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Feldspar reactivity in the context of Soultz-sous-Forêts : From microstructural characterizations to numerical modeling

Coord. D.Daval

La modélisation des flux élémentaires impliqués dans l’altération chimique est un processus majeur pour la pérennité d’un site géothermique. Les intensités relatives du lessivage des minéraux primaires et de formation de phases secondaires affectent significativement la porosité et la perméabilité du réservoir, se traduisant par une modification des performances hydrauliques du site, ce qui justifie par ailleurs des efforts de modélisation de ces processus. Une telle modélisation de l’évolution temporelle des réactions de dissolution et de précipitation se fait classiquement par le biais d’une approche ascendante, que l’on sait peiner à prédire la réactivité des minéraux sur des durées relativement modestes (jours – semaines) et des échelles d’espace pourtant restreintes (mm – cm).
L’enjeu de ce projet consiste à apporter une meilleure connaissance de la réactivité de phases minérales typiques du réservoir de Soultz (principalement dans notre étude : feldspath potassique) en conditions hydrothermales, en se focalisant principalement sur les modifications microstructurales des surfaces altérées au cours de l’avancement de la réaction. Pour atteindre ce but, notre approche consiste en le couplage de caractérisations innovantes de nanotopographie de surface (interféromètre à balayage vertical (VSI), microscopie AFM) lors de la dissolution avec des modélisations numériques du processus.
Les résultats majeurs obtenus jusqu’ici peuvent se décliner comme suit :
1/ Démonstration de la nature anisotrope de la dissolution du K-feldspath, quelle que soit l’affinité chimique de la réaction ;
2/ Mesure de l’impact de l’affinité de la réaction sur différentes orientations cristallines et mise en évidence de la déviation entre les mesures et le cadre conceptuel utilisé dans les codes de transport réactif (théorie de l’état de transition) ;
3/ Modélisation numérique de l’évolution de la vitesse de dissolution d’un minéral au courant de l’avancement de la réaction, en lien avec l’évolution de la morphologie des cristaux considérés ;
4/ In fine, démonstration du caractère inapproprié de la modélisation classique isotrope de la réactivité minérale.
L’ensemble de ces informations fondamentales donnent un éclairage nouveau et à contre-courant de l’approche conventionnelle de la modélisation de la réactivité minérale, tout en ouvrant la voie à une approche alternative pour appréhender la dissolution des minéraux.

Illustration
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Fig. 1. Illustration de la stratégie expérimentale utilisée dans le cadre de ce projet. La vitesse de dissolution des minéraux est étudiée en fonction de l’orientation cristalline grâce à l’utilisation d’un interféromètre à balayage vertical. La marche entre les zones masquée et altérée permet de déterminer la vitesse de dissolution dans des conditions réactionnelles données. Dans la zone altérée, les puits de corrosion (droite de l’image) ont été identifiés comme les vecteurs principaux de la dissolution.
Fig. 2. Simulation de l’évolution de l’habitus d’un cristal au cours de la dissolution. L’anisotropie de dissolution est responsable de la disparition progressive des faces lentes au profit des faces rapides, ce qui change la réactivité du cristal au cours de sa dissolution. Une telle évolution n’est pour l’heure pas prise en compte dans les codes de transport réactif.

26 février 2016