Tanguy Le Borgne étudie les phénomènes réactifs dans les zones de rencontre des eaux souterraines

Que se passe-t-il précisément à l’interface de deux masses d’eau, de provenances différentes, lorsqu’elles entrent en contact ? Tanguy Le Borgne étudie ces fronts de mélanges réactifs dans le sol et les roches avec le soutien de l’Europe, qui en 2015 lui a alloué une subvention « ERC consolidator grant » pour cinq ans.

Tanguy Le Borgne et un doctorant de l'équipe-projet ERC - Photo : UR1/Dircom/JLB
  1. Un projet ambitieux
  2. Terrain, manips et modèles numériques
  3. Perspectives

Les eaux souterraines qui s’écoulent dans les pores du sol et les fractures des roches représentent environ 97% de l’eau douce liquide sur terre (en excluant la neige et la glace). Les rivières et les lacs ne constituent ainsi qu’une toute petite partie des masses d’eau continentales. Lors de son parcours, depuis son infiltration dans le sol, son écoulement dans les roches et sa résurgence dans les sources, les rivières, les lacs ou l’océan, l’eau souterraine subit une série de transformations, qui déterminent sa composition chimique : celle que l’on peut lire par exemple sur les étiquettes des eaux en bouteille.

Tanguy Le Borgne, enseignant-chercheur à l’université de Rennes 1 étudie plus particulièrement les fronts de mélange réactifs : ce sont des zones de convergence de ces eaux souterraines, où des nappes de différentes compositions se mélangent et réagissent entre elles. Les taux de réaction y semblent extrêmement élevés en comparaison au reste du milieu. Ces réactions chimiques localisées dans les fronts de mélange interviennent dans de nombreuses applications. Elles participent par exemple à l’amélioration de la qualité des eaux (suppression des nitrates) ou au piégeage des contaminants. Mais elles peuvent être également nuisibles au développement des centrales géothermiques, lorsque les biofilms bactériens colmatent les forages.



Depuis plusieurs années en effet, les chercheurs ont mis en évidence que ces réactions n’étaient pas purement chimiques, mais souvent également liés à des activités microbiennes. « Les opérations de géothermie consistent à injecter de l’eau froide dans un forage et à la pomper une fois réchauffée : or, des bactéries peuvent y proliférer, jusqu’à parfois boucher les installations », explique Tanguy Le Borgne. Que se passe-t-il ?

« Les eaux de pluie riches en oxygène s’infiltrent dans le sol, jusqu’à rencontrer une nappe ancienne, qui elle est pauvre en oxygène mais en riche en fer, par exemple. À la rencontre de ces deux eaux, on observe une prolifération de bactéries particulières : celles qui sont capables de faire réagir le fer et l’oxygène pour produire de l’énergie et fixer le carbone pour les autres micro-organismes ».


Ces fronts de mélanges forment ainsi des espèces d’oasis à bactéries (baptisés « hotspots ») qui peuvent être très localisés et extrêmement réactifs. Plus généralement, les fronts de mélange réactifs et les bactéries associées jouent un rôle important dans un grand nombre de réactions affectant les cycles du carbone, de l’azote et le devenir des contaminants dans l’environnement.

Un projet ambitieux

Tout est parti de deux progrès importants obtenus avec Yves Méheust (Géosciences / OSUR) et Hervé Tabuteau (IPR / OSUR) : les chercheurs étaient parvenus pour la première fois à visualiser un front de mélange réactif à très haute résolution au sein d’un milieu poreux.

« On supposait jusqu’alors que ces eaux, une fois mises en contact, se mélangeaient de manière diffuse et homogène lorsqu’elles circulaient à travers les pores de la roche. Or, ce n’est pas du tout le cas ! Nous avons observé au contraire que ces fronts de mélange présentent des structures filamentaires similaires à celles qui se développent dans des écoulements turbulents (la fumée, le lait dans le café par exemple). Cela veut dire que les modèles utilisés aujourd’hui pour la géothermie, la dépollution ou analyser les perspectives du piégeage du CO2 dans le sol sont obsolètes : ils donnent des prédictions qui peuvent être largement erronées. Il faut absolument les améliorer », indique Tanguy Le Borgne.

