Le sous sol n'est pas aussi simple qu'on le croit 🪨- Monsieur Bidouille

L'étude du sous-sol révèle une grande complexité concernant la circulation des fluides. Des phénomènes tels que le colmatage, c'est-à-dire la capacité de certaines zones à se boucher ou à devenir étanches, ainsi que la dissolution de minéraux, rendent la couche géologique non uniforme. Cette hétérogénéité provoque une circulation variable des fluides, certains pouvant être ralentis ou piégés, entraînant des éléments qui colmatent les couches. Pour comprendre et maîtriser cet environnement chaotique, une approche scientifique consiste à décomposer cette complexité en sous-parties simples, à en tirer des règles fondamentales, puis à assembler ces règles pour réaliser des simulations globales, souvent sous forme de courbes ou de graphiques 3D simples.

Pour mettre en équation le comportement des fluides dans le sol, il est impératif de comprendre leur comportement à l'échelle microscopique. C'est le domaine de la microfluidique, qui se concentre sur l'étude des écoulements à des échelles microscopiques, impliquant des pores de quelques micromètres de diamètre, comparables à l'épaisseur d'un cheveu. À cette échelle, le comportement des gaz ou des liquides est radicalement différent de celui observé à l'échelle macroscopique. Bien que les premières applications datent des années 70, cette discipline a véritablement pris son essor dans les années 90, profitant du développement technologique de l'informatique.

Pour analyser l'écoulement d'un fluide dans une canalisation, il est nécessaire de s'intéresser au nombre de Reynolds. Ce paramètre permet de déterminer si le fluide s'écoule dans un état laminaire, où le mouvement est ordonné et sans perturbation, ou dans un état turbulent, caractérisé par un mélange total. L'exemple classique utilise de l'encre injectée dans un flux d'eau : à faible vitesse (laminaire), l'encre reste au centre ; en augmentant la vitesse, on observe une transition vers l'état turbulent où l'encre se mélange complètement. Le nombre de Reynolds est calculé en fonction du diamètre du tuyau, de la vitesse du fluide, ainsi que de sa densité et de sa viscosité.

Une observation clé est que plus un fluide est visqueux, plus son nombre de Reynolds est bas. Lorsque le flux est laminaire, la viscosité du fluide domine par rapport à son inertie. Cela signifie que si une perturbation survient, elle reste locale et le reste du fluide continue son chemin sans être affecté. Inversement, dans un flux turbulent, la moindre perturbation entraîne d'autres désordres par inertie, provoquant un effet papillon ou une cascade de perturbations.

Lorsque les conduits sont réduits à des échelles microscopiques, la vitesse d'écoulement devient extrêmement faible, souvent de l'ordre du mètre par jour. Dans ces conditions, le nombre de Reynolds est systématiquement inférieur à 1, garantissant que le fluide est toujours en régime laminaire. On parle même de régime rampant en microfluidique. Cette caractéristique est extrêmement intéressante pour de nombreuses applications, car les fluides s'écoulent sans perturbations majeures. De plus, à cette échelle, d'autres forces, absentes ou négligeables à l'échelle macroscopique, prennent le dessus pour influencer le mouvement des fluides.

En microfluidique, peu importe le fluide qu'on va manipuler, que ce soit un gaz ou un liquide, le flux est laminaire.

Ces propriétés permettent de réaliser des prouesses impossibles à l'échelle macroscopique, comme créer des micromodels capables de générer des gouttes d'huile et de les transporter dans de l'eau sans qu'elles ne se mélangent entre elles, sauf dans des conditions macroscopiques très spécifiques. La microfluidique permet également de manipuler des quantités infimes de produits avec une extrême précision, ouvrant la voie à l'automatisation via des microcircuits intégrant des microcanalisations et des microcapteurs pour réaliser des analyses sophistiquées.

L'application de la microfluidique en géologie, bien que plus récente, vise à concevoir des circuits simulant les processus se déroulant dans le sol. L'objectif n'est pas de construire des micro-laboratoires, mais de mieux comprendre le comportement des fluides en réalisant des expériences dans des milieux contrôlés, car observer directement à travers la roche est trop complexe. Pour créer ces modèles, il est nécessaire de pouvoir les fabriquer facilement et en série. La technique la plus courante commence par l'utilisation d'un wafer, la plaque sur laquelle sont gravées les puces électroniques, qui sert de matrice.

L'expérience consiste à placer le wafer gravé dans une coupelle et à couler dessus un polymère spécifique, le polydiméthylsiloxane, universellement appelé PDMS. La particularité de ce polymère réside dans sa grande transparence, permettant l'observation des fluides au microscope, et sa capacité à laisser passer un large spectre lumineux. Une fois le PDMS sec, il est décollé du wafer et découpé, le morceau étant ensuite collé sur une plaque de verre. L'avantage majeur de cette technique est la possibilité de mouler un nombre illimité de micromodels tant que le wafer initial n'est pas endommagé.

Le micromodel en verre gravé est ensuite installé sur un microscope de laboratoire. Le fluide est mis en mouvement par une pompe seringue. À des débits extrêmement faibles, comme 0,01 ml par minute, il faudrait des mois pour remplir un simple verre d'eau, illustrant la lenteur des processus étudiés.

