Gradients chimiques dans les systèmes hydrologiques : origine, dynamique et conséquences sur les réactions chimiques



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17/09 : soutenance de thèse de Charlotte Le Traon (Université de Rennes 1, Géosciences Rennes)

Charlotte Le Traon (Université de Rennes 1, Géosciences Rennes) soutient sa thèse, intitulée "Gradients chimiques dans les systèmes hydrologiques : origine, dynamique et conséquences sur les réactions chimiques", le vendredi 17 septembre 2021 à 14:30,

Devant le jury :


- Linda LUQUOT, Chercheur CNRS, Université de Montpellier (Géosciences Montpellier)
- Diogo BOLSTERProfessor,  University of Notre Dame (Civil & Environmental Engineering and Earth Sciences)

- Jean-Raynald DE DREUZYDirecteur de recherche, Université de Rennes 1 (Géosciences Rennes)
- Marie-Claire PIERRETProfesseure Associée, Université de Strasbourg (ITES)

- Tanguy LE BORGNEPhysicien  CNAP, Université de Rennes 1 (Géosciences Rennes)

- Camille BOUCHEZPhysicienne CNAP, Université de Rennes 1   (Géosciences Rennes)

Mots clés : Zone Critique ; Gradients chimiques ; Modélisation hydrogéologique ; Knickpoint ; Approche pluridisciplinaire ; Transport réactif ; Modélisation analytique ; Cinétiques de réaction non-linéaires ; Dilution 
Résumé : Les réactions chimiques souterraines jouent un rôle crucial dans la dynamique de la zone critique. La cinétique des réactions chimique est généralement déterminée à partir d’expériences dans un milieu homogène. Pourtant, le milieu naturel est caractérisé par des gradients chimiques multi-échelles qui pourraient avoir des conséquences majeures sur l’efficacité des réactions. Cette thèse porte donc sur l’origine, la dynamique et les conséquences des gradients chimiques sur les réactions.

Dans un premier temps, nous développons une approche pluridisciplinaire pour comprendre les mécanismes à l’origine d’un fort gradient géochimique observé le long d’une rivière au niveau d’une rupture topographique sur un bassin versant instrumenté en Guadeloupe (SNO OBSERA, OZCAR). Des mesures géophysiques, hydrologiques et géochimiques sont couplées avec un modèle hydrogéologique représentant les circulations profondes et l’altération des roches. Notre étude montre que l’altération active est limitée aux zones d’intersection des flux descendants et du front d’altération. La zone d’export est localisée dans les zones de convergence des flux ascendants.
Dans un deuxième temps, nous menons une étude théorique et numérique sur l’effet de l’évolution temporelle des gradients chimiques par diffusion sur la cinétique effective d’une réaction non-linéaire. Nous démontrons que la dynamique spatio-temporelle des gradients chimiques entraine des lois de cinétique effectives jusqu’à plusieurs ordres de grandeur supérieures ou inférieures aux cinétiques déterminées en milieu homogène, en fonction de l’ordre de la réaction. Une théorie analytique des cinétiques effectives est validée par des simulations numériques.
Ces travaux offrent de nouvelles perspectives pour observer et comprendre l’origine des gradients chimiques souterrains, et modéliser leurs effets sur les dynamiques réactives de la zone critique, par l’apport de nouveaux concepts de transport réactif.

KeywordsCritical Zone; Chemical Gradients; Hydrogeological Modelling; Knickpoint; Reactive Transport; Analytical Modeling; Non-Linear Reaction Kinetics; Dilution
Abstract: Subsurface chemical reactions play a crucial role in the dynamic of the critical zone. Geochemical reaction kinetics are generally estimated from experiments in homogeneous media. However, the natural environment is characterized by multi-scale chemical gradients, which could have major consequences on the reactions efficiency. This thesis therefore focuses on the origin, dynamics and consequences of chemical gradients on reactions.

First, we developed a multidisciplinary approach to understand the mechanisms behind a strong geochemical gradient observed along a river at a topographic break in an instrumented catchment in Guadeloupe (SNO OBSERA, OZCAR ). Geophysical, hydrological and geochemical measurements are coupled with a hydrogeological model , which represents deep circulations and the weathering of rocks. Our study shows that the depth of the hydrogeological circulation loops and the weathering front controls the river chemistry. This mechanism generates active weathering zones localized at the intersection of the descending flows and the weathering front. The export zone is located in the areas of convergence of upward flows.
Secondly, we carry out a theoretical and numerical study on the effect of the temporal evolution of chemical gradients by diffusion on the effective kinetics of a non-linear reaction. We demonstrate that the spatio-temporal dynamics of a chemical gradient leads to effective kinetic laws up to several orders of magnitude greater or less than the kinetics determined in a homogeneous medium, depending on the order of the reaction. An analytical theory of effective kinetics is validated against numerical simulations.
This work offers new perspectives to observe and understand the origin of subsurface chemical gradients, and to model their effects on the reactive dynamics of the critical zone, by providing new concepts of reactive transport.



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Charlotte Le Traon (Université de Rennes 1, Géosciences Rennes) / @