Dissolution des évaporites : formalisation et développement de modèles numériques bi & tri-phasiques
Résumé
Natural evaporite dissolution at sub-surface can lead to cavities having critical dimensions in the sense of mechanical stability resulting in natural hazards. Geomechanical effects may be significant for people and infrastructures since the underground dissolution may lead to subsidence or collapse (sinkholes). The knowledge of the cavity evolution in space and time is thus crucial in many cases. We describe the use of a local nonequilibrium Diffuse Interface Model (hereafter denoted as DIM) for solving dissolution problems involving multi-moving interfaces within two or three phases, i.e., solid-liquid-gas as found in superficial aquifers and karsts. On one hand, a local non-equilibrium dissolution porous medium theory allows to describe the solid-liquid interface as a diffuse layer characterized by the evolution of a phase indicator (e.g. porosity). On the other hand, the liquid-gas interface evolution is computed using a classical porous medium two-phase flow model involving a phase saturation, i.e., generalized Darcy’s laws. Such a DIM formulation is suitable for the implementation of a fi nite element or finite volume numerical model on a fixed grid without an explicit treatment of the interface movement. A numerical model has been implemented using a finite volume formulation with adaptive meshing (AMR: Adaptive Mesh Refinement), which improves the computational efficiency and accuracy significantly since fine gridding may be attached to the dissolution front.
La question scientifique motivant cette recherche concerne les risques naturels de cavités formées par dissolution au sous-sol. Elle porte sur la quantifi cation de l’évolution spatio-temporelle des vides souterrains créés par dissolution. Dans le cadre de l’analyse des risques induits par la présence de cavités souterraines, il est nécessaire de pouvoir estimer la vitesse à laquelle les cavités se créent et se développent. Les modèles numériques développés par l’INERIS ont pour vocation de quantifi er ces phénomènes. Les systèmes de dissolution naturelle dans le gypse ou dans les formations calcaires ou de sel sont concernés comme ceux des anciennes exploitations souterraines. Dans ce contexte, une meilleure connaissance de la physique de la dissolution et l’utilisation d’outils de modélisation spécifi ques peuvent permettre d’optimiser les méthodes d’exploitation. La dissolution n’est pas spécifi que au domaine souterrain, elle peut affecter les versants rocheux et induire des glissements de terrains ou des chutes de blocs. Les roches concernées ont la spécifi cité d’être plus ou moins solubles selon leur composition minérale et la nature des sollicitations hydrodynamique, chimique et climatique. La dissolution se traduit par un transport de masse et la création de vide au sein du milieu. L'INERIS s'est principalement intéressé au lessivage qui correspond à une dissolution de surface plus qu’à une dissolution matricielle qui elle affecte la matrice du solide poreux. Le lessivage modélisé se différencie de la suffusion où les cavités sont principalement formées par érosion mécanique.
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Sciences de la Terre
Origine : Publication financée par une institution