Malgré les débits très lents, la circulation de l'eau dans le micromodel peut être si rapide à l'échelle observée qu'il devient nécessaire d'utiliser une caméra haute vitesse, parfois réglée autour de 100 images par seconde. Le temps d'enregistrement dépend de l'expérience, pouvant aller de quelques heures pour des phénomènes très lents à des vitesses d'obturation très rapides pour des événements fugaces. Avant l'injection, l'eau doit être rigoureusement filtrée pour éviter que la moindre particule ne bouche les pores. Pour rendre visible l'eau transparente au microscope, on y ajoute des microbilles de polystyrène, qui possèdent la même densité que l'eau et ne modifient donc pas son comportement d'écoulement.

Comme il est impossible d'expérimenter avec la gravité dans des micromodels trop petits, les chercheurs se concentrent sur la manipulation des forces capillaires et des différences de pression. Puisque le flux est laminaire, c'est la viscosité du fluide qui est la force dominante dans ces scénarios.

Afin d'illustrer l'interaction entre ces forces, une expérience simple est menée avec un circuit composé de deux séries de micro réservoirs remplis d'eau, dans lequel de l'huile est ensuite injectée pour prendre la place de l'eau. L'objectif est d'observer comment l'huile déplace l'eau en fonction de la vitesse d'injection, liée à la différence de pression appliquée.

En trouvant le bon équilibre entre les forces capillaires et visqueuses, on pourrait maximiser le remplissage d'un réseau de pores.

L'observation montre que lorsque les forces capillaires dominent, elles empêchent le fluide de s'écouler jusqu'à ce que la pression devienne suffisante pour envahir la cavité d'un seul coup. Cependant, il est remarquable que dans la condition où les forces capillaires sont importantes, l'huile prend toute la place dans la cavité, ne laissant aucune eau piégée. Cela suggère qu'en ajustant finement l'équilibre entre ces deux types de forces, il est possible d'optimiser le remplissage des pores, par exemple pour maximiser le stockage d'un gaz dans le sous-sol.

Ces expériences trouvent une application concrète dans la modélisation du stockage du dioxyde de carbone dans le sol. Lors du captage de CO2 en sortie de centrale, celui-ci est injecté dans des réservoirs géologiques où les conditions de pression et de température sont au-delà du point critique du CO2. Dans cet état, le CO2 se comporte comme un fluide visqueux, ni liquide ni gaz, mais dans un état dit supercritique. Il est trop complexe de reproduire ces conditions exactes en microfluidique avec du vrai CO2 supercritique.

Par simplification, les chercheurs utilisent des fluides ayant une viscosité équivalente, comme l'huile utilisée dans l'expérience précédente, qui possède une viscosité équivalente à celle du CO2 supercritique. En comprenant comment deux fluides de viscosités différentes interagissent dans les pores, il est possible d'établir des modèles mathématiques précis. Ces modèles permettent de déterminer la pression et les débits nécessaires pour injecter le CO2 afin de maximiser son stockage en remplissant efficacement tous les pores disponibles dans la couche géologique.

Bien que les vrais sols ne soient pas constitués de micro-réservoirs parfaitement alignés comme dans les modèles, l'approche initiale consiste à cerner les phénomènes fondamentaux avant d'augmenter la complexité. Des micromodels reproduisant la structure poreuse du grès sont utilisés, où l'on observe que même après remplissage, il subsiste des zones sans eau, des sortes de bulles. En faisant varier les conditions d'injection, on peut observer comment l'huile envahit ou non certaines zones, ou comment elle forme des gouttes qui se déplacent et bouchent des passages.

Le sol réagit également chimiquement aux fluides. Le transport réactif décrit la dissolution ou la précipitation de minéraux en fonction de l'acidité du fluide. Par exemple, la simulation de la dissolution d'un grain de silice montre la création de bulles tout autour. L'expérience réelle correspondante confirme que le grain se dissout en créant des bulles de CO2. Ces bulles modifient les propriétés du fluide, que l'on peut mesurer grâce à des électrodes placées le long du micro-modèle.

Un autre sujet majeur est la pollution des sols, où des polluants peuvent se disperser lentement et atteindre les nappes phréatiques des années plus tard, rendant l'extraction directe impossible. Il faut alors recourir au traitement in situ, c'est-à-dire injecter des réactifs directement dans le sol. Un exemple de réactif est le fer zéro valent (nZVI), connu pour réagir avec les polluants. Le défi réside dans l'acheminement de ces nanoparticules vers les polluants piégés dans les réseaux de pores, surtout dans les zones où l'eau stagne.

Le projet Tracy, financé par l'Union européenne, étudie les méthodes de livraison de particules pour la dépollution. L'idée est de contourner le problème de stagnation en utilisant la diffusion foreuse. Ce phénomène, actif à l'échelle microscopique, utilise les gradients de concentration en soluté pour exercer une force sur les particules (comme les nZVI), les faisant migrer vers la zone de concentration la plus forte ou la moins forte. L'eau stagnante, saturée en minéraux dissous ou polluants, crée un gradient qui peut forcer les nanoparticules à migrer vers elle pour agir sur les polluants.

Les possibilités offertes par la microfluidique pour mieux comprendre le fonctionnement du sous-sol et développer de nouvelles techniques de stockage, d'extraction ou de dépollution sont considérables. En partant de modèles simples, il est possible de mettre en équation le mouvement des fluides. En montant en complexité avec des micro-modèles imitant la structure réelle de la roche, des simulations informatiques peuvent être réalisées pour anticiper le comportement du sous-sol. Ce processus permet d'améliorer les technologies existantes et d'en développer de nouvelles, démontrant l'énorme potentiel de ce champ scientifique encore jeune.