Carlos Aldana

CNRS

Adresse e-mail carlos.aldana@cnrs-orleans.fr
Téléphone 02 38 49 24 83
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Bâtiment ISTE, bureau R111
Statut Non permanent, emploi Doctorant
Grand Programme Biogéosystèmes

A propos...

Thèse : Etude des propriétés de transfert de la ZNS, Application aux Calcaires de l’aquifère de Beauce

Directreur.ice.s : COQUET Yves & BRUAND Ary

Résumé du projet :
• Introduction : L’aquifère calcaire de Beauce a été étudié au cours des dernières décennies. Cependant, la plupart des études ont concerné les tous premiers mètres de la ZNS (0 à 3 mètres) et/ou la zone saturée de l’aquifère. Les processus d’écoulements, à travers la ZNS largement stratifiée, ne sont pas bien compris. De nombreux auteurs ont souligné son hétérogénéité, aussi bien latérale que verticale, avec des lithologies assez variables. L’accès à toute la ZNS reste un enjeu majeur, dont les principales difficultés sont techniques et économiques. La ZNS de la Beauce peut s’étendre de 20 m d’épaisseur jusqu’à une centaine de mètres au centre du bassin (par exemple, ~ 120 m à la Ferté-Saint-Aubin). Objectif : L’objectif général de ce travail de recherche est de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de transport associés au sein de la zone non saturée des calcaires aquitaniens de l’aquifère de Beauce qui va de la surface du sol jusqu’à une profondeur d’une vingtaine de mètres.
• Résultats : La conductivité hydraulique des facies sableux et sablo-marneux sont les plus élevées parmi les faciès calcaires à exception des certains roches micro-fissurées. Les valeurs plus faibles ont été observées pour le sol limono-argileux et pour les échantillons de marne. La rétention en eau la plus élevée est celle mesurée pour les sols. Les valeurs le plus faibles correspondent à la roche. Il est possible que les premier mètres de la ZNS représente une sorte de barrière dont l’écoulement (verticale) vers la nappe est ralenti, mais à partir d’environ 7 mètres, vu l’altération de la roches, les fissures et les réseaux des vacuoles, le transport de l’eau et de solutés est accéléré étant donné la forte porosité (fissures, fractures, vacuoles) et une faible force de rétention des couches de roches plus profondes de la ZNS.

Techniques utilisées :
• Campagnes de carottage au terrain
• Conception d’un dispositif expérimentale de type triaxiale pour la mesure des propriétés hydriques avec la méthode multi-step de débit d’extraction

Compétences développées :
• Maîtrise des concepts de base de physique de sols, capacité d’observation pour la reconnaissance des matériaux sédimentaires et lithologies dans la ZNS peu profonde,
• Connaissance des techniques de prélèvement des échantillons de la ZNS au terrain par des méthodes de carottages (percussion, rotation),
• Maîtrise de essais de laboratoire pour la mesure de propriétés physiques des sols et roches (surface spécifique, granulométrie, masse volumiques, porosité, distribution de taille de pores) par différents méthodes,
• Maîtrise des techniques d’extraction et caractérisation des minéraux argileux,
• Maîtrise d’outils pour l’analyses minéralogique et géochimique (Diffraction de rayons X, microscope optique, MEB),
• Mise en place des protocoles de laboratoire pour la mesures de propriétés hydriques des matériaux,
• Maîtrise d’un dispositif triaxiale pour la mesure des propriétés hydriques en conditions de saturation variable.
• Maîtrise d’un logiciel capable de contrôler le système triaxial GDS (GDS Lab),
• Maîtrise des outils informatiques pour l’ajustement de paramètres hydriques en partant des paramètres mesurés au laboratoire (RETC et HYDRUS 1D),
• Capacité de réflexion pour résoudre de problèmes en suivant une méthodologie scientifique. Autonomie dans la démarche scientifique pour développer un programme de travail de recherche.

Mots-Clés :
Zone non saturée - Propriétés hydriques- Marne - Roche calcaire - Sols argilo-limoneux - Système triaxial non conventionnel

Financement : PIVOT O-ZNS

Période : Octobre 2015 - Mars 2019

Valorisation (Articles, congrès) :
Poster EGU 2018 : « Measurement of Hydraulic Properties of Soils and Rocks using an Unconventional Triaxial System based on the Multistep Outflow Method »
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PhD title: Characterization of transfer properties of the unsaturated zone at the Beauce limestone aquifer

Supervisors: COQUET Yves & BRUAND Ary

Project summary:
• Introduction: Beauce limestone aquifer is being studied in the last decades. However, most of the research has been done either at shallow depths (0 to 3 meters) or in the saturated zone of the basin. Water transport phenomena through the large unsaturated zone are not very well understood. Several authors have found high heterogeneity, in both directions, vertical and horizontal. In additions, the access to the whole zone represents a technical and economic challenge // Objective: The goal is to understand the driving mechanism related to water and solute transport at the unsaturated zone of the aquifer
• Results: Hydraulic conductivity of sand and loamy sand showed the largest values except fractured rock samples which values were the largest. Smallest values belong to clay-loam soils followed by marl-type samples. Water retention properties were higher for clay-loamy soils and for marl-type sediments. The lowest water retention values were observed for rocks. It is highly possible that the very first meters of the unsaturated zone behave as a barrier which slows down the water flow downward but this effect may change at around 7 meters depth where rocks are found to be weathered and fractured and thus, fluid flow increases due to large porosity values (secondary porosity). In addition, fluid-rock interaction at those depths is very low.

Methods:
• Field work for coring the whole interval
• Set-up of the lab equipment in order to measure hydraulic properties applying the multi-step outflow method

Developed skills:
• Knowledge on soil physics, soil sampling and coring at shallow environments
• Able to describe different types of lithologies,
• Hands-on skills on lab characterizing bulk physical properties of soft and hard materials (specific surface area, particle size, porosity, pore zise distribution),
• Clay mineralogy (extraction, characterization),
• Hands-on skills using tools for mineral analysis such as XRD, optical microscope and SEM,
• Assembly of an unsaturated triaxial system and set up of a testing procedure for the measurement of hydraulic properties,
• Hands-on skills of GDS Software for controlling triaxial system,
• Hands-on skills using computer fitting tools for the optimization of hydraulic parameters (RETC and HYDRUS-1D),
• Capacity to solve problems using scientific approach in order to set up a planning research.

Keywords: Unsaturated zone - Hydraulic properties - Marl - Limestone - Clay-loamy soils - Unsaturated triaxial system

Source of funding: PIVOT O-ZNS

Period: October 2015 - March 2019

Scientific production (Article, Conference) :
Poster EGU 2018 : Measurement of Hydraulic Properties of Soils and Rocks using an Unconventional Triaxial System based on the Multistep Outflow Method