité des fluides initialement présents. De plus l'erreur importante sur les modèles ne permet pas de déduire une estimation fiable des paramatères de transport u, (ou D), et Rf