L’enjeu est de taille. Le projet ReactiveFronts porté par T. Le Borgne a été retenu par le Conseil européen de la recherche en 2015. Il lui est alloué une enveloppe de 2 millions d’euros sur cinq ans, à l’issue d’une compétition très rude. Pour le chercheur, ce sont les résultats obtenus en amont du projet, le riche environnement interdisciplinaire de l’OSUR où il s’est monté et le soutien de la plateforme projets européen de l’UBL qui expliquent sa sélection. Les fonds permettent de financer les salaires de trois doctorants et de deux postdoctorants, des décharges d’enseignement pour T. Le Borgne et Y. Méheust, ainsi que du matériel expérimental innovant.

L’ampleur des moyens alloués par l’Europe va de pair avec l’ambition du projet. En effet, l’étude des hotspots microbiens est seulement l’un des cinq piliers de ReactiveFronts.

Terrain, manips et modèles numériques

Pour monter le projet ReactiveFronts, T. Le Borgne a associé trois approches souvent utilisées séparément : l’observation de terrain, l’imagerie expérimentale en laboratoire et le travail de modélisation sur ordinateur. « Dans le monde, en hydrologie, il n’y a guère qu’à l’OSUR de Rennes que l’on puisse allier un tel éventail d’approches dans un seul projet », souligne le chercheur.

Le terrain

Côté terrain, le projet se fonde sur le réseau de forages expérimentaux H+, développé depuis 15 ans en France, que T. Le Borgne coordonne actuellement avec deux collègues : Olivier Bour et Cédric Champollion. Sur le site de Ploemeur par exemple, à l’aide d’une caméra introduite dans des forages d’une centaine de mètres, il a observé qu’à certaines profondeurs précises les bactéries profilèrent en très grand nombre, tandis qu’à d’autres on ne voit plus rien. L’hypothèse est que ces hotspots se localisent dans des zones de mélange très actives, où l’on observe la rencontre de concentration très fortes d’oxygène et de fer dissous (forts gradients de concentration). L’un des enjeux du projet ReactiveFronts est de prédire à quelle profondeur et avec quelle intensité se développent ces hotspots, en fonction des écoulements et des types de sols et de roches.

En laboratoire

Pour améliorer ces modèles, Tanguy Le Borgne explore actuellement l’analogie entre les écoulements dans les sols et les écoulements turbulents, en collaboration avec une l’équipe d’Emmanuel Villermaux à Marseille.

Dans le laboratoire d’expérimentation en hydrologie, coordonné par Yves Méheust, les doctorants et chercheurs de l’équipe ERC ont mis au point un dispositif expérimental beaucoup plus avancé que les prototypes initiaux. À l’échelle du centimètre, il est possible d’y rendre les grains et le fluide transparents : on visualise alors pour la première fois en 3D la structure filamentaire des panaches visualisé par des traceurs colorés, sur laquelle se fonde l’analogie avec les écoulements turbulents.

Cette maquette 3D ne permet pas l’étude directe des bactéries dans les écoulements. Pour cela, l’équipe emmenée par T. Le Borgne a construit un autre dispositif, à l’échelle du micron (celle des bactéries). Celui-ci recourt à de nouvelles techniques d’imagerie microfluidique développée avec Hervé Tabuteau de l’IPR pour étudier les bactéries au sein des écoulements en collaboration avec Alexis Dufresne du laboratoire ECOBIO. Sous microscope, il devient possible de former un double gradient d’oxygène et de fer dissous, qui recrée les conditions existantes dans le hotspot microbien observé dans le forage de Ploemeur. Les premiers résultats arrivent, et ils sont très prometteurs.

Modélisation

L’objectif ensuite sera de combiner les observations de terrain, les expériences d’écoulements 3D et l’imagerie microfluidique pour construire un modèle numérique intégrant toutes ces données.

« Enfin, nous testerons nos résultats de simulation sur le terrain en mettant en œuvre des expériences de traçage réactif : nous injectons des traceurs dans les forages et nous mesurons leur dispersion et leur réactivité soit par mesure directe dans les forages, soit par de nouvelles techniques d’imagerie géophysique, où l’on scanne le milieu un peu comme en imagerie médicale », indique T. Le Borgne.

Perspectives

Mieux comprendre dans quelles conditions se développent ces réactions aidera à termes les ingénieurs à gérer les ressources en eau et en énergie. De même, les modèles élaborés dans le projet pourront permettre à terme de mieux prédire les phénomènes impliqués dans la séquestration géologique du CO2, une des solutions actuellement envisagées pour freiner le changement climatique.