Multicomponent transport in porous media: application to the evolution of a carbonate system
Transport multicomposant en milieu poreux : application à l'évolution d'un système carbonaté
Résumé
This work deals with spatial-time evolution of a carbonate system due to transport and chemical processes. In this study, carbonate diagenesis is focused on calcitization, i.e. the aragonite to calcite transformation of Porites coral skeletons.
The comprehension of these phenomena is apprehended by a multi-field approach relevant from both geology (1) and porous media physics (2).
1. Geology - Various stages of calcitization are investigated in a series of Pleistocene and Holocene fossil corals, sampled in uplifted terraces of New-Caledonia, Wallis and Futuna, and Vanuatu (South-West Pacific). Diagenetic cements are observed and characterized at a fine scale by various imagery techniques (X Ray Diffraction, Optical Microscopy, Cathodoluminescence Imagery, Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, Electron Microprobe...) in order to discriminate the different phases of calcitization and to identify the involved mechanisms.
2. Porous media physics - With the aim explaining structural heterogeneities observed at the “thin section scale”, a model of multicomponent reactive transport is developed at the microscopic scale including the significant processes of the coral diagenesis (tracer diffusion, migration due to the species charge, adsorption/desorption, kinetic and/ or thermodynamic chemical reactions). Preliminary 1D direct simulations are presented and discussed in terms of the most significant microscopic processes for calcite cementation. This type of numerical experiments can be used as the basis of a tractable upscaling procedure, which allow taking into account additional parameters (in particular several scales of description...). This is illustrated for a digitized 3D sample of Porites subjected to an idealized process of reaction transport.
The comprehension of these phenomena is apprehended by a multi-field approach relevant from both geology (1) and porous media physics (2).
1. Geology - Various stages of calcitization are investigated in a series of Pleistocene and Holocene fossil corals, sampled in uplifted terraces of New-Caledonia, Wallis and Futuna, and Vanuatu (South-West Pacific). Diagenetic cements are observed and characterized at a fine scale by various imagery techniques (X Ray Diffraction, Optical Microscopy, Cathodoluminescence Imagery, Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, Electron Microprobe...) in order to discriminate the different phases of calcitization and to identify the involved mechanisms.
2. Porous media physics - With the aim explaining structural heterogeneities observed at the “thin section scale”, a model of multicomponent reactive transport is developed at the microscopic scale including the significant processes of the coral diagenesis (tracer diffusion, migration due to the species charge, adsorption/desorption, kinetic and/ or thermodynamic chemical reactions). Preliminary 1D direct simulations are presented and discussed in terms of the most significant microscopic processes for calcite cementation. This type of numerical experiments can be used as the basis of a tractable upscaling procedure, which allow taking into account additional parameters (in particular several scales of description...). This is illustrated for a digitized 3D sample of Porites subjected to an idealized process of reaction transport.
Ce travail concerne l'évolution au cours du temps d'un système carbonaté sous l'effet de phénomènes de transport et de processus chimiques. La diagenèse carbonatée étudiée ici est la calcitisation, i.e., la transformation en calcite de l'aragonite constituant le squelette des coraux du genre Porites. En effet, le corail, qui sécrète son squelette en environnement marin peut subir au cours de son histoire une évolution au milieu sub-aérien suite à l'émersion du récif. Le squelette aragonitique alors confiné dans les lentilles d'eau douce, caractéristiques des aquifères coralliens, devient métastable et peut, à terme, être totalement calcitisé.
La compréhension de ces phénomènes est appréhendée par une approche pluridisciplinaire qui relève à la fois de la géologie (1) et de la physique des milieux poreux (2).
1. Géologie - Différents stades de calcitisation sont investigués sur des coraux fossiles datés de l'Holocène et du Pléistocène échantillonnés sur les terrasses soulevées de Nouvelle-Calédonie, Vanuatu et Wallis et Futuna (Pacifique Sud-Ouest). Les produits de la diagenèse sont observés et caractérisés par différentes techniques d'analyses (Diffraction de Rayons X, microscopie optique, imagerie de cathodoluminescence, spectroscopie Raman, Microscopie Electronique à Balayage, microsonde électronique...) pour argumenter l'origine de la calcite néoformée et identifier les processus mis en jeu, notamment l'implication ou non d'une étape de transport.
2. Physique des milieux poreux - Les données expérimentales révèlent l'existence d'hétérogénéités structurales à l'échelle de la lame mince. Pour expliquer ces hétérogénéités, on développe, à l'échelle microscopique, un modèle de transport réactif multicomposant incluant les processus représentatifs de la diagenèse du corail (diffusion de type traceur, migration, adsorption/désorption, réactions cinétiques et /ou à l'équilibre). Des simulations numériques préliminaires 1D sont présentées et discutées pour évaluer l'importance relative des phénomènes intervenant dans la précipitation de la calcite. Ce type de simulations numériques peut servir de point de départ à une procédure de changement d'échelles, permettant d'intégrer des paramètres supplémentaires (notamment plusieurs échelles de descriptions...). Ceci est illustré à l'aide de la prise de moyenne volumique, dans le cas d'un échantillon 3D de Porites subissant un processus de transport réactif fortement idéalisé.
La compréhension de ces phénomènes est appréhendée par une approche pluridisciplinaire qui relève à la fois de la géologie (1) et de la physique des milieux poreux (2).
1. Géologie - Différents stades de calcitisation sont investigués sur des coraux fossiles datés de l'Holocène et du Pléistocène échantillonnés sur les terrasses soulevées de Nouvelle-Calédonie, Vanuatu et Wallis et Futuna (Pacifique Sud-Ouest). Les produits de la diagenèse sont observés et caractérisés par différentes techniques d'analyses (Diffraction de Rayons X, microscopie optique, imagerie de cathodoluminescence, spectroscopie Raman, Microscopie Electronique à Balayage, microsonde électronique...) pour argumenter l'origine de la calcite néoformée et identifier les processus mis en jeu, notamment l'implication ou non d'une étape de transport.
2. Physique des milieux poreux - Les données expérimentales révèlent l'existence d'hétérogénéités structurales à l'échelle de la lame mince. Pour expliquer ces hétérogénéités, on développe, à l'échelle microscopique, un modèle de transport réactif multicomposant incluant les processus représentatifs de la diagenèse du corail (diffusion de type traceur, migration, adsorption/désorption, réactions cinétiques et /ou à l'équilibre). Des simulations numériques préliminaires 1D sont présentées et discutées pour évaluer l'importance relative des phénomènes intervenant dans la précipitation de la calcite. Ce type de simulations numériques peut servir de point de départ à une procédure de changement d'échelles, permettant d'intégrer des paramètres supplémentaires (notamment plusieurs échelles de descriptions...). Ceci est illustré à l'aide de la prise de moyenne volumique, dans le cas d'un échantillon 3D de Porites subissant un processus de transport réactif fortement idéalisé.
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