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Hubert Fabien

Les thèses encadrées par "Hubert Fabien"

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  • Organisation de la matrice argileuse des sols : effets de la minéralogie et des conditions physico-chimiques sur la formation des croûtes de battance    - Geoffroy Vincent  -  29 septembre 2022

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    L’une des problématiques environnementales majeure et actuelle conduisant à la dégradation des sols et à la perte des terres est l'érosion hydrique. Dans ce contexte, la formation de croûte de battance à la surface du sol jour un rôle clé dans le processus d’érosion hydrique car elle limite l'infiltration de l’eau et favorise le ruissellement en surface. Suite aux événements pluvieux, la formation de croute de battance résulte de la réorganisation en surface des particules du sol, notamment les particules les plus fines comme les minéraux argileux. Les différents stades de formation des croûtes de battance sont généralement observés par l’étude micromorphologique de leur structure interne. Si l’effet des conditions physico-chimiques des sols joue un rôle essentiel sur la structuration des croûtes de battance à travers leur impact sur les minéraux argileux, l’interprétation des mécanismes à l’œuvre reste limitée car l’identification des particules argileuses impliquées restent délicates. L’objectif de cette thèse est ainsi de caractériser la minéralogie et l'organisation des argiles pour améliorer notre compréhension sur les mécanismes de formation des croûtes de battance en fonction des conditions physico-chimiques du sol. Le panel d’échantillons de surface de sol étudié est issu du site expérimental longue durée des 42 parcelles de l’INRAE de Versailles. L’atout majeur de ce site est d’offrir la possibilité de comparer l’effet des conditions physico-chimiques grâce à l’apport de différents traitements chimiques appliqués depuis plus de 90 ans sur le même sol. Dans un premier temps, les échantillons de croûte de battance à structure conservée ont été analysés au microscope électronique à balayage à partir de mosaïque d’images en électrons rétrodiffusés à l’échelle centimétrique afin de proposer une description micromorphologique des différentes structures observées. Sur la base de ces observations, des zones d’intérêt représentatives ayant des surfaces pluri-millimétriques ont été sélectionnées pour être cartographiées en microdiffraction 2D de rayons X (µDRX 2D) au synchrotron SOLEIL sur la ligne CRISTAL. Les données spatialisées (résolution de 75 x 75 µm) de µDRX 2D ont ensuite étaient traitées pour cartographier la distribution spatiale des différents minéraux argileux (chlorite, illite, kaolinite) et leur organisation propre à travers le degré d’orientation préférentielle des particules. L’interprétation des données micromorphologiques et minéralogiques spatialisées a permis de mettre en évidence des différenciations faibles entre les zones d’érosion de départ des particules qui montrent au global des organisations isotropes appauvries en particules argileuses sans différenciation minéralogiques. En comparaison, les zones de dépôt montrent des signatures très contrastées entre les traitements physico-chimiques étudiés. Les anisotropies les plus marquées ont été observées sur des dépôts très fins (épaisseur <150 µm) pour le traitement au sodium (NaNO3) et pour le sol modérément acide sans traitement avec une différenciation minéralogique des argiles probablement liée à une ségrégation en taille des particules lors de leur sédimentation dans une micro-dépression. Les traitements basiques (CaCO3) et très acide ((NH4)2HPO4) présentent des séquences de dépôts quasi-isotropes à faiblement orientées sans variation minéralogiques notables, très probablement en lien avec le transport de micro-agrégats. Au final, les différentes signatures minéralogiques et organisationnelles des minéraux argileux au sein des différentes séquences de dépôt sont discutées afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes conduisant à la formation des croutes de battance pour un contexte physico-chimique donné.

  • Influence of particles organization and dual porosity on the diffusion of water and solutes in clayey porous media    - Asaad Ali  -  15 décembre 2021

