Tâche 8.1: Mesure in situ à haute fréquence des gaz dissous

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Mesure in situ à haute fréquence des gaz dissous (O2, N2, H2, Ar, Ne, He, Xe, Kr, CH4, CO2, N2O) dans les eaux : Physique et réactivité biogéochimique des écoulements

 

Le Work Package 8.1 « Gas dissous » repose sur le développement de mesures in situ des gaz dissous dans les eaux souterraines et les eaux de surface. En effet, ces traceurs permettent de calculer les paramètres physiques de la recharge de ces eaux (gaz nobles Ne, Ar, He, Xe, Kr), d’estimer la réactivité biogéochimiques des eaux par la mesure des concentrations en O2, CO2, CH4, H2, N2O, et N2 notamment et enfin d’estimer le temps de résidence de l’eau dans les milieux naturels (sous-sol, lacs, rivières) par l’âge Hélium (4He).

Le développement des instruments de mesure novateurs doit répondre aux critères suivant :

  • Haute fréquence d’analyse (1 mesures par seconde/minute)
  • Mesure long terme (quelques jours à quelques semaine/mois)
  • Mesures in situ en forage  (100m) et dans les eaux de surface
  • Stabilité de la mesure dans le temps
  • Précisions équivalentes aux mesures en laboratoire
  • Calibrations régulières sur site

Le choix technique s’est porté sur la spectrométrie de masse (Figure 1), qui permet d’identifier un composé gazeux par sa masse molaire, couplée à une membrane de diffusion, qui permet d’extraire en continu les gaz de l’eau (1 mesure toutes le 2 seconde !).

Membrane inlet mass spectrometer principle, WP8

Membrane inlet mass spectrometer principle

Equipement configuré pour l’hydrogéologie

La société Hiden Analytical a répondu à notre besoin en optimisant le choix de la membrane d’extraction ainsi qu’en améliorant  la robustesse de l’équipement pour son utilisation sur site (résistance aux chocs et vibrations). L’équipement acquis est un « Membrane Inlet mass spectrometer – MIMS (figure 2) ». Cet équipement, déjà présent dans le domaine de l’océanographie (Tortell et al, 2005), a donc été configuré pour nos besoins en hydrogéologie.

Développement technique et la validation des procédures de dosage

Le développement technique et la validation des procédures de dosage sont réalisés dans le cadre de la Thèse d’Eliot Chatton (Figure 2). La difficulté repose sur la calibration juste de chaque gaz, qui parfois interfère par leur masse (CO2 =N2O en masse molaire). Ce développement s’est appuyé sur le savoir-faire de la Plateforme CONDATE-EAU de l’OSUR de Rennes, qui depuis 13 ans développe des méthodes de mesure des gaz dissous dans les eaux souterraines (https://condate-eau.univ-rennes1.fr/).

Expériences sur site 2015-2016

  • Traçage gazeux  et de chaleur entre forages sur le site H+ de Ploemeur
  • (thèse de J Bondet de la Bernardie et d’Eliot Chatton) – Figure 4
  • Traçage conservatif et réactif entre forages dans le cadre du Projet Stock en Socle –thèse d’Eliot Chatton
  • Réalisation de profiles de gaz dissous en forage sur le site H+ de Ploemeur et de Betton – thèse d’Eliot Chatton (Figure 3).
  • Traçage multigaz sur le site de Beaulieu afin d’identifier les paramètres géologiques du milieu (perméabilité, porosité, transmissivité)
  • Traçage réactif et conservatif en rivière (ZA Pleines-Fougères)

Fig.4

WP8.1, gas tracing

Figure 4 : Results of a gas tracing test between two wells on Ploemeur hydrogeological site H+

Un instrument unique en France…

Le projet CRITEX a donc permis l’acquisition et le  développement d’un instrument unique en France et innovant pour les analyses de gaz dissous dans les eaux. Cet outils est et sera à n’en pas douter à l’origine de nombreuses publications scientifiques et permettra d’améliorer les connaissances en hydrogéologie.

Publications

2016

 

Colloques

Real time in situ dissolved gases monitoring in groundwater by CF-MIMS for hydrogeology , Labasque T, Chatton E, Aquilina L (Flash oral presentation et Poster)

Quantification of coupled fluid flow and reactive transport using a dissolved gas tracer tests in a fractured media, Chatton E, de La Bernardie J, Boisson A, Labasque T, Guillou A, Koch F, Aquilina L (Poster)

Real time in situ dissolved gases monitoring in groundwater by CF-MIMS for hydrogeology , Labasque T, Chatton E, Aquilina L

Mesure en continu et in situ des gaz dissous pour l’étude de la zone critique, Chatton E, Labasque T, Aquilina L

Responsables du WP : Luc Aquilina, Thierry Labasque

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