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    Les roches compactées riches en minéraux argileux sont souvent caractérisées par une conductivité hydraulique très faible et la présence de tout petits pores (nanopores). Ces caractéristiques les rendent idéales pour confiner notamment des déchets chimiques et radiologiques. Dans ces contextes de barrières ouvragées, il est important de comprendre/prédire les processus de diffusion dans ces systèmes car il s'agit du principal mécanisme de transport de l'eau/solutés vers les milieux environnants. Dans ces systèmes, les particules d'argile sont les principaux acteurs contrôlant (i) les mécanismes d'adsorption-désorption de l'eau et des ions en raison de leur taille souvent inférieure au micromètre, de leur grande surface spécifique et de leur réactivité élevée pour les processus d'échange d'ions, (ii) l'anisotropie spatiale de la diffusion des solutés dans les milieux poreux en raison de leur morphologie en plaquettes, qui conduit à une orientation préférentielle lorsqu'elles sont compactées et, (iii) la perméabilité de ces formations, en raison de leurs différents types de porosité (interfoliaire vs. interparticulaire) qui peuvent être totalement ou partiellement accessibles ou inaccessibles pour les ions et l'eau. Dans ce contexte, cette thèse étudie l'influence de (i) l'orientation préférentielle des particules d'argile, (ii) la présence de différents types de porosités accessibles à l'eau et aux ions (interfoliaire vs interparticulaire), et (iii) la présence d'une charge structurale négative de certaines particules d'argileuses, sur la diffusion d'eau/solutés dans des milieux argileux poreux compactés. La première partie de ce manuscrit reporte des résultats sur les propriétés minéralogiques et morphologiques d'échantillons d'illite du Puy (IDP) provenant de trois sources différentes. L'IDP est un matériau naturel utilisé après purification et saturation en Na dans plusieurs expériences présentées dans la littérature consacrées à la sorption/diffusion de cations/traceurs d'eau. Cependant, les propriétés de ce matériau (purifié ou non) reportées dans ces études sont assez variables. Pour cette raison, cette partie met en évidence les différences entre les différents matériaux IDP. Elle fournit également des données de référence grâce à des analyses détaillées du matériau; celui-ci étant également utilisé dans le projet EURAD (European Joint Programme on Radioactive Waste Management). La deuxième partie est consacrée aux résultats de la diffusion d’un traceur de l’eau (HDO) et d’ions (Na+ et Cl-) à travers des milieux poreux compactés constitués de particules de vermiculite Na, de Na-IDP et de Na-kaolinite sous différents gradients de salinité en utilisant un setup de through diffusion (TD). Ces minéraux argileux ont été soigneusement choisis pour construire des milieux poreux caractérisés par une simple porosité (i.e., interparticulaire ; IDP, kaolinite) ou une double-porosité (i.e., interfoliaire et interparticulaire ; vermiculite) et dans des conditions de saturation en eau. Un protocole développé dans ce travail nous a permis de fabriquer des milieux poreux caractérisés par des degrés variables d'anisotropie dans l'orientation préférentielle des particules tout en ayant une porosité interparticulaire similaire, et présentant une porosité interfoliaire accessible ou non à l'eau et aux ions. Cette approche a permis d'obtenir des informations quantitatives sur l'influence (i) de l'orientation préférentielle des particules et (ii) de la présence d'une porosité interfoliaire accessible (pour HDO), sur la diffusion de ces traceurs au sein des milieux poreux constitués de ces minéraux. Dans cette partie, toutes les données expérimentales obtenus pour HDO par TD ont été comparées à celles simulées par dynamique brownienne (BD) réalisée avec des milieux poreux virtuels représentatifs des échantillons expérimentaux utilisés afin d'évaluer la capacité de prédiction de cet outil (simulation en BD).

  • Anisotropie des milieux poreux argileux et implication sur la diffusion de l'eau    - Dabat Thomas  -  26 septembre 2019

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    Les minéraux argileux sont omniprésents à la surface de la Terre. Leur forme plaquettaire et leur taille le plus souvent (sub)micrométrique en font des composants influençant, entre autres, la perméabilité et la capacité d’échange ionique des sols et des roches. L’étude des milieux poreux argileux est ainsi d’importance notamment pour l’exploitation et la préservation de ressources naturelles, le suivi de polluants ou encore le stockage de CO2. Si les propriétés physico-chimiques des surfaces argileuses contrôlent les processus d’adsorption-désorption de l’eau et des ions, la porosité et l’anisotropie du réseau poral gouvernent les processus de diffusion au sein des milieux poreux argileux. Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire de thèse se focalise sur la caractérisation de l’orientation des particules argileuses, et son influence sur l’anisotropie des propriétés de diffusion de l’eau dans le réseau poral. Une première partie de ce manuscrit regroupe des analyses systématiques de l’organisation des particules argileuses dans des milieux poreux modèles et naturels variés. Tout d’abord, une étude de milieux poreux modèles simulés et expérimentaux composés de disques sédimentés, monodisperses en taille, a mis en évidence une relation simple entre l’anisotropie d’orientation des particules et l’anisotropie de la phase porale. Puis, une étude de l’orientation préférentielle des particules argileuses dans des milieux poreux expérimentaux composés de minéraux argileux purs a été réalisée pour des compositions minéralogiques et des modes de dépôt variés. Une généralisation de la description des fonctions de distribution d’orientation des particules argileuses a été proposée et appliquée avec succès à trois milieux poreux naturels. Ces résultats visent ainsi à faciliter la prise en compte de l’orientation préférentielle des particules argileuses dans la description géométrique des milieux poreux argileux. La seconde partie de ce mémoire de thèse tente de faire le lien entre l’anisotropie de la phase solide, telle que décrite précédemment par l’orientation préférentielle des particules, et les prédictions de diffusion de l’eau dans ces milieux poreux argileux. Une première étude couplant des simulations numériques et des mesures expérimentales a été réalisée pour des milieux de kaolinite ayant des anisotropies contrastées, tout autre paramètre égal par ailleurs (porosité du milieu, taille et forme des particules). Les résultats montrent une évolution d’un facteur 2 du coefficient de diffusion de l’eau dans la direction longitudinale par rapport à l’axe de compaction et une évolution de l’anisotropie de diffusion d’une valeur de 1 (isotrope) à environ 5 (le plus anisotrope mesuré). Des mesures complémentaires ont ensuite permis d’établir une loi d’Archie modifiée prédisant le coefficient de diffusion de l’eau à partir du couple porosité/orientation des particules pour une gamme de porosité de 30 à 60%. Ces résultats visent à faciliter la prise en compte de l’orientation des particules argileuses dans les modèles de diffusion macroscopique de l’eau. En parallèle, l’influence d’un gradient de salinité et les rôles des porosités interfoliaire et interparticulaire sur la dynamique de l’eau et des ions Na+ et Cl- au sein de milieux de vermiculites (milieu chargé à double porosité) ont été analysés pour des organisations de particules connues.

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